信息職業(yè)技術學院

設計題目:基于單片機的校園打鈴系統(tǒng)設計

專    業(yè):應用電子技術

班    級:應電08-2              

學    號:

姓    名:

指導教師:

摘　要.................................................................... 1

第1章　緒論.............................................................. 2

第2章　方案設計與論證.................................................... 3

2.1 系統(tǒng)方案選擇與比較.................................................. 3

2.1.1 控制模塊方案選擇................................................ 3

2.1.2 顯示模塊方案選擇................................................ 4

2.2.3 存儲模塊方案選擇................................................ 4

2.2 總體方案設計思想.................................................... 5

第3章　硬件電路設計...................................................... 6

3.1 控制模塊設計........................................................ 6

3.1.1 單片機AT89C51簡介.............................................. 6

3.1.2 單片機時鐘電路復位電路介紹...................................... 7

3.2 打鈴模塊............................................................ 8

3.3 存儲模塊............................................................ 8

3.3.1 實時時鐘DS1302簡介............................................. 8

3.3.2 存儲器24C02C................................................... 10

3.4 鍵控模塊........................................................... 12

3.4.1 獨立式鍵盤介紹................................................. 12

3.4.2 鍵盤接口及鍵位的功能介紹....................................... 13

3.5 顯示模塊........................................................... 13

3.5.1 數(shù)碼管的組成及工作原理......................................... 14

3.5.2 數(shù)碼管的顯示................................................... 14

第4章　整機原理......................................................... 16

4.1 整機原理圖......................................................... 16

4.2 整機電路原理....................................................... 16

第5章　軟件設計......................................................... 18

5.1 打鈴系統(tǒng)流程圖..................................................... 18

5.2 讀時間日期顯示流程圖............................................... 18

5.3 LED顯示流程圖..................................................... 19

5.4 主程序流程圖....................................................... 20

第6章　仿真和調(diào)試....................................................... 21

6.1 調(diào)試軟件的介紹..................................................... 21

6.2 調(diào)試的操作步驟..................................................... 21

6.3 仿真軟件對于本設計的仿真........................................... 22

結(jié)　論................................................................... 25

參考文獻................................................................. 26

附錄1  整機原理圖....................................................... 27

附錄2　元件明細表....................................................... 28

附錄3  源程序........................................................... 29

本設計以單片機AT89C51為控制核心，與DS1302、24C02C和LED等組成校園打鈴系統(tǒng)，運用實時時鐘芯片DS1302實現(xiàn)時間控制，同時運用LED七段數(shù)碼管完成當前的年、月、日、時、分、秒和星期以及打鈴時間的顯示，再利用鍵盤可以對系統(tǒng)當前時間以及打鈴時間進行調(diào)節(jié)、存儲、清空操作，并且使用外部存儲器24C02C完成打鈴時間的存儲。此設計在系統(tǒng)掉電狀態(tài)下仍可以正常的打鈴、時間設定、數(shù)據(jù)保持，整體性好、人性化強、可靠性高、功能強，體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠，使用方便等特點。

關鍵詞　單片機；AT89C51；DS1302；24C02C打鈴

校園打鈴系統(tǒng)就是利用現(xiàn)代計算機、通訊等技術，以傳統(tǒng)的鈴聲系統(tǒng)為基礎，根據(jù)用戶對鈴聲系統(tǒng)功能的要求，由單片機來控制、管理、播放的系統(tǒng)。

通過把播放的內(nèi)容以數(shù)字形式存放在存儲器中，然后單片機通過控制軟件，按照學校設定的播放時間和內(nèi)容控制單片機自動將存儲器中的數(shù)字音樂文件播放出來。鈴聲控制系統(tǒng)整體由兩部分組成：主控中心和終端電鈴。主控中心以單片機為核心，包括控制電路、顯示電路、鍵盤電路和存儲電路。終端電鈴為響應控制設備，通過其自身的控制系統(tǒng)可以獲得清晰、響亮的聲響。

