单片机课程设计报告管琴华

湖南工程学院

课程设计

课程名称单片机原理及应用

课题名称单片机作息时间控制器

专业自动化

班级0 9 0 4

学号200901020434

姓名管琴华

指导教师王迎旭李晓秀林国汉

2012年6 月28日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称单片机原理及应用

课题单片机作息时间控制器

专业班级自动化0904

学生姓名管琴华

学号200901020434

指导老师王迎旭

审批

任务书下达日期2012年6月18日任务完成日期2012年6月27日

设计内容与设计要求

设计内容：

本课题要求以单片机为核心，设计一个具有定时和计数功能的智能化作息时间控制器。该控制器要求有以下功能：

1、按作息时间接通/断开电铃；

2、课间接通/断开播放音乐设备；

3、时钟显示。

设计要求：

1）确定系统设计方案；

2）进行系统的硬件设计；

3）完成必要的参数计算与元器件选择；

4）完成应用程序设计；

*5）进行部分单元电路几应用程序的调试；

主要设计条件

作息时间控制器常用于学校教学楼的时间控制，利用单片机内部定时器实现时间基准定时，并配合“启动”、“复位”等按键的操作完成铃声、音乐的开/停控制，显示的内容要求有时、分、秒各两位。

说明书格式

1.课程设计任务书

2.目录

3.系统总体方案选择与说明

4.系统结构框图与工作原理

5.各单元硬件设计说明及计算方法

6.软件设计与说明（包括流程图）

7.调试结果与必要的调试说明

8.使用说明

9.程序清单

10、总结

11、参考文献

附录

附录A 系统原理图

附录B 程序清单

评分表

进度安排

设计时间两周

第一周：

星期一讲课，布置课题任务，借阅有关资料；

星期二上午：讲课及课题介绍；

下午：分组进行总体方案讨论，初步确定设计方案；星期三上午：方案论证与检查；

下午：分组进行总体设计，硬、软件功能分配；

星期四硬、软件流程设计与计算；

星期五小系统焊接与调试；

第二周：

星期一分单元调试调试；

星期二写说明书初稿；

星期三检查设计情况，修改说明书；

星期四整理资料，准备答辩；

星期五交设计资料，答辩。

参考文献

参考文献

[1]张迎新.单片微型计算机原理应用及接口技术.[北京]国防工业出版社.2009年

[2]房小翠.单片机实用系统设计技术. [北京]：国防工业出版社.2007年

[3]何立民.单片机应用系统设计.[北京]：北航出版社.2007年

[4]王迎旭.单片机原理及及应用.[北京]：机械工业出版社.2012年

前言

随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出了很强的生命力。进入21世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。因其功耗低、超高型，低成本，功能完整，在国内越来越受到用户的重视和广泛使用。

科技的进步需要技术不断的提高。一块大而复杂的模拟电路的设计需要花费巨大的精力，繁多的元器件增加了系统设计的成本，而基于单片机的作息时间控制器，减少了元器件的数量，减少了硬件设计的繁琐。对系统的设计有着更多的便利之处。

简单的单片机系统为学校和企业的学习工作提供了重多便宜，这也是它能得到广泛应用的一个原因。

关键词：单片机模拟电路作息时间

目录

第 1 章概述 (1)

1.1课题任务简介 (1)

1.2课题设计的目的及意义 (1)

第 2 章课题方案设计 (2)

2.1课题方案设计 (2)

第 3 章硬件设计 (3)

3.1单片机芯片选择 (3)

3.2电源电路 (4)

3.3时钟电路 (4)

3.4复位电路 (4)

3.5蜂鸣器输出电路 (5)

3.6继电器输出电路 (5)

3.7按键输入电路 (5)

3.8LED数码驱动显示电路 (6)

3.9总电路原理图 (6)

第 4 章软件设计 (7)

4.1主程序的设计 (7)

4.2显示程序的设计 (9)

4.3计时程序的设计 (10)

4.4辅助子程序的设计 (12)

第 5 章系统调试 (14)

5.1调试准备 (14)

5.2调试结果 (14)

5.2.1软件仿真显示 (14)

5.2.2硬件显示 (15)

5.3调试故障及分析 (16)

