校园打铃系统设计与研发

论文题目校园打铃系统设计与研发目录摘要 ITOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 11.1选题目的及意义 11.2技术发展概况 11.3论文内容与结构 2第二章方案设计 22.1作息时间控制钟系统概述 22.2本设计任务和主要内容 32.3方案设计 42.4设计框图 5第三章系统硬件设计 53.1硬件电路图 53.2时钟电路 53.3按键电路 73.4单片机电路 83.5七段式数码管驱动模块的硬件设计 93.6蜂鸣器驱动模块的硬件设计 10第四章系统软件设计 114.1主程序流程设计 114.2软件设计流程图 124.3读取DS1307时间程序设计 134.4按键设定程序设计 13第五章系统调试 145.1元件清单 145.2调试过程 155.3系统调试 155.4仿真 15全文结论 17致谢 19参考文献 18附录一系统总电路图 20附录二系统3D视图 21附录三PCB封装图 22附录四系统仿真图 23PAGEII摘要目前随着科技的快速发展，计算机网络应用在社会发展的很多方面，校园打铃便是其中之一，为学生教育提供了方便，本文便是基于此需求设计校园打铃系统，通过对其体系结构以及开发环境进行分析阐述，得到此系统得以实现的因素，从而设计出此系统，达到本文的最终目的。本次研究设计，是基于应用于现实的需求来完成的，达到满足现实需要，并本着高效、低耗的理念，对校园打铃系统进行改造。从而规避了当前因设备问题而导致的打铃控制问题、达不到一定程度准时的缺陷，改造出一款控制方式较为完善的设计。同时，我们也对设计中所涉及到的各个功能以及操作方式进行了详尽的介绍。通过总结此毕业设计的过程，得到校园打铃系统设计完成的经验，并且对以后本文设计的系统的应用前景进行展望分析。关键字：打铃器，AT89C51单片机，数码管，LEDAbstractNowwiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,computernetworkapplicationinmanyaspectsofthesocialdevelopment,theschoolbellringisoneofthem,educationprovidestheconvenienceforthestudents,thecampusringingthebellsystemisbasedontherequirementsinthispaper,throughtheanalysisofitssystemstructureanddevelopmentenvironment,haverealizedthesystemfactors,soastodesignthesystem,toachievetheultimategoalofthisarticle.Bysumminguptheprocessofgraduationdesign,theexperienceofthedesignofcampusringingsystemisgained,andtheapplicationprospectofthesystemdesignedinthispaperisprospectedandanalyzed. Keywords：Rangthebell，AT89C51SCM，theDS1307，LED中南大学网络教育毕业论文（设计）PAGE17绪论1.1选题目的及意义打铃器作为一个提醒人们时间的设备，自然离不开提供时间的系统，最原始的打铃器是人工根据时间通过敲钟来提醒，随着技术的发展，开始有了机械时打铃器。设备的智能化离不开单片机的使用。单片机简单的说就是一款微型的计算机，包含中央处理器CUP、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O口、串行口等部分，可以作为一个系统的主控制器，将其他部分电路整合到一起组成一个系统，为控制提供智能化。