基于单片机的电铃控制系统的设计方案.docx
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基于单片机的电铃控制系统的设计方案
基于单片机的电铃控制系统的设计方案
绪论
1.1课题的提出及意义单片机作息时间控制系统是在数字电子钟的基础上，添加了电铃控制电路和音响控制电路，使其具有时钟、定闹等多重功能的一个小型的智能化系统。
此系统可以实现对时间的智能化控制，摆脱了传统的由人来控制时间的长短的不便，可广泛应用在学校、工厂和机关的自动打铃、计时、路灯及室照明和其他对象控制，因此具有广阔的市场和良好的经济效益。
通过此次设计，我们要掌握以下方面的知识：
（l）单片机的原理及应用。
（2）Protel软件的使用。
（3）作息时间控制系统的原理和实现方法。
此外，通过该课题的设计，要达到提高我们综合能力的目的，如综合应用所学知识能力、资料查询能力、计算机应用能力、语言表达能力、论文撰写能力等，尤其是要提高我们单片机应用技术的实践操作技能和利用单片机进行科技革新、开发和创新的基本能力，同时使我们初步掌握单片机应用系统设计、研制的方法。
特别是如果我们毕业以后从事与单片机相关的工作，这就可以大大缩短我们在未来工作岗位上的适应期，使我们尽快在工作中担当主角，发挥我们的作用。
1.2设计要求
1.2.1基本要求
（1）基本计时和显示功能（用12小时制显示）。
包括上下午标志，时、分的数字显示，秒信号指示。
（2）能设置当前时间（含上、下午，时，分）
（3）能实现基本打铃功能，规定：
（4）设计能正常工作的一个单片机最小硬件系统，外围电路包括设置键盘，LCD
或LED的显示器；上午6：
00起床铃：
打铃5秒、停2秒、再打铃5秒。
下午10：
30熄灯铃：
打铃5秒、停2秒、再打铃5秒。
铃声可用小喇叭播放，凡是用到铃声功能的均按此处理
1.2.2发挥部分
（1）增加整点报时功能，整点时响铃5秒，要求有控制启动和关闭功能。
（2）增加调整起床铃、熄灯铃时间的功能。
（3）增设上午4节课的上下课打铃功能，规定如下：
7．30上课，8．20下课：
8．30上课，9．20下课；9．40上课，10．30下课；10．40上课，11．30下课；每次铃声5秒。
硬件设计
2.1系统框图要设计一个系统，我们必须的先做大量的准备工作，比如市场调研、系统分析、资料查阅等，完成这些后我们在着手开始设计，就会事半功倍。
利用单片机做作息时间控制系统就是单片机里非常经典的应用之一。
作息时间控制系统从总体来分，可以分为两部分，控制核心和外围电路。
控制核心为单片机，外围电路主要包括显示电路、键盘电路、复位电路、时钟电路等。
确定了系统的大体形式之后，画出其结构布局，系统框图如图1.示。
K1
C1
R1
■0K
12MHz-
"p0p
~I~
30
20
=
P1.0
VCC
P1.1
P0.0
P1.2
P0.1
P1.3
P0.2
P1.4
P0.3
P1.5
P0.4
P1.6
P0.5
P1.7
P0.6
RESET
P0.7
P3.0/RXDAT89S52
■EA/VPF
P3.1/TXDAL
E/PROG
P3.2/INT0
PSEN
P3.3/INTI
P2.7
P3.4/T0
P2.6
P3.5/T1
P2.5
P3.6/WR
P2.4
P3.7/RD
P2.3
XTAL2
P2.2
XTAL1
P2.1
GND
P2.0
6;91011二1415161718
图1.1硬件系统总体框图
2.2AT89S52单片机
目前，在国市场上MCS-51系列占据着主流地位，与其兼容的产品应用最广，应用开发的公司也最多，其中之一就是Atmel公司生产的AT89系列单片机。
结合作息时间控制系统的要求、成本的因素以及单片机的性能，本次设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机。
下
面对其详细介绍一下。
2.2.1功能特性
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
AT89S52具有以下标准功能：
8K字节Flash,256字节RAM32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器及时钟电路。
另外，AT89S52可降至OHz静态逻辑操作，支持2种软
件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU亭止工作，允许RAM定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.2.2AT89S52引脚图
AT89S52与AT89C51的引脚一样，也有PDIP、PLCCTQFP等多种封装形式，其典型引脚配置采用的是40只引脚的双列直插封装（PDIP）方式，如图1.2所示。
目前大多数为此类圭寸装方式。
PDIP
□vcc
1
二*.=■-匚
2
沖
3
=兀1A31）
十孑匚
斗
37
pn匚启A-2.