第 6 章总结 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

第 1 章概述

1.1 课题任务简介

以单片机为核心，设计一个具有定时和计数功能的智能化作息时间控制器。该控制器要求有以下功能：

（1）使用4位七段显示器来显示现在的时间，显示格式为“时分”，时和分中间的小数点闪动做秒计数。

（2）通过按键能够进行时间校准。

（3）作息时间已到，发出指令控制电铃开、关操作。

（4）上电初始时间为00：00，然后通过按键设置当前时间。

1.2 课题设计的目的及意义

应用STC90C52RC为核心控制器件的作息时间控制器，由键盘、声音输出模块、电源转换模块和存储模块四部分组成。它利用STC90C52RC 的定时/计数器来计算时间，并用存储器记录数据，保证了系统的可靠性。STC90C52RC单片机是整个设计的核心控制器件，根据从键盘接受的数据控制整个系统的工作流程，整体性好，人性化强、可靠性高。

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，可对一些以24小时为周期的开关量进行自动控制。如上下课打铃及扩音设备的开与关。设有四位数码管、可以实时显示时间、系统还设有输入键盘，用以修改实时时钟，体现了系统简单、工作稳定可靠、价廉、控制时间精确及系统体积小等优点。

第 2 章 课题方案设计

2.1 课题方案设计

根据系统功能要求，拟定系统硬件电路结构由单片机、电源电路、时钟电路、复位电路、按键输入电路、扬声器电路和LED 数码管驱动显示电路。其结构框图如下图1-1所示。

图2-1 结构框图

作息时间控制器系统使用4位七段显示器来显示现在的时间，显示格式为“时分”，由LED 小数点闪动作为秒计数表示。可以使用按键输入电路设定作息时间。能够根据预先设定好的作息时间表自动启停蜂鸣器电路，完成对外部设备的实时控制。

由按键输入控制设置年月日以及当前时间、并可设置闹钟定时，时间到由蜂鸣器发出响声并作出相应动作：二极管闪亮，同时播放音乐。

单

片

机

电源电路

时钟电路

复位电路

蜂铃器输出电路

按键输入电路 LED 数码驱动显示电路

图3-1 STC90C52RC 芯片

第 3 章 硬件设计

在作息时间控制器中，硬件设计主要是完成单片机芯片型号的选择，电源电路、时钟电路和复位电路、蜂鸣器输出电路、按键输入电路和LED 数码驱动显示电路的设计。下面对其进行详细的说明。

3.1 单片机芯片选择

这里选择STC90C52RC 单片机芯片，它具有超强的抗干扰和抗静电能力、成本低、超低功耗、更强的复位效果等优点。芯片引脚如下图2-1所示，引脚功能分为三大类。

① 电源与时钟引脚：Vcc 、GND 、XTAL1、XTAL2。

② 编程控制引脚：RST 、PSEN 、ALE/PROG 、EA/Vpp 。

③ I/O 接口引脚：P0、P1、P2和P3，4组8位I/O 接口。

设计中用到的芯片引脚和对应的输出功能见表3-1所示。

引脚 功能 Vcc Vss 提供电源 RST 系统复位 P0.0-P0.7 显示段码输出

P2.0-P2.7 位码（高四位）输出和键盘输入（低四位）

P3.7

蜂鸣器

表3-1 引脚功能对照表

3.2 电源电路

电源电路任何一个电子系统都需要供电电路，即电源，单片机也不例外。一个优质的电源是单片机系统正常工作与稳定的根本条件。单片机的供电电源可以是开关电源、线性电源、常用的电源转换芯片和USB电源等。无论哪一种电源设计都要严格考虑它的各项指标。在这里选择的是可调直流电源适配器，输出电压正负极性可转换，适用范围广泛。相关的电路设计如图2-2所示。

图3-2 电源电路

由开关按钮、整流桥、滤波电路和二次整流及滤波电路组成。

3.3 时钟电路

STC90C52RC芯片各功能部件的运

行是以时钟控制信号为基准的。时钟电

路的质量也直接影响单片机系统的稳定

性。常用的时钟电路设计有内部时钟方

式和外部时钟方式这里采用内部时钟方

式，如图3-3所示。

图3-3 时钟电路

3.4 复位电路

只需要给RST引脚连续输入2个机器周期以上高电平，就可以完成单片机的初始化操作。复位后，程序计数器PC为0000H，将从程序存储器的0000H单元开始读取程序的第一条指令码。如图3-4所示。