现在的社会沟通和工作已经完全离不开网络以及各种APP，通过使用各种系统，各行各业能够极大的提高工作效率，并且减轻了工作量，如今的教育系统更是离不开软件的发展，比如如今疫情时间下全国学生通过钉钉在家便可以实现远程教育，使疫情对学生教育的影响减低到了最小。很长时间以来，我国从小学至大学以及社会上的种种教育教学都是通过学生坐在教室里的形式进行的，这需要很大的人力组织以及物力保障，也需要花费较长的时间，尤其是大规模的考试。使用校园打铃系统十分有益，可以在我们的学习和生活中方便灵活的进行对学生的上课和休息，相比传统模式，好处显而易见。在如今的大学校园里，为发展学生各方面兴趣知识，学校往往开展了较多的课程，涉及到各种最新的知识，而校园里大学生又比较多，科目多，上课是很重要的一项环节，需要很多老师组织学生，影响老师们在其他科研方面的精力，所以校园打铃系统很有必要。校园打铃系统使用非常简单，这样既解放了老师，又方便了学生，使得学生可以在不同时间段作答，老师可以花费更多的时间和精力进行设计考试题目、考察学生知识掌握情况。以此为目的，本文通过查阅资料、请教老师同学以及自己的知识储备，希望能够开发出有利于教师管理的校园打铃，同时更方便掌握学生的学习状态，提高效率。1.2技术发展概况单片机一经推出，它便以其特有的较高的通用性，以及提高控制系统的可靠性和灵活性的特点被广泛运用在当代工业化的设备当中。而这些都是它能迅速占领市场的重要因素。直到上世纪80年代，属于计算机的时代到来。伴随着计算机技术的大幅发展，单片机也迎来了自己的春天，并不再仅仅局限在逻辑控制、顺序控制的基础范围，而是开启了新的计算方法，在这一定程度上属于一次新的革命。为了迎合市场，适应当代竞争，各大企业也出现了一定程度的差异。而正如前文所提及的单片机应运而生。现在，单片机被广泛运用在我国的各类设备当中，由于其具有较低的成本以及较强的可控性，所以一些较为容易的自动化流程都在运用。而这一方面的效果在各种小型的设备方面体现的更为直观。我们常见的开箱机等都是利用单片机来运转的。随着对单片机的开发，其效果不断优化和进步。1.3论文内容与结构本次研究设计，是基于应用于现实的需求来完成的，达到满足现实需要，并本着高效、低耗的理念，对校园打铃系统进行改造。从而规避了当前因设备问题而导致的打铃控制问题、达不到一定程度准时的缺陷，改造出一款控制方式较为完善的设计。同时，我们也对设计中所涉及到的各个功能以及操作方式进行了详尽的介绍。其中对软件和硬件的设计，对它的实时监控做到很好的效果，当然，本次设计也有着它一定的缺陷，需要本人后续的努力，进行不断地研究和改进。科学总是不断地发展，也许后面有了更多的知识储备和经验的实践获得，可以更好的完成本次设计也不是不可能。第二章方案设计2.1作息时间控制钟系统概述本设计是一个具有报时功能的作息时间控制钟。它利用89C51单片机的2Hz时基计时，进行年历计算，并用的蜂鸣器驱动模块将它报出来；作为一个比较好的老师不仅要能够知道如何把书本上的知识生动形象的教给学生，让学生能够容易理解，还需要能够和学生沟通，了解学生的学习状况，查漏补缺为学生分析其学习的薄弱环节，为学生制定下一步的学习计划，这些其实是教师应该做的事情，再做的好一些的教师可能会分析学校的学生整体学习环境，学习进度等，然后为学生设计适合当时学生学习状况的课程，让学生始终保持在学习新知识的状况。除此之外，老师还需要有管理者的思维方式，在日常的教学工作中发挥多种管理才能。这就对教学老师提出了较高的要求，也提出了较高的工作量，并且根据时间和教学环境等随时变换。通过校园打铃系统，在规定的时间内进行上课和休息。在进行时间计算，分每加一时，都与规定的作息时间比较，如果相等则进行相应的控制或动作。由七段显示驱动模块、蜂鸣器驱动模块和按钮控制模块三部分组成，四个按键用于报时及校正时间。现代机关企业，特别是学校要求对时间加以控制，要按时打铃及播放广播，以保证学习与工作的正常运行。2.2本设计任务和主要内容2.2.1设计任务用可编程器件为主体，设计并制作一台自动打铃系统。要求完成的作品必须固化软件，测试检查时上电即可工作，不允再用计算机下载。