P1.4C
c
1=C3AOS）
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7
ACEA35J
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M
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9
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XTAL1E
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GMDC
20
21
□3Aa.
图1.2AT89S52单片机引脚图
2.2.3引脚功能
下面结合图1.2来介绍各引脚的功能。
1）电源引脚
（1）Vcc（40脚）：
主电源正端，接+5V电源。
（2）Vss（20脚）：
主电源负端，接地
2）时钟引脚
两个时钟引脚XTAL1XTAL2外接晶体与片的反相放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。
2个时钟引脚也可外接晶体振荡器。
（1）XTAL1（19脚）：
片高增益反向放大器的输入端。
接外部石英晶体
和电容的一端。
若使用外部输入时钟，该引脚必须接地。
（2）XTAL2（18脚）：
片高增益反向放大器的输出端。
接外部石英晶体
和电容的另一端。
若使用外部输入时钟，该引脚作为外部输入时钟的输入端。
3）控制引脚
此类引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。
（1）RST/VpD（9脚）：
RST（RESET是复位信号输入端，高点平有效。
当振荡器运行时，在此引脚输入最少两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。
复位后的那平静将从程序计数器PC=0000H地址开始执行程序。
对HMO工艺的单片机此引脚还有备用电源VPD功能该引脚接上备用电源，在Vcc掉电期间，可以保持片RAM勺数据不丢失的。
（2）ALE/PROG（30却）:
当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储
器时将跳过一个ALE脉冲。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOV；和MOV指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
（3）PSTN29脚）:
程序储存允许（PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52
由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN言号。
（4）EA/Vpp（31脚）：
片程序存储器屏蔽控制端，低电平有效。
当EA保持低电平时，将
屏蔽片的程序存储器，只访问片外程序存储器。
当EA保持高电平时，执行片程序存储器，
但在PC值超过0FFFH或仆FFH时，将自动转向执行片外程序存储器的程序。
Vpp为本引脚的第二功能。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vppo
4）I/O口引脚
（1）P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复
用，在访问期间激活部上拉电阻。
（2）P1口：
P1口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。
作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会
输出一个电流。
与AT89S51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入
（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）,参见下表。
P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）
（3）P2口：
P2是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会
输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXR指令）时，P2口输出P2锁存器的容。
（4）P3口：
P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，还具有的第二种功能，如下表所示。
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
WR外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
2.3键盘部分
在单片机应用系统中，除了复位键有专门的复位电路以及专一的复位功能以外，其他的按键或键盘都是以开关状态来控制功能或输入数据的。
键盘有两种基本类型：
编码键盘和非编码键盘。
编码键盘本身除了按键以外，还包括产生键码的硬件电路。
这种键盘使用非常方便，但价格相对较高。
非编码键盘是靠软件来识别键盘上的闭合键，由此计算出编码。
非编码键盘几乎不需要附加硬件逻辑，在单片机应用系统中被普遍使用。
本设计中也是采用非编码键盘。
2.3.1键盘工作原理
1）按键的分类
按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键、磁感应按键等。
前者造价低，后者寿命长。
目前，微机系统中常用的是第一类。
按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，两类键盘的区别是键符识别及给出相应键码的方法。
2）键输入原理
当所设置的功能键（复位键单独）或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。
