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答辩倒计时系统设计

摘 要

本设计是一种基于AT89C51单片机对答辩倒计时系统进行设计，根据单片机技术原理，通过硬件电路制作以及软件编译，设计制作出一种倒计时为15分钟答辩倒计时器。该倒计时器重要由按键电路、复位电路、晶振电路、数码管显示电路以及蜂鸣器构成。本倒计时系统可以在计时只剩余三分钟时发出声进行提示，并且结束时长鸣直至重启或关闭，由LED灯显示电源启动状况，由数码管显示实时时间。
本设计重要特点是计时从15到00分钟倒计时系统，以便了在计时精度规定不高状况下计时，由于计时精度为1，因此系统电路比较简朴。此外硬件某些设立了复位、开始、暂停、停止按键，可以对倒计时系统进行计时控制。软件系统采用C语言编写程序，硬件系统运用PROTEUS强大功能来实现，在仿真中可以观测到实际工作状态。

核心字：倒计时系统；AT89C51单片机；Keil；Proteus

目 录
1 设计目与规定 1
1.1 设计目 1
1.2 设计规定 1
2 系统硬件设计 1
2.1 总体设计方案 1
2.2 重要元件 2
2.2.1 AT89C51单片机及其引脚阐明 2
2.2.2 74LS245 3
2.2.3 数码管：7SEG-MPX4-CC-BLUE 4
2.3 局部电路设计 4
2.3.1 晶振电路 4
2.3.2 复位电路 5
2.3.3 开关控制电路 5
2.3.4 显示电路 6
2.3.5 提示警告电路 7
2.4 总体电路设计 7
3 系统软件设计 8
3.1 总体程序流图 8
3.2 倒计时器设计流程框图 10
3.3 按键消抖流程框图 10
4 仿真与调试 11
4.1 上电后系统显示 11
4.2 按下“开始键” 11
4.3 按下“停止键”和“复位键” 12
5 总结 13
5.1 设计总结 13
5.2 心得 13
参照文献 14
附录1 电路原理图 15
附录2 C语言源程序 16

1 设计目与规定
1.1 设计目
本设计基于AT89C51单片机进行15分钟答辩倒计时系统设计。
1． 训练学生综合运用已学课程基本知识，独立进行单片机应用技术开发工作；
2． 掌握单片机程序设计、调试，应用电路设计、分析及调试检测。
3． 学习软硬件设计工作办法、工作内容、工作环节。
4． 提高编程、调试能力、理论联系实际能力，提高动手能力和分析问题、解决问题能力。
1.2 设计规定
1． 完毕15分钟倒计时，按下按键时计时器开始；
2． 在剩余3分钟时提示一次；
3． 时间届时蜂鸣器长响。
2 系统硬件设计
2.1 总体设计方案
本次课程设计目是要设计一种倒计时系统，此电路能完毕一次15分钟倒计时功能，当计时剩余3分钟时蜂鸣器提示一次，当倒计时结束时蜂鸣器长鸣，只有按下停止键才可以停止。此外，此倒计时器可以手动复位，并有开始、停止、暂停等功能。详细设计思路为：
1． 运用单片机定期计数功能精准地完毕15分钟成倒计时功能，规定电路为9秒递减计时，每隔1秒钟计时器减1；
2． 电路具备时间显示功能，规定用数码管，能显示任意时刻剩余时间；
3． 上电时4个数码管显示为：1500（即显示为15分钟）；
4． 按下“开始键”计时器开始计时，在剩余3分钟时提示一次，响3声提示答辩者抓紧时间，时间届时蜂鸣器长响，按下“停止键”结束；
5． 具备复位、开始、暂停、停止功能：按下复位，显示为1500；按下开始，计时开始；按下暂停，倒计时暂停，再次按下，计时开始；按下停止，计时结束。
本次课程设计运用MCS51单片机系列AT89C51为依托，运用P0-P3口用编程控制输入输出来实现倒计时功能：
P1口为开关控制电路输入端，通过按压式键盘运用查询函数轮流查询有无键按下；
P0口接共阴数码管，有上拉电阻；
P2口为选取数码管，采用动态显示；
P3口接蜂鸣器，做提示报警电路。
基于这些设计，本次设计硬件系统电路框图如图2.1所示。

图2.1 硬件系统电路框图
2.2 重要元件
2.2.1 AT89C51单片机及其引脚阐明
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压，高性能CMOS8位微解决器，俗称单片机[1][2]。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器单片机。单片机可擦除只读存储器可以重复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它一种精简版本。AT89C单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉方案。
8051单片机包括中央解决器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定期/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
AT89C51具备如下特点：40个引脚；4k Bytes Flash片内程序存储器；128 bytes随机存取数据存储器（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）口；5个中断优先级2层中断嵌套中断；2个16位可编程定期计数器；2个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路；片内时钟振荡器。
AT89C51单片机引脚图如图2.2.1所示

