可预置定时电路设计

1、可预置定时电路设计安阳师范学院李邦强物电学院 , 河南 安阳 455000)摘 要：本设计是以 STC89C52 单片机作为控制芯片，以单片机原理为基础，整个系统由 控制模块电路、数码管显示模块电路、键盘输入模块电路、报警模块电路、串口通信模块 电路构成。该系统具有一个走时准确的时钟的功能，还可以可以通过按键任意预置时间， 系统按照预置值进行倒计时，当计时到零时执行打铃报警，同时发出对继电器进行控制的 信号。关键词： STC89C52；定时电路； 74LS138 1 引言 在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常 用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，

2、其定时准确性和重复精度都不是很理 想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，这种产品功能强，是前者的换代之物。 随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工 业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子 玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各 样、功能各异的微电子产品。随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己 的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计了一个可预置的定时显示报警系 统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制

3、，同时又可以进 行时钟校准和报警打铃。它可以执行不同的异常信号的报警，可以任意设置时间，可以控 制时间的显示。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化 的范围，为家庭数字化提供了可能。从早期的采用模拟电路构成的报警系，到后来采用数字电路构成报警系统，再到采用 MCU 做为控制器的报警系统。随着科学技术、特别是微机、电子、光学技术的迅猛发展， 也带动了定时报警系统的发展。表现为传感元件的深入开发，更加扩大了火灾探测器家族 的成员；智能技术的应用，使得报警系统等产品开始步入智能水平的初期阶段。尽管我国 定式报警技术起步较晚，与世界先进国家有一定的差距，但我国定时报警技术的发

4、展速度 较快，近年来各类定式报警设计规范和相关技术标准日趋完善，定时报警科学理论研究进 步明显并获得工程应用，特别是定时报警系统作为我国 20 世纪 80年代新兴的技术密集型 产品，其科研开发和生产技术能力快速提高，大大缩小了与国际先进技术的差距，具备了 研究、设计、生产智能化定时报警系统的技术实力，使我国定时报警系统的研制、开发、 生产和应用等方面取得了令人瞩目的成就，极大地推动了定时报警系统技术产品的广泛应 用。在目前的科学技术条件下，定时报警技术和硬件方面暂时不会有大的飞跃，已经基本 成形。而我们的主要任务应该是充分利用、完善这种技术，并在此基础上找到更加可靠的 定时报警判据，开发出定时

5、报警系统的基础软件。借助当今的先进技术，研制智能程序较 高、更具抗干扰的综合性强的定时报警系统刻不容缓，以利更好地满足社会需要，为报警 事业增添光彩。可预置定时电路的设计可以很好地解决这些问题，因此就应运而生。 2 技术要求2.1设计一个可灵活预置时间的计时电路， 要求具有时间显示功能， 能准确地预置和清零。第1 1 页2.2设置外部开关，控制数码管时间的清零、预置、启动和计数。2.3当计时器时间到零时，显示器上显示 00-00-00，同时小喇叭发声报警。2.4电路工作电压是 +3.5V +9，温度范围比较宽， -2040 度都可以。3 方案论证3.1采用分立式元器件，运用数字电路技术，可以设

6、计出报警系统，但这样的系统元 器件较多，稳定性差，精度不高，走时不准确。定时器由启动电路、秒脉冲发生器、预置输入电路、计数器、译码显示电路、报警电 路和控制电路共 7 部分组成。其中计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成计时 功能，而控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停 /连续计数、译码显示电路的显 示与灭灯，定时时间到报警等功能。可参考原理框图如图 1 所示。图 1 1 数电定时电路原理框图 这种方法用到的元件较多，设计也较麻烦，我最终没有采纳。3.2采用单片机做控制器，运用较少的外围器件就可设计出定时报警系统。这样的系统稳 定性较好，精度较高，走时较准确，性价比高。定时电路报

7、警系统硬件电路通常由以下 7 个模块电路构成：控制模块电路、数码管显 示模块电路、键盘输入模块电路、报警模块电路、时钟电路、电源电路、串口通信模块电 路，其中电源用的是外接电源，另外还有复位电路是单片机必备的。其基本组成框图如图 2 所示。第2 2 页综合考虑：对于生活上的简单应用而言，方案 2 完全符合应用要求，况且性价比高， 另外单片机运用也比较方便，故选择方案 2。4 硬件设计4.1主要器件的选择任何一个电路的设计器件的选择都是一个重要的环节，器件选择不合理可能使电路达 不到设计要求，也可能使整个设计成本过高。因此正确合理选择器件显得尤为重要。4.1.1MCU 的选择在市场上存在着各种各

