基于SST89C51上课铃的设计方案

1 基于 课铃的设计方案 第 1 章 绪论 计的意义 课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。 1进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能； 2培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力； 3培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。 计的基本任务 本设计是模拟学校自动铃声的一个装置，通过单片机驱动后的时钟芯片进行计时同时将计时用数码管进行显示以及驱动发光二极管的操作，从而实现可调，可控，可视化的自动化装置。 计的基本要求 设计基于时钟芯片计时功能，通过单片机的处理将计时信号能够以数字形式显示出来在 现可视化。 具有可调功能，单片机通过采集按键模块输入的信号处理可实现对 且通过模拟将铃声信号通过蜂鸣器鸣叫体现出来。 第 2 章 设计方案的论证及确定 案比较与选择 统方案选择 方案一：采用数字电路来搭建，利用 555 时基电路构成振荡器产生 100率的震荡电路，再通过分频器得到 1率，即产生 1 秒计时时间，显示部分通过锁存器和驱动芯片将计时时间送入数码管显示。设计框图如图 2示。这种方案电路结构比较复杂，芯片使用比较多，灵活性不信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 2 - 2 - 高而且精读不够精确不利于系统的扩展。而且这种电路中需要使用独立式的数码管，每个数码管都需要了解一个数据锁存器和数码管的驱动芯片，连线比较多，制作的过程中很容易出错。 图 2案一设计框图 方案二 ：采用 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。设计框图如图 2示、这种方案电路设计简单，时间精确，使用方便。而且单片机的强大功能使得系统方便扩展，有利于提高智能性。 图 2案二设计框图 体方案设计 本设计设计的自动铃声装置是通过对时钟芯片的定时。经过单片机的处理，完成对显示模块显示和对发光二极管的控制。单片机将处理后的数据显示在 铃声信号通过二极管的闪烁表现出来。整体方案设计如图 2 基电路 数码管显示 100号 分频器 数码管驱动 1号 数据锁存器 时钟芯片 秒计时 单片机 四位一体数码管显示 计时时间 3 图 2体方案设计图 钟芯片 结构及工作原理 美国 司推出的一种高性能、低功耗、带 实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 用三线接口与 行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 据。 部有一个 318 的用于临时性存放数据的 存器。 升级产 品，与 容，但增加了主电源 /后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 计时装置 键盘输入 显示模块 蜂鸣器 单片机 电源 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 4 - 4 - 第 3 章 硬件电路的设计 本设计的电路主要由电源模块、时钟芯片模块、单片机最小系统，显示模块、蜂鸣器模块、键盘模块，看门狗模块。具体电路和工作原理下面一一介绍。 源模块 电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源 , 它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，由 50流器、滤波器和串联调整稳压器组成。 它的基本工作原理为：工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小 。 这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性 。 本设计采用固定集成输出集成稳压电路，它主要由变压器（双 9V， 5W）、集成整流桥、集成稳压器 +5V）和 5V)构 成。如图 3 132V 压电源 钟芯片模块 钟芯片与连接 引脚排列 ,其中 后备电源， 主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。 者中的较大者供电。当 于 ， 电。当 于 ， 电。 振荡源，外接 振。 复位 /片选线，通过把 入驱动置高电平 5 来启动所有的数据传送。 入有两种功能：首先， 通控制逻辑，允许地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， 供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 有的数据传送被初始化，允许对 行操作。如果在传送过程中 为低电平，则会终止此次数据传送， I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在 前， 须保持低电平。只有在 低电平时，才能将 为高电平。 I/双向 )，后面有详细说明。 时钟输入端。 下图为 图 36控制字节 控制字如图 2 所示 。控制字节的最高有效位 (位 7)必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入 ，位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟数据，为 1表示存取 据 ;位 5 至位 1 指示操作单元的地址 ;最低有效位 (位 0)如为 0 表示要进行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 表 3信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 6 - 6 - 据输入输出 (I/O) 在控制指令字输入后的下一个 钟的上升沿时，数据被写入 据输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的下一个 冲的下降 沿读出数据，读出数据时从低位 0 位到高位 7。 