图2.2.1 AT89C51单片机引脚图
2.2.2 74LS245
74LS245是一中惯用芯片，可以用来驱动LED或者其她设备[3]。74LS245是8路同相三态双向总线收发器，可双向传播数据。74LS245还具备双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据[4]。其引脚图如图2.2.2所示。

图2.2.2 74LS245引脚图
当8051单片机P0口总线负载达到或是超过P0最大负载能力时，必要接入74LS245总线驱动器；当片选端低电平有效时，DIR=“0”，信号由B口向A口进行传播；接受时“DIR=”；信号由A口向 B口进行传播；发送时，当为高电平时，A、B口均为高阻态。其功能可用真值表1来表达。
表1 74LS245共能表

DIR
操作
L
L
B向A传播
L
L
A向B传播
H
—
高阻态
2.2.3 数码管：7SEG-MPX4-CC-BLUE
单片机中普通使用7段LED作为显示电路，LED是发光二极管显示屏缩写。LED显示屏由于构造简朴，价格便宜，体积小，亮度高，电压低，可靠性高，寿命长，响应速度快，颜色鲜艳，配备灵活，与单片机接口以便而得到广泛应用。LED显示屏是由若干个发光二极管构成显示字段显示部件，当发光二极管导通时，相应一种点或一种笔划发光，控制不同组合二极管导通，就能显示出各种字符。
由于共阴极LED数码管它驱动电流是分开,在单片机进行动态扫描时候不会影响彼此电流,故该系统中4位LED数码管7SEG-MPX4-CC-BLUE,均用共阴极数码管。7SEG-MPX4-CC-BLUE预览图如图2.2.3所示。

图2.2.3 7SEG-MPX4-CC-BLUE预览图
2.3 局部电路设计
2.3.1 晶振电路
单片机时钟产生办法有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。本系统中AT89C51单片机采用内部时钟方式。最惯用内部时钟方式是采用外接晶体和电容构成并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHz～12MHz之间，电容值无严格规定。外部振荡方式是把已有时钟信号引入单片机内，这种方式宜用来使单片机时钟与外部信号保持一致。为了电路稳定性起见，晶振两引脚处接入两个10pF-50pF瓷片电容接地来削减偕波对电路稳定性影响，设计是主流是接入两个33pF瓷片电容,故本次电路用33pF。本次设计晶振电路如图2.3.1所示。

图2.3.1 晶振电路
2.3.2 复位电路
AT89C52单片机复位电路有上电复位、按键电平复位和按键脉冲复位。本次设计采用手动复位，可以在按下按键后是电路显示恢复到倒计时之初1500显示。其电路设计如图2.3.2所示。工作原理是：上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端浮现正脉冲，只要RESET保持10ms以上高电平，就能使单片机有效复位。上电自动复位电路由上电瞬间C与R构成充电电路，RESET端电位与电源Vcc相似，随着充电电流减少，RESET电位逐渐下降。图中RC时间常数越大，上电时RESET端保持高电平时间越长，图中这组参数足以保证复位操作。

图2.3.2 复位电路
2.3.3 开关控制电路
这里运用单片机P1端I/O口和开关相连实现按键控制，共有3个按键：
开始键：按下后，倒计时系记录时开始。
暂停键：此按键只有在倒计时进行时才有效。按下后，倒计时系统暂时停止计时；再次按下后，继续前面剩余时间继续实现倒数计时功能。
停止键：按下后，倒计时系统停止工作。
开关按键电路设计如图2.3.3所示。

图2.3.3 开关控制电路
2.3.4 显示电路
1． LED显示屏原理
LED有着显示亮度高、响应速度快特点，最惯用是七段式LED显示屏，又称数码管。七段LED显示屏内部由七个条形发光二极管和一种小圆点发光二极管构成，依照各管亮暗组合成字符。常用LED管脚排列见下图，其中COM为公共点，依照内部发光二极管接线形式，可提成共阴极型和共阳极型，如图2.3.4-1所示。