对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。
CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。
3）按键结构与特点
微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。
也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。
机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。
抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为
5~10ms
在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。
即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。
为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。
在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。
软件上采取的措施是：
在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态；同理,在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。
4）按键编码
一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。
根据键盘结构的不同，采用不同的编码。
无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的跳转。
2.3.2独立式键盘独立式按键是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，这是最简单的键盘结构，该电路为查询方式电路。
当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被清0（低电平），而平
时该线为1（高电平）。
要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令十分方便。
这种键盘结构的优点是电路简单；缺点是当键数较多时，要占用较多的I/O线。
2.3.3行列式键盘为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O线的数目，在键数较多时，通常都将键盘排列成行列矩阵形式。
下面就说明一下行扫描法识别哪一个按键被按下的工作原理。
首先判别键盘中有无键按下，由单片机I/O口向键盘送（输出）全扫描字，然后读入（输入）列线状态来判断。
方法是：
向行线输出全扫描字00H,把全部行线置为低电平，然后将列
线的电平状态读入累加器A中。
如果有按键按下，总会有一根列线电平被拉至低电平，从而使列输入不全为1。
判断键盘中哪一个键被按下是通过将行线逐行置低电平后，检查列输入状态实现的方法是：
依次给行线送低电平，然后查所有列线状态，称行扫描。
如果全为1，则所按下的键不在此行；如果不全为1，则所按下的键必在此行，而且是在与零电平列线相交的交点上的那个键。
1）行扫描法识别键号（值）的工作原理
将第0行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为1110。
然后读取列的电平，判别第0行是否有键按下。
在第0行上若有某一按键按下，则相应的列被拉到低电平，则表示第0行和此列相交的位置上有按键按下。
若没有任一条列线为低电平，则说明0行上无键按下。
将第1行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为1101。
然后通过输入口读取各列的电平。
检测其中是否有变为低电平的列线。
若有键按下，则进而判别哪一列有键按下，确定按键位置。
将第2行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为1011。
判别是否有哪一列键按下的方法同上。
将第3行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为0111。
判别是否有哪一列键按下的方法同上。
在扫描过程中，当发现某行有键按下，也就是输入的列线中有一位为0时，便可判别闭合
按键所在列的位置，根据行线位置和列线位置就能判断按键在矩阵中的位置，知道是哪一个键按下。
2）键盘扫描工作过程
（1）判断键盘中是否有键按下；
（2）进行行扫描，判断是否键按下，若有，则调用延时子程序去抖动；
（3）读取按键的位置码；
⑷将按键的位置码转换为键值（键的顺序号）0、1、2…、F。
2.4显示部分显示器是计算机的主要输出设备，它把运算结果、程序清单等以字符的形式显示出来，以供用户查阅。
目前常用的显示器有数码管显示器（LED显示器）、液晶显示器（LCD显示器）和CRT显示器等，本设计中采用的是LED显示器。
下面就相信介绍LED显示器的结构和工作原理。
2.4.1LED显示器简介
1）数码管结构
数码管由8个发光二极管（以下简称字段）按“日”字形排列构成，其中7个发光二极管组成“日”字形的笔画段，另一个发光二极管为圆点形状。
通过不同的组合可用来显示数字0~9、字符A~F、H、P等、符号“-”及小数点“•”。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。
2）数码管工作原理
共阳（阴）极数码管的8个发光二极管的阳极（阴极）连接在一起。
通常，公共阳（阳）极接高（低）电平，其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低（高）电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。
根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
（注：
二极管阳（阴）极为二极管正（负）端，高电平一般指接电源，低电平一般指接地。
