基于單片機的電子定時器的設計

基于單片機的電子定時器的設計目錄1引言 11.1定時器的設計背景及目的 21.2定時器的應用 22設計的總體方案 32.1設計的基本要求與目的 32.2設計思路 42.3定時器的工作原理 42.4定時器的功能說明 53系統(tǒng)的硬件設計 53.1主要元器件介紹 53.2按鍵電路 63.3顯示電路 63.4晶振電路 63.5復位電路 73.6聲音提示電路 73.7串口下載電路 83.8紅外測溫電路 83.9STC89C51單片機與排阻的連接電路 94系統(tǒng)的軟件設計 104.1程序設計思路 104.2程序流程框圖 105系統(tǒng)的制作與調試 145.1系統(tǒng)的制作 145.2系統(tǒng)的調試 175.3系統(tǒng)的功能 186結論 18參考文獻 18致謝 19摘要：本文以單片機為基礎設計了一款電子定時器。首先分析了單片機內部當中的定時器的原理，再利用STC89C51作為核心的外圍撐持的器件，LCD顯示屏的顯示模塊以及驅動模塊、蜂鳴器模塊、按鍵模塊與傳感器等多個模塊組合設計而成，使用C語言編寫程序,在KEIL中調試操作和編寫改錯等等。利用PROTEUS模擬仿真，最后實現(xiàn)了基于單片機的定時器的定時功能。關鍵詞:單片機；定時器；傳感器1引言電子定時器在現(xiàn)代電子學中占有重要的地位，是一種通過技術來自動控制電器在規(guī)定時間內啟動、停止或變換工作狀態(tài)的設備，是鐘表等時間計量器所代替不了的[1]。對于科研人員來說對時間的把控很嚴格，準確的計時開始和結束對研究成果影響很大，可謂差之毫厘失之千里，此時一款電子定時器就可以完美解決這個問題。其還廣泛應用于工業(yè)自動化，主要包含固定時間定時器、時間可變定時器、倒計時定時器等，計時時間結束時會發(fā)出聲音、光提示或者顯示相應畫面，甚至驅動負載的動作。我們生活用品中最常用的應用就是鬧鐘，當然還有空調、臺燈等定時開關。1.1定時器的設計背景及目的電子技術和計算機技術發(fā)展迅速，因為單片機又小又輕、價格低、功耗低但控制功能強運算速度率高，廣泛應用于各種領域,，隨著時代的發(fā)展定時器的應用日益廣泛,延時自動開關、定時、報警功能也經常被工業(yè)上的電子定時器所使用。性能優(yōu)異的單片機正式問世于1976年,即英特爾公司開發(fā)的MCS-48系列8位單片機,用于自動控制安全系統(tǒng)和其他可編程邏輯控制[2]。本設計旨在制作出一款基于單片機控制的電子定時器，軟硬件相結合，編寫易于維護、可擴展的程序代碼，其中包括中斷模塊、晶振模塊等設計，同時采用簡單且流暢的C語言編寫實現(xiàn)。本設計從最基本的功能出發(fā)，在基礎功能上新增的傳感器讓普通的定時器多了幾分趣味性，在計時結束的同時也不會覺得煩悶，既安全又經濟，相信很多人會喜歡。1.2定時器的應用人們最早使用的定時工具是沙漏和水漏，以及同期使用的日晷等，而后隨著鐘表這一新鮮事物的產生，人們逐漸追求時間的精確性。由于電子技術的廣泛用途，能夠提高人們的工作效率，豐富人們業(yè)余生活，實現(xiàn)對時間清晰認知，人們開始研究電子定時技術。在信息技術日益廣泛的今天，新產出的電子產品想生存發(fā)展于競爭之中，必須采取各種有效方法來提高功能結構和簡化使用方法來提高其核心競爭力。電子定時器工作主要基于振蕩器、計數(shù)器、比較器和控制電路等。常用的STC89C51單片機定時器的初始化編程包括確定工作方式和初值并決定是否開放中斷?；趩纹瑱C的電子定時器具有體積小、實用性高等優(yōu)點，近幾年，使用率有所增加。