利用单片机实现作息时间控制系统-电子毕业论文

日照职业技术学院学生毕业论文 1 日照职业技术学院日照职业技术学院 毕毕 业业 论论 文文 题题目 目 利用单片机实现作息时间控制系统 院院部 部 专专业 业 学学号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 职职称 称 2012 年年 5 月月 16 日日 摘要摘要 本设计详细介绍了利用 AT89C52 单片机设计时间控制器的方法 该 日照职业技术学院学生毕业论文 2 时间控制器是以 AT89C52 单片机为核心 扩展一片 XICOR 公司的 X5045 组成的 小系统 控制一路继电器 可以设定一天中的时间 设定继电器的开启时间和 关闭时间 可以清除不需要的定时 能够紧急启动 所有的设定均通过键盘实 现 按键具有连击功能 每个状态都有指示灯提示 我们设计的作息时间控制 是用单片机实现的 是为了更好的对时间控制智能化 时间控制器包括硬件和 软件 硬件部分包括继电器 存储器和显示器接口芯片 软件部分 主要是主 程序设计 软硬件结合在一起 先调试子程序 然后逐级叠加调试 最后系统 调试通过 时间控制系统可以准确的显示时间 在定时时间到时发出悦耳的铃 声提醒同学们按时上下课 论文论文关键词关键词 关键词 单片机 控制 时间 summmarysummmary Design details of the AT89C52 single chip design time using the method of the controller The time controller is based on AT89C52 single chip microcomputer as the core extending the company s X5045 1 XICOR small systems control relays all the way You can set the time of day set to open relay time and closing time you can removal of unnecessary time to an emergency start All the settings are to achieve through the keyboard function keys with the batter each state has prompted indicator We designed the schedule control is achieved with single chip is a better time for intelligent control Time controller including hardware and software Hardware components including relays memory and display interface chip Software primarily the design of the main program Combination of hardware and software debugging subroutine first and then overlay level debugging the adoption of the final system test Time control system can accurately display the time in the regular time when musical tones to remind students of the school on time Key words single chip microcomputer control time 目录 1 1 绪 绪 论论 4 4 1 1 课题的提出及意义 4 1 2 设计的任务及要求 4 日照职业技术学院学生毕业论文 3 2 2 总体方案设计 总体方案设计 4 4 2 1 芯片比较 4 2 1 1 单片机选型 4 2 1 