单片机控制的简易定时报警器电路设计

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设计一个单片机控制的简易定时报警器。要求根据设定的初始值（1-59秒）进行倒计时，当计时到0时数码管闪烁“00”（以1Hz闪烁），按键功能如下：（1）设定键：在倒计时模式时，按下此键后停止倒计时，进入设置状态；如果已经处于设置状态则此键无效。（2）增一键：在设置状态时，每按一次递增键，初始值的数字增1。（3）递一键：在设置状态时，每按一次递减键，初始值的数字减1。（4）确认键：在设置状态时，按下此键后，单片机按照新的初始值进行倒计时及显示倒计时的数字。如果已经处于计时状态则此键无效。3.1.2 模块1:系统设计（1）任务分析与整体设计思路根据题目的要求，需要实现如下几个方面的功能。计时功能：要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。然后，当计时每到1秒钟后，倒计时的计数器减1。当倒计时计数器到0时，触发另一个标志变量，进入闪烁状态。显示功能：显示倒计时的数字要采用动态扫描的方式将数字拆成“十位”和“个位”动态扫描显示。如果处于闪烁状态，则可以不需要动态扫描显示，只需要控制共阴极数码管的位控线，实现数码管的灭和亮。键盘扫描和运行模式的切换：主程序在初始化一些变量和寄存器之后，需要不断循环地读取键盘的状态和动态扫描数码管显示相应的数字。根据键盘的按键值实现设置状态、计时状态的切换。   （2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图选用MCS-51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。由于键盘数量不多，选择独立式按键与P1口连接作为四个按键输入。没有键按下时P1.0-P1.3为高电平，当有键按下时，P1.0-P1.3相应管脚为低电平。电路原理图如图3-1所示。


图3-1 定时报警器电路原理图（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程 ①单片机资源分配采用单片机的P3口作为按键的输入，使用独立式按键与P3.0-P3.3连接，构成四个功能按键。在计时功能中，需要三个变量分别暂存定时器溢出的次数（T1_cnt）、倒计时的初始值（init_val）以及当前倒计时的秒数（cnt_val）。按键扫描功能中，需要两个变量，一个变量（key_val_new）用来存储当前扫描的键值（若无按键按下则为255），另一个变量（key_val_old）用来存储上一次扫描的键值。只有这两个变量值不一样时，才能说明是一次新的按键按下或弹起了，同时将新的键值赋给key_val_old变量。在显示功能中，需要定义一组数组（code类型），值为0-9数字对应的数码管7段码。还需要定义一个变量(show_val)暂存要显示的数据，用于动态扫描显示中。在整个程序中，定义了一个状态变量（state_val）用来存储当前单片机工作在哪种状态。②程序设计思路鉴于题目要求，存在三种工作模式：初始值设置模式、倒计时模式、计时到0时的闪烁模式。变量state_val为0时，处于倒计时模式。变量state_val为1时，处于初始值设置模式。变量state_val为2时，处于闪烁模式。这些状态的切换取决于按下哪一个键以及是否计时到0。状态的切换图如图3-2


图3-2 状态的切换单片机复位之后，默认处于倒计时模式，启动定时器，定时器每隔250us溢出一次，根据定时器溢出次数来计时，到1秒时将时间的计数器减1。当“设置键”按下时，变量state_val由0变为1，切换到设置模式。可以使用“递增键”“递减键”对计时初始值进行修改。按下“确认键”时，回到计时模式开始以新的初始值进行倒计时。当倒计时到0时，变量state_val由1变为2，处于闪烁状态，在这种状态下，根据按键的情况分别又切换到计时和设置状态。③程序流程主程序首先需要初始化定时器的参数和一些变量，然后进入一个循环结构，在循环中始终只做两件事，一是键盘的扫描，二是数码管的动态扫描。在扫描键盘后，根据前一次按键的结果是否与本次键值相同。如果不同，表示有键按下或弹起，同时用本次按键值更新上一次的按键值。这样设计旨在避免一个按键长时间按下时被重复判为有新键按下，使得当前按下的键只有松开后，下一次按下时才算为一次新的按键。根据按键的值分别改变变量（state_val）的值或者在设置状态时的倒计时初始值。完整的主程序图如图3-3所示。