單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(jīng)越來越廣泛，并且在很多電子產(chǎn)品中也將其用到校園鈴聲和廣播控制。單片機又稱單片微控制器，是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。 現(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞—“智能型”，如智能型洗衣機等。

本次設計是實現(xiàn)一個單片機的校園打鈴系統(tǒng)，能過設置打鈴時間，同時要求能夠在系統(tǒng)掉電時，時間能夠繼續(xù)，數(shù)據(jù)能夠保持，能夠?qū)崿F(xiàn)打鈴。

校園打鈴系統(tǒng)設計方案有多種，下面提出兩種電路方案。

方案一：主要是由石英晶體振蕩電路和分頻器電路組成的脈沖發(fā)生器、校時電路、報時電路以及時、分、秒計數(shù)器和譯碼顯示電路等電路組成，其中采用計數(shù)器74LS290、譯碼器74LS49、分頻器和八段數(shù)碼管顯示器等器件組成的校園打鈴系統(tǒng)，整個系統(tǒng)有控制簡單，調(diào)試容易等優(yōu)點，但是其顯示功能單一、電路復雜。其組成方框圖如下2-1所示：

圖2-1 方案一組成方框圖

方案二：采用ATC公司的單片機ATC89C51作為控制器。單片機運算能力強，軟件編程靈活，自由度大。它是MCS-51系列單片機的派生產(chǎn)品，在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構和片內(nèi)資源上與標準8051單片機完全兼容，使用時容易掌握；采用ATC89S52單片機穩(wěn)定可靠、應用廣泛、通用性強。

圖2-2 方案二組成方框圖

方案選擇：采用方案一實現(xiàn)的校園打鈴控制系統(tǒng)調(diào)試容易，價格相對較為便宜，但是電路結(jié)構復雜，控制單一，且整個系統(tǒng)性能不是很高，倒計時不是非常精確，功能不完整，如果要求系統(tǒng)調(diào)節(jié)打鈴時間時不容易調(diào)整。采用方案二實現(xiàn)的校園打鈴系統(tǒng)其電路結(jié)構簡單，可實現(xiàn)多功能控制，計時精確，全自動化實現(xiàn)其所用功能，并且能在斷電的情況下任能正常的實現(xiàn)打鈴。因而對于完成此題目，方案二完全能實現(xiàn)設計要求，并且容易掌握，此方案是利用編程來實現(xiàn)，易于調(diào)整時間，且I/O接口很多，易于擴展外圍電路，故選擇方案二。

該系統(tǒng)要求完成當下年、月、日、時、分、秒、星期的顯示等功能。基于上述原因，考慮了三種方案。

方案一：完全采用點陣式LED 顯示。這種方案實現(xiàn)復雜，且須完成大量的軟件工作；但功能強大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等。

方案二：用七段LED數(shù)碼管完成年、月、日、時、分、秒、星期顯示，這種方案只能顯示數(shù)字、英文字符及一些簡單的數(shù)學符號，但價格相對便宜。

方案比較：相對比較而言，方案二比方案一更符合此設計要求，方案一采用點陣式LED顯示的方法，而設計只要求年、月、日、時、分、秒、星期的顯示輸出。因此這種方案既軟件工作量大，又價格相對較貴，因此權衡利弊，選擇方案二。

存儲器是整個系統(tǒng)的“連接線”，它是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的保障，為使各個模塊穩(wěn)定工作，須有可靠存儲器。下面考慮了兩種電源方案。

方案一：采用單片機存儲器。該方案的優(yōu)點是存儲方便，節(jié)約成本；缺點是斷電后存儲數(shù)據(jù)消失。

方案二：采用存儲器24C02C。該方案保證設置的打鈴時間數(shù)據(jù)在掉電時也不會丟失，同時實現(xiàn)在系統(tǒng)運行時能夠修改打鈴時間，采用開關電源作為整個系統(tǒng)的供電，它具有多路電源輸出，缺點是價格較貴。

