精品毕业设计基于单片机的可预置定时显示时钟报警系统设计定.docx

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精品毕业设计基于单片机的可预置定时显示时钟报警系统设计定

基于单片机的可预置定时显示时钟报警系统设计

摘要

定时控制在日常生活和工作中应用广泛，如扩印过程中的曝光定时等。

由于单片机具有体积小，价格便宜，功耗低，可靠性好等特点。

以STC89C52RC单片机作为控制芯片，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，可以通过按键任意预置时间，系统按照初始值进行倒计时，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。

本系统已在上海浩豚电子有限公司设计的单片机开发板上成功实现了设计功能，具有便于携带的特点。

关键词：

STC89CC52RC；定时报警系统；51开发板

TheDesignof InstalledDisplayingAlarmingCockSystemBasedonMicroComputerUnit

Abstract

Indailylifeandwork,weoftenusetimingcontrol,suchasphotographicprocessingduringtheexposuretime,etc.SinceMCUissmall,cheap,lowpowerconsumption,reliabilityandgoodfeatures.ThesystemmakeMCUSTC89C52RCasamicrocontroller,formedbythecontrolingmodulecircuit,LEDdisplayingmodulecircuit,KeyboardInputModuleCircuit,alarmingmodulecircuit,serialcommunicationmodulecircuit,thesystemhasanaccuratetimeclock,canpresetanytimewiththebutton,itwokswiththeinitialvalue,whenttozeroimplementationofthealarmbellfight,alsoissuedasignalofcontrolingtherelay.ThesystemconsistsofSTC89C52RCmicrocontrollerandafewotherdevices,successfullyelectronicsCo.,Ltd.inShanghaiHaodolphindesignofmicrocontrollerdevelopmentboard,withportablefeatures.

Kewords:

STC89CC52RC;timingalarmsystem;MCS51developmentboard

第一章绪论

1.1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。

本文也正是基于此，而对其在日常生活中的应用做研究。

1.2定时报警系统的发展现状

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。

1.3本论文研究的内容

（1）定时报警系统现状分析；

（2）定时报警系统系统硬件方框图的确定，为硬件设计打下坚实的基础；

（3）定时报警系统的硬件电路设计，包括主控电路、复位电路、时钟电路、报

警电路、显示电路、按键电路。

其中包含有对各个模块电路的详细说明；

（4）定时报警系统的软件设计，包括系统流程图，以及部分子程序的详细说明；

（5）定时报警系统的软件仿真，在PROTEUS上仿真，测试各个功能是否能实现；

（6）定时报警系统的硬件测试，将程序下载至上海浩豚电子有限公司设计的单

片机开发板上，进行必要的硬件测试，同时测试各个模块能否正常工作。

第二章定时报警系统的硬件设计

2.1硬件设计基本原则

在系统的硬件设计时，应考虑以下几个基本原则：

（1）满足技术指标

在进行硬件系统设计时，首先应考虑系统功能及性能要求，要满足系统技术指标。

（2）经济性原则

要充分发挥硬件的经济效益，提高性价比。

（3）安全可靠

在进行系统设计时，要充分考虑到系统的稳定性和可靠性。

在选购元器件时要尽量选择质量和性能比较可靠的元器件。

（4）环境适应性强

系统应有足够的抗干扰能力，以保证系统在恶劣环境下正常工作。

因此，在硬件的设计和开发过程中，必须考虑各种抗干扰措施，诸如:

隔离、屏蔽、一点接地。

2.2方案选择

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。

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。

3.采用FPGA做控制器,运用较少的外围器件可达到设计要求。

这样的系统，稳定性好，精度高，走时准确。

但价格较贵。

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，故选择方案2。

2.3定时报警系统设计框图

定时报警系统硬件电路通常由以下5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、串口通信模块电路。

其基本组成框图如图3.3所示。

图3.3定时报警系统设计框图

2.4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，在选择器件时既要满足电路设计要求，留有一定余地，也要充分考虑电路成本，做到高性价比。

2.4.1MCU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2.4.1

图2.4.1STC89C52RC总体结构框图

二、引脚功能

STC89C52RC引脚排列图如2.4.2

图2.4.2STC89C52RC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。

2.4.2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74HC573为数码管输送七段码，为了节省IO口，用74HC138与数码管相连作为片选端。

