基于单片机的自动打铃器设计.doc

毕业论文
论文题目：基于单机片的自动打铃器设计
专 业：机电一体化
班 级：142
学 号：
学生姓名：苏 振
指导教师：豆成杰

目录
摘要 - 1-
关键词 - 2-
引言 - 2 -
第一章 设计方案论证 - 2 -
1.1 设计规定 - 2 -
1.2 设计方案选择 - 2 -
1.2.1 方案一：数字电路设计的自动打铃系统 - 2 -
1.2.2 方案二：基于单片机的自动打铃系统设计 - 2-
1.2.3 方案拟定 - 3-
1.3 基本方案 - 3 -
1.3.1 设计课题简要概述 - 3 -
1.3.2 系统软硬件划分 - 3-
1.3.3 单片机选型 - 4-
1.4 总体设计框图 - 5-
第二章 硬件电路设计 - 5-
2.1 基本原理概述 - 5-
2.2 重要原件参数及功能简介 - 5-
2.2.1 主控器AT89C51 - 6-
2.2.2 时钟电路DS1302 - 6 -
2.3 单元电路的设计 - 7 -
2.3.1显示电路设计 - 7-
2.3.2 键盘接口电路设计 - 8 -
2.3.3 响铃电路设计 - 8 -
2.4 总体运营进程 - 9 -
第三章 软件电路设计及流程图 - 11 -
3.1 基本原理概述 - 11 -
3.1.1 中断服务程序设计 - 11 -
3.1.2 显示程序设计和按键判断与按键解决程序设计 - 11-
3.2 流程图 - 12 -
3.2.1 系统主程序流程图 - 12 -
3.2.2 系统定期中断流程图 - 12-
第四章 自动打铃硬件原理图 - 15 -
第五章 毕业设计总结 - 15 -
致谢 - 16 -
参考文献 - 17-

摘要
自动打铃系统，是以一片8位单片机为核心的实时时钟及控制系统。我们知道单片机的外接石英晶体振荡器能提供稳定、准确的基准频率，并经12分频后向内部定期器提供实时基准频率信号，设定定期器工作在中断方式下，连续对此频率信号进行分频计数，便可得秒信号，再对秒信号进行计数便可得到分、时等实时时钟信息。假如石英晶体振荡器的频率信号为6MHZ，设定定期器定期工作方式1下，定期器为3CBOH，则定期器每100ms产生1次中断，在定期器的中断定期解决程序中，每10次中断，则向秒计数器加1，秒计数器计数到60则向分计数器进位（并建立分进位标志），分计数器计数到60，则向时计数器进位，如此周而复始的连续计数，便可获得时、分、秒的信号，建立一个实时时钟。接下来便可以进行定期解决和打铃输出，当主程序检测到有分进位标志时，便开始比较当前时间（小时与分、存放在RAM中）与信息时间表上的作息时间（小时与分，存放在ROM）是否相同，如有相同者，则进行报时解决并控制打铃，如有不相同则返回主程序，如此便实现了报时控制的规定。
关键词
单片机；时间设立电路；计时电路；显示电路；定期打铃控制电