方案比較：方案一只采用單片機自身的存儲是不行的，而方案二雖然要給另外購買，但卻能在斷電的情況下仍能存儲數(shù)據(jù)并且繼續(xù)計數(shù)。故選擇第二種方案。

根據(jù)校園打鈴系統(tǒng)的設計，可將本系統(tǒng)分為四個模塊，第一個模塊是控制模塊，主要負責整個系統(tǒng)工作的控制和運算，從而使各模塊正常工作；第二個模塊為顯示模塊，主要是對現(xiàn)時刻內(nèi)年、月、日、時、分、秒和星期的直觀顯示；第三個模塊是鍵控模塊，它的主要作用是輔助控制模塊，相當于輸入裝置，利用它可以對打鈴時間進行調(diào)節(jié)；第四個模塊是存儲模塊，它是整個系統(tǒng)的連接線，負責給各模塊提供合適的信息，讓各模塊能穩(wěn)定工作。其系統(tǒng)設計結(jié)構如圖2-3所示。

圖2-3 系統(tǒng)設計結(jié)構圖

AT89C51在此設計中起到非常重要的作用，它就像一個人的大腦，控制著整個設計的所有系統(tǒng)。此設計的控制模塊由單片機、復位電路、時鐘電路組成的。

AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPER-OM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種商效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

圖3-1 AT89C51引腳圖

AT89C51單片機引腳分布如圖3-1所示。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。

P3.0（RXD）：串行輸入口

P3.1（TXD）：串行輸出口

1.時鐘電路模塊

單片機的時鐘信號用來為單片機芯片內(nèi)部的各種操作提供時間基準。

時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，作為單片機工作的時間基準，典型的晶體管振蕩頻率為12MHz。

AT89C51單片機內(nèi)有時鐘振蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體和微調(diào)電容，就構成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號，具體電路設計如圖3-2所示。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，其值為5～30pF，在此選擇30pF；晶振X1的振蕩頻率范圍在1.2～12MHz之間選擇。

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2017-6-6 03:13 上傳

圖3-2 單片機時鐘、復位電路

2.復位電路模塊

復位電路使單片機或系統(tǒng)中的其他部件處于某種確定的狀態(tài)。

當在單片機的RST引腳處引入高電平并保持2個機器周期，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作。實際應用中，復位操作有兩種基本形式：一種是上電復位，另一種是按鍵復位。在單片機運行期間，可以利用此按鍵完成復位操作。具體電路設計如上圖3-2所示。

電鈴工作在交流電220V下，單片機工作電壓為直流電+5V，所以單片機引腳不能直接控制電鈴工作，因此我們使用單片機控制電鈴工作電路的通斷。由于單片機驅(qū)動能力有限，因而需要硬件將單片機輸出的高、低電平變成控制電鈴通斷的電路，能夠具體實現(xiàn)該功能的電路有多種。常見的方式是采用將單片機輸出信號放大后驅(qū)動繼電器，用繼電器的觸頭控制電鈴電路的接通和斷開，如圖3-3所示。

三極管在電路當中起開關作用，管型為PNP型。單片機的P1.7通過三極管驅(qū)動繼電器，當P1.7腳輸出高電平時，給三極管基極送入高電壓。此時，三極管呈截止狀態(tài)，繼電器不吸合電鈴停止打鈴；當P1.7腳輸出低電平時，給三極管基極送入的是低電壓。此時，三極管呈導通狀態(tài)，促使繼電器吸合，電鈴打鈴。

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。當輸入量達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導通或斷開的電器。繼電器線圈在斷電時會產(chǎn)生一個很大的反感生電動勢，這個電壓會損失繼電器或者電路中的元件，在繼電器線圈上反向并聯(lián)一個二極管，可將產(chǎn)生的反感生電動勢通過二極管回路釋放掉、保護繼電器線圈和電路中的電子元件不受高壓損壞。

圖3-3 聲音控制電路圖

    它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。

1.引腳功能及結(jié)構

圖3-4 DS1302引腳圖

如圖3-4所示，DS1302的引腳排列，其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1＋0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過RST輸入高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，SCLK始終是輸入端。

