電子設(shè)計綜合訓練之作息時間控制器

1、 . . PAGE- 1 - / NUMPAGES26 . . 電子設(shè)計綜合訓練之作息時間控制器 日期：理工大學電子設(shè)計綜合訓練報告題目 作息時間控制器姓 名：學 號：專業(yè)班級：指導老師：所在學院：電氣工程與自動化學院2010年11月日摘要本作息時間控制器系統(tǒng)以單片機（AT89S52）硬件為基礎(chǔ)，通過單片機軟件設(shè)計基本能夠?qū)崿F(xiàn)對學校作息時間的控制的一個模型。通過改變單片機程序能夠靈活改變冬、夏季作息時間，同時能夠?qū)崟r顯示時間。此控制器模型設(shè)置了手動按扭，可以方便對實時顯示時間的整分、時、進行校準與對定時時間（作息時間）的調(diào)整。該作息時間控制系統(tǒng)主要用于學校，對于以24小時為周期的開關(guān)量進行自動

2、控制。根據(jù)預先設(shè)定好的作息表，當作息時間到達時能進行到自動啟?？刂齐娐?，完成對外部設(shè)備的控制如：蜂鳴器、閃爍燈等。在設(shè)計該作息時間控制器時，主要應用單片機部的兩個定時計數(shù)器TR0、TR1分別實現(xiàn)實時時鐘和4位七斷顯示器顯示時間的功能。兩個定時計數(shù)器都采用中斷的方式，定時計數(shù)器TR0對秒進行計數(shù)，TR1用于定時掃描數(shù)碼管。按鍵KEY1、KEY2分別用來調(diào)整小時和分鐘，按鍵KEY3用來進行功能切換，KEY4用來切換作息時間。發(fā)光二極管LED1的閃動用來對秒的計數(shù)，蜂鳴器用來進行到時提示。通過對軟件的精心設(shè)計，此作息時間控制模型能夠準確的顯示實時時間，并且具有較為精確的控制時間，系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性

3、和抗干擾能力。通過用上術(shù)按鍵實現(xiàn)對單片機的控制，體現(xiàn)出系統(tǒng)操作簡單、可執(zhí)行性強。由于用單片機與外圍簡單部件實現(xiàn)，從而使成本大大縮減。關(guān)鍵詞 作息時間控制器 單片機（AT89S52） 自動控制目錄1 概述 1.1功能描述 1.2設(shè)計的主要容2 系統(tǒng)總體方案與硬件設(shè)計 2.1系統(tǒng)總體方案2.2 硬件設(shè)計（要求：每個電路的設(shè)計過程）2.2.1 單片機與存儲器選擇2.2.1 時鐘與復位電路的設(shè)計2.2.2 LED顯示電路設(shè)計2.2.3 按鍵電路設(shè)計2.2.4 蜂鳴器電路設(shè)計3 軟件設(shè)計（每個程序要有流程圖和功能說明） 3.1主程序設(shè)計 3.2 LED動態(tài)顯示子程序設(shè)計3.3時鐘計時子程序設(shè)計3.4鍵盤

4、判斷與處理子程序設(shè)計4 Proteus軟件仿真4.1 Proteus軟件仿真步驟 4.2 仿真過程中出現(xiàn)的問題與解決的方法5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 軟件調(diào)試5.2 硬件調(diào)試5.3 軟硬聯(lián)調(diào)6課程設(shè)計體會參考文獻附1：系統(tǒng)原理圖（計算機出圖）1概述科技的進步需要技術(shù)不斷的提升。一塊大而復雜的模擬電路花費了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。而現(xiàn)在，只需要一塊幾厘米見方的單片機，寫入簡單的程序，就可以使您以前的電路簡單很多。相信您在使用并掌握了單片機技術(shù)后，不管在您今后開發(fā)或是工作上，一定會帶來意想不到的驚喜。基于單片機的定時和控制系統(tǒng)在許多行業(yè)都有著廣泛的應用，而作息時間控制系統(tǒng)是其中最具有代表