第一章 设计方案论证
1.1 设计规定
它可以作为时钟电路来显示时间，进行设立，定期打铃。按照自顶向下设计方法划分自动打铃系统的功能。可分为：时间设立电路，计时电路，显示电路和定期打铃控制电路等。
以江苏信息职业技术学院的打铃情况设计
内容
时间
起床
6:30
早自习
7:30-8:10
第一节课
8:20-9:00
第二节课
9:10-9:50
第三节课
10:00-10:40
第四节课
10:50-11:30
第五节课
13:30-14:10
第六节课
14:20-15:00
第七节课
15:20-16:00
第八节课
16:10-16:50
晚自习
19:00-20:30
熄灯
22:30
1.2 设计方案选择
1.2.1 方案一：数字电路设计的自动打铃系统
运用函数信号发生器来进行脉冲信号输出，运用74160N来设立十进制和六进制的进位输出。运用数码显示器来显示时间，运用或门、与门、非门、与非门、等电路元件进行组合实现打铃的控制。
1.2.2 方案二：基于单片机的自动打铃系统设计
单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。运用定期器与软件结合实现1秒定期中断，没产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达成60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达成60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达成24，则将时字节清零。建立完一个实时时钟后接下来进行定期解决和打铃输出，当主程序检测到有分进位标志时，便开始比较当前时间与信息时间表上的作息时间是否相同，相同者，则进行报时解决并控制打铃，不相同则返回主程序。
1.2.3 方案拟定
方案一的设计只能事先设定打铃时间不能完全自动打铃，且在修改打铃时间上存在一定的困难。而方案二中的设计能完全实现自动化，诠释了我们这次毕业设计的主题。并在修改打铃时间上有了很大的方便，只需修改一部分程序便能实现不同的需要。
因此我选择方案二进行设计。
1.3 基本方案
1.3.1 设计课题简要概述
自动打铃装置用于工厂、学校等地的时间控制，本设计是按照学校作息时问设定的，模拟了电了钟显示时、分、秒。还根据学校的作息时间准时打铃，本系统有4 个按钮，分别用来调时、调分、秒和强制打铃及强制关铃，以保证始终与标准时间相吻合。
一方面设计出本系统的硬件基本框图，根据框图设计电气原理图，简要概述基本原理，按照设计技术参数设计出各部分程序。
1.3.2 系统软硬件划分
由于需要最小系统设计，因此，极大地介于系统的硬件成本，所有能用软件实现的功能都用软件完毕，如按键的去抖，采用延时，显示部分用动态显示等，这样硬件部分的设计可以采用单片机最小系统，所谓最小系统时仅有程序存储器和时钟及复位电路的单片机系统。
1.3.3 单片机选型
根据课题的具体内容，任务规定，计时、校时、定期、键盘显示等功能，经多方面考虑，所选系统选项用．与MSC-51单片机完全兼容的AT89C51 低功耗单片机。
1.4 总体设计框图

图一 整体框图

第二章 硬件电路设计
2.1 基本原理概述
本系统重要由主控模块，时钟模块，显示模块，键盘接口模块等4 部分构成。通过内部定期产生中断，从而使驱动电铃打铃。设定51 单片机工作在定期器工作方式1 ，每100ms产生一次中断，运用软件将基准100ms 单元进行累加，当定期器产生10 次中断就产生lS 信号，这是秒单元加1 。同理，对分单元和时单元计数从而产生秒，分，时的值，通过六位七段显示器进行显示。由于动态显示法需要数据所存等硬件，接口较复杂，考虑显示只有六位，且系统没有其他浮躁的解决程序，所有采用动态扫描LED 的显示。
本系统采用四个按键，当时钟时间和设立时间一直时，驱动程序动作，进行打铃，每次打铃30S
2.2 重要原件参数及功能简介
2.2.1 主控器AT89C51
AT89C51 公司生产的AT89C51 单片机用高性能的静态89C51 设计，由先进工艺制造，并带有非易失性FLASH 程序存储器，它是· 种高性能、低功耗的8 位CMOS 微解决芯片，市场应用最多，重要特点有：
有4K 的FLASH 程序存储器
256 字节内部RAM
电源控制模式：时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式
6个中断源
4个中断优先级
4个8位I/O口
全双工增强型UART
2个16位定期、计数器

图二 AT89C51
2.2.2 DS1302时钟电路DS1302
（1）性能特性
实时时钟可对秒，分，时等进行计数，存在高速数据暂存的31*8位RAM，最少引脚的串行I/O口；2.5~~5.5V电压工作范围;2.5V耗电小于300nA；用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节数据传送方式；简朴的3线接口；可选的慢速充电的能力。
DS1302时钟芯片涉及实时时钟和31字节的静态RAM，它通过一个简朴的串行接口与微解决器通信，实时时钟提供秒，分，时等信息，时钟运营可以采用24H，或带AM/PM的12H格式，采用三线接口与CPU进行同眇通信，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有主电源/后备电源双电源引脚；