寄存器 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为 其日历、时间寄存器及其控制字见表 1。 此外， 有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与 关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。 关的寄存器分为两类：一类是单个 元，共 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字 为 中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的 存器，此方式下可一次性读写所有的 31 个字节，命令控制字为 )、 )。 在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。 以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录 数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片 能很好地解决这个问题。 性能特性 实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行比较； 用于高速数据暂存的 31*8 位 最少引脚的串行 I/O； 压工作范围； 耗小于 300 7 用于时钟或 据读 /写的单字节或多字节（脉冲 方式）数据传送方式； 简单的三线接口； 可选的慢速充电（至 能力。 任何数据传送时必须先初始化，把 置为高电平，然后把 8 位地址和命令字装入移位寄存器，数据在 上升沿被访问到。在开始 8 个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器后，另外的时钟周期在读操作时输出数据，在写操作时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为 8+8，在多字节方式下为 8+字节数，最大可达 248 字节数。如果在传送过程中置 为低电平，则会终止本次数据传送，并且 I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在 前， 有在 低电平时，才能将 为高电平。 控制字如 表 所示。控制字节的最高有效位（位 7）必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入到 。位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟数据；为 1 则表示存取 据。位 5 1（ 示操作单元的地址。最低有效位（位 0）如果为 0，则表示药进行写操作；为 1 表示进行读操作。控制字节总是从最低位开始输入 /输出 。 为了提高对 32 个地址寻址能力（地址 /命令位 1 5=逻辑 1） ,可以把时钟 /日历或 存器规定为 多字节（ 式。位 6 规定时钟或 位 0 规定读或写。在时钟 /日历寄存器中的地址 9 31 或 存器中的地址 31 不能存储数据。在多字节方式下，读或写从地址 0 的位 0开始。必须按数据传送的次序写最先的 8 个寄存器。但是，当以多字节方式写 ，为了传送数据不必写所有的 31 字节，不管是否谢了全部 31 字节，所写的每一字节都将传送至 表 3有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为 形式。其日历、 时间寄存器及其控制字如 上 表所示，其中奇数为读操作，偶数为写操作。 时钟暂停：秒寄存器的位 7 定义位时钟暂停位。当它为 1 时， 止振荡，进入低功耗的备份方式，通常在对 行写操作时（如进入时钟调整程序） ,停止振荡。当它为 0 时，时钟将开始启动。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 8 - 8 - 2时方式：小时寄存器的位 7 定义为 12 或 24 小时方式选择位。它为高电平时，选择 12 小时方式。在此方式下，位 5 为第二个 10 小时位（ 20 23h）。 晶振选用 32768容推荐值为 6为振荡频率 较低，也可以不接电容，对计时精度影响不大。 片机最小系统的设计 片机系统 单片机系统是单片机能正常工作的条件，如图 4主要由时钟电路、复位电路构成。 连，保证了能正常的下载调试程序。为了实现更为复杂的功能，我们得对接口电路进行设计和扩展。由于 输出三态门，不能产生高电平，所以需要接上拉电阻。其中， R 连接。单片机 1相连，按键主要是为了实现对不同型号热电阻的选择。 2的其余引脚接段码管的段选和位选。具体接法请观察各个端口的网络标号。 15281 3 5 片机系统及接口电路 片机与显示模块的基本电路 保证了调节初始实时时间，实现调节时间的目的。 9 示电路 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 10 - 10 - 片机与键盘模块 1528片机与键盘的连接 片机与时钟芯片 连接 实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个 晶振即可。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。另外，还可以在上面的电路中加入 时显示实时温度。只要占用 个口线即可。 可以换成 可以使用北京卫信杰科技发展有限公司生产的 10 位多功能 8 段液晶显示模块 含看门狗 (时钟发生器及两种频率的蜂鸣器驱动电路，并有内置显示 显示任意字段笔划，具有 3 4 线串行接口，可与任何单片机、 口 。功耗低，显示状态时电流为 2A ( 典型值 )，省电模式时小于 1A ，工作电压为 示清晰。 