單片機不斷產生新的變化,并隨著半導體技術的發(fā)展和系統(tǒng)設計水平的提高而不斷進步。最終人們可能會發(fā)現(xiàn),單片機與微機系統(tǒng)之間的界限可能越來越模糊,甚至出現(xiàn)界限不清的現(xiàn)象[3]。電子技術的廣泛用途，能夠提高人們的工作效率，豐富人們業(yè)余生活，擴大人對信息的獲取途徑。目前市場上應用最多的電子定時器類型555電子定時器，也有以單片機為基礎的通過內部集成電路,利用內部自帶的計時器T0來實現(xiàn)定時功能的電子計時器，通過共陰數(shù)碼管或共陽數(shù)碼管或LCD屏幕來顯示時間[4]。19世紀80年代，一位名叫索加的外科醫(yī)生研究制造出一種用于控制煤氣街燈的開關,并在定時裝置上獲得了專利。它采用機械時鐘驅動開關,通過發(fā)條對閥門進行控制。但電鐘計時在上個世紀的早期就已經初露端倪。明顯減少了發(fā)條的使用。大約在上世紀中期,出現(xiàn)了利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時的原子鐘,這是目前最精確的計時工具[5]。而后十幾年漢斯·卡門辛德，設計了第一個555定時器IC，同年夏天，一個使用恒定電流源和9個引腳的設計被審查，評審通過后，為了減少引腳的數(shù)量，原先設計中的恒定電流源被直阻替代，一下子使封裝的引腳數(shù)量由14減少為8。上世紀末，一種簡易的、可控制點焊機點焊時間的電子定時器問世,提高了點焊質量,操作起來也非常簡便,而且還可以用來控制相片曝光時間和在相片方面的應用[6]。截止目前為止，國外的電子定時器行業(yè)領頭羊是美國和日本，兩國都是具有很強的技術實力和豐富經驗的科技強國。在歐洲和其他一些亞洲國家也有一些知名的電子定時器廠商，其產品在市場上有很強的競爭力，電子定時器制造商在技術和性能方面也不斷進行創(chuàng)新和完善，旨在生產更加吸引人的產品。近年來，隨著我國國力的不斷提升，電子定時器的需求量與日俱增，國內電子定時器廠商層出不窮，技術也更新迭代，市場競爭更是日漸激烈，電子定時器功能更為全面，運作更加穩(wěn)定，性能更加優(yōu)異。目前，中國在電子定時器制造領域取得了許多進展和重要的研發(fā)成果，國產品牌也深受國內外消費者的喜愛。2設計的總體方案2.1設計的基本要求與目的基于單片機的電子定時器不僅在設計上比較簡單，主要基于代碼的編寫，后續(xù)也可以根據用戶需求編寫代碼，將其燒入單片機更新設計要求；電路還比較清晰可見，體積小且功能完善。定時器的供電電路尤為重要，電源內阻應在實際電流較大時盡可能減小,才使電流流通。焊接時,應盡量使線路橫平豎直,以便對故障進行觀察和檢查,為了保證電源線的寬度足夠,電路通常會選擇星型供電方式。此外，電子設備容易受外界影響，因此在接地設計中，應盡量增大與地相連的面積，以有效減少外界干擾[7]。電子定時器是一種能夠根據預設時間進行計時的自動化電子設備，定時間隔一秒鐘，最大定時時長23小時59分59秒。一些早期常用的時間控制單元是由模擬電路設計和制作的，定時精度不是很理想。選擇單片機作為定時器控制單元,是因其簡單可靠、成本低廉[8]。通過按鍵控制定時的開始、結束還有時間長短，復位按鍵可對整個電路進行清零，計時結束后蜂鳴器開始工作，發(fā)出警報報警提醒人們，與此同時傳感器的工作也開始了，在沒有感知到人體溫度時無法關閉蜂鳴器。倘若定時過程中對時間的設計有誤，可直接通過復位按鈕重新定時或逐位修改時間。2.2設計思路在過去，傳統(tǒng)產品主要依靠模擬技術支持，功能簡單且常見，但現(xiàn)在這類產品已經不再普遍。