51单片机数字时钟控制红外报警器

PROTEUS设计大赛报告学院机械与电子工程学院

专业应用电子技术

班级：09应电01

姓名：江浩荣董振耀

设计时间：2011-05-26

目录

目录

摘要： (1)

1.1发展现状 (1)

1.2选题意义 (1)

1.3本文的主要研究内 (2)

2 AT89C51单片机的结构 (2)

2.1定时/计数器 (2)

3电路的硬件设计 (4)

3.1电路原理图 (5)

3.2复位电路 (5)

3.3时钟电路 (6)

3.4按键电路 (7)

3.5数码管显示电路 (8)

3.6报警电路 (9)

3.7红外电路 (9)

4电路的软件设计 (10)

4.1软件总体流程图 (11)

4.2延时程序说明 (13)

4.3按键扫描程序说明 (13)

4.4定时程序设计说明 (13)

4.4总程序清单及说明 (14)

5系统仿真结果 (18)

6 结束语 (19)

II

51单片机数字时钟控制红外报警器

摘要：

本文介绍了一种基于AT89C51单片机的数字时钟控制红外报警器，由单片机和外围器件组成，具有操作简单，显示明了，功能强大的特点。它利用数字时钟的定时功能，在规定的时间段，启动报警系统。此外，根据单片机引脚丰富的特性，添加了五个按键，更加发挥了单片机的控制功能。

本设计采用了Proteus软件仿真，很大的满足了教学的要求。通过本设计，可以初步掌握单片机结构和C程序基础。同时本系统可以加强单片机应用系统综合能力的训练、培养同学们分析和解决问题的能力、对同学们的招聘以及参加工作均有帮助。

一、设计目的

1.1发展现状

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。从航天航空、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织到机电一体化设备、邮电通信、日用设备和器械等，单片机都发挥了巨大作用。

单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域[1,2]。

本文讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。

1.2选题意义

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

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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，随着单片机性价比的不断提高，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，生活水平的不断提高，家里的财产越来越重要，还有些商店的物品越来越贵重，人身安全的意识越来越强，家用防盗设备逐渐增多，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，设计了一个单片机数字时钟控制红外报警系统，它既可以使人的安全和财产都有保障，同时又可以当时钟，还可以校准、任意设置时间。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，为家庭智能化提供了方便。

1.3该设计的主要研究内容

该设计分为6部分，主要研究以下内容：

(1) 单片机绪论，主要研究了单片机的发展现状及本论文的选题意义。

(2) 单片机的结构，分析了单片机的主要构造部件及其特性。

(3) 数字时钟控制红外报警器的硬件电路设计，包括复位、按键、显示电路、

报警电路、红外发射电路、红外接收电路等。

(4) 数字时钟控制红外报警器的软件设计，包含对各个子程序的说明及总体

程序清单。

(5) 仿真软件PROTEUS简介及仿真结果。

(6) 结束语，主要总结自己完成的工作。

二、AT89C51单片机的结构

2.1定时/计数器

AT89C51单片机内部有两个16位的可编程定时/计数器，称为T0（T0）和T1（T1）。

2.2.1定时/计数器原理

加1计数器输入的计数脉冲有两个来源,一个是由系统的时钟振荡器输出脉冲经12分频后送来；一个是T0或T1引脚输入的外部脉冲源。每来一个脉冲计

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数器加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满，可见，由溢出时计数器的值减去计数初值才是加1计数器的计数值[4]。

2.2.2 定时/计数器的控制

1、工作方式寄存器TMOD

工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式如下：

图 2.1 TMOD各位定义

GATE：门控位。GATE＝0时，只要用软件使TCON中的TR0或TR1为1，就可以启动定时/计数器工作；GATA＝1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。即此时定时器的启动条件，加上了或引脚为高电平这一条件。C/T :定时/计数模式选择位。C/T ＝0为定时模式；C/T =1为计数模式。

M1M0：工作方式设置位。定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。

图2.2定时/计数器方式设置图

2、控制寄存器TCON

TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。其格式如下：

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图2.3 TCON各位定义

TF1（TCON.7）：T1溢出中断请求标志位。T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。所以，TF1可用作查询测试的标志。

TR1（TCON.6）：T1运行控制位。TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。TR1由软件置1或清0。

