毕业设计（论文）-基于单片机的校园自动打铃器作息时钟设计.doc

校园自动打铃器作息时钟 摘 要本文介绍了以AT89S51单片机为控制核心的自动打铃器产品，该电路具有时钟功能，可通过产品的上的设置键对要报警的时间点逐个的设置进去，打玲器只要走到设置好的时间就能报警。输出效果由报警模块与显示模块组成，显示模块主要采用数码管来显示时间，让人们可以看到自动打铃器的时间是否与我们生活的时间一致，如果有误差则可以通过按键对时间进行调整。该打铃器是一种电路比较简单，功能完善，且比较实用的自动打铃器。它不但可以适用于学校及企业工厂等场所。关键字：单片机 自动控制数码显示 调整目 录一引言3二方案比较32.1方案一 基于数模电路的自动打铃器32.2方案二 基于AT89S51控制的自动打铃器4三硬件电路设计53.1微控制器53.2振荡电路63.3复位电路63.4控键电路73.5显示电路73.6报警电路8四软件系统设计94.1主程序设计94.2定时1mS子程序设计94.3显示子程序设计104.4软件抗干扰设计10五系统调试与测试125.1软件仿真125.2硬件电路安装135.2.1单片机振荡电路安装135.2.2单片机复位电路安装135.2.3单片机控键电路安装135.2.4单片机显示电路安装145.2.5单片机报警电路安装145.2.6整机电路安装与调试14结束语14参考文献14附录1：总设计原理图15附录2：源程序16一引言打铃器是一种广泛应用于企业和学校单位。就以对学校单位而言，自动打铃器是为了对了广大师生的作息时间做更好的管理，它一种学校必备电子设备，也是一种逐渐成型的电子产品，打铃器多为小规模集成电路构成，其性能单一，工作起来不够理想。随着集成技术和计算机技术的发展，单片机成为当今的主流，因为单片机具有可靠性高，体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、家用电器等自控领域获得广大应用。设计完成这款自动打玲器以几下几点要求：1、 一天时间误差需要小于1S；2、 用扫描方式点亮显示8位数码管；现有一些中小型企业对员工的休息时间管理还不能很好的完善起来，主要原因为市面上所售的打铃器价格比较高，体积比较大。这样倒置企业员工时不时的去看看时间，充分影响员工的工作效率及积极性。为此我所制作的自动打铃器可以充分改变这些不良问题，由于该设备的成本比较低，而且体积小，便于安装，而且也是自动化程序比较高的电子设备。自动打铃器的时间与我们生活时钟一致，单片机对时间与控制稳定性较高，所以我们不用担心会出现什么乱打铃，可以很好改变企业员工的工作的积极性，又能很好对员工的作息时间做出很好的管理，员工就不用担心上班迟到等情况。所以我设计的这个自行打铃器的意义就在于他的成本低，但是功能能满足企业及学校单位的要求，可以做到花较少的钱发挥较大的功能。二方案比较2.1方案一 基于数模电路的自动打铃器本电路的设计主要由组合逻辑电路与时序逻辑电路组成，电路原理框图如图2-1所示。图2-1 基于数字电路的设计参考方案框图该图包括秒脉冲发生器、计数器、辅助时序控制电路（简称控制电路）、译码显示电路和报警电路等5个部分。该电路设计主要核心还在对秒、分、时的处理，后通过译码驱动电路，最后把时间显示出来，为了实现分、秒、时的显示，电路的设计已经很复杂。为了得到一个时钟，通常采用555组成的多谐振荡器设计成信号脉冲发生器，如图2-2所示。图所示的为脉动冲频率可调的矩形脉冲发生器，改变电容C可获得超长时间的低频脉冲，调节电位器RP可得到任意频率的脉冲如秒脉冲，1kHz、10kHz等标准脉冲。由于电容C的充放电回路时间常数不相等，所以图所示电路的输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占空比随频率的变化而变化。图2-2 脉冲信号发生器2.2方案二 基于AT89S51控制的自动打铃器该系统以AT89S51为控制核心，它由单片机复位电路、振荡电路、控键电路、报警电路和显示电路6部分模块组成，电路的原理框图如图2-2所示。图2-2基于AT89S51的自动打铃器原理图其工作原理：先由单片机工作进行数据处理，输出数据一方面用来显示时间，一方面用于响铃用。由于用单片机设计的自动打铃器电路较简单，硬件操作也比较容易，并且单片机具有功能强、体积小、价格低、稳定性好等优点。数字电路设计的系统要对多位数据显示，使驱动显示的电路变为复杂，同样电路的排线布线很复杂。还要对多个时间进行报警，此功能比较难实现。使用单片机设计此系统电路结构简单，成本也比较低，功能都比较容易实现。故此选择第二种方案。三硬件电路设计3.1微控制器AT89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器，而其他方面和MCS-51没有太大的区别。