相比之下，現(xiàn)代化數(shù)字技術產品得到了廣泛應用，因為它們具有強大的功能。近幾年單片機產品的普及促進了新產品的廣泛應用,使控制系統(tǒng)得到了極大的簡化,起到了系統(tǒng)整合的關鍵性作用。單片機產品除了具有強大的功能外,還具有很好地滿足器件需求的輕便性、便攜性和體積小等優(yōu)點,再配上適配的芯片接口,能夠實現(xiàn)各種微電子化產品的開發(fā)[9]。選擇STC89C51單片機,LCD1602,復位電路，晶振電路,電源,串口,下載接口和蜂鳴器,電容電阻等作為定時器的主要器件。復位電路阻容值的根據電容電壓不能突變的特性選擇了10uF和10K。STC89C51單片機內部整合了2KB的閑置儲存,省卻了外擴式程式記憶體的困擾,從而簡化電路,使工作供電電壓變得更寬。STC89C51單片機的選擇無論從成本、功耗還是線路板面積來看都是一個不錯的選擇,而12MHz則是單片機常用的時鐘電路晶振選擇[10]，本設計選擇硬件按鍵復位。并聯(lián)諧振電路的電容值即C1、C2的選值會影響振蕩器的穩(wěn)定性，選擇22pF最為合適。大部分的電容值的選擇都是根據規(guī)格書的要求，應用了一個電解電容主要是防止單片機下載的瞬間，下載芯片被復位；而下載電路的限流電阻值根據手冊選擇的300Ω。單片機控制電路計時,其中I/O口驅動顯示設定時間流動的LCD顯示屏,1個I/O口連接微動按鈕開關,用于設定定時時間,另1個I/O口連接輸出聲音信號的蜂鳴器[11]。2.3定時器的工作原理定時器的工作原理主要基于時鐘信號，結合內部計數(shù)器和可能的振蕩器、分頻器來實現(xiàn)計時功能，本設計通過編程語言或系統(tǒng)提供的庫函數(shù)或系統(tǒng)調用實現(xiàn)。以定時器芯片上的計數(shù)器為基準，一邊倒計時,計數(shù)器一邊遞減計數(shù)。定時器通過使用時鐘信號觸發(fā)計數(shù)器的遞減,一旦計數(shù)器的值達到0,計時結束,隨著計數(shù)器的不斷遞減,定時器就會被觸發(fā)。2.4定時器的功能說明電子定時器電路由計數(shù)器、譯碼顯示電路報警電路組成。計數(shù)器完成所定時間的計時功能：接通電源后，定時器清零，由用戶自行設置定時時長，按下相應的啟動按鈕進行計數(shù)，計數(shù)器每隔一秒的時間進行遞減，并在顯示電路中顯示出來，如需將定時器清零，按下相應的復位按鈕重新設置時間即可。當定時器計時到0時，顯示電路顯示0,報警回路在定時器計時到0時開始報警，控制電路對計數(shù)器的起動和復位有直接的控制作用。本設計主要具備如下功能：第一,它有人為控制開關的鬧鐘功能；第二,連接有LCD顯示屏,能充分顯示時間的時、分、秒,三值之間有間隔;第三,可以在設置鬧鐘響起時通過傳感器的測溫方式關閉鬧鐘。本設計可以通過LCD顯示屏倒計時，使計時過程和結果清晰可見，數(shù)字顯示效果清晰可見，不受環(huán)境影響，能夠在各種光線條件下一目了然；增加了鬧鐘的功能，計時結束的同時顯示屏歸零，蜂鳴器開始工作，電路板連接的一個傳感器，感受到人體體溫（一般是35℃以上）同時結束定時，蜂鳴器停止工作，鬧鐘關閉，使普通的鬧鐘增加一些趣味性。3系統(tǒng)的硬件設計3.1主要元器件介紹本設計主要用到了STC89C51單片機，LCD顯示屏，紅外傳感器，按鍵，蜂鳴器，三極管，電容電阻等，下面將進行簡單介紹。STC89C51單片機配置上采用獨立的程序存儲器,邏輯上采用相同的地址空間,訪問時使用不同的指令和尋址方式，內部集成了兩個16位計時器/計數(shù)器,在計時操作時能夠非常方便的進行,為本設計奠定了扎實的基礎[12]。