在喇叭和继电器驱动上选择ULN2003A，同时预留几个接口为系统功能扩展使用。

74HC573、74HC138、ULN2003A具体特性可以查看其数据手册。

在电源电路中升压控制器，采用深圳泉芯公司生产的QX2303。

QX2303是一种高效率、低纹波、工作频率高的PFM升压DC-DC变换器。

QX2303系列产品仅需要四个元器,就可完成将低输入的电池电压变换升压到所需的工作电压，非常适合于便携式1～4节普通电池应用的场合。

QX2303具体特性可以查看其数据手册

图2.4.2QX2303引脚图

QX2303具体特性可以查看其数据手册

由于STC89C52RC可以通过串口下载程序，不需专门的烧录器，故采用MAXIM的MAX232器件构成单片机的串口通信。

MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V

电源的应用。

MAX232引脚如图2.4.3

图2.4.3MAX232引脚分布图

MAX232具体特性可以查看其数据手册。

2.5子模块电路设计

2.5.1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2.5

图2.5上电和人工复位

2.5.2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2.6

图2.6时钟电路

2.5.3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是确认键，sw2是设置键，sw3是时假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2.7

图2.7按键电路

2.5.4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2.8。

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吸和。

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2.8报警和继电器控制电路

2.5.5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2.9

图2.9数码显示电路

2.5.6电源电路设计

对于电路系统来说的电源电路尤其重要，一个效率高的电源系统直接决定了整个电路的功能。

本系统属于便携式电子产品，因而决定采取一节干电池供电的方法，紧急情况下通过USB连接计算机供电。

测试电源采用USB供电，同时紧急状态下也可以用USB供电，通过USB与计算机连接，C1、C2的作用是减少电源纹波。

采用一节干电池供电是系统的常用电源，对电源工作原理做简要的介绍。

QX2303是一款BOOST结构、电压型PFM控制模式的DC-DC转换电路。

芯片内部包括输出电压反馈和修正网络、启动电路、震荡电路、参考电压电路、PFM控制电路、过流保护电路以及功率管。

QX2303所需的外部元器件非常少，只需要一个电感、一个肖特基二极管和输入输出电容就可以提供2.5V-6.0V的稳定的低噪声输出电压。

PFM控制电路是QX2303的核心，该模块根据其他模块传递的输入电压信号、负载信号和电流信号来控制功率管的开关，从而达到控制电路恒压输出的作用。

在PFM控制系统中，固定震荡频率和脉宽，稳定的输出电压是根据输入-输出电压比例以及负载情况通过削脉冲来调节在单位时间内功率管导通时间来实现。

震荡电路提供基准震荡频率和固定的脉宽。

参考电压电路提供稳定的参考电平。

并且由于采用内部的修正技术，保证了输出电压精度达到±2.5%，同时由于参考电压经过精心的温度补偿设计考虑，使得芯片的输出电压的温度漂移系数小于100ppm/℃。

高增益的误差放大器保证了在不同输入电压和不同负载电流情况下稳定的输出电压。

为了减小输出电压的纹波和噪声，误差放大器采用施密特比较器结构，同时具备很快的响应速度。

BOOST结构DC-DC转换器的功率损耗主要是由于电感的寄生串联电阻、肖特基二极管的正向导通压降、功率管的导通电阻以及控制功率管信号的驱动能力这四个方面，当然芯片本身消耗的静态功耗在低负载的情况下也会影响转换效率。