该系列有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。AT89S51的引脚功能图如图3-1所示：图3-1AT89S51引脚功能图3.2振荡电路电容C1、C2和晶振（12MHz）组成AT89S51的外部时钟源电路，将C1、C2和晶振组成的回路称为LC并联谐振回路，晶振起电感作用，谐振频率由晶振的频率所决定，AT89S51单片机的晶振可以选1.2MHZ12MHz。电容C1、C2的取值一般在20pF100pF之间。为能得到稳定的频率，依据典型电路故设C1、C2各为30pF。图3-2 单片机振荡电路3.3复位电路复位是单片机的一个重要的工作方式。在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也通过某一操作来重新启动。复位电路通常用以下几种方式，即上电自动复位、按键电平复位与系统复位三种方式。图3-3所示的为按键电平复位。R1，C1构成的微分电路，在接电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度大于两个机器周期，单片机复位。当按RESET键时，单片机的复位端将出现一个由200电阻和1K电阻分压的电平，使单片机复位。为保证微分脉冲宽度足够大，R1、C1的时间常数应大于两个机器周期，一般电容取22F，电阻取1K。图3-3 复位电路3.4控键电路 控制电路是人对控制器操作的重要部分，通过按键来实现各功能，如图3-4所示的控制电路。此电路的设计主要实现对时间的调整与设定，该电路显示的时间与我们的北京时间有误差时，可以由人工进行调整。当按下K3键时，可对个位秒进行调整，按下K2键对个位秒数值进行加09之间的调整，如果对十位秒进行调整，则先按下K3键，再按K2键对十位秒数值进行09之间的调整，对其他位调整同以上步骤。最后当对时间调整完毕，则按下K1键则系统恢复到正常运行状态。图3-4 控制电路3.5显示电路本系统设计的显示部分由6位LED显示电路与显示驱动电路两部分组成，如图3-6所示。 LED是Light Emitting Diode的英文缩写，它的中文名叫做发光二极管。常见并被普遍运用的LED由七段发光二极管组成，按“日”字形排列，故也称七段LED显示器。如图3-5所示的是一个四位一体共阳数码管的管脚排列。图3-5 4位一体共阳LED引脚图显示驱动电路从单片机的2126口获取信号，让电路所接到的信号经过显示驱动电路进行放大，轮流来点亮这6位数码管。因为电路设计没有显示驱动电路来点亮数码管。单片机的P0口来传送数据的8个口则要加上拉电阻，才能点亮显示出数据。图3-6 显示电路3.6报警电路报警电路设计非常简单，当时间达到我们所定好的某一个时间点，单片机就会给出一个信号，让报警电路报警。如图3-7所示：图3-7 报警电路四软件系统设计4.1主程序设计图4-1为主程序的流程图，可以看到程序开始后，先初始化变量，调用显示子程序，显示初始设置好的数值。显示子程序执行完毕返回设置定时器的工作方式与定时的初值，启动定时，对比赛时间进行倒计时显示，开启中断0，最后等待中断，当开启就运行参数出错调整程序。详细程序参见附录4。 图4-1主程序框架图 图4-2定时1mS子程序框架图4.2定时1mS子程序设计图4-2所示的方框图为定时1mS子程序流程图。当程序运行时，先要对时间初值进行设定，并开启定时器，对时间初值进行判断，如果1mS时间到程序则返回到调用该程序的程序中去，否则返回对时间初值继续判断。详细程序参见附录4。4.3显示子程序设计图4-3所示的方框图为显示程序设计的流程图，电路开始工作后，要对时间进行显示，则就需要写一个显示程序。详细程序参见附录4。图4-3 中断子程序框架图4.4软件抗干扰设计随着单片机应用的普及，采用单片机控制的产品与设备日益增多，而某些设备所在的工作环 境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰会严重影响设备的正常工作，使其不能正常运行。因此，为了保证设备能在实际应用中可靠地工作，必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。1、数字量输入输出中的软件抗于数字量输入过程中的干扰，其作用时间较短，因此在采集数字信号时，可多次重复采集，直到若干次采样结果一致时才认为其有效。例如通过A 价转换器测量各种模拟量时，如果有干扰作用于模拟信号上，就会使A/D 转换结果偏离真实值。这时如果只采样一次A/D 转换结果，就无法知道其是否真实可靠，而必须进行多次采样，得到一个A/D 转换结果的数据系列，对这一系列数据再作各种数字滤波处理，最后才能得到一个可信度较高的结果值。单片机控制的设备对外输出的控制信号很多是以数字量的形式出现的，如各种显示器、步进电机或电磁阀的驱动信号等。即使是以模拟量输出，也是经过D/A 转换而获得的。