TF0，TR0其功能与TF1，TR1类同。

2.2.3定时/计数器的工作方式

定时/计数器工作方式有四种：方式0、方式1、方式2和方式3。

方式0：13位定时器，方式1：16位定时器。

方式2：能重复置初始值的8位定时器。TL0和TH0必须赋相同的值。

方式3：只适用于定时器0，T0被拆成两个独立的8位定时器TL0,TH0。

由于这几种方式原理基本相同，本设计采用了方式0，现仅以方式0作介绍。

(1)方式0

方式0是一个13位定时计数器，最大计数值是M=8192。当M1M0=00时,T0工作在方式0,16位回法计数器（TH0和TL0）只用了13位，其中TH0占高八位，TL0占低5位，当TL0低5位溢出时自动向TH0进位，而TH0溢出是向中断位TF0进位，并申请中断。

其逻辑结构如图2.4所示。

(2)定时器的初始值的计算

对于不同的工作方式，计数器位数不同，故最大计数值M也不同：

方式0：M=213=8192 方式1：M=216=65536方式2：M=28=256 方式3：定时器0分为2个8位计数器，每个M均为256。

因为定时/计数器是作加1计数，并在计满溢出时产生中断，因此初值X的计算如下：X = （M –计数值）计算出来的结果X转换为16进制数后分别写入TL0（TL1）、TH0（TH1）。需要注意的是，方式0时初始值写入时，对于TL 不用的高3位应填入0[6,7,8]。

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三、电路的硬件设计

本设计的硬件电路较为简单，主要包括单片机最小系统电路、红外发射和接收电路、数码管显示电路、按键扫描电路等等。

3.1电路原理图

如图3.1电路原理图

硬件结构运用单片机最小系统，采用P0口作为段选，P1口作为报警器的显示，P2口作为位选，P3口作为按键输入口，八位共阳极数码管用于显示时钟的数值，用到HS0038来做红外接收器。通过按键实现调时调分调秒，随意设定当前时间。

图3.1电路原理图

3.2复位电路

AT89C51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周

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期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

上电复位：上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。如3.2复位电路。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位[10]。

图3.2复位电路图3.3时钟电路

3.3时钟电路

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式，如图3.3时钟电路。

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器[11]。

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3.4按键扫描电路

按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O 口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响，如下图3.4按键电路。

P3.1口表示功能停止报警键，只要在报警的途中按一下，报警就马上终止。

P3.3口表示功能调秒键，每按一次该键，秒位加1，加到60后，又回到0。

P3.4口表示功能调分键，每按一次该键，分位加1，加到60后，又回到0。

P3.5口表示功能调时键，每按一次该键，时位加1，加到24后，又回到0。

图3.4按键电路

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3.5数码管显示电路

数码管是由8个发光二极管构成的器件。在数码管中，若将二极管的阳极连在一起，称为共阳数码管；若将二极管的阴极连在一起，称为共阴数码管。本文用到的8个数码管均是共阳的。当发光二极管导通时，它就会发光。每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。将单片机的I/O 口控制相应的芯片与数码管的a-g相连，低电平的位对应的发光二极管亮，这样，由I/O口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字符。本文的8个数码管均采用动态显示，显示当前的时间。P2口是片选信号，即控制动态显示的是哪一位数码管。在片选信号和段选信号的控制下，数码管就正确的动态显示当前的时间。如下图3.6

图3.6数码管显示电路

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3.6报警电路

报警电路只要体现在发光二极管和蜂鸣器，报警电路的工作时间定在晚上的八点到早上的八点，在这个时间段当红外接收电路工作时，报警系统就会启动，发光二极管和蜂鸣器就会工作十秒的时间，十秒后就会自动关闭，等待下次一触发。如果是误报警的话，可以通过按键停止报警。如下图3.6

. 图3.6 报警电路

3.7红外电路

红外电路只要有红外发射管和红外接收器，首先通过红外发射管发射出红外线，再由红外接收信号，如果有人使这条红外线断了，那么红外接收器就会发出信号，通过三极管发大信号，最后通过74LS04非电路给个低电平单片机P3.0.。如下图3.7(红外接收电路) 如下图3.71（红外发射电路）

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图3.7红外接收电路

图3.71红外发射

四、电路的软件设计

软件包括主程序、中断程序、时钟显示程序、按键程序和红外报警程序等，充分运用了C语言的判断、循环、顺序语句。体现了C语言的灵活性，易移植

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的特点。

4.1软件总体流程图

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图4.1 总程序流程图

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图4.2 中断程序流程图

4.2延时程序说明

void delay(unsigned char i) //程序内部延时

{

unsigned char j,k;

for(k=0;k

for(j=0;j<255;j++);

