基于51单片机的智能定时控制器系统设计.doc
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1、摘 要本次设计以AT89C51芯片为核心,辅以必要的外围电路,设计了一个简易的电子时钟,它由5V直流电源供电。在硬件方面,除了CPU外,使用四个七段LED数码管来进行显示,LED采用的是动态扫描显示。通过LED能够比较准确显示时、分。三个简单的按键实现对时间的调整。软件方面采用汇编语言编程。整个电子钟系统能完成时间的显示,调时,定时闹钟,报警等功能。 本设计是以ATMEL公司的AT89C51单片机芯片为系统核心的智能定时控制器设计,论文具体描述了设计的系统硬件和软件的具体实现过程。智能定时控制器在硬件、软件设计上均采用模块化的方法,使得在设计 和调试方面取得很大的方便。论文重点阐述了数字钟硬件
2、中MCU模块、按键模块、显示模块等相关模块的模块化设计及制作;软件同样采用模块化的设计,包括中断模块、时间调整模块等设计,并采用简单流通性强的C语言编写实现。本设计实现 了年、月、日及时、分、秒的显示和时间修改的功能。通过对比实际的智能定时控制器,查找出误差的来源,确定调整误差的方法,尽可能的减少误差,使得系统可以达到实际智能定时控制器的允许误差范围内,取得了设计的预期效果。关键词:AT89C51 数码管 模块化 数字钟目 录摘 要41概 述62设计方案62.1.要求功能.62.2.单片机芯片.62.3显示模块.72.4时钟芯片的选择.72.5电路设计方案确定.83单片机内部结构概述83.1A
3、T89C51单片机.83.2单片机的定时/中断系统103.3显示系统.124硬件电路设计.124.1硬件系统设计的概述.124.2报警电路.134.3按键电路.144.4电源设计.154.5单片机最小系统.164.5.1单片机的复位电路164.5.2单片机系统的晶振电路174.6主电路设计.185 主程序和中断程序设计195.1主程序.195.2中断程序.216系统调试226.1软件调试概述.226.2软件调试.22结 论24致 谢25参 考 文 献261概 述 随着产业结构的不断调整、生产工艺的飞速发展、人们生活水平的不断提高及家用电器的逐渐普及, 市场对定时控制系统的需求越来越大. 如,
4、定时自动报警、定时自动打铃、定时开关烘箱、定时通断动力设备以及各种电气的定时启动等都属于定时控制系统 1 . 定时控制系统的实现方法很多, 本文主要介绍以80C51 系列单片机中的AT89C51 为核心的智能定时控制系统的设计实现方式. 80C51 系列单片机进入市场时间早, 总线开放, 仿真开发设备多, 芯片及其开发价格低廉、速度较快、电磁兼容性较好. 本文所述智能时钟控制系统主要包括时钟显示、时间校正、闹铃设置及各种设备定时开关机( 可扩展功能) 等功能. 实时日历和时钟显示的设计过程在硬件与软件方面进行同步设计。硬件部分主要由AT89S52单片机,LED显示电路,以及调时按键电路等组成,
5、系统通过LED显示数据,所以具有人性化的操作和直观的显示效果。软件方面主要包括时钟程序、键盘程序,显示程序等。本系统以单片机的汇编语言进行软件设计,为了便于扩展和更改,软件的设计采用模块化结构,使程序设计的逻辑关系更加简洁明了,以便更简单地实现调整时间及日期显示功能。所有程序编写完成后,在keil2软件中进行调试,确定没有问题后,在Proteus软件中嵌入单片机内进行仿真在日新月异的21世纪里,家用电子产品得到了迅速发展。许多家电设备都趋于人性化、智能化,这些电器设备大部分都含有CPU控制器或者是单品具有便携实用,操作简单的特点。2设计方案2.1.要求功能1、 时间显示:用4位数码管显示当前小
6、时和分钟,秒功能用两LED灯代替(每秒闪烁一次)。2、 可手动设定时间。3、 开机流程:系统有红色和蓝色指示灯,上电10S内,每秒红色指示灯闪烁一次,并伴有蜂鸣声,作为开机/重启提醒,此时绿色指示灯灭。10S后红色指示灯灭,若光线较强则绿色指示灯亮,若光线较弱则绿色指示灯亮度减半进入节能模式。4、具有整点报时功能(四短一长),可自行设定报时时间段;2.2.单片机芯片方案一: 采用89C51芯片作为硬件核心,采用Flash ROM,内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试
7、时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二:采用AT89c51,片内ROM全都采用Flash ROM;能以3V的超底压工作;同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间,同样具有89C51的功能,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成损坏。所以选择采用AT89S52作为主控制系统.2.3显示模块方案一:采用LED液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵
8、,需要的接口线多,所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。方案二:采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。方案三:采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用的单片机口线少。所以采用了LED数码管作为显示。2.4时钟芯片的选择方案一:采用实时时钟芯片直接采用单片机定时计数器提供秒信号,使用程序实现、时、分、秒计数。采用此种方案虽然减少芯片的使用,节约成本,但是,实现的时间误差较大。所以不采用此方案。方案二:软件控制:利用
9、AT89s51内部定时进行中断,配合软件延时实现时、分、秒的计时,该方案节约成本,且能综合运用知识2.5电路设计方案确定综上各方案所述,对此次作品的方案选定: 以单片机AT89C51为主控制器,采用单片机内部定时、行列式键盘和动态LED显示3单片机内部结构概述3.1AT89C51单片机AT89C51是一种低功耗、性存储器技术制造, 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89C51 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,