5、性的例子?；趩纹瑱C系統(tǒng)的作息時間控制電路中，除了基本的單片機系統(tǒng)和外圍電路外，還需要外部的控制和顯示裝置。在本系統(tǒng)過按鍵的開關(guān)作為輸入裝置，用LED七段數(shù)碼管作為顯示裝置。從而可以大大的降低成本，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作、控制。1.1功能描述本作息時間控制系統(tǒng)可以完成如下功能：可調(diào)整的24小時時鐘。當時鐘正常運行時，不允許調(diào)整時鐘。在時鐘運行時，以4位數(shù)碼管的高2位顯示小時，低2位顯示分鐘，發(fā)光二極管每秒閃爍一次，表明時鐘的運行。需要調(diào)整時間時，發(fā)光二極管停止閃爍，此時通過按鍵實現(xiàn)時間的調(diào)整。理工大學作息時間表如下：夏季作息時間表：冬季作息時間表：07：5008：00 預備07：5008：0

6、0 預備08：0008：50 第一節(jié)課08：0008：50 第一節(jié)課09：0009：50 第二節(jié)課09：0009：50 第二節(jié)課10：1011：00 第三節(jié)課10：1011：00 第三節(jié)課11：1012：00 第四節(jié)課11：1012：00 第四節(jié)課14：5015：00 預備14：2014：30 預備15：0015：50 第五節(jié)課14：3015：20 第五節(jié)課16：0016：50 第六節(jié)課15：3016：20 第六節(jié)課17：0017：50 第七節(jié)課16：3017：20 第七節(jié)課18：0018：50 第八節(jié)課17：3018：20 第八節(jié)課19：2019：30 預備18：5019：00 預備19：3

7、020：20 第九節(jié)課19：0019：50 第九節(jié)課20：3021：20 第十節(jié)課20：0020：50 第十節(jié)課2 系統(tǒng)總體方案與硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)分析：基于單片機系統(tǒng)的作息時間控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。該系統(tǒng)主要包含輸入控制電路、晶振復位電路、LED顯示電路等外圍電路組成。晶振、復位電路 LED顯示單片機 輸入控制蜂鳴器報警圖2-1 作息時間控制系統(tǒng)的功能模塊系統(tǒng)的功能劃分：硬件功能：按鍵輸入控制電路、晶振、復位電路、LED顯示器段碼驅(qū)動電路、LED顯示器位碼驅(qū)動電路、4位LED顯示電路、蜂鳴器電路都是有硬件功能來實現(xiàn)。軟件功能：LED動態(tài)顯示、時鐘計時、按鍵判斷和處理

8、都是有軟件功能來實現(xiàn)。機型器件選擇：單片機采用AT89S52型號、輕觸按鍵、發(fā)光二極管、4位七段LED數(shù)碼管（共陰極）、蜂鳴器。2.2 硬件設(shè)計基于單片機的作息時間控制器其硬件電路方框圖如圖2-2所示。有圖可知，硬件電路有8個部分組成，即單片機按鍵輸入電路、單片機時鐘電路、復位電路、LED顯示器段碼驅(qū)動電路、LED顯示器位碼驅(qū)動電路、4位LED顯示電路、蜂鳴器電路。單片機4個按鍵輸入電路時鐘電路復位電路蜂鳴器電路LED顯示器段碼驅(qū)動電路LED顯示器位碼驅(qū)動電路4位LED顯示電路圖2-2 作息時間控制器硬件方框圖2.2.1 單片機與程序存儲器選擇由于完成該系統(tǒng)功能的程序不會超過8KB，而AT89

9、S52部有8KB的FLASH存儲器，因而不需外擴程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。AT89S52的引腳排列與功能見圖2-3所示。89S52引腳功能介紹VCC +5VGND 地ALE 地址鎖存允許/PSEN 程序存儲器允許EA/VPP為0訪問外部程序存儲器為1訪問部程序存儲器RST復位信號輸入XTAL1、XTAL2 外部晶振P0.0P0.7 I/O端口（P0口）P1.0P1.7 I/O端口（P1口）P2.0P2.7 I/O端口（P2口）P3.0P3.7 I/O端口（P3口）2.2.2 時鐘與復位電路的設(shè)計單片機工作的時間基準是有時鐘電路提供的。在單片機的XTAL1和XTAL2兩個引腳，接一只晶振與兩只電容

