基于ATmega16单片机的简易秒表的设计与制作

摘 要： 在体育竞技等场合中，要经常用到秒表，提供一种简易秒表的设计与制作，使用这种方案制作的秒表，定时准确，定时精度最高可达到微秒级别，通过按下按键可以将显示时间停止在当前状态，按下另一按键还可以继续进行计时。

关键词： 秒表；Atmega16；定时器/计数器

中图分类号：S241 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210059－01

0 前言

秒表是一种常用的测时仪器，常规的秒表的制作方法有两种，一种是采用电子电路搭建而成，这种电路的搭建需要制作者具有一定的模拟和数字电子电路基础，另外这种秒表的定时时间范围较为固定。还有一种方法就是使用智能芯片，通过编程来实现定时功能，从而实现秒表的制作。这种方法制作的秒表，可以通过软件更改程序参数灵活的调节定时范围及定时精度，使用较为灵活，且简单易懂。本文采用AVR单片机作为主控芯片，配以相应的电路，实现简易秒表的设计与制作。

1 硬件电路设计

本系统的硬件构成主要有单片机的主控模块、显示模块以及主令模块。主控模块以ATmega16单片机为控制核心，配以最小工作系统必要的电路，如复位电路、晶振电路、电源电路等；显示模块采用5个LED数码管，主要用于定时显示，显示内容为“秒值-百分之N秒”；主令模块主要由按键组成，以实现系统的人机交互功能。

其系统组成如图所示。

简易秒表系统框图

1.1 ATmega16单片机。ATmega16单片机的美国Atmel公司生产的AVR系列单片机的高档产品之一，是一款基于AVR RISC的低功耗COMS的8位高性能单片机。通常在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega16可以取得接近1MIPS/MHz的性能，在功耗和执行速度之间取得平衡[1]。同时，该型号单片机采用Flash技术，具有在线编程功能，调试系统非常方便，程序的存储空间达16k字节，I/O口均可进行位寻址。该单片机有TQFP封装和PDIP封装两种封装形式。其中PDIP双列直插封装由于焊装简单而被初学者广泛使用。ATmega16单片机具有PA、PB、PC和PD共4个8位的并行I/O口，每个接口除了都可以作为普通的输入输出接口使用。

1.2 晶振电路。单片机要工作必须配有晶振电路以产生时钟脉冲。ATmega16单片机的时钟晶振最高可达到16MHz，可产生精确到μs级的时隙，方便定时操作。晶振电路是在单片机的XTAL1和XTAL2引脚之间，接入石英晶体和微调电容，配合单片机内部的放大电路，产生时钟脉冲信号。单片机内部定时器的计数对象就是这个频率恒定的脉冲。

1.3 电源与复位电路。ATmega16单片机的工作电压是4.5～5.5V的直流电源，复位电路是在复位引脚接入复位按钮，按下该按钮，将复位引脚加到低电平上，实现复位功能。

1.4 数码管电路。数码管由8个发光二极管组成，因此也称为8段数码显示器。数码管中的8个发光二极管有共阴极和共阳极两种连接方法。共阳极接法是把8个发光二极管的阳极连在一起构成一个公共的阳极。共阴极接法是把8个发光二极管的阴极连在一起构成一个公共的阴极[2]。为了在数码管上显示数字或符号，必须给LED提供合适的字形代码，使发光二极管按给定的组合发光。实际应用的数码管显示器都具有较多的个数，常用的控制方法有两种，一种是采用单片机的并行接口动态扫描显示，还有一种是采用专用的数码管显示驱动芯片进行串行口控制。对比来说，并行接口控制动态扫描显示方法较为简单，尤其适用于单片机外部设备不多的场合下，初学者使用更为容易掌握。本方案中就采用简单易懂的并行接口控制。将5个数码管的字形控制端接在一起连接到单片机的PA接口上，各字位控制端单独引出接在单片机的PB口上。

1.5 按键的处理。按键电路设计较为简单，与单片机的PD接口的PD2和PD3引脚上。不按下按键时，单片机对应引脚上接的是高电平，按下按键时，单片机引脚接入低电平。通过判断引脚状态既可以检测按键的工作状态，从而选择执行对应的功能。

2 软件设计

定时控制在单片机中常用方法主要有两种，一是采用循环执行语句进行延时，但这种延时是不精确的，误差较大。另一种就是使用单片机内部的定时器/计数器进行精确定时。在ATmega16单片机中有3个定时器/计数器，分别是T/C0、T/C1和T/C2。其中T/C0和T/C2是两个8位的定时器/计数器，T/C1是16位的定时器/计数器。位数不同就决定了它们的计数范围不同，对于8位的T/C，计数范围是0～255，而16位的T/C计数范围是0～65535。可以根据具体的应用场合，选择合适的定时器/计数器。本方案中使用8位定时器/计数器T/C0，采用溢出中断方式进行工作，实现0.01秒和秒的定时。程序流程如图所示：

参考文献：

[1]彭同明、徐学勤编，《单片机原理及应用》，中国电力出版社.

[2]许红兵，《单片机应用技术》，中国电力出版社.