試論基于單片機(jī)的作息時間控制鐘設(shè)計

1、 數(shù)理與信息工程學(xué)院單片機(jī)原理及應(yīng)用期末課程設(shè)計 題 目： 基于單片機(jī)的作息時刻操縱鐘設(shè)計 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電信041班 姓 名： 丁楠 學(xué) 號： 04610101 指導(dǎo)老師： 余 水 寶 成 績： （2007.1）目錄第1節(jié) 引 言 3 作息時刻操縱鐘系統(tǒng)概述3 本設(shè)計任務(wù)和要緊內(nèi)容4第2節(jié) 系統(tǒng)要緊硬件電路設(shè)計 5 2.1 單片機(jī)總體設(shè)計原理52.2 各功能模塊分析52.2.1 SPCE061A性能簡介 5 2.2.2 擴(kuò)展部分實現(xiàn)8第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計 9 3.1 軟件主程序 93.2 軟件要緊子程序103.2.1 鍵盤掃描子程序 10 3.2.2 萬年歷計算子程序 1

2、0 3.2.3 校時子程序 11 3.2.4 播放語音子程序 12第四節(jié) 系統(tǒng)調(diào)試 144.1 調(diào)試 144.1.1 軟件調(diào)試144.1.2 硬件調(diào)試144.1.3 軟硬聯(lián)調(diào)14結(jié)束語15參考文獻(xiàn)16基于單片機(jī)的作息時刻操縱鐘系統(tǒng)數(shù)理與信息工程學(xué)院 04電子信息工程 丁楠指導(dǎo)教師：余水寶 第一節(jié) 引 言隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展和在操縱系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及設(shè)備向小型化、智能化進(jìn)展，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、功能強(qiáng)、價格低廉、使用靈活等優(yōu)勢，顯示出了專門強(qiáng)的生命力。進(jìn)入21世紀(jì)以來，開發(fā)推出單片機(jī)的公司專門多，各種高性能單片機(jī)芯片市場也異常活躍，新技術(shù)的不斷采納，更加使單片機(jī)的種類、性能以

3、及應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和提高。臺灣凌陽科技公司推出的16位單片機(jī)SPCE061A的問世，使得16位單片機(jī)的科技含量及應(yīng)用躍上一個新的臺階。因其功耗低，超高型，低成本，功能完整，在國內(nèi)越來越受到用戶的重視和廣泛使用。本設(shè)計是一個具有報時功能的作息時刻操縱鐘。它利用SPCE061A單片機(jī)的2Hz時基計時，進(jìn)行年歷計算，并用SPCE061A的語音功能將它報出來；在進(jìn)行時刻計算，分每加一時，都與規(guī)定的作息時刻比較，假如相等則進(jìn)行相應(yīng)的操縱或動作。由鍵盤、聲音輸出模塊和指示燈三部分組成，系統(tǒng)擴(kuò)展三個按鍵用于報時及校正時刻。現(xiàn)代機(jī)關(guān)企業(yè)，特不是學(xué)校要求對時刻加以操縱，要按時打鈴及播放廣播，以保證學(xué)習(xí)與工作的正

4、常運行。本設(shè)計實現(xiàn)了這些功能，給學(xué)校及其他機(jī)關(guān)企業(yè)帶來方便，整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高，實現(xiàn)了對時刻操縱的智能化。作息時刻操縱鐘概述科技的進(jìn)步需要技術(shù)不斷的提升。一塊大而復(fù)雜的模擬電路花費了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。而現(xiàn)在，只需要一塊幾厘米見方的單片機(jī)，寫入簡單的程序，就能夠使您往常的電路簡單專門多。相信您在使用并掌握了單片機(jī)技術(shù)后，不管在您今后開發(fā)或是工作上，一定會帶來意想不到的驚喜。以凌陽16位單片機(jī)SPCE061A為核心操縱器件的作息時刻操縱鐘，由鍵盤、聲音輸出模塊和指示燈三部分組成。它利用SPCE061A單片機(jī)的2Hz時基計時，進(jìn)行年歷計算，并用SPCE061A的語音

5、功能將它報出來。SPCE061A單片機(jī)是整個設(shè)計的核心操縱器件，依照從鍵盤同意的數(shù)據(jù)操縱整個系統(tǒng)的工作流程。整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高，實現(xiàn)了對時刻操縱的智能化，擺脫了傳統(tǒng)由人來操縱時刻的長短的不便，是現(xiàn)代學(xué)校必不可少的設(shè)備。1.2 本設(shè)計任務(wù)和要緊內(nèi)容本設(shè)計是一個具有報時功能的作息時刻操縱鐘。它利用SPCE061A單片機(jī)的2Hz時基計時，進(jìn)行年歷計算，并用SPCE061A的語音功能將它報出來；在進(jìn)行時刻計算，分每加1時，都與規(guī)定的作息時刻比較，假如相等則進(jìn)行相應(yīng)的操縱或動作。假定某高校的作息時刻如下所示： 08：00-08：50 第一節(jié)課 09：00-09：50 第二節(jié)課09：52-10：