對于采用USB連通的便攜式電路來說，考慮到其低功耗的要求，常常需要采用液晶顯示屏。它本身并不發(fā)光，而是通過電場效應和扭曲-向列效應原理制成，在本設計中起到顯示倒計時和測溫模塊測出的溫度的功能。GY-906是一種基于光學原理的通過紅外傳感器和相關算法實現(xiàn)非接觸測溫，使用紅外測溫技術中的紅外熱釋電傳感器感測物體發(fā)出的紅外輻射能量，并將其轉換為溫度值的紅外測溫模塊，但結果與實際溫度值有一定誤差，準確性不夠，主要為本設計提供了關閉蜂鳴器的功能，否則無法實現(xiàn)電路的停止。蜂鳴器是將電信號轉換為聲音信號的一種裝置,用于制造設備在此設計中發(fā)出的警報,低電平觸發(fā)。該設計采用了內部不帶振蕩源的無源蜂鳴器，控制器提供振蕩脈沖才能發(fā)出聲音,而想要發(fā)出不同頻率的聲音需要調整振蕩脈沖的頻率。3.2按鍵電路通常采用掃描方式進行鍵盤模塊操作,一般分為兩種編程控制方式,常采用矩陣式鍵盤設計。首先將各端口線設置為輸入模式,利用中斷確定各端口線均有按鈕以獲取信息。如果按下對應的口線,顯示高電平,反之為低電平[13]。在調整時間之前，可以使用加減按鍵對時間點進行調節(jié)，而后將調整之后的時間顯示出來[14]。按鍵電路原理圖如圖1所示。STC89C51單片機中有兩種最常使用的按鍵：獨立按鍵和矩陣按鍵。本設計采用一個按鍵控制一個引腳的獨立按鍵。圖1按鍵電路原理圖3.3顯示電路圖2為LCD1602原理圖。單片機系統(tǒng)控制LCD1602,接口簡單可靠,編程易實現(xiàn),顯示品質高，液晶顯示器在重量上要比傳統(tǒng)顯示器更占優(yōu)勢。圖2LCD1602原理圖3.4晶振電路石英晶體振蕩器簡稱晶振,其作用是用集成電路或三極管組合頻率非常穩(wěn)定的振蕩器,提供基本的時鐘信號給系統(tǒng)。圖3為晶振電路原理圖，采用12MHz晶振，同時連接電容為濾波器,使信號輸出更穩(wěn)定。圖3晶振電路原理圖3.5復位電路圖4為本設計復位電路原理圖，采用按鍵讓用戶手動把電路恢復到初態(tài)的設計,在電平復位時通過RST端的電阻接通電源。電容放電時按下STC89C51單片機的SW相當于使電容短路,其兩端電壓均為VCC，若超過規(guī)定復位時間則為單片機復位。當按鍵不再與電路相連,RST兩端電壓為0,單片機在工作。電容電阻的選擇值均來自產品手冊。圖4復位電路原理圖3.6聲音提示電路聲音提示使用蜂鳴器,電路原理圖如圖5所示,能夠根據脈沖信號及其頻率發(fā)出各種聲音,從而在計時結束時根據系統(tǒng)要求發(fā)出不同的聲音提示,來滿足通知用戶的要求。PNP三極管通常用來從控制電路里傳遞電流到蜂鳴器。在電路中，PNP三極管被連接在蜂鳴器的一端，接收電流，輸出蜂鳴聲音。圖5蜂鳴器電路原理圖3.7串口下載電路串口下載電路原理圖如圖6所示,其功能是將來自電腦的信號轉換成TTL信號,是電路中必不可少的存在。CH340N是功耗低且穩(wěn)定性高的USB總線的轉接芯片，可以將USB接口轉換為UART串口接口，使電腦利用USB接口和單片機等設備進行通信。圖6串口下載電路原理圖3.8紅外測溫電路GY906是一款紅外熱像儀傳感器模塊，可測量目標物體的溫度，紅外測溫電路原理圖如圖7所示，引腳1和2分別連接P2.1和P2.0，引腳3和4分別接地和電源，本模塊采用I2C數(shù)字接口協(xié)議通信。圖7紅外測溫電路原理圖3.9STC89C51單片機與排阻的連接電路圖8是排阻與STC89C51單片機的連接電路。