8、样的单片机，每种单片机都有其各自的优点，但是单片机的选 用不能一味的追求高性能，而应该综合考虑用途和价格，以达到较高的性价比。综合考虑 系统需求及系统成本，在此选用宏晶公司生产的 STC89C52RC 单片机。STC89C52RC是一款低电压、低功耗，高性能的 CMOS 8 位单片机。内置有通用 8位 中央处理器，支持在线编程，不需要专门的编程器 图2 定时电路报警系统设计框图（这点比较方便 ）片内含有 8k bytes 的可 反复擦写的 Flash只读程序程序存储器和 512 bytes的随机存取数据存储器 （内 RAM256B 、 XRAM256B ），兼容标准 MCS-51 指令系统。

9、STC89C52RC有 40个引脚，32/36（P4口 E8H） 个 IO 端口，同时内含 4 个外中断口， 3 个 16 位可编程定时器， 2 个全双工串行通信口，第3 3 页特别适合对处理器要求不是很高的场合。 STC89C52RC 的性能完全能满足系统要求，而且 成本比较低。单片机简介一、 STC89C52RC 单片机总体结构框图如图 3、引脚功能STC89C52RC 引脚排列图如 4第4 4 页图 4 STC89C52RC引脚分布VCC （ 40）： 3.4-5.5VGND （ 20）：接地P0 口（3932）：P0口为 8位漏极开路双向 I/O 口，每个引脚可吸收 8个 TTL门电流

10、。P1 口（18）：P1口是从内部提供上拉电阻器的 8 位双向 I/O 口，P1口缓冲器能接收 和输出 4 个 TTL 门电流。P2 口（2128）：P2口为内部上拉电阻器的 8位双向I/O 口，P2口缓冲器可接收和输 出 4 个 TTL 门电流。P3 口（ 10 17）：P3口是 8 个带有内部上拉电阻器的双向 I/O 口，可接收和输出 4个 TTL门电流， P3 口也可作为 AT89C51的特殊功能口。RST （9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持 RST引脚 2 个机器周期的高电平时间。ALE/PROG （ 30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低 位字节，在

11、 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE端以不变的频率周 期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6 ，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时 目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过 1个 ALE脉冲。PSEN （ 29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器 周期 2 次 PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这 2 次有效的 PSEN信号将不出现。EA/VPP （31）：当 EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（ 0000H FFFFH）不管是 否有内部程序存储器。 FLASH编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ V

12、PP）。XTAL1 （ 19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 （ 18）：来自反向振荡器的输出。STC89C52RC的具体特性可以查看其数据手册。4.1.2其他器件的选择由于 IO 口负载能力有限，在显示电路上运用了七段码数码管，为了节省 IO 口，用 74HC138与数码管相连作为片选端。4.2子模块电路设计4.2.1复位电路设计89C52是CMOS 型单片机，当振荡器起振后，在 RET引脚上输入 2个机器周期以上 高电平，器件便进入复位状态，此时 ATE、PSEN、 P0、P1、P2、 P3 输出高电平， RET 上 输入返回低电平后，退出复位状态。对于 89

13、c52 等 CMOS 型单片机只要在 RET 脚接一个 取合适值的电容便可实现上电自动复位。本系统设计采用的是上电复位和人工开关复位相 结合的复位方式。如图 5第5 5 页C430P报警电路和继电器控制电路通过4.2.2时钟电路设计89C52等 CMOS 型单片机内部有一个可控的反相发大器，引脚 XTAL1 、XTAL2 为反 相放大器输入端和输出端，在引脚 XTAL1 、XTAL2 上外接晶振和电容便组成振荡器，电 容的典型值为（ 2040） pF。本系统设计的时钟电路如图 6X1Y1Y1ZTAC330PGND图 6 时钟电路4.2.3按键电路设计 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简

14、单也是最常用的单片机输入设备，操作员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。本系统采用 4*4 的矩形键盘。 其中 sw1是设置键， sw2是确认键， sw3是时加 1，sw4 是时减 1，sw5是分加 1，sw6 是分 减 1， sw7 是秒加一， sw8是秒减一。如图 74.2.4报警和继电器控制电路设计ULN2003A的驱动与单片机 IO 口相连接，其中喇叭受 到 P1.6 控制，继电器受 P1.5 控制，如图 图 5 上电和人工复位8。继电器是由浙江省创星电子有限公司生产的第6 6 页P212P223GND45VCC6AY0Y1Y2BCY3Y4Y5Y6Y7/E1/E2E315L

15、014L113L212L311L410L59L67L7JQC-3F-05V-DC-1ZS。这类继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等构件组成。在线圈两 端加上+5V 的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁在电磁力吸引 的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸 合。当线圈断电后， 电磁的吸力也随之消失， 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置， 使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导 通、断的转换。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电 时处于断开状态的静触点， 称为“常开触点

