单片机开发工程案例分析与解析.docx
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单片机开发工程案例分析与解析
3单片机开发工程案例分析与解析
3.1定时报警器
设计一个单片机控制的简易定时报警器。
要求根据设定的初始值（1-59秒）进行倒计时，当计时到0时数码管闪烁“00”（以1Hz闪烁），按键功能如下：
（1）设定键：
在倒计时模式时，按下此键后停止倒计时，进入设置状态；如果已经处于设置状态则此键无效。
（2）增一键：
在设置状态时，每按一次递增键，初始值的数字增1。
（3）递一键：
在设置状态时，每按一次递减键，初始值的数字减1。
（4）确认键：
在设置状态时，按下此键后，单片机按照新的初始值进行倒计时及显示倒计时的数字。
如果已经处于计时状态则此键无效。
3.1.2模块1:
系统设计
（1）任务分析与整体设计思路
根据题目的要求，需要实现如下几个方面的功能。
计时功能：
要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。
然后，当计时每到1秒钟后，倒计时的计数器减1。
当倒计时计数器到0时，触发另一个标志变量，进入闪烁状态。
显示功能：
显示倒计时的数字要采用动态扫描的方式将数字拆成“十位”和“个位”动态扫描显示。
如果处于闪烁状态，则可以不需要动态扫描显示，只需要控制共阴极数码管的位控线，实现数码管的灭和亮。
键盘扫描和运行模式的切换：
主程序在初始化一些变量和寄存器之后，需要不断循环地读取键盘的状态和动态扫描数码管显示相应的数字。
根据键盘的按键值实现设置状态、计时状态的切换。
（2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图
选用MCS-51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。
由于键盘数量不多，选择独立式按键与P1口连接作为四个按键输入。
没有键按下时P1.0-P1.3为高电平，当有键按下时，P1.0-P1.3相应管脚为低电平。
电路原理图如图3-1所示。
图3-1定时报警器电路原理图
（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程
单片机资源分配
采用单片机的P3口作为按键的输入，使用独立式按键与P3.0-P3.3连接，构成四个功能按键。
在计时功能中，需要三个变量分别暂存定时器溢出的次数（T1_cnt）、倒计时的初始值（init_val）以及当前倒计时的秒数（cnt_val）。
按键扫描功能中，需要两个变量，一个变量（key_val_new）用来存储当前扫描的键值（若无按键按下则为255），另一个变量（key_val_old）用来存储上一次扫描的键值。
只有这两个变量值不一样时，才能说明是一次新的按键按下或弹起了，同时将新的键值赋给key_val_old变量。
在显示功能中，需要定义一组数组（code类型），值为0-9数字对应的数码管7段码。
还需要定义一个变量（show_val）暂存要显示的数据，用于动态扫描显示中。
在整个程序中，定义了一个状态变量（state_val）用来存储当前单片机工作在哪种状态。
②程序设计思路
鉴于题目要求，存在三种工作模式：
初始值设置模式、倒计时模式、计时到0时的闪烁模式。
变量state_val为0时，处于倒计时模式。
变量state_val为1时，处于初始值设置模式。
变量state_val为2时，处于闪烁模式。
这些状态的切换取决于按下哪一个键以及是否计时到0。
状态的切换图如图3-2
图3-2状态的切换
单片机复位之后，默认处于倒计时模式，启动定时器，定时器每隔250us溢出一次，根据定时器溢出次数来计时，到1秒时将时间的计数器减1。
当“设置键”按下时，变量state_val由0变为1，切换到设置模式。
可以使用“递增键”“递减键”对计时初始值进行修改。
按下“确认键”时，回到计时模式开始以新的初始值进行倒计时。
当倒计时到0时，变量state_val由1变为2，处于闪烁状态，在这种状态下，根据按键的情况分别又切换到计时和设置状态。
③程序流程
主程序首先需要初始化定时器的参数和一些变量，然后进入一个循环结构，在循环中始终只做两件事，一是键盘的扫描，二是数码管的动态扫描。
在扫描键盘后，根据前一次按键的结果是否与本次键值相同。
如果不同，表示有键按下或弹起，同时用本次按键值更新上一次的按键值。
这样设计旨在避免一个按键长时间按下时被重复判为有新键按下，使得当前按下的键只有松开后，下一次按下时才算为一次新的按键。
根据按键的值分别改变变量（state_val）的值或者在设置状态时的倒计时初始值。
完整的主程序图如图3-3所示。
图3-3主程序的流程图
在定时器的参数中，选择定时器T1的8位自动装载模式，每250us产生一次溢出中断，中断服务程序如图3-4所示。
图3-4中断服务程序流程图
（4）软硬件调试方案
软件调试方案：
伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。
在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。
在“项目\编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。