10、就構(gòu)成了單片機的時鐘電路，如原理圖所示。電路中，電容C4和C5對晶振頻率有微調(diào)作用，通常的取值圍為（3010）pF。石英晶體選擇12MHz，選擇不同的石英晶體，其結(jié)果只是機器周期不同，影響計數(shù)器的計數(shù)初值。單片機的復位方式有上電自動復位和手動復位兩種。本設(shè)計系統(tǒng)采用上電自動復位和手動復位組合電路，如原理圖中單片機的RST引腳連接R1（）、C3（10），按鍵S2可以選擇專門的復位按鍵，也可以選擇輕觸開關(guān)。只要Vcc上升時間不超過1ms，它們都能很好的工作。LED顯示電路設(shè)計單片機應用系統(tǒng)中，通常都需要進行人機對話，這包括人對應用系統(tǒng)的狀態(tài)干預與數(shù)據(jù)輸入，以與應用系統(tǒng)向人們顯示運行狀態(tài)與運行結(jié)果等

11、。LED顯示電路由段驅(qū)動電路和位驅(qū)動電路組成。由于單片機的并行口不能驅(qū)動LED顯示器，必須采用專門的驅(qū)動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動電路能力差，即負載能力不夠，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負荷下運行容易損壞。LED顯示器的顯示控制方式分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種，若選擇靜態(tài)顯示，則LED驅(qū)動器的選擇較為簡單，只要驅(qū)動器的驅(qū)動能力與顯示器的電流相匹配即可，而且一般只需考慮斷的驅(qū)動；動態(tài)顯示則不同，由于一位數(shù)據(jù)的顯示是由段和位選信號共同配合完成的，因此，要同時考慮段和位的驅(qū)動能力，而且段的驅(qū)動能力決定位的驅(qū)動能力。本系統(tǒng)采用并行驅(qū)動動態(tài)顯示。采用單片機P2口的

12、低4位作為LED的位碼輸出信號，P0口作為段碼輸出信號。該驅(qū)動電路如原理圖所示，P0口作為段碼輸出信號需外接上拉電阻。圖2-3為4位共陰極數(shù)碼管帶時鐘的引腳圖圖2-3 4位共陰極數(shù)碼管帶時鐘的引腳分布4位共陰極數(shù)碼管帶時鐘的引腳分布，正面逆時針方向依次為112。段碼引腳連線為 A-11 B-7 C-4 D-2 E-1 F-10 G-5 D5-3 D6-3位碼引腳連線為 DIG.1-12 DIG.2-9 DIG.3-8 DIG.4-6按鍵電路設(shè)計作息時間控制器系統(tǒng)在工作時應具備兩項基本功能：一是隨時改變定時（作息時間）時間；二是隨時對當前時間進行調(diào)整。要實現(xiàn)這一功能，可以接入鍵盤輸入電路。鍵盤結(jié)

13、構(gòu)可以分為獨立式鍵盤和行列式鍵盤（矩陣式）兩類，本系統(tǒng)只需4個按鍵，因此選擇獨立式按鍵。如原理圖所示，電路有4按鍵組成，按鍵采用輕觸開關(guān)，分別命名為KEY1、KEY2、KEY3、KEY4。KEY1和KEY2配合完成對時間的調(diào)整，KEY3實現(xiàn)功能切換，KEY4實現(xiàn)查看作息時間。蜂鳴器電路設(shè)計設(shè)計要求定時時間到，要有到時提示。可以選擇一只蜂鳴器（HA）作為三極管VT1的集電極負載，當VT1導通時，蜂鳴器發(fā)出嗚叫聲；VT1截止時，蜂鳴器不發(fā)聲。R5是限流電阻。圖2-4 為蜂鳴器驅(qū)動電路。圖2-4 蜂鳴器驅(qū)動電路蜂鳴器用三極管VT1的基極接到單片機的P1.7管腳。當P1.7=0時，VT1導通，使蜂鳴器

