可预置定时电路设计.docx

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可预置定时电路设计

可预置定时电路设计

李邦强

（安阳师范学院物电学院,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，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，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。

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，-20—40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。

图2定时电路报警系统设计框图

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CMOS8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（这点比较方便）片内含有8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序程序存储器和512bytes的随机存取数据存储器（内RAM256B、XRAM256B），兼容标准MCS-51指令系统。

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，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

图3STC89C52RC总体结构框图

二、引脚功能

STC89C52RC引脚排列图如4

图4STC89C52RC引脚分布

VCC（40）：

3.4-5.5V

GND（20）：

接地

P0口（39－32）：

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。

P1口（1－8）：

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（21－28）：

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（VPP）。

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89c52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

图5上电和人工复位

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（20—40）pF。

本系统设计的时钟电路如图6

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7

图7按键电路

4.2.4报警和继电器控制电路设计

报警电路和继电器控制电路通过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8。

继电器是由浙江省创星电子有限公司生产的JQC-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”；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

4.2.5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74HC573的驱动送至数码管。

数码显示电路如图9

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

图