图3-4 复位电路图3-5蜂鸣器输出电路

3.5 蜂鸣器输出电路

将单片机P3.7口上接入蜂鸣器其间需要放大电路才可驱动蜂鸣器发声。放大电路主要利用具有放大特性的电子元器件：晶体三极管，三极管加上工作电压后，输入端的微小电流变化可以引起输出端较大电流的变化，输出端的变化要比输入端的变化大几倍到几百倍。其电路图如图3-5所示。

3.6 继电器输出电路

继电器工作电流比较大，所以要用个三

极管来驱动，它就是一个小功率开关，单片

机引脚输出低电平。当输入为0V时，三极

管饱和，从而使继电器线圈有电流流过，继

电器吸合；相反，当输入为+VCC时，三极

管截止，继电器释放。主要是模拟蜂铃器输

出电路，用继电器及驱动来输出外部驱动喇

叭发出声音。电路见图3-6所示。

图3-6 继电器输出电路

3.7 按键输入电路

按键输入电路主要实现对时间

的设定，采用4个独立按键，K1键

是实现设定小时和分钟设定的模式

切换，K2键是对小时或者分钟进行

加1，K3是对小时或者分钟进行减1，

K4是对前三个的设置进行退出。设

计如图3-6所示。

图3-6 按键输入电路

3.8 LED数码驱动显示电路

本设计中采用的是共阳极数码管，数码管由段码和位码组成，由反相器组成驱动电路实现时分的显示功能。a b c d e f g dp 为段码分别接入单片机的P0 I/O口，位码W1、W2、W3和W4分别经驱动后接入P2.4、P2.5、P2.6、P2.7。其电路设计如图3-7所示。

图3-7 LED数码驱动显示电路

3.9 总电路原理图

除上述分电路还包含继电器电路、指示灯电路等辅助电路，其原理图见附录总图纸DPJ-A所示。

第 4 章软件设计

整个作息时间控制器的软件设计主要是利用KEIL软件C编程，因为汇编语言的移植性比较差，相比较而言C比较灵活。利用单片机的定时中断进行计时，通过按键扫描来设置当前时间。主要包含这些程序段，分别是主程序、显示子程序和计时子程序，此外还包含几个用于子程序或者主程序的子程序分别是初始化子程序、延时子程序和时间显示辅助程序。以及程序中包含的头文件和宏定义构成了整个程序的设计。下面对各个程序的流程图、功能和程序编写进行说明。整个程序参见附录A。

4.1 主程序的设计

主程序中主要的作用是调用初始化子程序，按键扫描和调用显示子程序。程序见附录A中void main(void)部分的编写，其流程图如下图4-1所示。

按键扫描部分

（1）Key=1表示选中第1个按键，进行模式设置，小时的设置和分钟的设置，key=1按键的次数进行计数存入X1，当X1=1进入小时的设置，当X1=2进入分的设置。当X1=3则回到初始状态，因为按键不可能无期限的按下去，只有当按键次数赋予了一定的任务时，才会继续按下去。

（2）Key=2表示选中第2个按键，此时在key=1的次数等于1进行小时加1调整设置，key=1的次数等于2进行分钟的加1调整设置。小时的范围0-23，分钟的范围为0-59。

（3）Key=3表示选中第3个按键，此时以选择第一个按键为前提，分别按一下和按两下来进行小时和分钟的减1设置调整，其调整的范围和（2）中一样。

（4）Key=4表示选中第一个按键，当执行按键1、按键2或者按键3的功能时，均可退出回到初始状态。

闹铃部分

通过设置相应的时间点，然后对闹铃标志位be置1或者置0的选择来确定是否闹铃。这里就上午的打铃情况进行将简单的说明，当8点钟的时间点到了，第一节课准备开始上课，此时铃声响起30S，当8:45的时间点到了，开始下课，此时铃声响起30S，以此完成打铃，以此类推。程序编写，列举一个例子进行说明。

if(h==8)

{

if(m==0||m==45||m==55)

{

if(sec<30)be=T;else be=F;