10、CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。80C51:40个引脚双排直插DIP封装,大致可分为3类:电源及时钟、控制和I/O引脚。图3.1 89C51单片机引脚图 图3.2 单片机片内结构图: 由如下功能部件组成:对图3.2中的片内各部件做简单介绍。 1.CPU(微处理器)2.数据存储器(RAM) 片内为128个字节(52子系列的为256个字节)3.程序存储器(ROM/EPROM) 89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 字节闪存。4. 4个并行可编程的8位I
11、/O口 P1口、P2口、P3口、P0口5. 串行口1个全双工的异步串行口,具有四种工作方式。6. 定时器/计数器7. 中断系统8. 特殊功能寄存器(SFR)共有21个,是一个具有特殊功能的RAM区。CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)的集中控制方式。 图3.3 89C51单片机功能结构3.2单片机的定时/中断系统51内部集成定时/计数器的基本特征:q 51系列单片机内部提供2个16位的递增定时/计数器T0和T1。q 可以设置为定时或者计数器工作。q 有多种可选的工作模式,通过SFR-TMOD选择使用。q 对应两个中断源,可
12、用中断处理。 q 主要作用: 对外部脉冲计数、产生精确定时时间、作串行口的波特率发生器。 图3.5 T0、T1的结构 TMOD寄存器的M1,M0位设置四种工作方式模式0:13位定时/计数器 计数寄存器:THx和TLx低5位 最大计数值:213:模式1:16位定时/计数器 计数寄存器:THx和TLx 最大计数值:216模式2: 8位自动重载定时/计数器 计数寄存器:TLX 计数初值重载寄存器:THX 最大计数值28模式3:仅T0可用,将T0拆为两个独立8位定时器80C51的中断源外部中断0(INT0)外部中断1(INT1)T0溢出中断(TF0)T1溢出中断(TF1)串行口中断(RI或TI)触发方
13、式设置及中断标志76543210TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0字节地址:88H外部中断标志IE1、IE0(用IEx表示)电平方式(ITX=0),INTx引脚低电平时IEx=1,响应中断后IEx不自动清0(INTx引脚状态)。 边沿方式(ITx=1),INTx引脚负跳变时IEx=1,响应中断后IEx自动清0。同一优先级中的中断申请不止一个时,则有中断优先权排队问题。同一优先级的中断优先权排队,由中断系统硬件确定的自然优先级形成,其排列如所示:3.3显示系统LED显示器由若干个发光二极管组成,当发光二极管导通时,相应的一个笔画或一个点就发光。控制相应的管导通,就能显示出对
14、应字符。各段LED显示器需要由驱动电路驱动。在七段LED显示器中,通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端。将各段发光二极管连在一起的叫共阳极显示器,用低电平驱动;将阴极连在一起的叫共阴极显示器,用高电平驱动。静态显示就是每一个显示器各笔画段都要独占具有一个锁存功能的输出口线,CPU把要显示的字形代码送到输出口上,就可以使显示器上显示所需的数字或符号,此后,即使CPU不在去访问它,因为各笔画段借口具有锁存功能,显示的内容也不会消失。动态显示是指显示器显示某一字符时,相应段的发光二极管恒定地导通或截止。静态显示有并行输出和串行输出两种方式。在本系统中数码管使用共阴极接法而且是用动态显示
15、。本设计利用一个4位七段数码管显示时钟结果。4硬件电路设计4.1硬件系统设计的概述本电路是由AT89C51单片机为控制核心,具有在线编程功能,低功耗,能在3V超低压工作;时钟电路由DS1302提供,它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,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2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。可产生年、月、日、周日、时、分、秒,具有使用寿命长,精度高和低功耗等特点,同时具有掉电自动保存功能;显示部
16、份由15个数码管,74Hs138、74ls244构成。使用动态扫描显示方式对数字的显示。硬件的结构和可靠性直接影响着整个系统的可靠性,所以合理的安排电路能提高电子产品的性能。整体电路设计框图时钟电路电源电路LED数码管显示电路复位电路键盘模块报警模块 AT89C51主控制 模块图4.1电路设计框图框图介绍了智能定时控制器系统设计的主要组成部分,系统主要分成核心芯片AT89C51单片机、电源模块、时钟模块、报警模块、复位电路模块、键盘输入模块以及LED数码管显示模块等七大模块,很好的实现了智能定时控制器的一些主要功能。本电路是由AT89C51单片机为控制核心,具有在线编程功能,低功耗,能在3V超
17、低压工作。采用内部时钟的驱动方式来驱动AT89C51单片机工作,内部复位的方式使系统的外围电路更加简单,减少了硬件的损耗,利用俩个不同颜色的发光二极管来表示秒钟,其他的显示电路部分由一个4位7段数码管构成,使用动态扫描显示方式对数字的显示,整个系统具有使用寿命长,精度高和低功耗等特点,实现了智能定时控制器的一些主要功能:4.2报警电路蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的,因此需要一定的电流才能驱动它,单片机IO引脚输出的电流较小,单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器,因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱
18、动蜂鸣器,原理图见下面图4.6:图4.2 蜂鸣器驱动电路如图3.6所示,蜂鸣器的正极接到VCC(5V)电源上面,蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E,三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控制,当P3.7输出高电平时,三极管T1截止,没有电流流过线圈,蜂鸣器不发声;当P3.7输出低电平时,三极管导通,这样蜂鸣器的电流形成回路,发出声音。因此,我们可以通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机P3.7引脚输出波形的频率,就可以调整控制蜂鸣器音调,产生各种不同音色、音调的声音。另外,改变P3.7输出电平则可以控制蜂鸣器的声音大小,这些我们都可以通过实验来显示
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