2.實時時鐘DS1302的控制字節(jié)

DS1302的控制字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位(位0)如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。

3.數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O)

在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。

4.實時時鐘DS1302的寄存器

DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式，其日歷、時間寄存器及其控制字。

此外，DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。DS1302與RAM相關的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。

5.引腳連接圖

圖3-5 DS1302引腳連接圖

在學校正常上課中，不可能保證學校隨時都有電，為了不影響學校的正常運轉(zhuǎn)，同學們能夠正常的上、下課。所以就采用能在學校停電時借助電池也能工作的芯片，而DS1302能夠在學校掉電時，Vcc2無法給實時時鐘DS1302供電，只有通過干電池B1給實時時鐘DS1302的Vcc1提供電量讓DS1302繼續(xù)工作，系統(tǒng)能夠繼續(xù)計時。而這時的其它電路停止工作，但存儲器中的打鈴時間不會因為沒有電而丟失。其與單片機連接方式如上圖3-5所示。

要保證設置的打鈴時間數(shù)據(jù)在掉電時也不會丟失，同時實現(xiàn)在系統(tǒng)運行時能夠修改打鈴時間，在本系統(tǒng)中采用I2C總線的串行存儲器24C02C存儲打鈴數(shù)據(jù)。

1.存儲器24C02C的引腳介紹

考慮到串口線、穩(wěn)定性等方面，本系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)傳輸存儲器。其容量計算如下：若以打鈴次數(shù)較多的校園為例，每天按12節(jié)課計算，每節(jié)課打鈴2次，再加上起床和熄燈的次數(shù)，打鈴大約在20次左右。這樣每個信息單元占8個字節(jié)，存儲時均按照非壓縮型BCD碼存儲，則需要存儲空間大約在160個字節(jié)左右，選用256字節(jié)的存儲器就能夠滿足容量的要求，可以采用ATMEL公司的24C02C。根據(jù)硬件電路的設計可得24C02C的I2C硬件地址為：0A2H/0A3H。

（1）行數(shù)據(jù)（SDA）引腳

串行數(shù)據(jù)引腳為雙向引腳，用于把地址和數(shù)據(jù)輸入/輸出期間。該引腳為漏極開路。因此，SDA總線要求在該引腳與VCC之間接入上拉電阻（通常頻率為100KHz時該電阻阻值為10K，頻率為400KHz和1MHz時，阻值為2K）。

對于正常的數(shù)據(jù)傳輸，只允許在SCL為低電平期間改變SDA電平。而SDA電平在SCL高電平期間若發(fā)生變化，表明起始和停止條件產(chǎn)生。

（2）寫保護（WP）引腳

該引腳必須連接到VSS或者VCC。如果連接到VSS，寫操作使能。如果連接到VCC，寫操作被禁止，但讀操作不受影響

2.引腳連接方法

引腳采用I2C總線連接方法，這種方法能夠節(jié)約I/O輸出端口。它主要的特點有：

（1）總線只有兩根線，即串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線，這在設計中大大簡化了硬件接口；

（2）每個連接到總線上的器件地址同時由芯片內(nèi)部硬件電路和外部地址引腳決定，避免了片選線的線連接方法，并建立簡單的主從關系，主器件既可以作為發(fā)送器，又可作為接收器；

（3）它是一個真正的多主總線，帶有競爭監(jiān)測和仲裁電路，多個主機可以任意發(fā)送而不破壞總線上的數(shù)據(jù)；

（4）同步時鐘可以作為停止或重新啟動串行口發(fā)送的握手方式；

（5）連接到同一總線的集成電路數(shù)量只受400pF最大總線電容的限制。

學校設定的系統(tǒng)時間和打鈴時間存儲在24C02C中。24C02C的三個地址端口A0、A1、A2都接地，因而其存儲地址為A000H-A6FFH，共1KB的存儲空間。其中，WP是24C02C的寫保護控制引腳，WP為低電平時，串行存儲器可以正常地讀/寫；WP為高電平時，對串行存儲器內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行寫保護。在系統(tǒng)掉電時不會丟失其中的內(nèi)容，保證了設置的打鈴時間不會因系統(tǒng)掉電而需要重新設置。如圖3-6所示。