(a) (b)
图2.3.4-1 LED
(a)为共阴数码管 (b)为共阳数码型
对于共阴数码管，给其高电平数码管就会显示；对于共阳数码管，给其低电平数码管就会显示。数码管八段分别用二进制控制0和1不同显示，就能显示出所要数字。本系统设计采用共阴极数码管，设计时数码管段码为：
{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}[6]
本系统倒计时时间最大范畴是15分钟，显示格式是15.00，从格式可知数码管显示电路要用到4位数码管。本设计采用四段数码管7SEG-MPX4-CC-BLUE，分别用单片机P0口和P1进行8个位控制[7][8]。
2． LED数码管接口
数码管接口有静态接口和动态接口。
静态驱动是指每个数码管每一种段码都由一种单片机I/O口进行驱动。
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛一种显示方式之一。它是将所有数码管8个显示笔划同名端连在一起，此外为每个数码管公共极COM增长位选通控制电路。位选通由各自独立I/O线控制，详细显示取决于单片机对位选通COM端电路控制，因此咱们只要将需要显示数码管选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通数码管就不会亮，通过度时轮流控制各个数码管COM端，使各个数码管轮流受控显示。动态显示效果和静态显示是同样，可以节约大量I/O端口，并且功耗更低[7][9]。
本次电路设计采用是共阴极数码管，采用动态显示接口，通过动态扫描方式驱动，在单片机与数码管之间加74LS245进行锁存，故此设计显示电路如图2.3.4-2所示。

图2.3.4-2 显示电路
2.3.5 提示警告电路
在设计中规定在倒计时剩余3分钟时，要有提示，倒计时结束时蜂鸣器可以长鸣，以提示计时结束。故提示警告电路设计如图2.3.5所示。

图2.3.5 提示警告电路
2.4 总体电路设计
依照系统设计规定，可设计为：晶振两端与AT89C51方向放大器输入XATL1和输出XATL2构成晶振电路；用按键、电容、电阻构成RC回路，与RST相连构成复位电路；开始键、暂停键、停止键与P1口1-3做成外围控制电路，同步用发光二级管与P1.4口相连构成状态电路，以显示电路工作状态；4段数码管与单片机P0通过74LS245同相三态双向总线收发器相连，进行数据交流；数码管片选端与P2口相连，控制数码管选通；系统提示蜂鸣器与单片机P3.0相连构成系统提示警告电路。
依照上述分析，可设计如图2.4所示总体硬件电路图。

图2.4 系统硬件设计总电路图
3 系统软件设计
3.1 总体程序流图
依照系统设计规定以及对硬件电路设计，可设计为如图3.1所示主程序流程框图。
开始

设立各中断服务程序入口地址

设立数码管显示初始状态

有关寄存器清零

扫描按键

进行倒计时

N

时间到3分钟否？

Y

3秒钟提示

进行倒计时
N

时间到0分钟否？

Y

蜂鸣器长响

N

按下停止键？

Y

进行倒计时

图3.1 系统总流程框图
3.2 倒计时器设计流程框图
倒计时器设计流程框图如图3.2所示。
开始计时

寄存器清零

设定定期器0工作方式

判断接口地址

为p1.0？
N
Y

为p1.1？
开始计时
Y

N
暂停/重新开始计时

为p1.2？

Y

停止计时
N

数码管显示复位

图3.2 倒计时器射击流程框图
3.3 按键消抖流程框图
按键消抖设计流程框图如图3.3所示
开始

N
有按键闭合？

Y

调用延时程序

N
有按键闭合？

Y

扫描按键地址

图3.3 按键消抖流程框图　
4 仿真与调试
在系统硬件以及软件编译好之后，将程序加载到AY89C51上，进行15分钟倒计时仿真。
4.1 上电后系统显示
加载程序之后开始运营，上电后电路显示为15.00，如图4.1所示。

图4.1 上电时显示电路显示
4.2 按下“开始键”
按下“开始键”之后，系统开始从15.00分钟倒计时，再剩余3分钟时，蜂鸣器响三声，数码管显示电路显示时间闪烁。倒计时过程中几种时刻显示如图4.2所示。

(a) 时刻1

(b) 时刻2
图4.2 倒计时仿真中几种时刻电路显示　　

(c) 剩余3分钟时电路显示

(d) 计时结束蜂鸣器长响时电路
图4.2 倒计时仿真中几种时刻电路显示
4.3 按下“停止键”和“复位键”
按下停止键后，数码管显示为00.00，按下复位键后，数码管显示为15.00，其仿真电路显示如图4.3所示。