图3-3 主程序的流程图    在定时器的参数中，选择定时器T1的8位自动装载模式，每250us产生一次溢出中断，中断服务程序如图3-4所示。


中断服务程序流程图
（4）软硬件调试方案     软件调试方案：伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。 在 “项目\编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P3.0-P3.3分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行MCU下载程序，选择相应的flash 数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.1.3 程序设计（仅供参考的C语言源程序）//晶振：11.0592M  T1-250微秒 按键P10 P11 P12 P13/*变量的定义:  show_val:     显示的值0-59  init_val:     初始值  state_val:    状态值 0-计数状态;1-设置状态;2-闪烁状态  shan_val:  key_val1:     四个按键的值 255-无键;1-设置键  2-增一键  3-减一键  4-确定键  T1_cnt:       定时器计数溢出数  cnt_val:      倒计时的数值  led_seg_code：数码管7段码*/#include "reg51.h"     //包含文件sbit     P1_0=P1^0;    //设置键sbit     P1_1=P1^1;    //增一键sbit     P1_2=P1^2;    //减一键sbit     P1_3=P1^3;    //确定键unsigned char data shan_val;  //闪烁时LED的开/关状态unsigned char data cnt_val;   //保存倒计数的当前值unsigned int  data T1_cnt;    //保存定时器溢出次数unsigned char data key_val_new,key_val_old;//存放当前扫描的键和前一次按下的键值unsigned char data state_val; //状态值unsigned char data show_val;  //存放需要在数码管显示的数字unsigned char data init_val;  //暂存倒计数的初始值char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//----------延时--------------void delay(unsigned int i)   //大约延时i*2个微秒{  while(--i);}//-----------按键扫描-------------unsigned char scan_key(){  unsigned char i;   i=P1&0x0f;   delay(100);           //延时，去抖动   if (i==(P1&0x0f))   { if (P1_0==0)     {  i=1;    }     else     { if (P1_1==0)       { i=2;}       else       { if (P1_2==0)          { i=3;}          else          { if (P1_3==0)            { i=4;} }       }  }  }   else   {  i=255; }   return i;}//---------数码管显示---------------void led_show(unsigned int v){ unsigned char i; if (state_val!=2)     //动态扫描 {i=v%10;              //取要显示的数的个位  P0=led_seg_code;  //转换为7段码  P2=0xfe;             //显示个位  delay(15);           //延时  i=v%100/10;          //取十位  P0=led_seg_code;  //转换为7段码  P2=0xfd;             //显示十位  delay(5);            //延时 } else { P0=led_seg_code[0]; //处于闪烁状态   if (shan_val)   { P2=0xff; }        //将数码管的关闭   else   { P2=0xfc; }         //将数码管的打开 }}//----------定时器T1中断服务程序---------------void  timer1() interrupt 3     //T1中断，250us中断一次{ T1_cnt++;  switch (state_val)   { case 0:         if(T1_cnt>3999)       //如果计数>3999, 计时1s         {  T1_cnt=0;            if(cnt_val!=0)            { cnt_val--;}            else            {state_val=2;}     //定时计数到0时，切换状态            show_val=cnt_val;          }          break;      case 2:         if(T1_cnt>1999)        //如果计数>1999, 计时0.5s         { T1_cnt=0; shan_val=!shan_val; } //闪烁状态         break;     }}//---------主程序----------------main(){init_val=59;         //初始化各变量 cnt_val=init_val; show_val=cnt_val; state_val=0; key_val_old=255; T1_cnt=0; shan_val=0; //初始化51的寄存器TMOD=0x20;  //用T1计时 8位自动装载定时模式 TH1=0x19;   //250微秒溢出一次;   250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4 TL1=0x19; EA=1;       //打开总中断允许 ET1=1;      //开中断允许 TR1=1;      //开定时器T1while(1){  key_val_new=scan_key();         // 255表示无键按下   if (key_val_new!=key_val_old){ // 只有当前扫描的键值与上次扫描的不同，才判断是有键按下     key_val_old=key_val_new;     switch (key_val_new)     { case 1: //设置键               state_val=1;        //处于设置状态               TR1=1;              //停止计时               show_val=init_val;  //显示原来的倒计数初始值               break;       case 2: if(state_val==1)    //只有在设置状态，增1键才有用               { if (init_val>0)   //更改原来的倒计数初始值                 {init_val--; }                 else                 {init_val=59;}                 show_val=init_val;//显示更改后的倒计数初始值               }               break;       case 3: if(state_val==1)    //只有在设置状态，减1键才有用               {  if (init_val<59) //更改原来的倒计数初始值                 {init_val++; }                 else                 {init_val=0;}                 show_val=init_val; //显示更改后的计数初始值               }               break;       case 4: if(state_val!=0)     //如果已处于计数模式，确认键不起作用               { cnt_val=init_val;  //将初始值赋给计数变量                 show_val=cnt_val;  //将计数变量的数字显示                 TR1=1;             //启动定时器T1                 state_val=0;       //将状态切换为计数模式               }               break;      }   }   led_show(show_val);              //动态扫描}}