圖3-6 24C02C引腳連接圖

鍵盤是一組按鍵的組合，它是各種儀表中最常用的輸入設備。操作人員可通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機對話。在單片機應用系統(tǒng)中，有的是單個按鍵，有的是矩陣式的按鍵，即行列式按鍵。按鍵是一種常開型按鈕開關，常態(tài)時按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵時它們才閉合。根據(jù)本設計本的要求，我們選用獨立式鍵盤實現(xiàn)整個功能。

圖3-7 獨立式按鍵結(jié)構

獨立式鍵盤的按鍵相互獨立，每個按鍵占用一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他按鍵的工作狀態(tài)。這種按鍵軟件程序簡單，但占用I/O口線較多（一根口線只能接一個鍵），適用于鍵盤應用數(shù)量較少的系統(tǒng)中。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。獨立式按鍵結(jié)構圖如圖3-7所示。

按鍵功能介紹：

模式按鍵：它的主要功能就是選擇時鐘芯片里的年、月、日、時、分、秒，當按下模式這個鍵時，它從年到月依次往后的選中，這時按調(diào)節(jié)按鈕就能從當前的時間往上調(diào)。

調(diào)節(jié)按鍵：它的主要功能就是想改變當前的系統(tǒng)時間首先要按模式鍵，選中要修改的時間，再按調(diào)節(jié)鍵就能控制當前系統(tǒng)時間遞增。

存入按鍵：它的主要功能就是把系統(tǒng)不正確的時間修改后按下存入鍵，系統(tǒng)的時間就為按下那瞬間的時間。

清空按鍵：它的主要功能就是當學校要重新輸入打鈴時間的時候，就先按下清空鍵，再輸入新的時間。

通過上述每個按鍵的功能介紹，實現(xiàn)對打鈴系統(tǒng)的打鈴時間設置。與單片機具體鏈接圖，如圖3-8所示。

在本系統(tǒng)中因為要顯示年、月、日、星期、時、分、秒，如果用發(fā)光二極管不能具體的顯示出來，所以采用了七段數(shù)碼顯示管來作為顯示元件。

數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管構成，可以用來顯示數(shù)字、字符等它在家電及工業(yè)控制中有著很廣泛的應用。數(shù)碼管實際上是由7個發(fā)光管組成“8”字形構成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a、b、c、d、e、f、g、dp來表示。數(shù)碼管的引腳結(jié)構如圖3-9 所示，其中COM引腳為公共端，用來控制數(shù)碼管顯示的打開或關閉，既起到“使能”作用。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣。

根據(jù)公共端接法方式的不同，數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構的二極管，分別如下：

共陽極就是將8個LED的陽極連接到一起組成公共端COM，接到正極，當相應字段為低電平“0”時，可以點亮該字段；但相應字段為高電平“1”時，該字段不亮。

共陰極就是將8個LED的陰極連接到一起組成公共端COM，接負極，當相應字段為高電平“1”時，可以點亮該字段；當相應字段為低電平“0”時，該字段不亮。

圖3-9 LED數(shù)碼管引腳

數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。

數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。

圖3-10 數(shù)碼管動態(tài)顯示電路

動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃“a、b、c、d、e、f、g、dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。數(shù)碼管動態(tài)顯示連接，如圖3-10所示。

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圖4-1 整機原理圖

電路中采用I2C總線的串行存儲器24C02C，在系統(tǒng)掉電時不會丟失其中的內(nèi)容，保證了設置的打鈴時間不會因系統(tǒng)掉電而需要重新設置。24C02C的三個地址端口A0、A1、A2都接地，因而其存儲地址為A000H-A6FFH，共1KB的存儲空間。其中，WP是24C02C的寫保護控制引腳，WP為低電平時，串行存儲器可以正常地讀/寫；WP為高電平時，對串行存儲器內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行寫保護。

