基于单片机的作息时间控制

基于单片机的作息时间控制

江宁校区09机电一体化刘荣

指导老师赵华

【摘要】目前，我国单片机的应用领域主要是工业生产过程控制，数据采集与处理、实时控制及优化控制。单片机应用带来了巨大的经济效益，提高了效率，降低了成本，提高了产品质量，推动着生产力的发展。本次设计主要介绍单片机的应用实例，加深了对单片机的理解，进一步开拓视野，为今后应用微机解决生产实际问题起了一个入门的作用。通过本次设计，我掌握了解决问题的思路和方法．使自己分析问题和解决问题的能力大为提高。

关键字：单片机接口芯片寄存器

目录

1 课题目的意义 (1)

1. 1 课题的提出及意义 (2)

2 总体方案设计 (3)

2. 1总体设计及系统原理………………………………………………………………12-13

2. 2 芯片比较 (3)

2.2.1 单片机选型…………………………………………………………………………3-4

2.2.2键盘显示器接口芯片8279的使用………………………………………………… 4-7

2.2.3存储器的选择…………………………………………………………………………7-9

2.2.4继电器的选择………………………………………………………………………9-12

3 硬件设计 (13)

3.1寄存器部分…………………………………………………………………………22-25

3.2 电源与复位电路部分 (25)

3.2.1电源部分 (25)

3.2.2复位电路 (25)

3.3 电铃和继电器部分 (26)

4 软件设计 (27)

4．1 主程序设计 (27)

4. 2 子程序设计 (29)

5 系统安装与调试 (31)

5．1 软件调试 (31)

5．2 系统调试 (31)

致谢 (31)

参考文献 (32)

1 课题目的意义

1. 1 课题的提出及意义

单片机作息时间控制实现了对时间控制的智能化，摆脱了传统由人来控制时间的长短的不便，是现代学校必不可少的设备。

2 总体方案设计

2. 1总体设计及系统原理

在确定系统的大体形式之后，画出本系统的结构布局，电路原理如图2-2所示。

图2-2

显示电路

自动复位电路 电源电路 继电器电路 单 片

机

电铃电路

2. 2 芯片比较

2.2.1 单片机选型

当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。常用的单片机有很多种：Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。

2.2.2键盘显示器接口芯片8279的使用

单片机系统中有两种 LED显示方式，即静态显示和动态显示，静态显示的优点是显示效果好，编程简单，但由于输出的每一位都需要锁存，使用的硬件较多；动态显示方式中，各位数码管的a–h端并连在一起，每一时刻只有一位数码管被点亮，各位依次轮流被点亮，硬件电路简单，但由于需要不停地进行刷新显示，降低了CPU的效率，而且编程的工作量很大。为了解决动态显示中存在的问题，Intel 公司研制出了专用的键盘、显示器接口电路芯片8279，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便。8279用A0来区分信息特征，当A0为0时，CPU 从8279读出的是状态，写入的是命令，且每个命令也有自己的特征；当A0=1时读出和写入的都是数据。8279内部有两个缓冲区，即一个8字节的FIFO（First In First Out）键盘RAM和一个16字节的显示RAM，显示数据时只要将待显示数据的段码写入显示RAM即可；当有键闭合时，8279会自动执行去抖、得到键值、等待按键释放等操作，最后,将键值存入FIFO RAM中，程序只需从FIFO中读取键值即可，编程十分简单,具体实验线路图17所示。

8279键盘、显示器接口器件是实现人机对话的主要部件，它已为广大用户欢迎和广泛应用。然而在有些应用场合，既要键盘具有普通的数据输入和控制功能，又要键盘具备按钮功能。例如，微机控制的注塑机，在手动控制时需要有点动功能：按钮按下进行调模运动，按钮松开，调模运动停止。本文介绍使8279构成的键盘具有以上功能的实现方法，供读者参考使用。