单片机给出一个正确的数据后，由于外部干扰的作用有可能使输出装置得到一个被改变了的错误数据，从而使输出装置发生误动作。对于数字量输出软件抗干扰最有效的方法是重复输出同一个数据，重复周期应尽量短。这样输出装置在得到一个被干扰的错误信号后，还来不及反应，一个正确的信号又来到了，从而可以防止误动作的产生。在程序结构上，可将输出过程安排在监控循环中循环周期取得尽可能短，就能有效地防止输出设备的错误动作。需要注意的是经过这种安排后输出功能是作为一个完整的模块来执行的，与这种重复输出措施相对应软件设计中还必须为各个外部输出设备建立一个输出暂存单元，每次将应输出的结果存入暂存单元中，然后再调用输出功能模块将各暂存单元的数据一一输出，不管该数据是刚送来的，还是以前就有的。这样可以让每个外部设备不断得到控制数据，从而使干扰造成的错误状态不能得以维持。在执行输出功能模块时，应将有关输出接口芯片的初始状态也一并重新设置。因为由于干扰的作用可能使这些芯片的工作方式控制字发生变化，而不能实现正确的输出功能，重新设置控制字就能避免这种错误确保输出 功能的正确实现。 2、系统恢复前面列举的各项措施只解决了如何发现系统受到干扰和如何捕捉“跑飞”程序，但仅此还不 够，还要能够让单片机根据被破坏的残留信息自动恢复到正常工作状态。 硬件复位是使单片机重新恢复正常工作状态的一个简单有效的方法。前面介绍的上电复位、人 工复位及硬件看门狗复位，都属于硬件复位。硬件复位后CPU 被重新初始化，所有被激 活的中断标志都被清除，程序从0000H 地址重新开始执行。硬件复位又称为“冷启动”，是将系统当时的状态全部作废，重新进行彻底的初始化来使系统的状态得到恢复。用软件抗干扰措施来使系统恢复到正常状态，是对系统的当前状态进行修复和有选择的部分初始化，这种操作又可称为“热启动”。热启动时首先要对系统进行软件复位，也就是执行一系列指令来使各专用寄存器达到与硬件复位时同样的状态，这里需要注意的是还要清除中断激活标志。如用软件看门狗 使系统复位时，程序出错有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已经置位，它将阻止同级的中断响应；而软件看门狗是高级中断，它将阻止所有的中断响应。由此可见清除中断激活标志的重要性。五系统调试与测试5.1软件仿真1、使用Wave6000软件对源程序进行仿真Wave6000是现在单片机源程序进行仿真最普遍最常用的软件。打开软件在Wave6000界面下可以创建一个新的文件，当源程序编写完毕以后，后缀名必须是.，当一切完毕以后就可以按全速执行键让源程序运行，假如源程序中有错误，就会出现如图5-1所示，从中可以看到错误的原因和具体错误发生的位置，那样有便于用户改正，当源程序全部正确后，再编译，软件会自动生成后缀名为HEX和BIN的文件，如图5-2所示：图5-1 Wave6000仿真图图5-2 Wave6000仿真图2、使用Proteus软件绘制电路图并进行仿真Proteus软件是一款拥有电路分析与实物仿真功能的软件，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。在使用Proteus软件绘制电路图并进行仿真时可按以下步骤进行：根据原理图将先将所需元器件加入到对象选择器窗口，再放置元器件至图形编辑窗口；从图形编辑窗口取出元器件，用鼠标右键选中元器件，再用左键点击可改变数值大小；可用导线和总线将各元器件连接起来，用文本输入可进行标注；将Wave6000软件编译后生成的后缀名为HEX的文件加载到单片机中，如图5-3所示。按执行键进行电路仿真，仿真效果图如图5-4所示：图5-3 芯片加载源程序图图5-4电路仿真效果图5.2硬件电路安装5.2.1单片机振荡电路安装单片机振荡电路的安装可参考图3-2。所需元件有12M晶振一个，30PF电容个，单片机。在该电路的运行过程中由于晶振坏了，使电路不能正常的运行，从而惹出很多的麻烦，所以在连接电路之前因先检查元器件是否都是好的。在确保元器件好的情况下再根据原理图进行电路的安装。以下几部分电路的安装都要做到这点。5.2.2单片机复位电路安装单片机复位电路的安装可参照图3-3进行。所需元件有22F电解电容一个，K和200欧姆的电阻各一个，按键一个，单片机。此电路中有一个电解电容，安装时要注意电容极性。5.2.3单片机控键电路安装控键电路的安装可参照图3-4进行，所需元件有按键3只，10K的电阻3个。在该电路的安装过程中一定要特别注意按键的安装。因为在电路中采用的是个引脚的按键，所以很容易把引脚接错，导致按键失效，最好按接对脚两脚就不会出错。5.2.4单片机显示电路安装驱动显示电路的安装可参照图3-6进行布线，在电路的安装和调试中，对74LS245的引脚及资料要知道，要不然所设计的电路就会倒置数码管不会亮。5.2.5单片机报警电路安装报警电路的安装可参照图3-7接线。