在编译成功后，产生以“*.hex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的P3.0-P3.3分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行MCU下载程序，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.1.3程序设计（仅供参考的C语言源程序）
//晶振：
11.0592MT1-250微秒按键P10P11P12P13
/*变量的定义:
show_val:
显示的值0-59
init_val:
初始值
state_val:
状态值0-计数状态;1-设置状态;2-闪烁状态
shan_val:
key_val1:
四个按键的值255-无键;1-设置键2-增一键3-减一键4-确定键
T1_cnt:
定时器计数溢出数
cnt_val:
倒计时的数值
led_seg_code：
数码管7段码
*/
#include"reg51.h"//包含文件
sbitP1_0=P1^0;//设置键
sbitP1_1=P1^1;//增一键
sbitP1_2=P1^2;//减一键
sbitP1_3=P1^3;//确定键
unsignedchardatashan_val;//闪烁时LED的开/关状态
unsignedchardatacnt_val;//保存倒计数的当前值
unsignedintdataT1_cnt;//保存定时器溢出次数
unsignedchardatakey_val_new,key_val_old;//存放当前扫描的键和前一次按下的键值
unsignedchardatastate_val;//状态值
unsignedchardatashow_val;//存放需要在数码管显示的数字
unsignedchardatainit_val;//暂存倒计数的初始值
charcodeled_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//----------延时--------------
voiddelay（unsignedinti）//大约延时i*2个微秒
{while（--i）;}
//-----------按键扫描-------------
unsignedcharscan_key（）
{unsignedchari;
i=P1&0x0f;
delay（100）;//延时，去抖动
if（i==（P1&0x0f））
{if（P1_0==0）
{i=1;}
else
{if（P1_1==0）
{i=2;}
else
{if（P1_2==0）
{i=3;}
else
{if（P1_3==0）
{i=4;}}
}}}
else
{i=255;}
returni;
}
//---------数码管显示---------------
voidled_show（unsignedintv）
{
unsignedchari;
if（state_val!
=2）//动态扫描
{i=v%10;//取要显示的数的个位
P0=led_seg_code[i];//转换为7段码
P2=0xfe;//显示个位
delay（15）;//延时
i=v%100/10;//取十位
P0=led_seg_code[i];//转换为7段码
P2=0xfd;//显示十位
delay（5）;//延时
}
else
{P0=led_seg_code[0];//处于闪烁状态
if（shan_val）
{P2=0xff;}//将数码管的关闭
else
{P2=0xfc;}//将数码管的打开
}
}
//----------定时器T1中断服务程序---------------
voidtimer1（）interrupt3//T1中断，250us中断一次
{T1_cnt++;
switch（state_val）
{case0:
if（T1_cnt>3999）//如果计数>3999,计时1s
{T1_cnt=0;
if（cnt_val!
=0）
{cnt_val--;}
else
{state_val=2;}//定时计数到0时，切换状态
show_val=cnt_val;
}
break;
case2:
if（T1_cnt>1999）//如果计数>1999,计时0.5s
{T1_cnt=0;shan_val=!
shan_val;}//闪烁状态
break;
}
}
//---------主程序----------------
main（）
{init_val=59;//初始化各变量
cnt_val=init_val;
show_val=cnt_val;
state_val=0;
key_val_old=255;
T1_cnt=0;
shan_val=0;//初始化51的寄存器
TMOD=0x20;//用T1计时8位自动装载定时模式
TH1=0x19;//250微秒溢出一次;250=（256-x）*12/11.0592->x=230.4
TL1=0x19;
EA=1;//打开总中断允许
ET1=1;//开中断允许
TR1=1;//开定时器T1
while
（1）
{key_val_new=scan_key（）;//255表示无键按下
if（key_val_new!