校园打铃系统要达到两种目的，分别是让满足学生用户的需求以及老师等的需求，学生使用校园打铃系统需要在规定的时间内完成规定数量的考试题目或者上课时间，老师可以花费更多的时间和精力进行设计教学题目、考察学生知识掌握情况。本文设计的校园打铃系统需要达到如下几个方面，分别是：有目标，有序，精准，系统。在传统的教育教学中，其实老师和家长都知道要通过不断的上课和考试来对学生的学习进行查漏补缺，以便于知道学生下一步的学习制定计划。但是现实中往往是家长事情多，老师日常教学管理琐事多，因此老师家长不得不难以组织学生进行及时有效的考试，一般只有在经历过学习过一阵比较长的时间后才会进行考试，在这期间学生可能经过了一段时间的重复学习，没有及时的查漏补缺。并且这些考试试题可能也不能使得全部的学生查漏补缺。学生使用校园打铃系统需要在规定的时间内完成规定数量的考试题目或者上课时间，老师可以花费更多的时间和精力进行设计教学题目、考察学生知识掌握情况。2.2.2主要内容1、本论文设计的打铃系统采用的是12小时记时方式，分为上午和下午时间段，显示时间为时，分，秒。2、不仅能够显示时间，还可以设置上午和下午时间，可以精确地设置时间至某小时某分某秒；3、除了设置时间，还能够根据设置的时间来进行打铃，在本论文设计中，规定设置的打铃时间如下：上午6：00起床铃：打铃5秒、停2秒、再打铃5秒。下午10：30熄灯铃：打铃5秒、停2秒、再打铃5秒。打铃的声音是通过喇叭的声音发出的，本文在设计打铃系统时，声音系统都是通过喇叭来播放的。2.3方案设计采用AT89C51单片机作为系统控制单元，通过时钟芯片来实现计时功能，单片机负责将时间送入显示电路显示。主要内容包括：设计能正常工作的一个单片机最小硬件系统，外围电路包括设置键盘，LCD或LED的显示屏；进行软件设计，利用单片机系统时钟先设计一个高精度的内部时钟系统，最小精确时间为期1秒；在秒计数器的基础上设计一个24小时时钟，并设计若干定时功能；设计打铃执行机构，完成自动打铃功能。时钟芯片秒计时单片机时钟芯片秒计时单片机液晶显示器显示计时时间图2-1设计框图2.3.1时钟芯片采用DS1307时钟芯片实现时钟。DS1307，它是SPI总线接口实时时钟芯片，可以独立于CPU工作，不受CPU主晶振及其电容的影响，且计时准确，月累积误差一般小于10秒。2.3.2显示器件在本论文中，需要用到显示器件来显示时间，本文选用的显示器件是LED，LED器件是连在单片机的端口中的，以此来驱动LED来进行发光，并且可以通过单片机来控制LED的亮和熄灭来达到显示时间的目的。2.3.3蜂鸣器驱动模块采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。2.3.4按钮控制模块在本设计中，按钮和单片机的四个引脚进行联通，另外的一端是和地进行连接的，当按钮进行操作时，按钮和单片机连接的四个引脚就会发生电平的改变，而单片机就可以通过读取电平的改变来识别按钮是否被接通。2.4设计框图本设计系统框图如图2-2所示。系统以AT89C51单片机为控制器，通过DS1307来为系统提供标准时间，单片机读取DS1307时间后送LED显示器显示，通过按键来设置打铃时间。系统设计框图如图2-2系统设计框架图所示：时钟电路时钟电路按键设定打铃时间片机控制显示电路打铃电路 图2-2系统设计框图第三章系统硬件设计3.1硬件电路图根据系统设计框图，本设计硬件电路主要由时钟电路、按键设定电路、单片机电路、显示电路和打铃电路组成，电路原理图见附录一所示。3.2时钟电路3.2.1DS1307简介DS1307是SPI总线接口的日历时钟芯片，片内有8个特殊寄存器和56字节的非易失性RAM，是一种低功耗、BCD码的8引脚实时时钟芯片。DS1307的引脚排列如图3-1DS1307引脚图所示，引脚说明如下：X1、X2：接入32.768kHz的石英晶振；GND：地；SCL：时钟线，用来同步数据；VCC：+5V电源；图3-1DS1307引脚图3.2.2时钟电路设计时钟电路如图3-2时钟电路图所示。时钟芯片的SCL引脚和SDA引脚分别由单片机的P3.6和P3.7引脚控制，单片机只需按照DS1307的工作时序来控制DS1307即可实现时间的写入和读取，其中DS1307的时钟端与数据端需外接上拉电阻，本设计选用5针排阻来充当上拉电阻。