5.2.6整机电路安装与调试当单片机振荡电路、复位电路、控键电路、报警电路与显示电路这几个模块电路安装完毕之后，接着将与芯片引脚接+5V脚都相连的器件管脚用引线引到单空板的一端并用导线连接起来，再将与芯片接地的引脚相连的器件管脚用引线引到单空板的另一端也用导线连接成一条直线，这样就方便电路的接地和接电源，也利于排出故障。在电路的调试过程中，刚开始显示的效果不是很理想，存在虚焊，连焊等故障，所以在安装完毕以后要仔细检查，在安装过程中要认真对待每一个环节，那样才能确保成功。结束语在整个毕业设计的过程中，我得到了许多老师和同学的指导、帮助，在此深表感谢。并且非常感谢我的指导老师，在整个毕业设计制作过程中一直得到他的大力支持与帮助。老师还给我提供了许多资料，并能一一解答我心中的疑惑从不感到厌烦，完稿之后在百忙之中仔细阅读，积极指导，并给出修改意见。韩老师爱岗敬业，思维严密，平易近人是我十分尊敬的老师。再一次表示由衷的感谢。（自己写）参考文献 1 徐新民主编单片机原理与应用浙江:浙江大学出版社，2006.82 杨爱琴主编数字电路与逻辑设计北京:科学出版社，20053 欧阳文主编ATMEL89系列单片机的原理与开发实践.北京: 中国电力出版社，20074 张大明主编单片机控制实训指导及综合应用实例.北京: 机械工业出版社，20075 徐玮, 徐富军, 沈建良主编C51单片机高效入门.北京: 机械工业出版社，20076 潘永雄主编新编单片机原理与应用.西安: 西安电子科技大学出版社，2007.27 刘平，马云主编电路设计基础与专用系统构成北京:科学出版社，2006.98 赫建国, 郑燕, 薛延侠主编单片机在电子电路设计中的应用.北京: 清华大学出版社，2006.5附录1：总设计原理图 附录图1：总设计原理图附录2：源程序 7 ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPZD_ITT0ORG0030H;*;主程序;*MAIN:MOVSP,#0E0HCLR00H;打铃标志位，为0不响铃，为1响铃MOVDPTR,#TAB1 ;查表得到作息时间，存放在80H开始的区域中MOVR0,#80HMOVR7,#28MOVR1,#00HMAIN_1:MOVA,R1MOVCA,A+DPTRMOVR0,AINCR0INCR1MOVA,R1MOVCA,A+DPTRMOVR0,AINCR0INCR1DJNZR7,MAIN_1MOV30H,#00H ;显示区域30H37HMOV31H,#00HMOV32H,#0AHMOV33H,#00HMOV34H,#00HMOV35H,#0AHMOV36H,#00HMOV37H,#00HSETBEASETBET0MOVTMOD,#11HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HMOV38H,#20 ;50毫秒循环20次SETBTR0LOOP:CALLDISPLAYCALLBIJIAOJNBP1.0,TIME ;判断时钟调整键是否按下JNBP1.1,ZUOXI1 ;判断作息调整键是否按下AJMPLOOPZUOXI1:JMPZUOXI;*;时钟调整程序;*TIME:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.0,TIMECLREACLRET0CLRTR0MOVR0,#30HTIME_1:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.2,WEIXUAN ;判断时钟调整的位选键是否按下JNBP1.3,DUANXUAN;判断时钟调整的段选键是否按下JNBP1.4,QUEDING ;判断确定键是否按下JMPTIME_1;*;时钟调整的位选程序;*WEIXUAN:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.2,WEIXUANINCR0MOVA,R0CJNEA,#32H,WEIXUAN_1MOVR0,#33HJMPWEIXUAN_ENDWEIXUAN_1:MOVA,R0CJNEA,#35H,WEIXUAN_2MOVR0,#36HJMPWEIXUAN_ENDWEIXUAN_2:CJNEA,#38H,WEIXUAN_ENDMOVR0,#30HWEIXUAN_END:JMPTIME_1;*;时钟调整的段选程序;*DUANXUAN:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.3,DUANXUANINCR0MOVA,R0CJNEA,#10,DUANXUAN_1MOVR0,#0DUANXUAN_1:JMPTIME_1;*;时钟调整的确定程序;*QUEDING:