=key_val_old）
{//只有当前扫描的键值与上次扫描的不同，才判断是有键按下
key_val_old=key_val_new;
switch（key_val_new）
{case1:
//设置键
state_val=1;//处于设置状态
TR1=1;//停止计时
show_val=init_val;//显示原来的倒计数初始值
break;
case2:
if（state_val==1）//只有在设置状态，增1键才有用
{if（init_val>0）//更改原来的倒计数初始值
{init_val--;}
else
{init_val=59;}
show_val=init_val;//显示更改后的倒计数初始值
}
break;
case3:
if（state_val==1）//只有在设置状态，减1键才有用
{if（init_val<59）//更改原来的倒计数初始值
{init_val++;}
else
{init_val=0;}
show_val=init_val;//显示更改后的计数初始值
}
break;
case4:
if（state_val!
=0）//如果已处于计数模式，确认键不起作用
{cnt_val=init_val;//将初始值赋给计数变量
show_val=cnt_val;//将计数变量的数字显示
TR1=1;//启动定时器T1
state_val=0;//将状态切换为计数模式
}
break;
}
}
led_show（show_val）;//动态扫描
}
}
3.2交通灯
设计一个基于单片机的交通灯信号控制器。
已知东、西、南、北四个方向各有红黄绿色三个灯，在东西方向有两个数码管，在南北方向也有两个数码管。
要求交通灯按照表1进行显示和定时切换，并要求在数码管上分别倒计时显示东西、南北方向各状态的剩余时间。
表1交通灯的状态切换表
南北方向
东西方向
序号
状态
序号
状态
1
绿灯亮25秒，红、黄灯灭
1
红灯亮30秒，绿、黄灯灭
2
黄灯亮5秒，红、绿灯灭
3
红灯亮30秒，绿、黄灯灭
2
绿灯亮25秒，红、黄灯灭
3
黄灯亮25秒，红、绿灯灭
回到状态1
回到状态1
3.2.1模块1:
系统设计
（1）任务分析与整体设计思路
试题要求实现的功能主要包括计时功能、动态扫描以及状态的切换等几部分。
计时功能：
要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。
当计时每到1秒钟后，东西、南北信号灯各状态的暂存剩余时间的变量减1。
当暂存剩余时间的变量减到0时，切换到下一个状态，同时将下一个状态的初始的倒计时值装载到计时变量中。
开始下一个状态，如此循环重复执行。
动态扫描：
需要使用4个数码管分别显示东西、南北的倒计时数字，将暂存各状态剩余时间的数字从变量中提取出“十位”和“个位”，用动态扫描的方式在数码管中显示。
整个程序依据定时器的溢出数来计时，每计时1S则相应状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始。
（2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图
图3-5交通灯硬件电路原理图
选用MCS51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成共阴极数码管位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在7段码输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。
用P3口的P3.0-P3.5完成发光二极管的控制，实现交通灯信号的显示，每个发光二极管串联500欧姆电阻起限流作用。
硬件电路原理图如图3-5所示。
（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程
单片机资源分配
单片机P3口的P3.0-P3.1引脚用作输出，控制发光二极管的显示。
在计时模块中，需要定义两个数组变量（init_sn[3]，init_ew[3]）来存储东西、南北两个方向在不同状态中倒计时的初始值，题目中每个方向的交通灯共有3种显示状态，因此数组元素个数为3。
还需要定义两个变量（cnt_sn,cnt_ew）暂存东西、南北两个方向的倒计时剩余时间。
在状态的切换中，为了明确当前处于哪种状态，东西、南北方向各设置一个状态变量（state_val_sn,state_val_ew）,当倒计时的剩余时间到零时，状态变量增1，表示启动下一个状态，当该变量增到3时变为0，回到序号为1的状态。
②程序设计思路
在设计中，由于没有键盘功能，因此只涉及定时计数和动态扫描功能。
主程序将变量初始化之
后，设置单片机定时器和中断特殊功能寄存器的初始值，将定时器T1的工作方式设置为8位自动
装载模式，定时器每隔250us产生一次溢出。
在初始化变量与寄存器后，主程序进入一个循环结构，在循环中只做动态扫描的工作，根据东西、南北两向的剩余时时间进行动态扫描显示。
计时以及状态的切换通过定时器的中断服务程序来实现，在中断服务程序中，每计时到一秒时，则各方向当前状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始，改变交通灯的指示。
③程序流程
图3-7交通灯主程序流程图
图3-8中断服务程序流程图
（4）软硬件调试方案
软件调试方案：
伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。
在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。