}

}

其余部分由上面程序类推。

下面是学校的作息时间表4-1的时间点的分布情况，根据次列表情况来进行闹铃设置。

名称时间段名称时间段

第一节课8：00-8：45 第一节课间8：45-8：55 第二节课8：55-9：40 第二节课间9：40-10：10 第三节课10：10-10：55 第三节课间10：55-11：05 第四节课11：05-11：50 午餐时间11：50-14：30 第五节课14：30-15：15 第五节课间15：15-15：25 第六节课15：25-16：10 第六节课间16：10-16：40 第七节课16：40-17：25 第七节课间17：25-17：35 第八节课17：35-18：20 晚餐时间18：20-19：30 晚自习19：30-21：30

表4-1 作息时间

开始

键值key的初始化

以及调用初始化子程序

按键扫描，判断键值

若key==1则X1加1，X1=0

常态，X1=1可设置时，X1=2

设置分，X=3就返回初始值

Key==2时或者分加1，

key==3 小时或者分减1

调用显示子程序

置蜂鸣器初始状态be为0状态

N

判断是否为响

铃时间

Y

Be置1，响铃

图4-1 主程序流程图

4.2 显示程序的设计

P2=0x7f，则选中小时的十位数码管，即W1，然后送段码给P0口，显示相应的数字。其中有一个条件，当设置时间小时有效，即X1==1和计数大于10时便返回，每一个数码管可以显示0-9十个数字，然后调用延时即可。P2=0xbf，则选中小时的个位数码管，即W2，P2=0xdf，则选

中分的十位数码管，即W3，P2=0xef ，则选中分的个位数码管,，即W4。

程序见程序见附录A 中void time0(void) interrupt 1部分的编写。其流程图如图4-2所示。

图4-2 显示流程图

4.3 计时程序的设计

首先运用定时扩展的方法构成最小单位的定时，在定时/计数器T0方式1下定时50ms ，计数20次构成1s 为单位的数值。当1s 计数次数sec==60时条件成立便构成1min ，当1min 计数次数m==60成立构成了1hour ，当1hour 计数次数h==24条件成立构成了一天，然后返回。

程序见void time0(void) interrupt 1部分的编写。 其流程图如图4-3所示。

送位选数码管

显示数值

若为设置状态则秒数大于0.5S 时关闭位选（不显示来实现闪烁）

N=2时cnt<10（秒小于

0.5秒）显示小数点

调用延时，不是第四位数码管时N++显示下一位

开始

N

N

Y

Y

Y

Y

N

N

N

Y

定时器定时0.05S

cnt++

cnt==20？是否为1S

cnt 清0，Sec++

sec==60？是否为1m

sec 清0，m++

m==60？是否为1h ？

m 清0，h++

m==60？是否为1h ？

m 清0，h++

H=24？是否为1天？

h==0，中断返回 图4-3 计时流程图

开始

4.4 辅助子程序的设计

此部分包含数码管显示辅助子程序、初始化子程序、按键扫描辅助函数和延时子程序。

（1）数码管显示子程序主要是把小时分解到千位和百位，分钟分解到十位和各位。

程序见void bianhuan1（void）部分的编写。

在段码的编写上，有这和书本不一样之处，由于硬件并不是按照a b c d e f dp顺序接线的，所以相应的段码也会不同。对应的端口号、数字和段码见表4-2所示。

e d dp c g b

f a

数字段码P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0

0 0 1 0 1 0 0 0 0 28H

1 1 1 0 1 0 1 1 1 EBH

0 0 1 1 0 0 1 0 2 32H

1 0 1 0 0 0 1 0 3 A2H 1 1 1 0 0 0 0 1 4 E1H 1 0 1 0 0 1 0 0 5 A4H

0 0 1 0 0 1 0 0 6 24H

1 1 1 0 1 0 1 0 7 EAH

0 0 1 0 0 0 0 0 8 20H

1 0 1 0 0 0 0 0 9 A0H

表4-2 段码

（2）初始化子程序中主要是设置定时计数器T0定时下的工作方式1，即TMOD=0x01，计数初值为（65536—50000）=15536，化成十六进制为3cb0，所以TH0=0x3c，TL0=0xb0，此外还要启动定时器T0，即TR0=1，