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1、.第一章 课题综述1.1 课题背景 速度素质是指人体进展快速运动的能力，即在单位时间内迅速完成某一动作或通过某一距离的能力。反响速度是指人体对刺激发生反响的快慢。从生理机制分析，反响快慢取决于“反射弧的五个环节：感受器传入神经神经中枢传出神经效应器。下面以MCS-8051单片机为核心，设计出测试人体反响速度的仪器用以测试人的反响时间。我们学习的是单片机理论知识，而课程设计那么是对我们学习的理论知识的实践和稳固。1.2 设计要求 基于MCS-8051单片机的人体反响速度测试仪设计要求如下： 1.按下“开场按钮，红灯亮，按钮一直保持按下状态。 2.红灯持续点亮一段随机时间，然后熄灭，灯熄灭时人松开
2、按钮。 3.计算灯熄灭的时间和按钮被松开的时间之差，显示出来。 4.假设测试者在红灯熄灭之前松开按钮，那么显示出错信息。1.3 面对的问题 1.对MCS-8051单片机的了解和应用。2. 对八段数码管的特性的了解和使用。1.4 需解决的关键技术课题主要通过控制红灯的状态，通过测试按钮的状态来间接计算人体反响速度。要了解每一段数码管与MCS-8051单片机的连接，数码管显示数字的段码，各个芯片的输入输出关系，单片机内部定时器的原理与控制，必须通过查阅资料确定。必须了解数码管显示器的显示原理。第二章 系统分析2.1 涉及的根底知识通过学习和查阅资料，本课题需要掌握和了解如下知识：1.MCS-805
3、1单片机各输入输出端口的功能特性。2.MCS-8051单片机复位电路工作原理及设计。3.MCS-8051单片机晶振电路工作原理及设计。4.测试按钮、测试灯电路设计。5.驱动器74LS244、反相器74LS04的特性及使用。6.数码管显示器的特性及使用。7.MCS-8051单片机引脚。8.单片机内部定时器原理及使用。9.单片机C语言及程序设计。2.2 MCS-8051单片机简介 随着超大规模集成电路技术的开展，在一个集成电路芯片上集成了中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、各种I/O接口等，构成了一个计算机，称为单片机。也就是说，单片机是集成在一块集成电路芯片上的计算
4、机。单片机以其较高的性价比、较高的集成度、较高可靠性、较强控制功能以及低电压、低功耗、偏于携带等优点收到广阔用户的青睐。MCS-51系列单片机以其典型的构造和完善的总线专用存放器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富指令系统，堪称为一代“名机，为以后的其他单片机开展奠定了根底。MCS-51系列单片机具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此应用非常广泛，直到现在MCS-51系列单片机仍为单片机中的主流机型，也是高档单片机的根底。8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制存放器、4KB的程序存储器、128字节
5、的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/ 计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。8051中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便的控制和使用其功能，使得它的应用X围加大，可以说它可以满足绝大局部的应用场合。2.3 MCS-8051单片机引脚图MCS-8051单片机采用40条引脚的双列直插式封装，引脚配置如图21所示。单片机电源引脚接入单片机的工作电源：VCC引脚接+5V电源，VSS引脚接地。 单片机时钟由引脚XTAL1和XTAL2接外部时钟配置电路组成。 单片机复位，当振荡器运行时，在RST引脚加上两个机器周期的高电平使单片机复位。MCS-8051单片机具有4个8位的输入/
6、输出口，P0、P1、P2和P3口。 P0口是双向8位三态I/O口，此口常作为地址总线低8位及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。P1口是8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。P2口是8位准双向I/O口，常作地址总线高8位使用，可驱动4个LSTTL负载。 P3口是8位准双向I/O口，为双功能复用口，可驱动4个LSTTL负载。2.4 数码管显示器2.4.1 数码管显示器的特性1.发光响应快，亮度强，高频特性好；而且随着材料的不同，数码管还能发出红、黄、绿、蓝、橙等多种颜色的光。图21 MCS-8051单片机引脚图2. 机械性能好，体积小，重量轻，价格低廉；能与S和TTL电路配合使用；
7、使用寿命长。3. 工作电压低，驱动电流适中。每段电流为510mA，一只数码管的8段LED全亮需要电流3570mA。这样打的电流需要由驱动电路提供，因此，使用时要注意数码管的驱动问题。在使用中，为了给发光二极管加驱动电压，他们应有一个公共的引脚，公共的引脚有如下两种方法：一、共阴极接法。把发光二极管的阴极连接在一起构成阴极公共引脚，使用时公共引脚接地，这样阳极引脚上加高电平的发光二极管就导通点亮，而加低电平的那么不亮。二、共阳极接法。把发光二极管的阳极连接在一起作为阳极公共引脚，使用时阳极公共引脚接+5V。这样阴极引脚上加低电平的发光二极管即可导通点亮，而加高电平的那么点不亮。本课题采用SR41