在“项目\编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。
在编译成功后，产生以“*.hex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的P3.0-P3.5分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.2.2程序设计（仅供参考的C语言源程序）
//晶振：
11.0592MT1-250微秒溢出一次
/*变量的定义:
show_val_sn,show_val_ew:
显示的值0-59
state_val_sn,state_val_ew:
状态值南北方向0-绿灯亮;1-黄灯亮;2-红灯亮
T1_cnt:
定时器计数溢出数
cnt_sn,cnt_ew:
倒计时的数值
init_sn[3],init_ew[3]倒计时
led_seg_code：
数码管7段码
*/
#include"reg51.h"
sbitSN_green=P3^2;//南北方向绿灯
sbitSN_yellow=P3^1;//南北方向黄灯
sbitSN_red=P3^0;//南北方向红灯
sbitEW_green=P3^5;//东西方向绿灯
sbitEW_yellow=P3^4;//东西方向黄灯
sbitEW_red=P3^3;//东西方向红灯
unsignedchardatacnt_sn,cnt_ew;
unsignedintdataT1_cnt;
unsignedchardatastate_val_sn,state_val_ew;
charcodeled_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
charcodeinit_sn[3]={24,4,29};
charcodeinit_ew[3]={29,24,4};
//------------------------
voiddelay（unsignedinti）//延时
{while（--i）;}
//------------------------
voidled_show（unsignedintu,unsignedintv）
{unsignedchari;
i=u%10;//暂存个位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xbf;
delay（100）;//延时
i=u%100/10;//暂存十位
P0=led_seg_code[i];
P2=0x7f;
delay（100）;//延时
i=v%10;//暂存个位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfe;
delay（100）;//延时
i=v%100/10;//暂存十位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfd;
delay（100）;//延时
}
//-------------------------
voidtimer1（）interrupt3//T1中断
{T1_cnt++;
if（T1_cnt>3999）//如果计数>3999,计时1s
{T1_cnt=0;
if（cnt_sn!
=0）//南北方向计时
{cnt_sn--;}
else
{state_val_sn++;
if（state_val_sn>2）state_val_sn=0;
cnt_sn=init_sn[state_val_sn];
switch（state_val_sn）//根据状态值，刷新各信号灯的状态
{case0:
SN_green=0;//南北方向绿灯
SN_yellow=1;//南北方向黄灯
SN_red=1;//南北方向红灯
break;
case1:
SN_green=1;//南北方向绿灯
SN_yellow=0;//南北方向黄灯
SN_red=1;//南北方向红灯
break;
case2:
SN_green=1;//南北方向绿灯
SN_yellow=1;//南北方向黄灯
SN_red=0;//南北方向红灯
break;
}
}
if（cnt_ew!
=0）//东西方向计时
{cnt_ew--;}
else
{state_val_ew++;
if（state_val_ew>2）state_val_ew=0;
cnt_ew=init_ew[state_val_ew];
switch（state_val_ew）//根据状态值，刷新各信号灯的状态
{case0:
EW_green=1;//东西方向绿灯
EW_yellow=1;//东西方向黄灯
EW_red=0;//东西方向红灯
break;
case1:
EW_green=0;//东西方向绿灯
EW_yellow=1;//东西方向黄灯
EW_red=1;//东西方向红灯
break;
case2:
EW_green=1;//东西方向绿灯
EW_yellow=0;//东西方向黄灯
EW_red=1;//东西方向红灯
break;
}
}
}
}
//-------------------------
main（）
{//初始化各变量
cnt_sn=init_sn[0];
cnt_ew=init_ew[0];
T1_cnt=0;
state_val_sn=0;//启动后，默认工作在序号为1的状态
state_val_ew=0;
//初始化各灯的状态
SN_green=0;//南北方向绿灯亮
SN_yellow=1
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