为了使8279具有合适的键盘、显示功能，首先要对芯片初始化。可适当地挑选8279的控制字，例如：使8279具有8位显示、右端输入、编码键盘、双键锁定时可选控制字10H.这时每次按键都将产生键特征码，并且存放在FIFOROM中，同时使8279的IRQ 引脚变为高电平，可作为向CPU申请中断信号，如果CPU是中断开放的，则转向中断服务程序，可在中断服务程序中读取特征码。每当CPU读取FIFOROM中的数据后，8279自动撤消IRQ信号，IRQ引脚变为低电平。CPU返回主程序后，可由键特征码来决定程序的流向。问题是，当CPU从8279的FIFOROM中读取键特征码后，IRQ虽然恢复底电平，但FIFOROM中的数据并没有消失，仍保存在里面，这时即使使用对改8279清除的指令D3H，也不能将FIFOROM中的数改变，只有按其它键才能改变FIFOROM中的数据，因这样是无法实现按钮功能的。

为了使键盘具有按钮功能，应该利用8279的传感方式功能，在传感器方式中，8279每当检测到传感状态变化时，IRQ 就变为高电平，图1是以8031CPU 构成的系统为例，说明IRQ 引脚电平的翻新过程。 8279的IRQ 端经反相器接到8031的INT1端(即P3.3引脚)。先将8279设置成编码键盘，允许INT1中断，当键按下时，反相器输出低电平，CPU 进入中断服务程序，读取键特征码后，又为高电平。返回主程序后，转向功能程序（例如调模进）。输出控制信号（例如P1.0为“1”时调模进电磁阀得电）后，将8279设置为传感器方式，并且不允许INT1中断，然后调试P3.3是否为低电平。如果按键松开，8279将测出传感器状态发生变化，而使IRQ 由低电平

转为高电平。也就是说

P3.3脚为低电平时，按键已经松开，程序重新设置8279为编码键盘，INT1中断开放，以便使键盘脱离按钮功能。

实现以上功能的程序清单如下：

中断服务程序略，以上方法在注塑机控制器上使用，证明是完全正确的。

2.2.3存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

（一）冗余功能的选择

１、控制单元的冗余

（１）重要的过程单元：CPU及电源均应1比１冗余。

（２）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、２重化或３重化冗余容错系统等。

２、I/O接口单元的冗余

（１）控制回路的多点I/O卡冗余配置。

（２）重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。

（３）根据需要对重要的I/O信号，可选用２重化或３重化的I/O接口单元。

（二）经济性的考虑

选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

引脚功能

CS：片选信号。高电平有效，低电平时进入等待模式。在连续的指令之间，CS信号必须持续至少250ns的低电平，才能保证芯片正常工作。

CLK：串行时钟信号。在CLK的上升沿，操作码、地址和数据位进入器件或从器件输出。在发送序列时，CLK最好不停止，以防止读/写数据的错误。

DI：串行数据输入。可在CLK的同步下输入开始位、操作码、地址位和数据位。

DO：串行数据输出。在CLK同步下读周期时，用于输出数据；而在地址擦/写周期或芯片擦/写周期时，该端用于提供忙/闲信息。

VSS：接地。

VCC：接＋5V电源。

ORG：存贮器构造配置端。该端接VCC或悬空时，输出为16位；接GND时，输出为8位。

指令及时序

地址擦指令（ERASE）

该指令用于强迫指定地址中所有数据位都为“1”。一旦信息在DI端上被译码，就需使CS信号保持至少250ns的低电平，然后将CS置为高电平，这时，DO端就会指示“忙”标志。DO为“0”，表示编程正在进行；DO为“1”，表示该指定地址的寄存器单元已擦完，可以执行下一条指令。

擦/写允许指令（EWEN）

由于在上电复位后 AT93C46/56/66首先将处于擦／写不允许状态。故该指令必须在所有编程模式前执行，一旦该指令执行后，只要外部没有断电就可以对芯片进行编程。

地址写指令（WRITE）

写指令时，先写地址，然后将16位的或8位数据写入到指定地址中。当DI端输出最后一个数据位后，在CLK时钟的下一个上升沿以前，CS必须为低，且需至少保持250ns，然后将CS置为高电平。

地址读指令（READ）

读指令用于从指定的单元中把数据从高位到低位输出至DO端，但逻辑“0”位先于数据位输出。

芯片擦指令（ERAL）

该指令可将整个存贮器阵列置为１，其它功能与地址擦指令相同。

芯片写指令（WRAL）

该指令可将命令中指定的数据写入整个存贮器阵列，其它功能与地址写指令相同。该指令周期所花费时间的最大值为30ms。

擦/写禁止指令（EWDS）

使用该指令可对写入的数据进行保护，操作步骤与擦/写允许指令相同。

2.2.4 继电器的选择

1)按使用环境选型

使用环境条件主要指温度、湿度、低气压、振动和冲击。此外，尚有封装方式、安装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器，可按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。

