基于单片机的校园打铃系统设计_毕业设计说明书(论文)(编辑修改稿)

基于单片机的校园打铃系统设计_毕业设计说明书(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

每节课打铃 2次，再加上起床和熄灯的次数，打铃大约在 20次左右。 这样每个信息单元占 8个字 节，存储时均按照非压缩型 BCD 码存储，则需要存储空间大约在 160个字节左右，选用 256 字节的存储器就能够满足容量的要求，可以采用 ATMEL 公司的 24C02C。 根据硬件电路的设计可得 24C02C的 I2C 硬件地址为： 0A2H/0A3H。 （ 1）行数据（ SDA）引脚 串行数据引脚为双向引脚，用于把地址和数据输入 /输出期间。 该引脚为漏极开路。 因此， SDA 总线要求在该引脚与 VCC之间接入上拉电阻（通常频率为 100KHz时该电阻阻值为 10K，频率为 400KHz 和 1MHz时，阻值为 2K）。 对于正常的数据传输，只允许在 SCL 为低电平期间改变 SDA 电平。 而 SDA 电平在 SCL高电平期间若发生变化，表明起始和停止条件产生。 （ 2）写保护（ WP）引脚 该引脚必须连接到 VSS或者 VCC。 如果连接到 VSS，写操作使能。 如果连接到 VCC，写操作被禁止，但读操作不受影响 引脚采用 I2C总线连接方法，这种方法能够节约 I/O 输出端口。 它主要的特点有： （ 1）总线只有两根线，即串行时钟线和串行数据线，这在设计中大大简化了硬件接口； （ 2）每个连接到总线上的器件地址同时由芯片内部硬件电路和外部地址引脚决定，避免了片选线的线连接方 法，并建立简单的主从关系，主器件既可以作为发送器，又可作为接收器； （ 3）它是一个真正的多主总线，带有竞争监测和仲裁电路，多个主机可以任意发送而不破坏总线上的数据； （ 4）同步时钟可以作为停止或重新启动串行口发送的握手方式； （ 5）连接到同一总线的集成电路数量只受 400pF 最大总线电容的限制。 学校设定的系统时间和打铃时间存储在 24C02C 中。 24C02C 的三个地址端口 A0、 A 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 12页 共 34 页 A2 都接地，因而其存储地址为 A000HA6FFH，共 1KB的存储空间。 其中， WP是 24C02C的写保护控制引脚， WP为低电平时 ，串行存储器可以正常地读 /写； WP为高电平时，对串行存储器内部的数据进行写保护。 在系统掉电时不会丢失其中的内容，保证了设置的打铃时间不会因系统掉电而需要重新设置。 如图 36所示。 图 36 24C02C引脚连接图 键控模块 键盘是一组按键的组合，它是各种仪表中最常用的输入设备。 操作人员可通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。 在单片机应用系统中，有的是单个按键，有的是矩阵式的按键，即行列式按键。 按键是一种常开型按钮开关，常态时按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合。 根据本设计本的要求 ，我们选用独立式键盘实现整个功能。 独立式键盘介绍 图 37 独立式按键结构 独立式键盘的按键相互独立，每个按键占用一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 13页 共 34 页 工作状态不会影响其他按键的工作状态。 这种按键软件程序简单，但占用 I/O 口线较多（一根口线只能接一个键），适用于键盘应用数量较少的系统中。 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根 I/O 口线，因此，在按键较多时， I/O口线浪费较大，不宜采用。 独立式按键结构图如图 37 所示。 键盘接口及键位的功能介绍 按键功能介绍 ： 模式按键：它的主要功能就是选择时钟芯片里的年、月、日、时、分、秒，当按下模式这个键时，它从年到月依次往后的选中，这时按调节按钮就能从当前的时间往上调。 调节按键：它的主要功能就是想改变当前的系统时间首先要按模式键，选中要修改的时间，再按调节键就能控制当前系统时间递增。 存入按键：它的主要功能就是把系统不正确的时间修改后按下存入键，系统的时间就为按下那瞬间的时间。 清空按键：它的主要功能就是当学校要重新输入打铃时间的时候，就先按下清空键，再输入新的时间。 通过上述每个按键的功能介绍，实现对打铃系统的打铃时 间设置。 与单片机具体链接图，如图 38 所示。 图 38 键盘的接口连接 显示模块 在本系统中因为要显示年、月、日、星期、时、分、秒，如果用发光二极管不能具体的显示出来，所以采用了七段数码显示管来作为显示元件。 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 14页 共 34 页 数码管的组成及工作原理 数码管由 8 个发光二极管构成，可以用来显示数字、字符等它在家电及工业控制中有着很广泛的应用。 数码管实际上是由 7 个发光管组成“ 8”字形构成的，加上小数点就是 8 个。 这些段分别由字母 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp来表示。 数码管的引脚结构如图 39 所示，其中 COM引脚为公共端，用来控制数码管显示的打开或关闭，既起到“使能”作用。 当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样。 根据公共端接法方式的不同，数码管又分为共阴极和共阳极两种结构的二极管，分别如下： 共阳极就是将 8 个 LED 的阳极连接到一起组成公共端 COM，接到正极，当相应字段为低电平“ 0”时，可以点亮该字段；但相应字段为高电平“ 1”时，该字段不亮。 共阴极就是将 8 个 LED 的阴极连接到一起组成公共端 COM，接负极，当相应字段为高电平“ 1”时，可以点亮该字段；当相应字段为低电平“ 0”时，该字段不亮。 图 39 LED数码管引脚 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管。 共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到 +5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。 