1）性能特性
DS1302与单片机之间能简朴地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：1.RSE复位,2.I/O数据线，3.SCLK 串行时钟。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小十1mW 。提供秒分时日日期。月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟,操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。
2）管脚描述
XI XZ 32.768KHz 晶振管脚
GND 接地
RST 复位脚
I/O 数据输入/输出引脚
SCLK 串行时钟
Vcc1，Vcc2 电源供电管脚
DS1302 串行时钟芯片8 脚 DIP
DS1302S 串行时钟芯片8 脚 SOIC 200mil
DS1302Z 串行时钟芯片8 脚 SOIC 150mil

图三 DS1302
2.3 单元电路的设计
2.3.1时钟电路设计
（2）工作原理
DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST引脚置为高电平，然后把8位地址和命令装入移位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输入，无论是读周期还是写周期开始8位指定40个寄存器中哪个将被访问到，在开始8个时钟周期，把命令字节装入揿位寄存器之后，此外的时钟周期在闱时操作时输出数据，在写操作时写入数据，时钟脉冲的个数在单位字节下为8加8，在多字节方式下为8加字节数，最大可达248字节数。
为了提高对32个地址的寻址能力，可以把时钟或RAM寄存器规定为多字节方式，在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始，必须管按数据传送的顺序电先的8个寄存器。但是当以多个字节写RAM时，为了传送数据不必写所有31字节，不管是否写了所有31字节，所写的每个字节都将传送至RAM。
时钟暂停：秒寄存器的位7定义位时钟暂停位，当它为1时，DS1302停止振荡，进入低功耗的备份方式，通常在对DS1302进行写操作时，停止振荡，当它为0时时钟将开始启动。
8051通过串口向DS1302写数据的程序框图如图3.2，其中,Px可以是8051单片机的任何一位I/O口,注意由于DS1302的数据发送或接受时序和8051的串行口不完全一致,因此,需要在TXD的输出端加反相器,此外,接受数据时,不能以串行口的接受方式接受,必须将串行口当作普通I/O口进行数据接受.
DS1302的晶振选用32.768KHZ，电容推荐值为6PF，由于振荡频率较低，也可以不接电容， 对计时精度影响不大。

8051
PX
TXD
RXD
Vcc1
Vcc2

DS1302
RST
SCLK
I/O X2

图3.2 DS1302写数据的程序框图

2.3.1显示电路设计
显示部分采用普通的共阳数码管显示，采用动态扫描，以减少硬件电路，数码管分别为十时，时，十分，分，十秒，秒显示，显示时采用串行口输出段码，用74LS164 来驱动数码管扫描只需7ms 。
4LS164 内部位8 个D 触发器，用以实现数据的串行移位，74LS164 位TTL 单向8 位移位寄存器，可实现串行输入并行输出，CPU 位时钟输入端，可接到串行口TXD 端。每个时钟信号的上升沿加到CP 端时，移位寄存器移一位，8 个时钟脉冲过后，8 为二进制数个部移入74LS164中，MR 为复位端，当该位为低电平时，移位寄存器各位复O 。当它为高电平时时钟脉冲才起作用。

图四 显示电路
2.3.2 键盘接口电路设计
由于键盘只有四个，采用独立式按钮，分别与8051 的P1.0, P1.1, P1.2 相连，用普通按钮10K 上拉电阻，用查询法完毕读健功能。