}

该延时函数主要用于按键消抖用的10MS的短延时。

4.3按键扫描程序说明

（1）P3口作为按键输入，首先将P3口置高电平，即P1=0XFF。

（2）P3.1如果在报警的情况下为0的话，报警系统就会停止。

（3）判断P3.3是否为0，如果为0的话，调用延时函数，延时10MS消抖，再次判断P3.3是否为0，如果还为0，证明按键的确按下，进入按键处理程序。

（4）在按键处理程序中，每按一次，秒为加1，如果加到60，则返回为0，继续进行处理。

（5）P3.4与P3.5按键情况与P3.3处理情况类似。

4.4定时程序设计说明

单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。如果AT89C51采用的12MHz晶体，则计数频率为1MHz，即每过1us的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。AT89C51单片机的定时器/计数器具有4种工作方式，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和4种工作方式[13]。

定时器/计数器工作在方式2时，为8位的计数器，可以自动重装初值，更方便程序书写。开始初值存放在TH0中，初值寄存器TH1保持初值不变，当TH0加到256时，计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX，进入中段函数，标志位硬件自动清0.此时TH1将初值加载到TH0中，又开始下一次的计数。

定时器0于方式2设置步骤：

（1）设置TMOD值，用于设定定时器0于方式0

（2）装载初值TH0和TH1

（3）TR0=1;//开定时器0

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（4）ET0=1;//开定时器0中断

（5）EA=1;//开总中断

4.4总程序清单及说明

#include//头文件

unsigned int h,a,b,c,d;//定义需要的变量

unsigned char duanma[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8 ,0x80,0x90,0xbf};//显示数码管的数字

unsigned int weixin[]={0,0,10,0,0,10,0,0};//开始显示的数值

unsigned char weima[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80} ;//显示数码管的位选

unsigned char miao,fen,shi,s;//定义需要的变量

sbit P3_0=P3^0;

sbit P3_1=P3^1;

sbit P3_3=P3^3;

sbit P3_4=P3^4;

sbit P3_5=P3^5;

void delay(unsigned char i) //程序内部延时

{

unsigned char j,k;

for(k=0;k

for(j=0;j<255;j++);

}

///////////////////////////////////////////////// //////////

void timer0(void) interrupt 1

{

if(a==1)

{

b++;

if(b==5000)

{

b=0;

P1=0x01;

a=0;

}

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}

P2=weima[s];//选通某位

P0=duanma[weixin[s]];//选通某位的数值

s++;

if(s==8)//用于循环选通某一位

s=0;

TH0=0xc1;

TL0=0x11;

h++;

if(h==500)

{

h=0;

miao++;

if(miao==60)

{

miao=0;

fen++;

if(fen==60)

{

fen=0;

shi++;

if(c==1)

{

d++;

if(d==12)

{

d=0;

c=0;

}

}

if(shi==24)

shi=0;

}

}

weixin[7]=miao%10;//用于显示秒的第一位weixin[6]=miao/10;//用于显示秒的第二位

weixin[4]=fen%10;//用于显示分的第一位

weixin[3]=fen/10;//用于显示分的第二位

weixin[1]=shi%10;//用于显示时的第一位

weixin[0]=shi/10;//用于显示时的第二位

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}

}

////////////////////////////////////////

void main() //主函数

{

P3=0xff;//初始化端口为高电平

P1=0x01;

TMOD=0x00;

TH0=0xc1;//初值

TL0=0x11;//初值寄存器

TR0=1;//开定时器0

EA=1;//开总中断

ET0=1;//开定时器0中断

while(1)//按键扫描函数

{

if(P3_3==0)

{

delay(10);//消抖

if(P3_3==0)

{

miao++;

if(miao==60)

{

miao=0;

}

weixin[7]=miao%10;

weixin[6]=miao/10;

while(P3_3==0)

; //等待按键弹起

}

}

if(P3_4==0)

{

delay(10);//消抖

if(P3_4==0)

{

fen++;

if(fen==60)

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{

fen=0;

}

weixin[4]=fen%10;

weixin[3]=fen/10;

while(P3_4==0)

; //等待按键弹起

}

}

if(P3_5==0)

{

delay(10);//消抖

if(P3_5==0)

{

shi++;

if(c==1)

{

d++;

if(d==12)

{

d=0;

c=0;

}

}

if(shi==24)

{

shi=0;

}

weixin[1]=shi%10;

weixin[0]=shi/10;

while(P3_5==0)

; //等待按键弹起

}

}

if(shi==20)//定时八点

{

c=1;

}

if(P3_0==0&&c)//启动报警 {

P1=0xfe;

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a=1;

}

if(P3_1==0)//按键停止报警 {

P1=0x01;

a=0;

b=0;

}

}

}

五、系统仿真结果

如图5.1仿真结果图

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