2 显示器接口芯片的选择 5 2 1 3 存储器的选择 7 2 2 总体设计及系统原理 8 3 3 硬件设计 硬件设计 9 9 3 1 单片机部分 9 3 1 1AT89C52 9 3 1 2 单片机硬件资源分配 10 3 2 存储器部分 10 3 3 显示部分 12 3 4 电源与复位电路部分 12 3 4 1 电源部分 12 3 4 2 复位电路 13 3 5 电铃和继电器部分 13 3 6 按键部分 13 4 4 软 软 件件 设设 计计 1414 4 1 主程序设计 14 4 2 子程序设计 15 5 5 系统安装与调试 系统安装与调试 1717 5 1 软件调试 17 5 2 系统调试 17 结论结论 1818 致致谢谢 1919 参参 考考 文文 献献 2020 1 绪 论 1 1 课题的提出及意义 单片机作息时间控制实现了对时间控制的智能化 摆脱了传统由人来控制 时间的长短的不便 实现代学校必不可少的设备 1 2 设计的任务及要求 1 作息时间能控制电铃 日照职业技术学院学生毕业论文 4 2 作息时间能启动和关闭放音机 单片机作息时间控制的功能如下 使用 4 位七段显示器来显示现在的时间 显示格式为 时分 由 LED 闪动来作秒计数表示 具有 4 个按键来作功能设置 可以设置现在的时间及显示定时设置时间 一旦时间到则发出一阵声响 同时继电器启动 可以控制放音机开启和关闭 第 2 章总体方案设计 2 1 芯片比较 2 1 1 单片机选型 当今单片机厂商琳琅满目 产品性能各异 常用的单片机有很多种 Intel8051 系列 Motorola 和M68HC 系列 Atmel 的AT89 系列 台湾Winbond 华 邦 W78 系列 荷兰 Pilips 的PCF80C51 系列 Microchip 公司的 PIC 系列 Zilog 的 Z86 系列 Atmel 的 AT90S 系列 韩国三星公司的 KS57C 系列 4 位单片机 台湾义隆的 EM 78 系列等 我们最终选用了 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位 日照职业技术学院学生毕业论文 5 单片机 片内含 8Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储 技术生产 与标准 MCS 51 指令系统及 8052 产品引脚兼容 片内置通用 8 位中 央处理器 CPU 和 FLASH 存储单元 功能强大 AT89C52 单片机适用于许多较 为复杂控制应用场合 2 1 2 显示器接口芯片的选择 LED 显示器接口芯片的选择常用的显示器接口芯片有 CD4511 CD4513 MC14499 8279 MAX7219 74HC164 等 它们的功能有 1 CPU 接受来自键盘 的输入数据 并作预处理 2 数据显示的管理和数据显示器的控制 CD4511 是 BCD 锁存 7 段译码 驱动器 但在显示 6 和 9 时 显示为 b 和 q 不是很 好看 CD4513 是 BCD 锁存 7 段译码 驱动器 消隐 但现在市面上不好买 MC14499 为串行输入 BCD 码 十进制译码驱动器 用它来构成单片机应用系 统的显示器接口 可以大大减少 I O 口线的占用数量 但是 由片内震荡器经 过四分频的信号 经位译码后只能提供 4 个位控信号 使信号的采集受到限制 并且 MC19944 的价格偏高 也不经济 同样 8279 为 INTEL 公司生产的通用 键盘 显示器接口芯片 其内部设有 16 8 显示数据 RAM 若采用 8279 管理键 盘和显示器 可以减少软件程序 从而减轻主机的负担 但我们同时也发现 由于其功能比较强大 不可避免将会使外围设备与操作过程复杂化 同时价格 比较贵 对比一下 MAX7219 和 74HC164 其占用资源少 且不需复杂的驱动电路 但 MAX7219 虽然比较好用 且一片能驱动四个数码管 但对于我们设计的系统 来说 不需要很多数码管 此外 MAX7219 相对 74HC164 的价格也比较贵 所以 我们最终选用 74HC164 下面对 MAX7219 作一下介绍 1 特点 1 采用 3 线串行接口传送数据 