图五 按键电路

2.3.3 响铃电路设计
响铃电路用到了蜂鸣器、三极管、1K电阻。蜂鸣器两端分别接地和三极管。三极管一段电源另一端与电阻相连并接入AT89C51的P3.7接口。

图六 响铃电路
2.4 总体运营进程
一方面实现24小时制电子钟，在8位数码管显示，显示为时分秒，实现的格式为：23-59-59。到达预定期间启动蜂鸣器开始打铃，打铃的方式分为起床、熄灯和上下课铃两种。系统使用了4个按键，3只按键用来调整时间，另一只为强制打铃按钮。通过选择键选择调整位，选中位闪烁，按增长键为选中位加1，按减少键为选中位减1。按强制打铃按钮是实现强制打铃或者强制关闭打铃。
第三章 软件电路设计及流程图
3.1 基本原理概述
主程序一方面是初始化部分，重要是计时单元清零，中断初始化，堆栈指针初始化，启动定期器工作，然后是调用显示子程序。主程序的起始存储地址是0000H单元，但由于本系统用了定期器T0的中断，中断服务程序入口地址为000BH，因此从0000H单元起存放一条短调转指令AJMP，使真正的主程序从0300H单元开始存放。
3.1.1 中断服务程序设计
单片机内部的定期/计数器T0定期100ms，即0.1s，10次中断即为1秒，60秒为1分，60分为1小时，24小时为一天，如此循环，从而实现计时功能。
编写中断服务程序关键要注意：1.现场保护，本系统中是累加器A和程序状态字PSW值的保护。2.计时解决时采用的确十进制，因此时，分，秒单元加1后要进行十进制调整，即要执行DAA指令，还要注意的是时计到24就回零，分和秒计到60就回零。3.中断返回前的现场恢复。
3.1.2 显示程序设计和按键判断与按键解决程序设计
显示采用的是动态显示，段控和位控都通过反相器，显示的字形代码是共阳的显示代码，位控信号输出时是高电平有效，在校时时，采用的是点亮小数点信位调节器标志，哪位小数点亮表达调整的是该为的值。
显示子程序的第一部分是拆字，显示缓冲区是2FH—2AH；第二部分是查字型码，输出段控和位控信号，由于采用的是动态显示，所以每出输出一位的段控和位控信号要延时一定的时间，使LED显示器显示的字符时稳定的。
按键判断程序有编写时应注意按键的去抖动，该系统采用的是延时去抖动的方法，延时是通过调用子程序来实现的，每个按键按下后都要等待释放后再返回。
按键解决程序中的按键式校时的，所以进入按键解决程序后就关闭定期中断，对于动能键注意设立显示标志。
3.2 流程图
3.2.1 系统主程序流程图

3.2.2 系统定期中断流程图

第4章 自动打铃硬件原理图

第五章 毕业设计总结
完毕自动打铃系统设计的毕业设计我能综合运用电子技术课程中的所学到的理论知识来完毕自动打铃机的设计和分析电路，学会了在虚拟的环境下创建电路，计算和调整参数，我能灵活的应用protcl99se 软件画图，并且掌握了一定的单片片机知识，通过这门课的设计我尚有以下几点收获：
1、有助于基础知识的掌握
通过这次设计我亲手做，自己思考，将理论知识上升到实践的高度，从而进一步打破了单片机的神秘面纱。
2、有助于逻辑思维的锻炼。
在许多常规可生的平常学习中我们不难发现这样一个现象，不少学生的思维常处在混乱的状态，写作文来前言不搭后语，解起数学题来环节混乱，这些都是缺少思维训练的结果，程序设计是公认的，最能直接有效的训练学生的发明思维，培养分析问题解决问题的能力的方法之一。即使见到陌生的程序，从任务分析，拟定算法界面布局，缩写代码到调试运营，都能顺利完毕。
整个过程需要我们有条理的构思，这之间有猜测设计，判断思维的抽象思维训练，又有分析问题解决问题，预测日标等能力的培养。
致谢
在本文的撰写过程中，导师王琦华给予了悉心的指导和关心，使我克服了众多困难终于完毕了毕业设计的撰写工作。导师渊博的知识、严谨求实的治学态度及敬业精神，给我留下了深刻的印象，并将在我此后的人生道路上产生深远的影响，在此论文完毕之际，谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢！
再一次感谢所有关心我、帮助我的人！
参考文献
【1】 沈红卫。基于单片机的智能系统设计与实现。电子工业出版社。2023。
【2】 张志良。单片机原理与控制技术。机械工业出版社。2023。
【3】 孙涵芳，徐爱卿。MCS-51/96系列单片机原理及引用。北京航空航天大学出版社。1996。
【4】 李光弟。单片机基础。北京航空航天大学出版社。1992。
【5】 孙育才，苏学成。单片微型计算机应用系统设计与实现。东南大学出版社。1990。
【6】 林毓梁。单片机原理及应用。机械工业出版社。2023。
【7】 杨宏丽，王静霞。单片机基础教程。人民邮电出版社。2023。
【8】 唐继贤。51单片机工程引用实例。北京航空航天大学出版社。2023。
【9】 赵星寒，刘小波，王庚兰。从0开始教你学单片机。北京航空航天大学出版社。2023。