对电磁干扰或射频干扰比较敏感的装置周围，最好不要选用交流电激励的继电器。选用直流继电器要选用带线圈瞬态抑制电路的产品。

2)按输入信号不同确定继电器种类

按输入信号是电、温度、时间、光信号确定选用电磁、温度、时间、光电继电器，这是没有问题的。这里特别说明电压、电流继电器的选用。若整机供给继电器线圈是恒定的电流应选用电流继电器，是恒定电压值则选用电压继电器。

3)输入参量的选定

与用户密切相关的输入量是线圈工作电压（或电流），而吸合电压（或电流）则是继电器制造厂控制继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数。对用户来讲，它只是一个工作下极限参数值。控制安全系数是工作电压（电流）/吸合电压（电流），如果在吸合值下使用继电器，是不可靠的、不安全的，环境温度升高或处于振动、冲击条件下，将使继电器工作不可靠。整机设计时，不能以空载电压作为继电器工作电压依据，而应将线圈接入作为负载来计算实际电压，特别是电源内阻大时更是如此。当用三极管作为开关元件控制线圈通断时，三极管必须处于开关状态，对6VDC以下工作电压的继电器来讲，还应扣除三极管饱和压降。当然，并非工作值加得愈高愈好，超过额定工作值太高会增加衔铁

的冲击磨损，增加触点回跳次数，缩短电气寿命，一般，工作值为吸合值的1.5倍，工作值的误差一般为±10%。

4)根据负载情况选择继电器触点的种类和容量

触点组合形式和触点组数应根据被控回路实际情况确定。动合触点组和转换触点组中的动合触点对，由于接通时触点回跳次数少和触点烧蚀后补偿量大，其负载能力和接触可靠性较动断触点组和转换的动断触点对要高，整机线路可通过对触点位置适当调整，尽量多用动合触点。

根据负载容量大小和负载性质（阻性、感性、容性、灯载及马达负载）确定参数十分重要。认为触点切换负荷小一定比切换负荷大可靠是不正确的，一般说，继电器切换负荷在额定电压下，电流大于100mA、小于额定电流的75%最好。电流小于100mA会使触点积碳增加，可靠性下降，故100mA称作试验电流，是国内外专业标准对继电器生产厂工艺条件和水平的考核内容。

极性转换、相位转换负载场合，最好选用三位置的K型触点，不要选用二位置的Z 型触点，除非产品明确规定用于三相交流负载转换。否则随着产品动作次数的增加，其燃弧也会增大，Z型触点可能导致电源被短路。

在切换不同步的单相交流负载时，会存在相位差，所以触点额定值应为负载电流的4倍，额定电压为负载电压的2倍。适合交流负载的触点不一定适合于几个电源相位之间的负载切换，必要时应进行相应的电寿命试验。

3 硬件设计

3.1存器部分

状态寄存器：

状态寄存器包括四个非易失性控制位，两个易失性状态位。控制位可以设置看门狗定时器的操作，存储块锁存保护，状态寄存器被设计成“状态记录员”。

状态寄存器（缺省状态为30H）

7 6 5 4 3 2 1 0

0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP

写入程序位（WIP）是一个易变性的、只读位，指示装置的是否忙于内部非易变性写操作。使用RDST指令可以使WIP位被读出。当设置为1时，非易变性写操作在进行中，当设置为0时，进行中没有写操作。

写使能锁存位（WEL）指示“写使能”锁存的状态。当WEL为1时，锁存器被置位；当WEL 为0时，锁存器被复位。WEL是一个易变性的、只读位。WREN指令可以设置WEL位，WROS指令可以使WEL位复位。

块锁存位BL0和BL1，设置块锁定保护的标准。这些非易变位可以用WRSR指令编程，允许使用者保护存储器序列的1/4，1/2，全部或空。被块锁存保护排列的任一部分只能读不能写。它将保护到BL位被改变使存储器部分不能块锁存保护。