2 内部有 8 字节显示静态 RAM 和 6 个特殊功能寄存器 相当于 14 个字 节的 RAM 单元 它们是可寻址的 即可以有选择的任意写入 3 只需一个外部电阻即可调节 LED 的段电流 并且允许程控方式 LED 通电的占空比而可方便的调节 LED 显示的亮度 或用于模拟亮度显示 4 可 LED 显示器的扫描个数 5 有不译码和 B 码两种显示模式 这种选择可做到位控 即各 LED 显示 日照职业技术学院学生毕业论文 6 器可以有不同的显示方式 译码或不译码 6 含硬件动态扫描显示控制 可设置低功耗方式 可进行图条显示 2 工作原理简介 1 数据 含地址 接收 MAX7219 采用串行寻址方式 在传送的串行数据中包含有 RAM 的地址 按 照时序的要求 单片机将 16 位二进制数逐位发送 DIN 端 在 CLK 上升延到来 之前 DIN 必须有效 在 CLK 的每个上升延 DIN 被串行逐位移入 MAX7219 内部 的 16 位穿行寄存器中 设最先移入的数据是 D15 最后移入的数据是 D0 则移 入 16 位串行寄存器的数据是 D15 D0 为了有选择的将数据写入 8 个显示 RAM 或 6 个特殊功能寄存器 D0 D15 中 D8 D11 四位作为 RAM 和特殊功能寄存 器的地址 D0 D7 作为写入显示数据或控制字 与并行数据传送相比 MAX7219 串行接收 D0 D15 并存放到 16 位串行寄存器中的过程 相当于并行传送中 将并行数据和地址送到数据和地址总线上的过程 2 数据装载 16 位接收寄存器将收到的 D0 D7 位数据写入 RAM 或特殊功能寄存器是在 数据装载信号控制下完成的 图 3 8 是 MAX7219 的数据接收装载 写入 时序 图 由图可知 LOAD 必须在 15 个 CLK 下降延前由高变低 在 16 个 CLK 同时 或之后由低变高 上升延 在 LOAD 的上升延 8 位数据 D0 D7 写入以 4 位 二进制数 D8 D11 位地址的 RAM 或特殊功能寄存器中 3 显示扫描 当显示模式设定后 写入显示 RAM 的数据将在控制器的控制下 按设定的 显示模式 以动态扫描方式进行显示 MAX7219 内部显示 RAM 及特殊功能寄存器 显示 RAM 地址 1 8 地址为 1H 的 RAM 数据控制接 D0 引脚的显示器 地址为 2H 的 RAM 数据控 制接 D1 引脚的显示器 译码方式寄存器 地址 9H 该寄存器的 8 位二进制数的各位值分别控制着 8 个 LED 显示器的译码方 日照职业技术学院学生毕业论文 7 式 当高电平时选择 BCD B 码译码模式 当低电平时选择不译码模式 B 码译 码的显示自行与现实数据的关系如下 显示数据 十六进制 0123456789ABCDEF B 码字型0123456789 EHLP 其中 代表全灭 小数点不译码 它由显示数据的 D7 位控制 扫描界限寄存器 地址 BH 该寄存器的 D0 D3 位数据设定值为 0 7 设定值表示显示器动态扫描个 数为 1 8 停机寄存器 地址 CH 当位 D0 0 时 MAX7219 处于停机状态 当 D0 1 时 处于正常工作状态 显示测试寄存器 地址 FH 当位 D0 0 时 MAX7219 按设定模式正常工作 当 D0 1 时 处于测试状态 在该状态下 不管 MAX7219 处于什么模式 全部 LED 将按最大亮度接通显示 亮度寄存器 地址 AH 及两度的调解或控制 亮度可通过硬件和软件两种方法调解或控制 2 1 3 存储器的选择 为了改善主 CPU 的资源与时序的分配 我们对 AT89C51 进行串行数据存储 器的扩展 常用的存储芯片有很多 如 AT93C46 56 66 X5045 经过比较选 择 最终选用了 XICOR 公司的 X5045 X5045 把三种常用的功能 看门狗定时器 电压控制和 EEPROM 组合在单 个封装之内 这种组合降低了系统的成本并减少了对电路板空间的要求 看门 狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统 低 VCC 检测电路可以保护系统免 受低电压的影响 同时 X5045 是串行 