國產STC89C51單片機一直以優(yōu)異的性能在行業(yè)內處于領先地位,其內部集成的兩臺16位可編程定時器T0和T1是該系列單片機中軟硬結合非常重要的定時組件,在各種需要定時和計時的場合都能非常靈活的使用[15]。9排排阻為防止電壓過大導致LCD1602顯示屏屏幕過亮損壞亮點。圖8STC89C51單片機與排阻的連接電路4系統(tǒng)的軟件設計4.1程序設計思路首先確定按鍵、蜂鳴器的標志以及一些表示用途的變量，對延時函數(shù)進行大概值。因為時間是用32位的整體全部存儲的，所以先編寫函數(shù)將時間分成時分秒，按鍵服務函數(shù)在判斷函數(shù)中判斷按鍵，當設置鍵按下，分別判斷定時器是否啟動，未啟動就可以設置時間，設置哪個標志位作為閃爍和設定值。若按下增加鍵且判斷定時器沒有啟動，就判斷閃爍位置是時分秒，分別做加減更新顯示，并將其合成到總的32位時間值里，減小按鍵同理。啟動按鍵判斷狀態(tài)，沒有啟動置為1，啟動置為0，并把閃爍標志清零。而后更新顯示，分別設置閃爍位置，閃爍即數(shù)字與空格交替展示形成所需效果，時分秒交替閃爍原理相同。第二行顯示判斷狀態(tài)，等于1顯示啟動，反之顯示停止。初始化定時器即配置定時器工作模式、晶振計數(shù)值，ET0外部中斷，TR0啟動，EA開總中斷。主函數(shù)前面是LCD1602初始化，測溫模塊初始化以及初始化一個用于倒計時的定時器，while循環(huán)反復不停從上到下執(zhí)行，其中包含按鍵檢測，之后進行判斷，update標志為1才會進行更新的顯示，之后判斷倒計時是否結束，結束后一直循環(huán)獲取溫度值，進行相應的更新顯示。定時器的中斷函數(shù)的配置是每隔50ms進入一次函數(shù)，所以TH0和TL0重裝初值是50000us。每50ms計數(shù)加1，當計數(shù)大于20即1s就更新一次，判斷定時器是否啟動了，若啟動且時間大于零，進行減計數(shù)至零為止，倒計時結束，蜂鳴器工作，系統(tǒng)狀態(tài)置為2，更新標志置為1，表示1秒鐘更新一次顯示，更新標志應用于主函數(shù)。4.2程序流程框圖主程序定義流程圖如圖9所示，主程序是控制電路的一系列調控,通電后首先由程序定義主程序相關端口,然后調用子程序控制電路,再由各模塊定義相關程序接收、轉換及輸出信號,然后由LCD1602定義相關程序通過屏幕顯示數(shù)據。圖9主程序定義流程圖對于主程序定義頭文件如下：#include"main.h"#include"GY906.h"#include"KEYScan.h"#include"LCD1602.h"其中GY906.h、KEYScan.h和LCD1602.h為編寫的頭文件，GY906.h定義紅外測溫傳感器感知溫度，KEYScan.h進行按鍵掃描，LCD1602.h定義LCD顯示屏的顯示功能及內容。下面講解一下主要程序的頭文件,以及相關的引腳定義。1.LCD1602相關程序設計流程圖如圖10所示，首先定義LCD1602相關端口和變量,然后對顯示屏進行初始化操作,再由單片機向LCD1602發(fā)送指令和數(shù)據，最后發(fā)送使能信號,在屏幕中顯示內容。顯示主要分兩種情況，一種是設置時分秒時，在對應的時分秒的位置做閃爍，另外一種是顯示已啟動或停止，由此對LCD1602進行初始化程序編寫。圖10LCD1602程序設計流程圖2.按鍵掃描函數(shù)的程序設計流程圖如圖11所示，首先定義相關端口和選擇對應的引腳，判斷哪個鍵按下并返回函數(shù)值。