11 6D)R)0)1)8)9)10)11)12)13)14)15)单片机与时钟芯片接口 在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。 以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现 的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片 能很好地解决这个问题。 片机与 通信接口电路 保证了能正常的下载调试程序 ，设计单片机与 通信接口电路如图 2 示。 串口线交叉串口电路母头图 片机与 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 12 - 12 - 门狗模块 门狗芯片与单片机的连接 D)R)0)1)8)9)10)11)12)13)14)15)5045门狗芯片与单片机的连接 看门狗定时器的基本工作原 理 看门狗 定时器（ 际上是一个计数器，一般给看门狗一个大数，程序开始运行后看门狗开始倒计数。如果程序运行正常，过一段时间 发出指令让看门狗复位，重新开始倒计数。如果看门狗减到 0 就认为程序没有正常工作，强制整个系统复位。 此外， 可以在你的程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。看门狗定时器对 微控制器 提供了独立的保护系统，当系统出现故障时，在可选的超时周期之后，看门狗将以 号作出响应，像 可选超时周期为 、 600 毫秒、 200 毫秒三种。当你的程序死机时， 会使单片机复位。看门狗实际上是一个计数器，一般给看门狗一个大数，程序开始运行后看门狗开始倒计数。如果程序运行正常，过一段时间 发出指令让看门狗复位，重新开始倒计数。如果看门狗减到 0 就认为程序没有正常工作，强制整个系统复位。 蜂鸣器模块 鸣器与单片机的连接 13 鸣器驱动电路 鸣器的基本工作原理 蜂鸣器的作用 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用 于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 本次用于报警器。由单片机 出高电平信号经三极管放大电流使得蜂鸣器工作。 第 4 章 软件设计 程环境 美国 司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 我们用开发软件 编写、修改所需程序和下载程序到单片机运行。 程步骤 其下介绍 使用步骤： 1 双击 到主画面： 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 14 - 14 - 图 2 新建界面 图 3 单片机的选择 图 片机的选择界面 如图所示能找到本次实习所需主要芯片 3 C 文件的建立 图 加 在添加 C 文件之后，就可以在里面编写自己的程序了，在编写完后编译，下载调试。如果没有错误，就可以烧录在芯片当中。 15 第 5 章 调试 试步骤 制作调试过程中所用仪器有：数字万用表、电烙铁、焊锡丝、焊锡膏、剥线钳、尖嘴钳、圆口钳、镊子、吸锡器等，另外准备尽量多的导线。 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 件烧写入单片机内。 4、 给系统上电，数码管显示时间，利用按键可设置定时时间和打铃时间。 5、 当定时的时间到时，蜂鸣器响，实现打铃功能。 6、 每个设置的打铃时间间隔，蜂鸣器响，实现打铃功能。 试结果 经上述调试，系统工作正常，实现设计要求的功能。 差分析 1电路 任何组装好的电子电路，在通电调试之前，必须认真检查 电路连线 是否有错误。对照电路图，按一定的顺序逐级对应检查。 特别要注意检查电源是否接错，电源与地是否有短路，二极管 方向 是否接反，集成电路和晶体管的引脚是否接错，轻轻拔一拔元器件，观察焊点是否牢固，等等。 2 器件 元器件之间最大的误差就是三极管，基极大于集电极电压，使其放大电流，既符合我们的要求。 本次硬件设计主要采用了 5%）系列电阻，由于这类碳膜电阻精度低， 最高只能做到 5%，且碳膜电阻器属于负温度系数的电阻，即温度升高时其电阻阻值随之减小。从根本上影响了输出精度。 数字设计电路布局要达到良好效果，仔细布线是完成电路板设计重要关键。需要考虑旁路电容、电源供应及接地布线、电压误差，以及因电路板布线引起电磁干扰。所以在硬件设计过程中： 1 旁信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 16 - 16 - 路或反交连电容（ 尽可能靠近组件。 2 电源与接地走线相互搭配。 3 走线整齐，尽量避免交叉。 键分析 键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据、查询和控制系统的工作状态，都要用到键盘，键盘是人 工干预计算机的主要手段。 键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能。这种键盘使用方便，但硬件较复杂， 编码键盘仅提供按键开关工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在单片机应用系统中广泛使用。此处主要介绍该类非编码键盘及其与 51型单片机的接口。 键开关去抖动问题 按键开关在电路中的连接如图所示。按键未按下时， V；按键按下时 ，A 点电位为低电平。 A 点电位就用于向 递按键的开关状态。但是由于按键的结构为机械弹性开关，在按键按下和断开时，触点在闭合和断开瞬间还会接触不稳定，引起 图 2示，键盘的抖动时间一般为 5 10动现象会引起 一次键操作进行多次处理，从而可能产生错误。因此必须设法消除抖动的不良后果。 图 操作和 键抖动 消除抖动的不良后果的方法有硬、软件两种。 为了节省硬件，通常在单片机系统中，一般不采用硬件方法消除键的抖动，而是用软件消除抖动的方法 。