16、”； 处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 当 P1.5 输出低电平时继电器上有 5v 电压此时 3 和 4 吸合，当 P1.5 输出高电平时，继电 器上的电压为 0,此时 3和 5吸合。单片机上 P1.6 是压电喇叭的驱动位，持续送出工作脉 冲可以推动喇叭发出哔的声音，当工作频率越高时，声音越清脆，工作频率越低时，声音 则较低沉。图 8 报警和继电器控制电路J2CON314.2.5 数码显示电路设计 时钟最终显示在七段数码管上面，本系统数码管采用共阴极连接，通过译码器74HC138与单片机 P2 口的 P2.0、P2.1、P2.2 连接，成为动态扫描显示的位选。字形码从P1 口通过 74H

17、C573的驱动送至数码管。数码显示电路如图 9P20 174HC138第7 7 页图9 数码显示电路4.2.6 电源电路设计 采用外接干电池，无需设计专门的电源电路。4.2.7 串口通信电路设计 STC89C52RC单片机支持串口通信在线下载程序，不需要专门的烧录器，方便了工程的设计。5 软件设计5.1主程序流程图 主程序当中主要包括各初始变量的初始化，各定时器的初始化，并在主程序当中包含 按键扫描本分程序。如图 10图 10 主程序流程图5.2子模块的设计流程及其代码5.2.1定时器 T0 流程图定时器 T0 是整个系统的计时基础，定时器 T0 产生一个 10ms的定时中断，进入中断服 务子

18、程序时，通过一个变量来判断是否到达 1s，达 1s 时则执行相应的倒计时程序。流程 图如图 11第8 8 页图 11 T0 中断服务程序5.2.2 T1 动态扫描显示中断程序流程图T1 中断服务程序如图 12第9 9 页图 12 T1 中断服务程序具体代码见附录6 仿真调试第 1010 页6.1软件调试6.1.1软件简介PROTEUS 软件由英国 Lab center Electronics 公司开发，有近 20 年的历史，已在全 球得到了广泛应用。它是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以 实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、 系统

19、协同仿真和 PCB设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测 试的 EDA工具。微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择KeilC51 软件。6.1.2Proteus软件的基本用法Proteus软件是 Lab center Electronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括 ISIS 、 ARES等软件模块， ARES 模块主要用来完成 PCB的设计，而 ISIS 模块用来完成电路原理 图的布图与仿真。 Proteus 的软件仿真基于 VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的 优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如 MCS-51系列、PIC 系列等等，

20、以及单片机外 围电路，比如键盘、 LED 、LCD 等等。通过 Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个 功能齐全、实用方便的单片机实验室。本文中由于主要使用 Proteus软件在单片机方面的仿真功能，所以我们重点研究 ISIS 模块的用法，在下面的内容中，如不特别说明，我们所说的 Proteus软件特指其 ISIS 模块下面我们首先来熟悉一下 Proteus的界面。 Proteus是一个标准的 Windows 窗口程序， 和大多数程序一样，没有太大区别，其启动界面如图 13 所示：图 13 Proteus 软件界面如上图 4.1 中所示，区域为菜单及工具栏，区域为预览区，区域为元器件浏

21、览 区，区域为编辑窗口，区域为对象拾取区，区域为元器件调整工具栏，区域为运 行工具条。6.1.3 Keil 软件的基本用法Keil u Vision 是 Keil 公司（ARM 子公司）开发的一款用于 MCS-51 单片机开发的应用 十分广泛的编译和调试软件。该软件可以编辑、编译汇编语言、 C51 语言，连接定位目标第 1111 页文件和库文件，创建 HEX 文件，调试目标程序等。 Keil 软件功能强大，包含很多部分， 本文我们主要使用 Keil u Vision 来开发 C51项目、调试程序并生成 HEX 文件来用于单片 机开发。 Keil u Vision 是一款在 Windows 下使

22、用的集成开发环境，目前最新版本为 V3，本 文中为了方便入门我们选用 V2.0 来进行讲解。下面我们就来熟悉一下 Keil 软件。首先安 装软件，其安装过程很简单，在这不做过多介绍。安装完成后，我们就可以使用软件了， 打开软件，我们可以看到其界面，如图 14 所示：下面我们就来使用 Keil 软件开发我们的第一个项目。点击 “Project（”工程）菜单下面 的 “New Project（”新建工程），我们来新建一个工程。软件弹出 “Create New Projec（t 创”建 新工程）窗口。如图 15 所示：图 14 keil 软件界面图 15 新建工程对话框第 1212 页我们为工程输入