图3-2时钟电路3.3按键电路本设计中按键电路如图3-3按键电路所示，由单片机的P1口控制按键电路。图3-3按键电路3.4单片机电路3.4.1单片机简介单片机一经推出，它便以其特有的较高的通用性，以及提高控制系统的可靠性和灵活性的特点被广泛运用在当代工业化的设备当中。而这些都是它能迅速占领市场的重要因素。直到上世纪80年代，属于计算机的时代到来。伴随着计算机技术的大幅发展，单片机也迎来了自己的春天，并不再仅仅局限在逻辑控制、顺序控制的基础范围，而是开启了新的计算方法，在这一定程度上属于一次新的革命。为了迎合市场，适应当代竞争，各大企业也出现了一定程度的差异。而正如前文所提及的单片机应运而生，现在，单片机被广泛运用在我国的各类设备当中，由于其具有较低的成本以及较强的可控性，所以一些较为容易的自动化流程都在运用。而这一方面的效果在各种小型的设备方面体现的更为直观。我们常见的开箱机等都是利用单片机来运转的。随着对单片机的开发，其效果不断优化和进步。3.4.2单片机最小系统电路单片机最小系统由晶振电路和复位电路组成。晶振电路用于产生单片机工作时所需要的时钟信号，单片机的指令必须在时钟信号下按照时序执行。电路如图3-5单片机最小系统电路所示。图3-5单片机最小系统电路3.5七段式数码管驱动模块的硬件设计LED数码管显示器内部有七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，其结果图如3-6七段式数码显示管所示：图3-6七段数码显示管它的控制原理和发光二极管的控制原理是相同的。根据各管接线的形式，可分成共阴极型和共阳极型。其八个接口对应的字形如表3-2数码管字型码表所示：表3-2数码管字型码表显示字形dpgfedcba共阴极字型码共阳极字型码0001111110x3F0xC01000001100x060xF92010110110x5B0xA43010011110x4F0xB04011001100x660x995011011010x6D0x926011111010x7D0x827000001110x070xF88011111110x7F0x809011011110x6F0x90A011101110x770x88B011111000x7C0x83C001110010x390xC6D010111100x5E0xA1E011110010x790x86F011100010x710x8E3.6蜂鸣器驱动模块的硬件设计在本论文的打铃系统设计中，打铃的声音是通过音乐等声音来提醒学生的，本文中用到的声音播放器是蜂鸣器，通过将蜂鸣器和单片机连接，进而使用单片机来控制蜂鸣器来进行音乐等声音的播放。每隔固定的时间，打铃系统中的喇叭和蜂鸣器就会发出声响，并且显示器件LED灯也会闪亮。通过设置固定的时间间隔，打铃系统便会每隔固定的时间通过喇叭发出声音，并且LED灯会发出显示，以此来实现打铃系统打铃和显示的目的。蜂鸣器和单片机的连接图如下：图3-7蜂鸣器驱动电路第四章系统软件设计在本论文中除了硬件设计，更是离不开软件的设计，尤其是LED显示器件的控制系统，在软件设计中本论文主要进行了如下内容的软件内容设计。本次研究设计，是基于应用于现实的需求来完成的，达到满足现实需要，并本着高效、低耗的理念，对校园打铃系统进行改造。从而规避了当前因设备问题而导致的打铃控制问题、达不到一定程度准时的缺陷，改造出一款控制方式较为完善的设计。同时，我们也对设计中所涉及到的各个功能以及操作方式进行了详尽的介绍。其中对软件和硬件的设计，对它的实时监控做到很好的效果。4.1主程序流程设计主程序初始化，并打开中断，然后执行中断服务程序。实现24小时制电子钟，8位数码管显示，显示时分秒显示格式：23-59-59（小时十位如果为0则不显示）。到预定时间启动蜂鸣器模拟打铃，蜂鸣器BEEP：P3.7打铃方式分起床、熄灯铃和上、下课铃两种系统使用4只按键，3只按键用来调整时间，另一只为强制打铃按钮。