實時時鐘芯片DS1302采用3V的電池作為后備電源，使DS1302內(nèi)部的時鐘不會因為系統(tǒng)掉電而停止。在系統(tǒng)正常供電時，DS1302通過內(nèi)部的涓流充電電阻給后備電池充電，能保證系統(tǒng)電池的長時間工作。

掉電情況下：由BAT1干電池通過DS1302的引腳VCC1供電，系統(tǒng)時間不會因為沒有電而停止工作，顯示電路、鍵盤電路、存儲電路、聲音控制電路因為AT89C51沒有電，所以停止工作。來電時，數(shù)碼管上顯示的系統(tǒng)時間不會是停電時刻的時間，系統(tǒng)繼續(xù)工作。

正常情況下：按鍵按鈕通過AT89C51的P1.3、P1.4、P1.5、P1.6腳進行調(diào)節(jié)、存入、清空系統(tǒng)當前時間和打鈴時間和模式選擇。當前系統(tǒng)時間在數(shù)碼管上顯示系統(tǒng)時間和打鈴時間，學校設置的打鈴時間存儲在外部存儲器24C02C中。DS1302時鐘芯片為單片機提供實時時間并與24C02C中的打鈴時間進行比較來控制AT89C51的P1.7腳輸出高、低電平。如果當前系統(tǒng)與打鈴時間不一致，AT89C51中的P1.7腳就輸出高電平，三極管Q1截止，繼電器斷開，電鈴電路不導通。如果當前系統(tǒng)時間與打鈴時間一致，AT89C51中的P1.7腳就輸出低電平，三極管Q1導通，繼電器閉合，電鈴電路導通打鈴。

本系統(tǒng)中軟件部分應承擔日期時間顯示、按鍵掃描、系統(tǒng)狀態(tài)設置、打鈴時間判斷等功能。

打鈴系統(tǒng)程序打鈴是是調(diào)用存儲器中存儲的打鈴時間，把鬧鈴值與計時值的時、分單元比較，看是否相等，如果不相等就不打鈴，如果相等就啟動鬧鈴，鬧鈴延時時間為12秒。程序流程圖如圖5-1所示。

圖5-1 打鈴系統(tǒng)流程圖（附件中剛有圖片）

讀時間日期顯示程序是先對時間日期進行初始化，再對是顯示年月日還是顯示時分秒進行判斷，并利用總線加以顯示。程序流程圖如圖5-2所示。

圖5-2 讀時間日期顯示流程圖

顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現(xiàn)三位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測量數(shù)據(jù)在顯示時需轉(zhuǎn)換成10進制BCD碼放在24C02C存儲器中，再轉(zhuǎn)換成十進制進過總線輸出，經(jīng)由單片機控制LED顯示。程序流程圖如圖5-3所示。

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圖5-3 LED顯示的流程圖

主程序比較簡單，初始化完成后，調(diào)用按鍵掃描程序，取得鍵值，并根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)用相應的子程序。這里有五個基本的子程序供調(diào)用，分別對應系統(tǒng)的各種功能狀態(tài)。分別是打鈴時間設置子程序、當前時間顯示子程序、鍵盤模塊子程序、打鈴校準子程序等。程序流程圖如圖5-4所示。

圖5-4 控制模塊的流程圖

下面用keil與porteus仿真軟件實現(xiàn)校園打鈴的仿真與調(diào)試。

Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。

Keil C51 µVision2集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software，Inc/Keil Elektronik GmbH開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)嵌多種符合當前工業(yè)標準的開發(fā)工具，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程尤其是C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。

Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外圍電路（如LCD，RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件）。

1.在uVision集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建新項目（Project），擴展文件名為UV2，并為該項目選定合適的單片機CPU器件。