14、的兩個管腳間獲得將近5V的直流電壓，蜂鳴器中有電流通過，而產(chǎn)生蜂鳴聲； 當P1.7=1時，VT1截止，蜂鳴器的兩個管腳間的直流電壓接近于0，蜂鳴器不發(fā)生。3 軟件設(shè)計硬件部分設(shè)計制作完成后，關(guān)鍵是程序的編寫。程序主要包括一下幾個部分：主程序、LED動態(tài)顯示子程序、時鐘計時子程序、鍵盤判斷與處理子程序。3.1主程序設(shè)計程序按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，所有功能都可通過調(diào)用子程序完成，主程序較簡單，容一般包括：主程序的起始地址、有關(guān)存單元與相關(guān)部件的初始化和一些程序調(diào)用等。其設(shè)計框圖如圖3-1所示。主程序定義變量、設(shè)置顯示時間和定時時間初值定時器0、定時器1初始化，開中斷，并啟動TR0、TR1開始計時執(zhí)行小

15、時、分鐘處理子程序調(diào)用實時時間調(diào)整子成序調(diào)用作息時間調(diào)整子程序作息時間到否？報警30秒圖3-1 主程序設(shè)計框圖本系統(tǒng)的設(shè)計中，使用了兩個中斷：T0中斷：采用T0定時中斷工作方式，產(chǎn)生100ms的單位時間。T1中斷：采用T1定時中斷工作方式，完成LED動態(tài)掃描。3.2 LED動態(tài)顯示子程序設(shè)計在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得LED顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當?shù)膾呙桀l率。當掃描頻率在70Hz左右時，能夠產(chǎn)生較均勻的顯示和足夠的亮度。本系統(tǒng)采用大約1ms的時間間隔對LED進行動態(tài)掃描，采用定時計數(shù)器TR1的溢出中斷實現(xiàn)1ms的定時。LED動態(tài)顯示流程圖如圖3-2所示。重置T1定時初值

16、P2=xx、P0=Stablenum|0 x80T1中斷服務子程序num+num=4?num=0結(jié)束圖3-2 LED動態(tài)顯示流程圖3.3 時鐘計時子程序設(shè)計時鐘系統(tǒng)的主要任務是：采用單片機的核心器件產(chǎn)生24h時間。因此要設(shè)計一個時鐘程序以實現(xiàn)24h的定時功能。本系統(tǒng)采用的時鐘頻率為12MHz，則定時器最長的定時時間為65.536ms，為此要產(chǎn)生24h的時間值，可采用硬件定時和軟件計數(shù)相結(jié)合的方法來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用定時計數(shù)器TR0的溢出中斷實現(xiàn)10ms的定時，計數(shù)初值為TH0=0 xd8、TL0=0 xf0。時鐘計時子程序流程圖如圖3-3所示。百分秒位count+1重置T0定時初值T0中斷服務子

17、程序一秒到否？即count=100？秒位second+1，count=0一分鐘到？即second=60？分位minute+1，second=0一小時到？即minute=60？小時位hour+1，minute=024小時到？即hour=24？小時位hour=0返回圖3-3 時鐘計時子程序流程圖3.4鍵盤判斷與處理子程序設(shè)計由于機械觸點的彈性作用，在鍵被按下或彈起時會出現(xiàn)電壓抖動，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間，如圖3-4所示。為保證鍵識別的準確，必須進行去抖動處理，去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是加去抖動電路，從根本上避免抖動；軟件方法有很多種，本系統(tǒng)中主要是利用延時判斷按鍵

18、是否按下。由按鍵來實現(xiàn)的的時間調(diào)整子程序流程圖如圖3-5所示，和作息時間調(diào)整子程序如圖3-6。 圖3-4 鍵盤按下過程changtime_key()子程序按鍵KEY1按下？時鐘小時hour+124小時到？時鐘小時位hour=0返回按鍵KEY2按下？分鐘位minute+11小時到？分鐘位minute=0圖3-5 時間調(diào)整子程序流程圖在時間調(diào)整子程序中，按鍵KEY1實現(xiàn)對小時進行調(diào)整。當有KEY1按鍵按下時，小時（hour）加1。當小時加到24時，使其置零。按鍵KEY2實現(xiàn)對分鐘進行調(diào)節(jié)，當有KEY2按下時，分鐘（minute）加1，當分鐘加到60時，使其置零。chang_fixtime()子程序