EEPROM 具有简单的三总线工作的串行外 设接口 是一种有独特功能的高性能价格比存储器件 AT93C46 56 66 是 ATMEL 公司推出的低功耗 低电压电可擦除的可编程只 读存储器 它采用 CMOS 技术和 Fairchild Semiconductor 公司的 Mi croWire 工业标准 3 线串行接口 具有 1Kb 2kB 4kB 的容量 并可通过 ORG 管脚配置成 128 8 256 8 512 8 或 64 16 128 16256 16 等结构 该系列存储器可靠性高 能够重复写 100 万次 数据可以保存 100 年不丢失 采用 8 脚 PDIP SOIC 封装 日照职业技术学院学生毕业论文 8 和 14 脚 SOI 封装 SOI 封装为 JEDEC 和 EIAJ 标准 与并行的 EEPROM 相比 AT93C46 56 66 可大大节省印制板空间 且接线简单 因而在多功能的精密测 试仪中具有广阔的前途 2 指令及时序 地址擦指令 ERASE 该指令用于强迫指定地址中所有数据位都为 1 一旦信息在 DI 端上被 译码 就需使 CS 信号保持至少 250ns 的低电平 然后将 CS 置为高电平 这时 DO 端就会指示 忙 标志 DO 为 0 表示编程正在进行 DO 为 1 表示 该指定地址的寄存器单元已擦完 可以执行下一条指令 擦 写允许指令 EWEN 由于在上电复位后AT93C46 56 66 首先将处于擦 写不允许状态 故该 指令必须在所有编程模式前执行 一旦该指令执行后 只要外部没有断电就可 以对芯片进行编程 地址写指令 WRITE 写指令时 先写地址 然后将 16 位的或 8 位数据写入到指定地址中 当 DI 端输出最后一个数据位后 在 CLK 时钟的下一个上升沿以前 CS 必须为低 且需至少保持 250ns 然后将 CS 置为高电平 需要说明的是 写周期时 每 写一个字节需耗时 4ms 地址读指令 READ 读指令用于从指定的单元中把数据从高位到低位输出至 DO 端 但逻辑 0 位先于数据位输出 读指令在 CLK 的上升沿触发 且需经过一段时间方可稳定 为防止出错 建议在读指令结束后 再输出 2 3 个 CLK 脉冲 芯片擦指令 ERAL 该指令可将整个存贮器阵列置为 其它功能与地址擦指令相同 芯片写指令 WRAL 该指令可将命令中指定的数据写入整个存贮器阵列 其它功能与地址写指 令相同 该指令周期所花费时间的最大值为 30ms 擦 写禁止指令 EWDS 使用该指令可对写入的数据进行保护 操作步骤与擦 写允许指令相同 2 2 总体设计及系统原理 日照职业技术学院学生毕业论文 9 经比较我们选定单片机芯片为 AT89C52 存储器芯片为 X5045 在确定系统的大体形式之后 画出本系统的结构布局 电路原理如图 2 2 所示 图 2 2 电路原理框图 第 3 章硬件设计 3 1 单片机部分 3 1 1AT89C52 1 AT89C52 的特点 与 MCS 51 产品指令和引脚完全兼容 8K 字节可重擦写 FLASH 闪存 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 256X8 字节内部 RAM 单 片 机 显示电路 自动复位电路 电源电路 继电器电路 电铃电路 日照职业技术学院学生毕业论文 10 32 个可编程 I O 口线 3 个 16 位定时 计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 功能特性概述 AT89C52 提供以下标准功能 8K 字节 FLASH 闪存 256 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 3 个 16 位定时 计数器 一个 6 向量两级中断结构 一个全双工 串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C52 可降至 0Hz 的静态逻辑 操作 并支持两种软件可选的节电工作模式 空闲方式停止 CPU 工作 但允许 RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的 