6、05 課間操10：10-11：00 第三節(jié)課 01：10-12：00 第四節(jié)課12：00-13：30 午間休息13：30-14：20 第五節(jié)課14：30-15：20 第六節(jié)課15：21-15：50 播放歌曲 SPCE061A的DAC為電流型輸出，經(jīng)負(fù)載電阻R1、三極管Q1放大驅(qū)動揚聲器SPEAKER放音，SPEAKER可選用4或8揚聲器。IOA15接一個LED，到規(guī)定的作息時刻用LED閃耀來表示，使用者可依照具體需要來操縱電鈴、播放提示語等。凌陽芯片的工作電壓為3.3v，我們給出了獲得工作電壓兩種方法。方法1、通過兩個二極管連續(xù)降壓使5v的電壓降至3.6v，接近3.3v供芯片使用，這種方法比較

7、簡單，但電壓值不是專門精確。見圖1-1圖1-1方法2、通過LM7833可獲得準(zhǔn)確的3.3V電壓。見圖1-2圖1-2第二節(jié) 系統(tǒng)要緊硬件電路設(shè)計硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方面專門多，要緊考慮以下幾個因素：系統(tǒng)穩(wěn)定度；器件的通用性或易選購性； 軟件編程的易實現(xiàn)性；系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)；因此硬件設(shè)計至關(guān)重要。現(xiàn)從各功能模塊的實現(xiàn)逐個進(jìn)行分析探討。單片機(jī)操縱系統(tǒng)原理本設(shè)計以SPCE061A單片機(jī)為操縱核心，模塊化設(shè)計，共分以下幾個功能模塊：鍵盤模塊、聲音輸出模塊和指示燈模塊。硬件連接圖見圖2-1 圖2-1 硬件連接圖22 各功能模塊分析2.2.1 SPCE061A性能簡介SPCE061A的結(jié)

8、構(gòu)框圖如圖2-2所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：1CPU SPCE061A配備了凌陽科技開發(fā)的最新的16位微處理器，其內(nèi)部含有8個寄存器，4個通用寄存器R1R4，1個程序計數(shù)器PC，1個堆棧指針SP，1個基址指針BP，1個段寄存器SR，通用寄存器R3和R4結(jié)合組成一個32位寄存器MR，MR能夠作為乘法運算和內(nèi)積運算的目標(biāo)寄存器。此外，SPCE061A有3個FIQ中斷和14個IRQ中斷，1個由指令操縱的軟中斷。2存儲器 SPCE061A擁有2 kb的SRAM，還有32 kb閃存FLASH ROM，可在ICE工作方式下被編程寫入或被擦除。對閃存設(shè)置保密設(shè)定后，其內(nèi)容將不能再通過ICE被讀寫，從而將程序保密。

9、3時鐘 (1)鎖相環(huán)（PLL）振蕩器PLL的作用為系統(tǒng)提供一個實時時鐘的基頻（32768 Hz），然后將基基頻進(jìn)行倍頻，調(diào)整至49.152 MHz，40.96 MHz，32.768 MHz，24.576 MHz或20.480 MHz。系統(tǒng)默認(rèn)的PLL自激振蕩頻率為24.576 MHz。 (2)系統(tǒng)時鐘其信號源為PLL振蕩器。系統(tǒng)時鐘頻率（Fosc）和CPU時鐘頻率（CPUCLK）可通過編程來操縱。默認(rèn)的Fosc、CPUCLK分不為24576 MHz和Fosc/8。 (3)實時時鐘32 768 Hz實時時鐘通常用于鐘表、實時時鐘延時以及其他與時刻相關(guān)類產(chǎn)品。SPCE061A通過對32 768 H

10、z實時時鐘源分頻而提供了多種實時時鐘中斷源。 4低電壓監(jiān)測和低電壓復(fù)位 低電壓監(jiān)測功能能夠提供系統(tǒng)內(nèi)電源電壓的使用情況。4級電壓監(jiān)測低限：2.4 V，2.8 V，3.2 V和3.6 V。可通過編程來操縱，系統(tǒng)默認(rèn)的電壓監(jiān)測低限為2.4 V。 低電壓復(fù)位當(dāng)電源電壓低于2.4 V時，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定且易出故障，導(dǎo)致電源電壓過低的緣故專門多，如電壓的反跳、負(fù)載過重、電池能量不足等。假如系統(tǒng)設(shè)置了低電壓復(fù)位（LVR）功能。當(dāng)電源電壓低于該值時，會在4個時鐘周期之后產(chǎn)生一個復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。5中斷 SPCE061A具有2種中斷方式：快速中斷請求FIQ中斷和中斷請求IRQ中斷。中斷操縱器可處理3種FI