根据抖动特性， 在第一次检测到按键按下后，执行一段延时 510前延抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给 510延时，待后延抖动消失后才转入该键处理程序。 询式按键及其接口 按照键盘与 询式按键是各按键相互独立，每个按键占用一根 I/O 口线，每根 I/。查询式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根 I/17 在按键数量较多 时， I/O 口线浪费较大，且电路结构显得繁杂。故这种形式适用于按键数量较少的场合。 阵式键盘及其接口 矩阵式键盘又称行列式键盘，有 n 个行线和 m 个 列线，经限流电阻接 +5V 电源上，按键跨接在行线和列线上， n m 行列结构可构成 按键，组成一个键盘。与独立式按键相比， m+，因此适用于按键较多的场合。 当无键闭合时， 相应的 I/有键闭合时，与闭合键相连接的两条 I/断有无键按下的方法是：第一步，置列线 相关 I/输入态，从行线 相对应的 I/ 出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。第二步，置行线相关 I/出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。综合一二两步的结果，可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作，因此须等待近按键释放后，再进行键功能操作，否则按一次键，有可能会连续多次进行同样的键操作。 在单片机应用系统中，对键盘的处理工作仅是 作内容的一部分， 要进行数据处理、显示和其他输入输出操作，因此键盘处理工作既不能占用 需要 键盘处理控制的工作方式有以下几种： 1. 程序控制扫描方式 程序控制扫描方式是在 用键盘扫描子程序，响应键输入信号要求。 2. 定时控制扫描方式 定时控制扫描方式是利用定时 /计数器每隔一段时间 产 生定时中断， 在有键闭合时转入该键的功能子程序。 3. 中断控制扫描方式 中断控制扫描方式是利用外部中断源，响应输入信号。当无按键按下时， 行正常工作程序。当有按键按下时， 即产生中断。在中断服务子程序中扫描键盘，判断是 哪一个键被按下，然后执行该键的功能子程序。这种控制方式克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应键输入的缺点，既能及时处理键输入，又能提高 要占用一个宝贵的中断资源。图即工作于中断方式的矩阵式键盘接口电路。在初始化时 ， 有键闭合时 0， 中断服务子程序中，再完成键识别和键功能处理。 本设计采用程序控制扫描方式， 在对日期和时间进 行切换，我们有以下几个方案。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 18 - 18 - 方案一：使用独立式键盘。独立式键盘是指直接用 I/O 口线构成的单个按键电路。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。 方案二：使用矩阵式键盘。矩阵式键盘是由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。其特点是简单且不增加成本，这种键盘适合按键数量较多的场合。 根据以上的论述，因本系统需要的按键不多 ，日期加 1 键，月数加 1 键，年数加 1 键，分数加 1 键，时数加 1 键， 时间 /日期切换 键 ，要求简单。所 以采用方案一 独立式键盘。 图 键分析 按键 2 4 能 数码管选择键，两个一组自后至前 切屏键 自加一键 自减一键 设定报警键 19 第 6 章 结论 经测试本设计达到设计要求。 通过 3周的综合设计实习，我学到了许多书本上学不到的许多知识，对电子设计有了更深刻的了解。 我们这次设计课题是基于 求我们自主独立设计方案、焊接电路、编写程序、调试程序、专用芯片下载程序，最后实现设计。本次我是用 通过按键实现可调时钟，而且能实现定时上课时间打铃，打铃设备用蜂鸣 器实现，时钟显示和定时显示通过数码管显示出来。在指导老师的带领下，我们基本完成了任务书中的设计要求 ，实现了上课铃的功能，能够以数字形式显示出来，但是也有多多问题。 总体来说我的电子设计知识和硬件焊接技术都有限，也发现了很多不足之处。我很感谢学校老师给我的这次实习机会，感谢王影老师百忙之中来指导我们实习。在此我深表感谢 ! 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 20 - 20 - 参考文献 . 1 何立民 . 单片机高级教程 2 M出版社 ,2003. 2 王幸之 ,钟爱琴 ,王雷 ,王闪 . 列单片机原理与接 口技术 M. 北京航空 航天大学出版社 ,2004. 3 蔡美琴 ,张为民 ,沈新群 . 列单片机系统及其应用 M社 ,1992. 4 王毓银 . 数字电路逻辑设计 (脉冲与数字电路 第三版 )M社 ,2003. 5 张毅刚。单片机原理及应用 .M2003 6 杨将新 ,李华军 ,刘东骏 M出版社 ,2006. 7 赵亮 ,侯国锐 语言编程与实例 M2003. 8 刘修文 M2006. 9 王建校 ,杨建国 ,宁改娣 ,危建国 列单片机及 序设计 M社 ,2002. 10 张培仁 语言编程 片机原理与应用 M2003. 21 附录 电路 152822 - 22 - 附录 程序 # 000000002; 12; 11; 10; 17; 33; 35; 36; 37; ; ; b,y,z,n,e, i,s,h,m,ri,y1,z1,n1,e, i,s1,h1,m1,W,R,Q,s2,m2,M = 00; M =0 C8=0; /= #25045_25045_023 #25045_25045_25045_25045_25045_25045_7;/ 25045_ ;/ 25045_ ;/ 25045_ ;/ 25045 25045_ ;/ 25045 /= if(e=0) =z/16; =z%16; =h/16; =h%16; =m/16; =m%16; =s/16; =s%16; if(e=1) =2 ; =0 ; =n/16; =n%16; =y/16; =y%