为了获得较高的转换效率，除了用户选择合适的电感、肖特基二极管和电容外，芯片内部的功率管导通电阻也非常小。

功率管有驱动能力很强的驱动电路驱动，保证功率管开关时的上升沿和下降沿很陡，大大减小了开关状态时的功率损耗。

电路如图2.10

图2.10电源电路

2.5.7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。

同时降低了开发成本。

本系统使用MAX232芯片构成的串口通讯电路如图2.11。

图2.11串口通信电路

第三章定时报警系统软件设计

3.1主程序的设计流程

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3.1

图3.1主程序流程图

3.2子模块的设计流程及其代码

3.2.1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3.2

图3.2T0中断服务程序

3.2.2数码显示子程序流程图

图3.3显示子程序

3.2.3T1动态扫描显示中断程序流程图

图3.4T1中断服务程序

具体代码见附录

第四章测试与仿真

4.1硬件测试

4.1.1硬件平台简介

由上海浩豚电子有限公司设计的51单片机开发板，具有8个数码管、一个压电式喇叭、一个小功率继电器、18个按键，一个串行口。

对STC89C52RC单片机来说通过USB转串口线连接计算机就可以下载程序。

51开发板如图4.0

4.1.2测试结果

1.数码管显示正常，能显示系统的时钟；

2.复位电路工作正常；按一下复位按键系统进入初始状态；

3.按设置键系统进入设置状态，此时按时、分、秒的加一或减一键可以设置系统的的初始值，设置好初始值后，按一下确定键，系统开始倒计时。

4.当计时为0时，喇叭开始发出报警声音，同时继电器得到相应信号的控制。

4.2仿真软件简介

PROTEUS软件由英国LabcenterElectronics公司开发，有近20年的历史，已在全球得到了广泛应用。

它是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。

微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择KeilC51软件。

4.2.1Proteus软件的基本用法

Proteus软件是LabcenterElectronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。

Proteus的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等等。

通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。

本文中由于主要使用Proteus软件在单片机方面的仿真功能，所以我们重点研究ISIS模块的用法，在下面的内容中，如不特别说明，我们所说的Proteus软件特指其ISIS模块。

下面我们首先来熟悉一下Proteus的界面。

Proteus是一个标准的Windows窗口程序，和大多数程序一样，没有太大区别，其启动界面如图4.1所示：

图4.1Proteus软件界面

如上图5.1中所示，区域①为菜单及工具栏，区域②为预览区，区域③为元器件浏览区，区域④为编辑窗口，区域⑤为对象拾取区，区域⑥为元器件调整工具栏，区域⑦为运行工具条。

下面来详细讲述Proteus的操作方法以及注意事项。

首先点击启动界面区域③中的“P”按钮（PickDevices，拾取元器件）来打开“PickDevices”（拾取元器件）对话框从元件库中拾取所需的元器件，对话框如下图4.2所示。

图4.2拾取原件对话框

在对话框中的“Keywords”里面输入我们要检索的元器件的关键词，比如我们要选择项目中使用的AT89C52，就可以直接输入。

输入以后我们能够在中间的“Results”结果栏里面看到我们搜索的元器件的结果。

在对话框的右侧，我们还能够看到我们选择的元器件的仿真模型、引脚以及PCB参数。

这里有一点需要注意，可能有时候我们选择的元器件并没有仿真模型，对话框将在仿真模型和引脚一栏中显示“NoSimulatorModel”（无仿真模型）。

那么我们就不能够用该元器件进行仿真了，或者我们只能做它的PCB板，或者我们选择其他的与其功能类似而且具有仿真模型的元器件。

搜索到所需的元器件以后，我们可以双击元器件名来将相应的元器件加入到我们的文档中，那么接着我们还可以用相同的方法来搜索并加入其他的元器件。

当我们已经将所需的元器件全部加入到文档中时，我们可以点击上图对话框中的“OK”按钮来完成元器件的添加。

添加好元器件以后，下面我们所需要做的就是将元器件按照我们的需要连接成电路。

首先在元器件浏览区中点击我们需要添加到文档中的元器件，这时我们就可以在浏览区看到我们所选择的元器件的形状与方向，如果其方向不符合你的要求，你可以通过点击元器件调整工具栏中的工具来任意进行调整，调整完成之后在文档中单击并选定好需要放置的位置即可。

接着按相同的操作即可完成所有元器件的布置，接下来是连线。

事实上Proteus的自动布线功能是如此的完美以至于我们在做布线时从来都不会觉得这是一项任务，而通常像是在享受布线的乐趣。

布线时我们只需要单击选择起点，然后在需要转弯的地方单击一下，按照你所需走线的方向移动鼠标到线的终点单击即可。

我们布线的结果如图4.3所示：

图4.3电路布线结果

因为该工程十分简单，我们没有必要加上复位电路，所以这点在图中予以忽略，请大家注意。

除此以外，你可能还发现，单片机系统没有晶振，这一点你需注意。

事实上在Proteus中单片机的晶