(a) 按下停止键

(b) 按下复位键
图4.3 按下“停止键”和“复位键”电路显示
5 总结
5.1 设计总结
1． 软件、硬件设计实现
本次设计硬件是运用单片机、74LS245同相三态双向总线收发器、数码管、蜂鸣器、按键等重要元器件构成，软件设计是运用C语言进行编程，并在Keil进行编译调试，最后加载到单片机中进行仿真，因蜂鸣器不可以加载音乐，故此在设计中运用Speaker代替蜂鸣器。
通过设计实现了系统设计所规定功能：既可以准的确现答辩倒计时系统15分钟倒计时；可以在系统剩余3分钟时播放音乐，提示3秒钟；可以在倒计时结束后蜂鸣器长响，并且在按下“停止键”使蜂鸣器停止长响；对于外围控制按键，实现了开始、暂停、停止等功能。
2． 设计局限性
本次课程设计是用AT89C51单片机、各种芯片及接口电路设计答辩倒计时系统。通过认真地查找资料、编写程序以及调试程序，成果满足设计规定，仿真无误。实现了设计规定功能。局限性之处在于，该系统设计太局限，不能满足任意倒计时系统需求。应当设计为可预置倒计时时间并能按照设立时间进行倒计时，并有有关提示和警告功能。
5.2 心得
本次设计对于理论知识规定很高，在设计过程中要依照设计规定不断修改设计方案，详细查阅整顿有关资料，再分别进行软硬件设计，直到仿真成功，每一步对我来说都是挑战和进步。在此期间，巩固了所学专业知识，也学到了其她诸多新知识，同步也培养了我独立思考和动手能力。

参照文献
[1] 郭文川. 单片机原理与接口技术. 中华人民共和国农业出版社,.8
[2] 武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计阐明书
[3] ,.06.22
[4] ,.06.22
[5] 阎石. 数字电子技术基本. 第4版. 北京：高等教诲出版社，
[6] 张迎新等. 单片机初级教程——单片机基本. 北京：高等教诲出版社，
[7] 李军. 51系列单片机高档实例开发指南. 北京：北京航空航天大学出版社，
[8] 张伟. 单片机原理及应用. 北京：机械工业出版社，
[9] 戢卫平，胡耀辉. 单片机系统开发实力典型. 北京：冶金工业出版社

附录1 电路原理图

附录一 系统设计原理图
附录2 C语言源程序
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

sbit Kstart = P1^0;
sbit Kpause = P1^1;
sbit Kstop = P1^2;
sbit Beep = P3^0;
sbit Alarm = P1^3;

uchar code DSY_CODE[]=
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f
};
uchar DSY_Buffer[4]={1,5,0,0};
uint ClockNum = 1500;

bit startflag = 0;
bit stopflag = 0;
bit soundflag = 1;

void InitTIMER0(void);
void DelayMS(uint x)
{
uchar i;
while(x--)
{
for(i=0;i<120;i++);
}
}

void Play(uchar t,uchar p)
{
uchar i;
for(i=0;i<p;i++)
{
Beep = ~Beep;
DelayMS(t);
}
Beep = 0;
}
void Play1()
{
while(soundflag)
{
Beep = ~Beep;
DelayMS(1);
}
Beep = 0;
}
void main()
{
uchar i,m;

InitTIMER0();

startflag = 0；
stopflag = 1;
Alarm = 1;
Beep = 0;

P0 = 0xff;
P2 = 0xff;

while(1)
{
m = 0xfe;
DSY_Buffer[0] = ClockNum/1000;
DSY_Buffer[1] = (ClockNum%1000)/100;
DSY_Buffer[2] = (ClockNum%100)/10;
DSY_Buffer[3] = ClockNum%10;
for(i=0;i<4;i++)
{
P2 = m;
m = _crol_(m,1);
//if(i==1)
//DSY_CODE[DSY_Buffer[1]] |= 0x80;
P0 = ((i==1)?(DSY_CODE[DSY_Buffer[i]]|0x80):DSY_CODE[DSY_Buffer[i]]);
DelayMS(10);
}
if(300==ClockNum)
Play(3,300);
else if((0==ClockNum)&&(0==stopflag)&&soundflag)
Play1();

if(!stopflag)
{
ClockNum = 0;
Alarm = 0;
Beep = 0;
}
}
}

void InitTIMER0(void)
{
EA = 1;
TMOD |= 0x01;//定期器0设立为16位手动重装载定期器

TH0 = 0x4c;
TL0 = 0x00；//TH0=0x4C,TL0=0x00//50ms
TR0 = 1;
ET0 = 1;
}

void timer0(void) interrupt 1
{
static uint count = 0;
TH0 = 0x4c;
TL0 = 0x00;

if(Kstart==0)
{
while(Kstart==0);
startflag = 1;
if(0==stopflag)
ClockNum = 1500;
stopflag = 1;
Alarm = 1;
}
if(Kpause==0)
{
while(Kpause==0);
if(1500!=ClockNum)
startflag = ~startflag;
//soundflag = 1;
}

if(Kstop==0)
{
while(Kstop==0);
stopflag = 0;
soundflag = 0;
}
if(count++==20)//1s
{
count = 0;
if(startflag)
{
if(stopflag)
{
if(0 == (ClockNum%100))
ClockNum-=41;
else ClockNum--;

if((ClockNum == 0))
stopflag = 0;

soundflag = 1;
}
}
}

}