状态寄存器位序列地址保护

BL1 BL0 X5043/X5045

0 0 无

0 1 $180-$1FF

1 0 $100-$1FF

1 1 $000-$1FF

读状态寄存器：

读状态寄存器，把/CS降为低电平来选择该装置，接着发送8位RDSR指令。状态寄存器的内容被转移到SO引线上，通过CLK计时。状态寄存器在任何时间都可以被读出，甚至在写周期过程中。

写状态寄存器：

在写数据到写状态寄存器之前，先发布WREN指令来设置“写使能”锁存器（WEL）。首先使/CS变为低电平，对该装置定时WREN指令，再把/CS拉成高电平。再次把/CS拉成低电平，在

8位数据之后，进入WRSR指令。这8位数据与状态寄存器的内容一致。当/CS变为高电平时操作结束。如果在WREN和WRSR之间/CS没有变

成高电平，WRSR指令将无效。

芯片保护矩阵

WREN命令（WEL）芯片引脚

（WP）

存储块状态寄存器

(BL0,BL1,WD0,

WD1)

被保护的区

域

不被保护的区

域

0 X 被保护被保护被保护

X 0 被保护被保护被保护

1 1 被保护写使能写使能

图3-7：读状态寄存器时序

图3-8：写状态寄存器时序

读存储序列：

当从EEPROM存储序列中读时，首先把/CS拉成低电平以选择芯片，8位READ指令被传输到芯片中，接着是8位的地址。READ指令的第3位选择芯片的高位或地位，在READ代码和地址被发送以后，在选择的地址中且存储在存储器中的数据被转移到SO引线上。存储器下一个地址存储的数据通过继续提供时钟脉冲可以被读出。每一个数据的字节被转移以后地址将自动增加到更高的地址。当达到最高地址，地址计算器变为000，允许读周期无限的继续。当把/CS 引脚拉成高电平时，读操作停止。

写存储序列：

在写数据到存储器序列之前，先发布WREN指令来设置“写使能”锁存器（WEL）。首先使

/CS变为低电平，对该装置定时WREN指令，再把/CS拉成高电平。再次把/CS拉成低电平，在8位地址之后，进入WRITE指令，接着数据就被写入。WRITE指令的第3位包含地址位A8，可以选择序列的高位或低位。如果在WREN和WRITE之间/CS没有变成高电平，WRITE指令将无效。

WRITE指令至少需要16个时钟周期，CS在整个操作过程中必须保持低电平。操作者可以继续写入16字节的数据。唯一的限制是这16个字节必须存在同一页中。一页的地址开始于地址[x xxxx 0000] ，结束于地址[xxxxx 1111]。如果字节地址达到了该页的最后一个字节，并且时钟仍然继续，计算器将返回到该页的第一个地址，写在以前写过的数据上。

为了写操作能被完成，在时钟周期内被写入的最后的数据字节的0位以后CS必须被拉成高电平。如果它在任何时间没有被拉成高电平，写操作将不能完成。

在写过程中跟随着一个状态寄存器或存储序列写时序，状态寄存器可以被读入来检查WIP 位。非易变写过程中WIP处于高电平。

图3-9：存储序列时序

图3-10：写存储时序

3. 2 电源与复位电路部分

3.2.1 电源部分

本次设计应用的电压有+5V。220V交流电源经变压器,整流，滤波后分别进入芯片7805，产生+5V，这些电源的具体应用情况如下：

+5V电源:单片机及外围电路所用电源

+9V电源:压电喇叭所用电源

3.2.2复位电路

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图3-12(a)中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如图3-12(a)中右图所示。

图 3-12

要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如图3-14(b)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。

图3-12(a)中：Cl＝10-30uF，R1＝1kΩ

图3-12(b)中：C2＝1uF，Rl＝lkΩ，R2＝10kΩ

本系统的复位电路采用上电复位。

3. 6 电铃和继电器部分

当定时时间到了，压电喇叭则发出一阵声响，时间到时发出一阵声响，按下K4键可以停止声响。也可以启动继电器，由继电器可以控制放音机。

4 软件设计

单片机作息时间控制的动作利用时间计时处理来做秒计数，当所设置的时间到了，则发出一阵声响，启动继电器，由继电器可以控制放音机开启或关闭。单片机定时器负责定时的计数，不会因为按键处理而中断时间秒数的增加，时，分，秒数据是存在变量内并写入七段显示器的缓冲区内，而由显示器扫描程序中定时扫描而显示出时间。