8、0561K四位一体数码管，为共阳极接法，位选信号位高电平有效，段码信号为低电平有效。2.4.2 数码管的显示原理 并排使用的多位数码管组成数码管显示器。数码管显示器多采用动态显示方式，全部数码管共用一套段码驱动电路，各位数码管的同段引脚短接后再接到对应段码的驱动线上。显示时通过位控制信号采用扫描的方法逐位地循环点亮各位数码管。动态显示虽然在任一时刻只有一位数码管被点亮，但是由于人眼具有的视觉残留效应，看起来与全部数码管持续点亮的效果完全一样。 数码管显示器的动态显示需要为各位提供段码以及相应的位控制，此即通常所说的段控和位控。把数码管显示器段码表预先存放在存储器中，使用时通过查表就可以得到段码
9、。段码输出后送到公共端码线上，也可称为段控信号。而通过并行口输出的相互独立的位码那么是起选通作用的，也称位控活扫描信号，用于选择显示位。动态显示具有硬件简单，功耗低和显示灵活性强等优点。但动态显示增加了驱动软件的复杂性，且显示亮度较低。2.4.3 数码管显示器段码SR410561K四位一体数码管采用共阳极接法，单个数码管如图22所示。图22 八段数码管那么数码管段码如表21所示。表21 数码管段码显示数字Dp g f e d c b a段码011000000c0111111001f9210100100a4310110000b04100110019951001001092610000010827
10、11111000f88100000008091001000090A1000100088b1000001183C11000110c6d10100001a1E1000011086F100011108e2.5 定时器2.5.1 定时器工作原理 在MCS-8051单片机内集成了两个16位的定时器/计数器T0和T1，其根本工作原理是加1计数，即对指定的脉冲信号进展加1操作，直到出现溢出为止。当T0和T1作为定时器使用时，其计数脉冲信号取自单片机内部的时钟信号，每个机器周期产生一个计数脉冲，使计数器加1。T0和T1分别有两个8位的计数器组成，其中T0由特殊功能存放器TH0与TL0组成，而T1那么由特殊功能
11、存放器TH1与TL1组成。这四个存放器用来存储定时或计数使用的初值，所以也被称为时间常数存储器。特殊功能存放器TMOD和TCON完成对定时器/计数器的控制功能。2.5.2 定时器的控制MCS-8051单片机的定时功能是由特殊功能存放器TH0,TL0,TH1,TL1,TMOD和TCON完成的。 特殊功能存放器TMOD用于确定定时器的工作方式，格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0其中，前4位用于控制T1的工作方式，后四位用于控制T0的工作方式。本课题仅使用T1作为定时器，选择工作方式为方式1，即为选择T1为16为定时器。那么TMOD的值应设置为00
12、010000B，即TMOD=0x10。 特殊功能存放器TCON用于用于控制定时器的启动和停顿技术，同时包含了定时器的状态，可进展位寻址。格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 本课题中用到的控制位有TI的控制位TR1和TF1，无需中断控制。TR1为T1运行控制位，假设TR1=1，允许T1计数，假设TR1=0，制止T1计数。TF1为T1计数溢出标志值，当T1被允许计数后，T1从初值开场加1计数，最高位产生溢出时，TF1由硬件置1，TF1的信息可由软件查询。2.5.3 定时器初值的设定 本课题中，设置初值使T1的定时周期为1ms。当红灯熄灭后，定
13、时器开场工作，每1ms定时器产生一次溢出，使数码管要显示的反响时间以毫秒为单位加1，到达使数码管显示人体反响时间的目的。T1采用工作方式1定时，时钟频率采用6MHz，那么计数初值： x=216-6106110-3/12=65536-6000/12=65036化为二进制x=01100B，那么计数初值应为TH1=0xfe ,TL1=0x0c。第三章 总体方案设计3.1 总体方案数码管的显示电路中采用动态数码管显示。采用MCS-8051单片机的P0端口P0.0P0.7端口控制段码，低电平有效。P2.0P2.3端口控制4位数码管的位选择，高电平有效。P2.3端口控制第1个数码管，P2.2端口控制第2个
14、数码管，P2.1端口控制第3个数码管，P2.0端口控制第4个数码管)。各个数码管的段码都是P0端口的输出，即各个数码管输入的段码都是一样的，为了使其分别显示不同的数字，可采用动态扫描的方式，即先只让最低位显示，经过一段延时，再只让次低位显示，以此类推。由于视觉暂留，只要延时时间足够短，就能够使得数码的显示看起来非常稳定清楚。3.2 功能模块框图 人体反响速度测试仪的功能模块框图如图31所示。硬件电路由MCS-8051单片机、电源电路、测试按钮和测试灯电路、晶振电路、复位电路、驱动电路、反相电路以及数码管显示电路组成。 电源电路测试按钮和测试灯电路数码管显示电路MCS8051 单片机 复位电路
15、驱动电路 反相电路 晶振电路 图31 人体反响速度测试仪功能模块框图第四章 系统硬件设计4.1 硬件连接图4.1.1 测试按钮与测试灯电路MCS-8051单片机的P1.0端口控制一个发光二极管，即为测试红灯。发光二极管加限流电阻接+5V电源，当单片机的P1.0端口输出低电平时，红灯亮，输出高电平时，红灯灭。P1.1端口接“开场按钮，按钮另一端接地。假设按钮按下，那么P1.1口输入低电平，否那么输入高电平。4.1.2 数码管显示电路数码管采用SR410561K四位一体数码管。MCS-8051单片机的P0口的8个端口P0.0P0.7控制数码管的八段数码显示。P0口8位输出经限流电阻接入到数码管显示器的段码端口。数码管采用共阳极接法