總共有四個鍵：設置鍵、啟停鍵、增加鍵、減小鍵。如果按下設置鍵，并且是定時器沒有啟動的情況下，會在對應的位閃爍，讓用戶設置時間；如果是啟動鍵，沒有啟動就置位啟動，反正置位不啟動。增加和減小主要功能是一樣的，判定它在哪個位，根據哪一位來增加或減少時分秒的值。按鍵檢測首先有兩個值，一個作為保存上一個值，一個是保前當前值，如果是有按鍵被按下，就會記錄先被讀取的狀態(tài)值，且與上一個值相比，如果是同一個值，就不算被按下，反之至標志位，當做按下。圖11按鍵掃描函數(shù)的程序設計流程圖3.紅外測溫傳感器函數(shù)的程序設計流程圖如圖12所示，首先定義相關端口和時鐘線以及數(shù)據線和選擇對應的引腳，進行函數(shù)聲明，編寫發(fā)送字節(jié)、位，接受字節(jié)、位的代碼。I2C總線傳輸協(xié)議對數(shù)據位的有效性規(guī)定為：在SCL為高電平時,數(shù)據線上的數(shù)據必須保持穩(wěn)定,并且只有在SCL信號為低電平時,才允許SDA狀態(tài)發(fā)生變化,對I2C總線的起始信號信號有嚴格的要求,以保證數(shù)據的可靠性。圖12紅外測溫傳感器函數(shù)的程序設計流程圖5系統(tǒng)的制作與調試5.1系統(tǒng)的制作電子定時器的電路原理圖如圖13所示，其繪制主要是利用AltiumDesigner軟件對選擇的硬件進行合理的布局，選擇并確定好引腳與對應的端口相連接，未接的引腳要加屏蔽信號，否則沒接的接口會有警告。圖13總電路原理圖根據實際要求及硬件的選擇畫封裝，在編譯無誤之后更新PCB文件，同樣要進行合理的布局，以免走線交叉或封裝擺不開等情況，PCB的頂層和底層圖如圖14和圖15所示。本設計選擇使用可以承載更多電子元件，材質更加穩(wěn)定，使電路設計更緊湊的雙面板,與此同時提高設備的工作效率，保證電路的穩(wěn)定工作。圖14PCB頂層設計圖圖15PCB底層設計圖實物底層圖和組合圖如圖16和圖17所示，本設計將LCD顯示屏放在蜂鳴器、排阻等元器件之上，使得實物體積小、質量低、更便攜。圖16實物底層圖圖17實物組合圖5.2系統(tǒng)的調試剛通電時，啟動開關，電路顯示結果如圖18所示：圖18通電未操作實物圖假設設定時間3s鐘實物顯示結果如圖19所示：圖19定時3s實物圖計時結束后，蜂鳴器工作，在傳感器沒有感測到人體溫度時，蜂鳴器無法停止工作，直至感受到人體溫度，測溫及計時結束實物圖如圖20所示，以手觸碰為例，但實驗結果溫度偏高。圖20測溫及計時結束實物圖倘若不小心設置錯時間想重新設置可按下復位按鈕，或調節(jié)按鍵進行加減時間的設置，設置時間結果如圖21和圖22所示：圖21設置時間的實物圖圖22增加時間的實物圖5.3系統(tǒng)的功能本設計較為完善的實現(xiàn)了最初的設想，實現(xiàn)了倒計時的功能，讓用戶自行通過按鍵設計定時時長，最大可達23小時59分59秒，計時結束之后電路發(fā)出警報聲提醒用戶，與傳統(tǒng)方式不一樣的是通過傳感器使電路停止工作，讓用戶多了一份思考的時間，不能簡單停止電路，增加趣味性以達到督促的目的。6總結從基本方案的制定、硬件電路的選擇、原理圖的繪制、元器件封裝的繪制、PCB的布局到再到電路的焊接、源代碼的編寫，最后是程序調試——這期間遇到了很多困難,但經過堅持不懈的努力,再加上導師的層層點撥,終于將困難全部攻破。這段時間深深體會到了自己經驗的不足。同時也因為這次設計,使自己得到了一定的鍛煉,體會到了理論聯(lián)系實際的重大意義。由于這個設計的時間有限,所以一些理想化的設想并沒有得到徹底的實現(xiàn)