4．1 主程序设计

在主控程序循环中主要工作为扫描是否有按键，若有按键则应做相应的功能处理，同时也扫描显示器显示时间数据，并检查所设置的时间是否到了，图4－1为主程序控制的工作流程。时间计时处理程序是等过了1S后，则更新时间数据，将最新的时，分，秒的数据转换为数字数据并显示在七段显示器上。

程序中是这样判断是否过了1S的：设一旧秒数变量，当新旧秒数变量不一样时，则表示已过了1S，要做相关程序时间处理了。

主程序开始

继电器OFF，消除电铃标志

初始化变量

初始化定时器

LED闪动，表示程序开始执行

扫描显示器更新时间数

据，定时时间到

是否按K1、K2、

K3、K4键？

K1：设置现在的时间

K2：显示定时设置时间

K3：设置定时时间

K4：电铃ON/OFF

图 4－1

4. 2 子程序设计

主要控制子程序说明如下：

● T0_INT：定时器0计时中断程序每隔5ms中断一次；

● DELAY：延时子程序；

● DELAY1：控制七段显示器延时时间；

● LED_BL：工作LED闪动控制；

● SCAN1：七段显示器扫描一遍；

● LOAD_DATA：加载七段显示器显示数据“0”；

● INIT：初始化控制变量；

● INIT_TIMER：初始化定时器接口，使用定时器0模式0计时；

● TIME_PRO：更新时分秒数据；

● CONV1：将分及秒的数据转化为七段显示器显示数据并写入显示内存内；

● CONV：将时及分的数据转换为七段显示器显示数据并写入显示内存内；

● SET_TIME：设置现在的时间包括小时及分钟；

● TIME_OUT：过了1S后则更新时间并检查定时时间是否到了；

● LOOK_ATIME：查看已设置的定时时间；

● CONVA：转换定时时间时分数据为七段显示器显示数据并写入显示内存内；

● SET_ATIME：设置定时时间。

其中显示分四路，第一个和第二个数码管显示的是时，第三个和第四个数码管显示分。流程图如下：

子程序入口

设置SCON

读取数据

查表

送数显示

数据传送结束了吗

N Y

送下一串数据

子程序返回

图 4－2

5系统安装与调试

5．1 软件调试

采用模块化程序设计思想，首先调试子程序，然后逐级叠加调试。

5．2 系统调试

软硬件结合在一起，看是否能工作正常，由于在模块调试过程中，我们把软硬件所出现的错误都调整过来了，所以系统调试通过。

致谢

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，老师、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我最诚挚的谢意！在毕业设计的实践中，我学到很多有用的知识，也积累了不少宝贵的经验。首先感谢我的导师赵华，严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪,让我收益匪浅。其次要感谢我们这组的成员，在我的毕业论文写作中，与他们的探讨交流使我收获颇多；同时他们也给了我很多无私的帮助和支持，正因如此，大家都有着很强的团队合作精神，促使我们的设计顺利完成，真的感谢你们！还要感谢我的同学，在一旁指出作品的缺陷并帮我们更进一步的分析及解决，如果没有他们的帮助，我在毕业设计实践过程中会走很多弯路，有了他们给我的关心与支持，才是我不断前进的动力，在此表示我最深深的谢意。

参考文献

[1] 公茂法等编著，《单片机人际接口实力集》，北京，北京航空大学出版社，1998年

[2] 徐爱均编著，《智能化仪表原理与设计》，北京，北京航空大学出版社，1996年

[3] 胡汉才编著，《单片机原理及接口技术》，北京，清华大学出版社，1996年

[4] 李朝青编著，《单片机原理及其接口技术》，北京，北京航空大学出版社，1998年

[5] 先锋工作室编著，《单片机程序设计实例》，北京，清华大学出版社，2002年

[6] 张毅刚，彭喜元，孟升卫，刘兆庆编著，《MCS-51单片机使用子程序设计》，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2003年

[7] 陈明荧编著，《8051单片机课程设计实训教材》，北京，清华大学出版社，2003年