内容 但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位 3 1 2 单片机硬件资源分配 P2 4 连接按键 P2 5 连接按键 P2 6 连接按键 P2 7 连接按键 P3 4 连接蜂鸣器 P3 5 接继电器 P1 4 连接 X5045 的 SO 端 P1 5 连接 X5045 的 CS 端 P1 6 连接 X5045 的 CLK 端 P1 7 连接 X5045 的 SI 端 3 2 存储器部分 在上一章我已选定了存储器芯片 X5045 下面对其作进一步的介绍 1 特点 可编程的看门狗定时器 上电复位及低 VCC 检测 即在上电和 VCC 低于检测门限时 输出复位信号 输出复位高电平有效 直至 VCC 1V 复位信号仍有效 SPI 接口方式 最高可达 1MHZ 的串行时钟频率 日照职业技术学院学生毕业论文 11 512 8 位串行 EEPROM 低功耗 CMOS 3mA 工作电流 10uA 备用电流 电源电压 2 7V 5 5V 分块锁定 可保护 1 4 1 2 或所有 EEPROM 列 防止偶然性写保护 高可靠性 数据可保存 100 年 每字节可擦除次数可达到 10 万次 可编程的复位门限 需要加高电压 15 18V 加在 WP 引脚 及一个专门的 时序 2 使用说明 串行输出 SO SO 是一个推 拉串行数据输出引脚 在读周期时间内 数据从这个引脚输 出 串行时钟脉冲下降沿时数据输出 串行输入 SI SI 是串行数据输入引脚 所有的操作码 字节 地址及数据都通过这个 引脚写入存储器 串行时钟脉冲上升沿时 数据被锁存 串行时钟 SCK 串行时钟控制串行总线为数据的输入和输出计时 SI 引脚的操作码 地 址或数据在时钟输入上升沿时被锁存 SO 引脚的数据在时钟输入上升沿时被 改写 片选 CS 当 CS 为高电平时 X5043 45 被检测 SO 输出引脚处于高阻抗状态 除非 内部写操作在进行中的时候 X5045 将处于后备电源模式 CS 为低电平时 可以使 X5943 45 处于工作电源模式 应特别注意 在电源上电以后 需要在 开始任何操作以前完成 CS 引脚上高电平到低电平的转换 写保护 WP 当 WP 为低电平时 对于 X5045 不能完成非易失性写操作 但是在其他方 面工作正常 当 WP 被拉成高电平时 所有的功能 包括非易失性写操作都能 正常工作 当 WP 变成高电平 CS 仍然是低电平时 将中断对 X5045 的写操 作 如果内部写周期已经开始 WP 变成低电平将对写操作没有影响 复位 RESET 日照职业技术学院学生毕业论文 12 X5045 的 RESET 分别工作在高电平 低电平 对外输出一直工作到 VCC 降 至最小电压以下 将一直工作 200ms 直到 VCC 升高大于最小电压 如果看门狗 定时时间已定 CS 保持高电平或低电平的时间超过看门狗的定时时间 RESET 也同样有效 当 CS 下降沿时可使看门狗定时器复位 3 工作原理 X5045 是设计成直接与许多微控制器系列的同步串行外设接口 SPI 相 接的 512 8EEPROM X5045 包括一个 8 位指令寄存器 可以通过 SI 输入来访问 数据在 SCK 上升延由时钟同步输入 在整个工作期间内 CS 必须低电平且 WP 输入必须是高电平 4 复位电源 5 低电压控制 6 看门狗定时 7 VCC 入口复位程序 8 设置 Vtrip 值 9 复位初始电压 10 SPI 串行存储 11 时钟和数据定时 12 写使能锁存器 13 状态寄存器 14 读状态寄存器 15 写状态寄存器 16 读存储序列 17 写存储序列 3 3 显示部分 本仪器利用 89C52 单片机串行口和廉价的 74HC164 集成块实现多个 LED 显 示的一种简单方法 利用该方法设计的多路 LED 显示系统具有硬件结构简 单 软件编程容易和价格低廉的特点 下面简单的介绍一下 74HC164 特点 1 与门串行输入 2 完全的缓冲时钟脉冲和串行输入 日照职业技术学院学生毕业论文 13 3 直接清除 3 4 电源与复位电路部分 3 4 1 电源部分 本次设计应用的电压有 5V 