）
3）数码管字形编码当某一二极管导通时，相应的字段发亮。
这样，若干个二极管导通，就构成了一个字符。
在共阴极数码管中，导通的二极管用“1”表示，其余的用“0”表示。
这些“1”，“0”数符按一定的顺序排列，就组成了所要显示字符的显示代码。
例如，对于共阴极数码管来说，阳极排列顺训为h、g、f、c、e、d、c、b、a。
这样，字符1的显示代码为0000010,字符F的显示代码为011110001，用十六进制表示分别为06H和71Ho若要显示某一个字符，就在二极管的阳极按显示代码加以高电平，阴极加低电平即可。
2.4.2LED静态显示法接口设计
所谓静态显示，就是每一个显示器各笔画段都要独占具有锁存功能的输出口线，CPU把欲
显示的字形代码送到输出口上，就可以使显示器显示所需的数字或符号，此后，即使CPU不再去访问它，因为各笔画段接口具有锁存功能，显示的容也不会消失。
静态显示法的优点是显示程序十分简单，显示亮度大，由于CPU不必经常扫描显示器，所以节约了CPU的工作时间。
但是其主要缺点是占用的I/O口线较多，硬件成本较高。
所以静态显示法常用在显示器数目较少的应用系统中。
2.4.3LED动态显示法接口设计
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。
通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公
共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。
动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。
依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。
虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。
采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。
本设计显示电路采用简单实用的8位共阳LED数码管，段码由P0口输出，用74LS244驱动；位码由P2口输出，用PNP三极管驱动。
2.5复位电路
2.5.1复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其功能主要是将程序计数器（PC初始化为0000H,使程序
从0000H单元开始执行，并将特殊功能寄存器赋一些特定值。
复位是上电的第一个操作，然后程序从0000H开始执行。
在运行中，外界干扰等因素可能会使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞”。
要使其进入正常状态，唯一办法是将单片机复位，以重新启动。
[4]复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态一种操作。
2.5.2复位电路
RST引脚是复位端，高电平有效。
在读引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单
片机复位。
RST引脚部有一个施密特ST触发器以对输入信号整形，保证部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要数字波形。
使用时，一般在此引脚与Vss引脚之间接上一个约
8.2K的下拉电阻，与Vcc引脚之间接一个约10uF的电解电容，即可保证上电自动复位。
复位电路如图1.3所示。
上电复位按键复位
图1.3复位电路
电容C和电阻R1实现上电自动复位功能。
增加按键开关SW和阻值R1又可实现按键复位功能。
该电阻的作用是在按键开关按下时，防止电容放电电流过大烧坏开关的触点。
应保证（R2/R1）＞10。
一般取C=10uFR仁10QR2=8.2K。
2.6时钟电路单片机的时钟一般需要多相时钟，所以时钟电路由振荡器和分频器组成。
2.6.1振荡电路
MCS-51部有一个用于构成振荡器的可控高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1,
其输出端为引脚XTAL2。
在片外跨接一晶振和两个匹配电容C1、C2,如图1.4所示,就构成一个自激振荡器。
振荡频率根据实际要求的工作速度，从几百千赫至24MHz可适当选取某一频率。
匹配电容C1、C2要根据石英晶体振荡器的要求选取。
当晶振频率为12MHz时,C1、C2一般选30pF左右。
图1.4时钟电路
2.6.2指令时序振荡器产生的时钟脉冲经脉冲分配器，可产生多相时序。
如图1.5所示的时序发生器框图
图1.5时序发生器框图
1）振荡周期：
为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。
2）时钟周期：
是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。
3）机器周期：
通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。
4）指令周期：
是指CPU执行一条指令所需要的时间。
一个指令周期通常含有1〜4个机器周期。
单片机执行每一条指令，都是按照严格的时序进行的。
2.7软件设计
简要说明：
实现24小时制电子钟，8位数码管显示，显示时分秒显示格式：
23-59-59（小时十位如果为0则不显示）到预定时间启动蜂鸣器模拟打铃，蜂鸣器BEEP：
P3.7打铃方式分起床、熄灯铃和上、下课铃两种系统使用4只按键，3只按键用来调整时间，另一只为强制打铃按钮调整选择键SET_KEYP1.0;通过选择键选择调整位，选中位闪烁增加键ADD_KE：
YP1.1；按一次使选中位加1减少键DEC_KEYP1.2;按一次使选中位减1如果长按ADD_KE或DEC_KEY识别后则进行调时快进，此时停止闪烁如果选中位是秒，则按增加键或减少键都是将秒清零强制打铃键DALING_KE:
YP1.3;用来强制打铃或强制关闭铃声
P0口输出数码管段选信号，P2口
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