19、按鍵KEY3按下？顯示時間表的第一個作息時間7：50按鍵KEY1按下？對作息時間的小時位調(diào)整按鍵KEY2按下？對作息時間的分鐘位調(diào)整按鍵KEY4按下？顯示作息時間表中的下一作息時間時間表顯示完a=22?a=0a+1按鍵KEY3按下？返回圖3-6 作息時間調(diào)整子程序。在作息時間調(diào)整子程序中，按鍵key3實現(xiàn)功能切換。當有KEY3按下時，LED顯示作息時間中設(shè)定好的時間。當KEY3第二次按下后，返回時鐘顯示界面。KEY1、KEY2在顯示作息時間的情況下，用來調(diào)整作息時間的小時位和分鐘為。KEY4用來切換顯示作息時間表中下一個時間。在作息時間表中共有23個預設(shè)定的作息時間。Proteus軟件仿真4.

20、1 Proteus軟件仿真步驟以上程序完成之后，在Proteus軟件中對所設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真。仿真的具體步驟為：根據(jù)設(shè)計的硬件電路在Proteus軟件中元件庫中選擇所需的元器件。本系統(tǒng)所需的元器件有AT89S52、7SEG-MPX4CC、SPEAKER、CAP、LED-RED、RES、CRYSTSL、RESPACK-8、CAP-ELEC、BUTTON、POWER、GROUND。有原理圖把所選元器件連接起來。仿真電路圖為下圖所示。仿真電路連接完畢后，將調(diào)試好的程序下載到單片機。雙擊單片機圖標，將出現(xiàn)Edit Companent框。點擊Program File 后文件夾圖標，在彈出的對話框中選擇H

21、EX文件，點擊OK。這樣所寫的程序就被下載到單片機。以上步驟完成后，單擊Proteus軟件界面左下角的Play按鈕，進行仿真實驗。觀察現(xiàn)象，是否符達到預期結(jié)果。若未能達到預期結(jié)果分析出現(xiàn)錯誤的原因。有軟件方面也有硬件方面。4.2仿真過程中出現(xiàn)的問題與解決的方法在仿真過程中出現(xiàn)的問題與解決的方法：在仿真過程中出現(xiàn)LED不顯示，主要原因在與P0口未接上拉電阻。經(jīng)調(diào)整后，又有LED出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，經(jīng)分析主要原因在于數(shù)碼管掃描時間間隔過大。對程序調(diào)整后能夠正常顯示。對按鍵進行操作時，不能對時間進行調(diào)整。經(jīng)檢查電路連接無誤，主要原因在與軟件部分。對程序修改后能正常工作。在仿真過程中，當作息時間到時未能聽到

22、蜂鳴器的報警聲或聲音很微弱。經(jīng)檢查分析，主要原因在于為接三極管驅(qū)動電路。5 系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試，包括對：鍵盤操作功能調(diào)試，聲音輸出功能調(diào)試，指示燈功能調(diào)試等。單片機軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。最后將各模塊組合后整體測試，使系統(tǒng)的所有功能得以實現(xiàn)。5.1硬件調(diào)試電路安裝完成后，首先進行檢查，即確認電路無虛焊，無短路，無斷路，集成元件安裝是否正確，之后進行電路功能模塊的分級調(diào)試，根據(jù)電路功能逐級進行：鍵盤功能調(diào)試聲音輸出功能調(diào)試指

23、示燈功能調(diào)試5.2軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)不是很大，全部用C51來編寫，選用一般的偉福仿真器對C51進行調(diào)試。除了語法差錯外，當確認程序沒問題時，通過直接下載到單片機來調(diào)試。采取的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)，最后完成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。主要是LED動態(tài)顯示與按鍵判斷處理功能的調(diào)試。5.3軟硬聯(lián)調(diào)系統(tǒng)做好后，進行系統(tǒng)的完整調(diào)試。主要任務是檢驗實現(xiàn)的功能與其效果并校正數(shù)值。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，逐步校正數(shù)據(jù)，使測量結(jié)果更準確。單片機軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。課程設(shè)計體會本設(shè)計以AT89S52單片機為核心，是一個具有顯示實時時間，并能對作息時間調(diào)節(jié)