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.4,QUEDINGSETBEASETBTR0SETBET0JMPLOOP;*;时钟比较子程序;*BIJIAO:MOVA,30HSWAPAORLA,31HMOV39H,AMOVA,33HSWAPAORLA,34HMOV3AH,AMOVR0,#80HMOVR7,#28BIJIAO_3:MOVA,R0CJNEA,39H,BIJIAO_1INCR0MOVA,R0CJNEA,3AH,BIJIAO_2SETB00H;响铃JMPBIJIAO_ENDBIJIAO_1:INCR0BIJIAO_2:INCR0DJNZR7,BIJIAO_3CLR00H;不响铃BIJIAO_END:RET;*;作息时间调整程序;*ZUOXI:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.1,ZUOXICLREACLRET0CLRTR1CLRTR0MOV40H,30HMOV41H,31HMOV42H,32HMOV43H,33HMOV44H,34HMOV45H,35HMOV46H,36HMOV47H,37HZUOXI_4:MOVR7,#01HMOVR1,#80HZUOXI_3: CALLZUOXI_READMOVR0,#30HZUOXI_1:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.2,WEIXUAN1 ;判断时钟调整的位选键是否按下JNBP1.3,DUANXUAN1;判断时钟调整的段选键是否按下JNBP1.4,QUEDING1 ;判断确定键是否按下JNBP1.1,ZUOXI_2JMPZUOXI_1ZUOXI_2:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.1,ZUOXI_2MOVA,R7ADDA,#01HDAAMOVR7,ACJNEA,#29H,ZUOXI_3JMPZUOXI_4;*;作息调整的位选程序;*WEIXUAN1:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.2,WEIXUAN1INCR0MOVA,R0CJNEA,#32H,WEIXUAN1_1MOVR0,#33HJMPWEIXUAN1_ENDWEIXUAN1_1:MOVA,R0CJNEA,#35H,WEIXUAN1_ENDMOVR0,#30HWEIXUAN1_END:JMPZUOXI_1;*;作息调整的段选程序;*DUANXUAN1:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.3,DUANXUAN1INCR0MOVA,R0CJNEA,#10,DUANXUAN1_1MOVR0,#0DUANXUAN1_1:DECR1DECR1MOVA,30HSWAPAORLA,31HMOVR1,AINCR1MOVA,33HSWAPAORLA,34HMOVR1,AINCR1JMPZUOXI_1;*;作息调整的确定程序;*QUEDING1:CALLDSP_SHANSHUOJNBP1.4,QUEDING1MOV30H,40HMOV31H,41HMOV32H,42HMOV33H,43HMOV34H,44HMOV35H,45HMOV36H,46HMOV37H,47HSETBEASETBTR0SETBET0JMPLOOP;*;读出作息数据子程序;*ZUOXI_READ:MOVA,R1ANLA,#0F0HSWAPAMOV30H,AMOVA,R1ANLA,#0FHMOV31H,AINCR1MOVA,R1ANLA,#0F0HSWAPAMOV33H,AMOVA,R1ANLA,#0FHMOV34H,AINCR1MOVA,R7ANLA,#0F0HSWAPAMOV36H,AMOVA,R7ANLA,#0FHMOV37H,ARET;*;T0中断服务程序;*ZD_ITT0:MOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HDJNZ38H,ZD_ITT0_ENDMOV38H,#20INC37HJNB00H,ZD_ITT0_2MOVA,37HCJNEA,#8,ZD_ITT0_3ZD_ITT0_4:SETBP3.7AJMPZD_ITT0_2ZD_ITT0_3:JNCZD_ITT0_4CLRP3.7ZD_ITT0_2:MOVA,37HCJNEA,#10,ZD_ITT0_ENDMOV37H,#0INC36HMOVA,36HCJNEA,#06H,ZD_ITT0_ENDMOV36H,#0INC34HMOVA,34HCJNEA,#10,ZD_ITT0_ENDMOV34H,#0INC33HMOVA,33HCJNEA,#6,ZD_ITT0_ENDMOV33H,#0INC31HMOVA,31