调整选择键SET_KEY：P1.0；通过选择键选择调整位，选中位闪烁增加键ADD_KEY：P1.1；按一次使选中位加1减少键DEC_KEY；P1.2；按一次使选中位减1，如果长按ADD_KEY或DEC_KEY，识别后则进行调时快进，此时停止闪烁。4.2软件设计流程图系统软件设计流程图如图5-2系统软件设计流程图所示。图4-2软件设计流程图程序设计过程：首先要定义单片机的引脚，然后初始化器件，再利用DS1307的读写时序读取时间数据。每隔固定的时间，打铃系统中的喇叭和蜂鸣器就会发出声响，并且显示器件LED灯也会闪亮。通过设置固定的时间间隔，打铃系统便会每隔固定的时间通过喇叭发出声音，并且LED灯会发出显示，以此来实现打铃系统打铃和显示的目的。4.3读取DS1307时间程序设计DS1307中的时间寄存器地址编码为00H-07H，而具有掉电保护的RAM寄存器的地址编码为08H-3FH。当地址指针指向RAM的最后一个地址3FH时，若进行多字节操作，则地址指针将会复位而指向00H，这样原来存在00H的数据将会丢失。DS1307的各类时间数据均以BCD码的格式存储在相应的时间寄存器中，具体分配如表5-1DS1307寄存器分配所示：表5-1DS1307寄存器分配00H01H02H03H04H05H06H07H秒分小时星期日期月年控制字

单片机通过读取DS1307相应的寄存器字节，可以获取时钟和日历信息。时钟和日历信息以BCD码的形式存放在寄存器中，寄存器0的第7位为时钟停止位，振荡器停止工作。4.4按键设定程序设计单片机读取按键的方式有2种：查询方式和中断方式，单片机控制按键子程序流程图如图5-5单片机控制按键子程序流程图所示：图4-5单片机控制按键子程序流程第五章系统调试5.1元件清单本论文需要根据设计需要选择一定的元件，本文选用了的器件如下表所示。表5-1元件清单元器件名称元器件名称个数AT89C51单片机DS13071LED显示器32.768KHz晶振11N4148二极管5.1K电阻29013三极管蜂鸣器1发光二极管12MHz晶振122P电容10U电解电容110K电阻10K电位器147Ω电阻按键45针排阻万用板15.2调试过程制作与调试过程如下：1、按照元器件清单准备好所需要用到的元器件。2、按照电路原理图焊接硬件电路板，先焊接芯片的底座，再焊接其外围电路。3、编译软件程序，将生成的.hex文件烧写入单片机内。4、给系统上电，显示器显示时间，利用按键，可设置定时时间和打铃时间间隔。5、每隔固定的时间，打铃系统中的喇叭和蜂鸣器就会发出声响，并且显示器件LED灯也会闪亮。6、通过设置固定的时间间隔，打铃系统便会每隔固定的时间通过喇叭发出声音，并且LED灯会发出显示，以此来实现打铃系统打铃和显示的目的。通过上面的这六项调试，可以测试出系统是否存在工作上的问题，发现在设计中存在的哪些不足，以实现设计要求的目的。5.3系统调试在本论文的设计中，主要设计了几部分作为调试步骤，分别是硬件、软件调试，还有软硬件的联调，通过这三个步骤的调试，可以对系统进行调试。5.4仿真此系统的仿真效果很好，能实现设计要求和目的所规定的内容。下面是两幅仿真结果图5-1proteus仿真图和5-2proteus仿真图所示：图5-1proteus仿真图图5-2proteus仿真图全文结论校园打铃系统用户使用非常简单，作为一个比较好的老师不仅要能够知道如何把书本上的知识生动形象的教给学生，让学生能够容易理解，还需要能够和学生沟通，了解学生的学习状况，查漏补缺为学生分析其学习的薄弱环节，为学生制定下一步的学习计划，这些其实是教师应该做的事情，再做的好一些的教师可能会分析学校的学生整体学习环境，学习进度等，然后为学生设计适合当时学生学习状况的课程，让学生始终保持在学习新知识的状况。除此之外，老师还需要有管理者的思维方式，在日常的教学工作中发挥多种管理才能。这就对教学老师提出了较高的要求，也提出了较高的工作量，并且根据时间和教学环境等随时变换。通过校园打铃系统，学生发展学生各方面兴趣知识，学校往往开展了较多的课程，涉及到各种最新的知识，而校园里大学生又比较多，科目多，考试又是很重要的一项环节，需要很多老师组织学生考试然后监考以及批