11、Q中斷和14種IRQ中斷，以及1個由指令BREAK操縱的軟中斷。 6輸入/輸出端口（I/O） I/O是系統(tǒng)與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。SPCE061A具有2個可編程口：A口和B口。A口既是具有可編程喚醒功能的一般I/O口，又可與ADC的多路LINE IN輸入共用，B口除了具有一般I/O口的功能外，在特定的管腳上還能夠完成一些專門的功能。7定時器/計數(shù)器 SPCE061A提供了2個16位的定時器/計數(shù)器：TimerA和TimerB。TimerA為通用計數(shù)器；TimerB為多功能計數(shù)器。TimerA的時鐘源由時鐘源A（高速時鐘源）和時鐘源B（實時時鐘32 768Hz）進(jìn)行“與”操作而形成，Tim

12、erB的時鐘源僅為時鐘源A。8時基 時刻基準(zhǔn)信號，簡稱時基信號，來自于32 768 Hz實時時鐘，通過頻率選擇組合而成。時基信號發(fā)生器的2個選頻邏輯TMB1和TMB2為TimerA的時鐘源B提供各種頻率選擇信號并為中斷系統(tǒng)提供中斷源（IRQ6）信號。此外，時基信號發(fā)生器還能夠直接生成2 Hz，4 Hz，1 024 Hz，2 048 Hz以及4 096 Hz的時基信號，為中斷系統(tǒng)提供各種實時中斷源（IRQ4和IRQ5）信號。9模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） SPCE061A有8個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，其中7個通道用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，可能直接通過引線（IOA06）輸入。另外

13、有一個通道只作為語音輸入通道，通過內(nèi)置有自動增益操縱放大器的麥克風(fēng)通道（MIC IN）輸入。實際上能夠把ADC看作是一個實現(xiàn)模數(shù)信號轉(zhuǎn)換的編碼器。 SPCE061A為音頻輸出提供了2個10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即DAC1和DAC2。DAC1，DAC2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號分不通過AUD1和AUD2管腳輸出。 10串行設(shè)備接口 串行輸入輸出端口SIO提供了1個1位的串行接口，用于與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在SPCE061A內(nèi)通過IOB0和IOB1這2個端口實現(xiàn)與設(shè)備進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換功能。2.2.2 擴(kuò)展部分實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展三個按鍵用于報時及校正時刻。SPCE061A的DAC為電流型輸出，經(jīng)負(fù)載電阻R1、三

14、極管Q1放大驅(qū)動揚聲器SPEAKER放音，SPEAKER可選用4或8揚聲器。IOA15接一個LED，到規(guī)定的作息時刻用LED閃耀來表示，使用者可依照具體需要來操縱電鈴、播放提示語等。凌陽芯片的工作電壓為3.3v，通過LM7833可獲得準(zhǔn)確的3.3V電壓。見圖1-2第3節(jié) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計硬件平臺結(jié)構(gòu)一旦確定，大的功能框架即形成。軟件在硬件平臺上構(gòu)筑，完成各部分硬件的操縱和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，最終實現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差不可能專門大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采納模塊化設(shè)計方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進(jìn)行全面

15、測試也是檢驗錯誤排除故障的重要手段。由于編程多涉及到數(shù)值運算，比較復(fù)雜，用我們平常常用的匯編語言編程是專門難實現(xiàn)的，那個地點我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運算的C語言來實現(xiàn)編程。 3.1 軟件主程序程序按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，所有功能都可通過調(diào)用子程序完成，主程序較簡單，流程見0。SPCE061A具有低功耗的睡眠模式，在睡眠模式下功耗電流可降到幾個，這關(guān)于用電池供電的系統(tǒng)特不重要，睡眠模式能夠通過按鍵中斷喚醒。圖3-1 軟件主程序流程圖3.2 軟件要緊子程序3.2.1 鍵盤掃描子程序由于機(jī)械觸點的彈性作用，在鍵被按下或彈起時會出現(xiàn)電壓抖動，從最初按下到接觸穩(wěn)定要通過數(shù)毫秒的彈跳時刻，如圖