220V 交流电源经变压器 整流 滤波后分别 进入芯片 7805 产生 5V 这些电源的具体应用情况如下 5V 电源 单片机及外围电路所用电源 9V 电源 压电喇叭所用电源 3 4 2 复位电路 当MCS 5l系列单片机的复位引脚RST 全称RESET 出现2个机器周期以上 的高电平时 单片机就执行复位操作 如果 RST 持续为高电平 单片机就处于 循环复位状态 根据应用的要求 复位操作通常有两种基本形式 上电复位和上电或开关 复位 上电复位要求接通电源后 自动实现复位操作 常用的上电复位电路如图 3 12 a 中左图所示 图中电容 C1 和电阻 R1 对电源十 5V 来说构成微分电路 上电后 保持 RST 一段高电平时间 由于单片机内的等效电阻的作用 不用图 中电阻 R1 也能达到上电复位的操作功能 3 5 电铃和继电器部分 当定时时间到了 压电喇叭则发出一阵声响 时间到时发出一阵声响 按 下 K4 键可以停止声响 也可以启动继电器 由继电器可以控制放音机 3 6 按键部分 按键设定部分比较简单 因为本系统按键少 所以在设计上采用了独立按 键方式 程序的编制上也采用了简单的扫描方式 程序执行后工作指示灯 LED 闪动 表示程序开始执行 七段显示器显示 0000 按下操作键 K1 K4 动作如下 操作键 K1 设置现在的时间 操作键 K2 显示闹铃设置时间 操作键 K3 设置闹铃时间 操作键 K4 闹铃 ON OFF 设置 设为 ON 时连续 3 次发出哔的一声 设为 日照职业技术学院学生毕业论文 14 OFF 时发出哔的一声 设置现在的时间或是闹铃时间设置如下 操作键 K1 设整时 操作键 K2 设整分 操作键 K3 设置完成 至此 我们分七部分将硬件电路介绍完毕 从下一章 我将介绍该仪器的 软件设计 第 4 章软 件 设 计 单片机作息时间控制的动作利用时间计时处理来做秒计数 当所设置的时 间到了 则发出一阵声响 启动继电器 由继电器可以控制放音机开启或关闭 单片机定时器负责定时的计数 不会因为按键处理而中断时间秒数的增加 时 分 秒数据是存在变量内并写入七段显示器的缓冲区内 而由显示器扫描程序 中定时扫描而显示出时间 4 1 主程序设计 在主控程序循环中主要工作为扫描是否有按键 若有按键则应做相应的功 能处理 同时也扫描显示器显示时间数据 并检查所设置的时间是否到了 图 4 1 为主程序控制的工作流程 时间计时处理程序是等过了 1S 后 则更新时 日照职业技术学院学生毕业论文 15 间数据 将最新的时 分 秒的数据转换为数字数据并显示在七段显示器上 程序中是这样判断是否过了 1S 的 设一旧秒数变量 当新旧秒数变量不 一样时 则表示已过了 1S 要做相关程序时间处理了 主 程 序 开 初始化定时器 初始化变量 继电器 OFF 消除电铃标志 LED 闪动 表示程序开始执 扫描显示器更新时间数 据 定时时间到 K1 设置现在的时间 K2 显示定时设置时间 K3 设置定时时间 K4 电铃 ON OFF 是 否 按 K1 K2 K3 K4 键 图 4 1主程序控制的工作流程 4 2 子程序设计 主要控制子程序说明如下 T0 INT 定时器 0 计时中断程序每隔 5ms 中断一次 DELAY 延时子程序 DELAY1 控制七段显示器延时时间 日照职业技术学院学生毕业论文 16 LED BL 工作 LED 闪动控制 SCAN1 七段显示器扫描一遍 LOAD DATA 加载七段显示器显示数据 0 INIT 初始化控制变量 INIT TIMER 初始化定时器接口 使用定时器 0 模式 0 计时 TIME PRO 更新时分秒数据 CONV1 将分及秒的数据转化为七段显示器显示数据并写入显示内存 内 CONV 将时及分的数据转换为七段显示器显示数据并写入显示内存内 SET TIME 设置现在的时间包括小时及分钟 TIME OUT 过了 1S 后则更新时间并检查定时时间是否到了 LOOK ATIME 查看已设置的定时时间 CONVA 转换定时时间时分数据为七段显示器显示数据并写入显示内存 内 SET ATIME 设置定时时间 其中显示分四路 第一个和第二个数码管显示的是时 第三个和第四个数 码管显示分 流程图如图 4