23、文件名后， 点击“保存”按钮，软件将弹出 “Select Device for Targe（t 选 择 MCU ）窗口。我们只需根据自己工程的需要选择相应的 MCU ，然后点击 “确定 ”按钮就 可以了。在整个工程生成 HEX 文件以后，我们在 Keil 中的任务就算完成了。当然，你可以在 Keil 中进行各种调试。事实上， Keil 的功能十分强大，它能仿真单片机的各种功能。但是 我们在此并不讨论它的这些功能。6.1.4 protel 软件PROTEL是 PORTEL公司在 80年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中， 它当之无愧地排在众多 EDA 软件的前面，在国内的普及

24、率也最高，有些高校的电子专业 还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它。我们做毕业设计也是用的 它来绘制 PCB 板，我的 PCB 板图如图 166.2 仿真结果及分析6.2.1仿真所需的电路图在软件中画出仿真所需要的电路如图 17图 16 PCB 电路板绘制图第 1313 页6.2.2 仿真结果图图 1717 仿真电路图图 18 仿真效果图第 1414 页图 19 定时时间到仿真效果图6.3 硬件调试6.3.1硬件简介由 89C52 单片 ，8 个数码管、一个压电式喇叭、一个小功率继电器、 18 个按键，一 个 74HC138，再加上电阻、电容等。对 STC89C52R单C 片

25、机来说通过 USB转串口线连接计算 机就可以下载程序。6.3.2测试结果(1) 数码管显示正常，能显示系统的时钟；(2) 复位电路工作正常；按一下复位按键系统进入初始状态；(3) 按设置键系统进入设置状态，此时按时、分、秒的加一或减一键可以设置系统的 的初始值，设置好初始值后，按一下确定键，系统开始倒计时。(4) 当计时为 0 时，喇叭开始发出报警声音，同时继电器得到相应信号的控制。7 结论7.1 本论文研究的内容及成果(1)从纯理论方面对定时报警系统研究的必要性进行分析以及对用单片机实现的优势 进行了详细的分析进一步确定该设计的现实意义。(2)从纯理论的方法对定时系统的原理做了简要说明。(3

26、)解决了系统的硬件设计。(4)解决了系统的软件设计。(5)对系统进行了软件仿真和硬件调试，达到设计要求。第 1515 页7.2体会与展望 在此次完成课题的过程中，收获很大，第一是在定时报警系统组成、功能等各方面以 及在现在各方面都飞速发展的新时代定时报警系统的发展方向和发展意义都有了较深一 步的了解。第二是对单片机来说， 由以前的初步了解到对进行开发应用是一个很大的进步， 并且在这过程中深刻体会到单片机灵活、 可靠等特点。 第三就是在 KEILC 语言的编程仿真 方面，经过这次课题设计的锻炼我觉得自己在这方面的能力有了进一步的提高能够独立完 成系统的编程实现并且在硬件调试时可以解决一些问题。最

27、后就是在这次课题设计过程中 我深刻的体会到在学习的两个重要的道理：一个是学习过程中任何一个环节都不能放松， 只要在有一个地方松懈整个的计划都要受到影响。另一个就是让我切身的体会到什么是科 学的飞速发展，知识的更新实在是太快，只要你没有随时更新自己那你就要面对落后。虽然这个系统完成了毕业设计的任务但作为一个知识的探讨和开发方面我觉得我这 里还是有许多值得去拓展和开发的地方。首先在预置时间初始值时，我们可以运用红外一 体化接收这种方法设置初始值，这种方法相比按键预置初始值要方便一些。在显示方式选 择上可以用更加灵活的液晶显示。报警电路也可用语音 IC去实现。7.3致谢 本毕业论文是在我的指导老师辛

28、宇副教授的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的 选择到论文的最终完成，辛老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，并且在耐心指导 论文之余，辛老师仍不忘拓展我们的文化视野，让我们感受到了文学的美妙与乐趣。希望 借此机会向辛老师表示最衷心的感谢！此外，本文最终得以顺利完成，也是与物电学院其他老师的帮助分不开的，特别是丁老师、李老师，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题以及论文和PCB板方面也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，在此向他们表示深深的感谢！第 1616 页参考文献1王建校，杨建国，宁改娣，危建国 .51 系列单片机及 C51程序设计 J. 自动化仪 表， 2002，27(3) ：12.2张毅刚 . 单片机原理及应用 M. 第 1 版北京：高等教育出版社， 2003.3赵亮 , 侯国锐 . 单片机 C 语言编程与实例 M. 北京 : 人民邮电出版社 ,2005,133 138.4何小艇 . 电子系统设计 M. 浙江：浙江大学出版社 ,2004.6.5杨邦文.新型实用电路制作 200例M. 北京:人民邮电出版社 ,1998,55 90.6高吉祥,黄智伟,丁文霞.数字电子技术 M. 北京:电子工业出