16、3-2所示。為保證鍵識不的準(zhǔn)確，必須進(jìn)行去抖動處理，去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法確實是加去抖動電路，從全然上幸免抖動；軟件方法有專門多種，本例中要緊是利用主程序的循環(huán)掃描，主程序循環(huán)一次，掃描一次按鍵，當(dāng)連續(xù)N次掃描到的鍵值都一樣時，則講明是穩(wěn)定的按鍵值。 圖3-2 鍵盤按下過程3.2.2 萬年歷計算子程序利用2Hz中斷做時鐘源進(jìn)行計時，每兩次中斷秒加1，并進(jìn)行年歷計算，年歷范圍從2001年到3099年。在進(jìn)行年歷計算時，有平閏年計算問題。閏年的條件是：能被400整除，或者能被4整除，但不能被100整除。萬年歷調(diào)整子程序流程圖見3-3圖3-3 萬年歷計算子程序流程圖3.2.3 校時子程

17、序系統(tǒng)擴(kuò)展了三個按鍵，TIME鍵用于報時，由于時刻包括年月日和時分，按一次TIME鍵，則報年月日，再按一次則報時分。當(dāng)一直按住TIME鍵3秒則進(jìn)入時刻校正狀態(tài)，語音報當(dāng)前是XXXX年，按UP鍵年份增加，按DOWN鍵減少；按TIME鍵來切換月、日、時、分，調(diào)整完分后，按TIME鍵確認(rèn)，語音報出年月日時分。時刻增加的流程如圖3-4所示，時刻減少的流程與增加的相同，因此不再給出時刻減少的流程圖。在校正時刻的狀態(tài)下，假如連續(xù)2分鐘鍵沒有被按下，則自動退出圖3-4 校時子程序流程圖3.2.4 播放語音子程序報時用SACM-A2000播放，該壓縮算法壓縮比較小(8:1)因此具有高質(zhì)量、高碼率的特點適用于高

18、保真音樂和語音。圖3-5 播放語音子程序流程圖第4節(jié) 系統(tǒng)調(diào)試因本設(shè)計本身要求有穩(wěn)定性高、免維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)等功能，系統(tǒng)調(diào)試除了驗證數(shù)據(jù)處理的精度，確保推斷的準(zhǔn)確性外，同時必須確認(rèn)各項的功能的正常運行。調(diào)試依照系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采納模塊化設(shè)計，因此方便了對各電路功能模塊的逐級測試，包括對：鍵盤操作功能調(diào)試，聲音輸出功能調(diào)試，指示燈功能調(diào)試等。單片機(jī)軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。最后將各模塊組合后整體測試，使系統(tǒng)的所有功能得以實現(xiàn)。4.1.1硬件調(diào)試電路安裝完成后，首先進(jìn)行檢查，即確認(rèn)電路無

19、虛焊，無短路，無斷路，集成元件安裝是否正確，之后進(jìn)行電路功能模塊的分級調(diào)試，依照電路功能逐級進(jìn)行：鍵盤功能調(diào)試聲音輸出功能調(diào)試指示燈功能調(diào)試4.1.2軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)專門大，全部用C51來編寫，選用一般的偉福仿真器對C51進(jìn)行調(diào)試。除了語法差錯外，當(dāng)確認(rèn)程序沒問題時，通過直接下載到單片機(jī)來調(diào)試。采取的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)，最后完成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。要緊是液晶顯示屏實時顯示功能的調(diào)試。4.1.3軟硬聯(lián)調(diào)系統(tǒng)做好后，進(jìn)行系統(tǒng)的完整調(diào)試。要緊任務(wù)是檢驗實現(xiàn)的功能及其效果并校正數(shù)值。依照實測數(shù)據(jù)，逐步校正數(shù)據(jù)，使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。單片機(jī)軟件先

20、在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。結(jié)束語本設(shè)計以SPCE061A單片機(jī)為核心，是一個具有報時功能的作息時刻操縱鐘?，F(xiàn)代學(xué)校要求對時刻加以操縱，要按時打鈴及播放廣播，以保證學(xué)習(xí)與工作的正常運行。本設(shè)計實現(xiàn)了這些功能，給學(xué)校及其他機(jī)關(guān)企業(yè)帶來方便，整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高，實現(xiàn)了對時刻操縱的智能化，適應(yīng)了現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，給人們帶來專門大的效益。這次設(shè)計的實現(xiàn)由以往的手動操縱變?yōu)樽詣硬倏v，能夠自動操縱高校的作息時刻如下所示： 08：00-08：50 第一節(jié)課 09：00-09：50 第二節(jié)課09：52-10：05 課間操10：10-11：00 第三節(jié)課 01：10-12：00 第四節(jié)課12：00-13：30 午間休息13：30-14：20 第五節(jié)課14：30-15：20 第六節(jié)課15：21-15：50 播放歌曲 給學(xué)校的學(xué)習(xí)和工作帶來方便！通過單片機(jī)課程設(shè)計，我不僅加深了對單片機(jī)理論