当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 数码管的显示 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段 码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 15页 共 34 页 图 310 数码管动态显示电路 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划“ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，我们只要将需要 显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。 在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1～ 2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 数码管动态显示连接，如图 310所示。 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 16页 共 34 页 第 4 章 整机原理 整机原理图 图 41 整机原理图 整机电路原理 电路中采用 I2C 总线的串行存储器 24C02C，在系统掉电时不会丢失其中的内容，保证了设置的打铃时间不会因系统掉电而需要重新设置。 24C02C 的三个地址端口 A0、 AA2 都接地，因而其存储地址为 A000HA6FFH，共 1KB的存储空间。 其中， WP是 24C02C的写保护控制引脚， WP为低电平时，串行存储器可以正常地读 /写； WP为高电平时，对串行存储器内部的数据进行写保护。 实时时钟芯片 DS1302 采用 3V 的电池作为后备电源，使 DS1302 内部的时钟不会因为系 统掉电而停止。 在系统正常供电时， DS1302 通过内部的涓 流充电电阻给后备电池充电，能保证系统电池的长时间工作。 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 17页 共 34 页 掉电情况下：由 BAT1 干电池通过 DS1302 的引脚 VCC1供电，系统时间不会因为没有电而停止工作，显示电路、键盘电路、存储电路、声音控制电路因为 AT89C51 没有电，所以停止工作。 来电时，数码管上显示的系统时间不会是停电时刻的时间，系统继续工作。 正常情况下：按键按钮通过 AT89C51 的 、 、 、 脚进行调节、存入、清空系统当前时间和打铃时间和模式选择。 当前系统时间在数码 管上显示系统时间和打铃时间，学校设置的打铃时间存储在外部存储器 24C02C 中。 DS1302 时钟芯片为单片机提供实时时间并与 24C02C中的打铃时间进行比较来控制 AT89C51的 、低电平。 如果当前系统与打铃时间不一致， AT89C51 中的 脚就输出高电平，三极管Q1 截止，继电器断开，电铃电路不导通。 如果当前系统时间与打铃时间一致， AT89C51中的 脚就输出低电平，三极管 Q1导通，继电器闭合，电铃电路导通打铃。 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 18页 共 34 页 第 5 章 软件设计 本系统中软件部分应承担日期时间显示、按键扫描、系统状 态设置、打铃时间判断等功能。 打铃系统流程图 打铃系统程序打铃是是调用存储器中存储的打铃时间，把闹铃值与计时值的时、分单元比较，看是否相等，如果不相等就不打铃，如果相等就启动闹铃，闹铃延时时间为12 秒。 程序流程图如图 51所示。 图 51 打铃系统流程图 读时间日期显示流程图 读时间日期显示程序是先对时间日期进行初始化，再对是显示年月日还是显示时分秒进行判断，并利用总线加以显示。 程序流程图如图 52所示。 闹钟值与计数值时，分单元相等。 开始 初始化 停闹、清除闹钟标志和 2 秒计时标志 启动闹钟标志置位 返回 闹钟计时 12 秒。 Y Y N 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 19页 共 34 页 图 52 读时间日期显示流程图 LED 显示流程图 显示子程序采用动态扫描法实现三位数码管的数值显示。 测量数据在显示时需转换成 10 进制 BCD码放在 24C02C 存储器 中 ，再转换成十进制进过总线输出，经由单片机控制 LED 显示。 程序流程图如图 53 所示。 图 53 LED显示的流程图 显示时、分、秒、星期 开始 返回 开始 显示年、月、日 开始 赋初值 开始 TimeToDisplay 开始 if(yh || mode_N3) YN N N Y 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 20页 共 34 页 主程序流程图 主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得键值，并根据当前系统状态调用相应的子程序。 这里有五个基本的子程序供调用，分别对应系统的各种功能状态。 分别是打铃时间设置 子程序、当前时间显示子程序、键盘模块子程序、打铃校准子程序等。 程序流程图如图 54 所示。 图 54 控制模块的流程图 Main( ) 赋初值年、月、日、时、分、秒、星期 While(1) 模式键 ? 调节键 ? 校正 LED 显示模式 主循环计数 打铃点设置 打铃 返回 N Y N Y 四川信息职业技术学院毕业设计说 明书 (论文 ) 第 21页 共 34 页 第 6 章 仿真和调试 下面用 keil 与 porteus 仿真软件实现校园打铃的仿真与调试。 调试软件的介绍 Keil软件是目前最流行开发 MCS51系列单片机的软件， Keil提供了包括 C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（ uVision）将这些部份组合在一起。 Keil C51 181。 Vision2 集成开发环境是 Keil Software， Inc/Keil Elektronik GmbH开发的基于 80C51 内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程尤其是 C 编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。 Proteus 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它不仅能仿真单片机 CPU的工作情况，也能仿真单 片机外围电路或没。