2.用uVision的文本編輯器編寫源文件，可以是匯編文件（.ASM），也可以使C語言文件（擴展名.C），并將該文件添加到項目中去。一個項目文件可以包含多個文件，除了源程序文件外，還可以是庫文件、頭文件或文本說明文件。

3.通過uVision2的相關選擇項，配置編譯環(huán)境、連接定位器以及Debug調(diào)試器的功能。

4.對項目中的源文件進行編譯連接，生成絕對目標代碼和可選的HEX文件，如果出現(xiàn)編譯連接錯誤則返回到第2步，修改源文件中的錯誤后重構整個項目。

5.對沒有語法錯誤的程序進行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后將HEX文件寫入到單片機應用系統(tǒng)的ROM中。

6.下一步就可以在Proteus軟件中將HEX文件燒入單片機。

通過以上步驟，來實現(xiàn)校園打鈴系統(tǒng)設計的仿真：

狀態(tài)1：LED數(shù)碼管對年、月、日顯示的仿真效果如圖6-1所示。

圖6-1 當前年、月、日的顯示

狀態(tài)2：LED數(shù)碼管對時、分、秒和星期顯示的仿真效果如圖6-2所示。

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圖6-2 當前年、月、日的顯示

Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的電路分析實物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和IC，并支持單片機，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng)。

表6-1 器件庫及所選器件

操作步驟如下：

1.進入proteusISIS集成環(huán)境，在工作前，在systerm菜單下設置界面的顏色、圖形界面大小等項目，我采用了系統(tǒng)默認值。

2.通過工具欄中的P（從庫中選擇元件命令）命令，在pickdevices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件到編輯區(qū)并調(diào)整其相對位置，進行元件參數(shù)設置，元器件間連線。器件庫如表6-1所示。

本次是通過51單片機實現(xiàn)校園打鈴系統(tǒng)的設計，設計的目的是能過通過按鍵系統(tǒng)的功能對打鈴時間的更改、存儲、清除等操作，能通過數(shù)碼管顯示低昂前系統(tǒng)的時間，并顯示具體的打鈴時間。單片機的存儲容量小，所以采用了I2C總線的串行存儲器24C02C，并通過始終芯片DS1302進行時鐘控制，最后經(jīng)過三極管的開關性能控制繼電器進而控制鈴聲。

通過本次設計，鞏固了單片機原理及應用這門課的所學的知識與技能，更加了解單片機的功能及應用，最開始拿到這個課題的時候，腦袋里只是白茫茫的一片，說不懂吧，好像又有點懂，說全懂吧，好像又有些不懂。其實這次設計說難也不是很難，但也不會簡單哪里去。只是要把以前學的東西融合起來變成自己需要的東西。這次畢業(yè)設計我認為不僅僅是一次簡單的設計，同時也教會我們學以致用的道理，很多知識我們學過卻沒有應用到實踐中，很可能就荒廢了，但通過這次設計讓我加深知識的理解，真正將知識與實踐結(jié)合，達到了理論的升華，同時也是一次熟悉知識、改正錯誤、提升自己的機會。

這次畢業(yè)設計提高了我的查閱資料的能力，同時也使我的能力也得到了提升，提高是有限的但提高也是全面的，正是這一次設計讓我積累了無數(shù)實踐經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝了起來。同時我也學會了僅憑個人的知識是有限的，需要多思多問。這也是學習需要的效果。也必然會讓我在未來的工作學習中表現(xiàn)出更高的應變能力、更強的溝通力和理解力。

這次設計是我第一次用單片機運用到實際生活當中，所以在很多地方都有不足之處。希望各位老師給我更多的建議，以便我在將來的設計中做的更好，誠心希望老師的指點。

[1] 蘇平主編.單片機原理與接口技術.北京:電子工業(yè)出版社，2003

[2] 林伸茂主編.8051單片機徹底研究實習篇.北京:人民郵電出版社，2005

[3] 韓志軍主編.單片機應用系統(tǒng)設計.北京:機械工業(yè)出版社，2005

[4] 陳坤.電子設計技術.成都:電子科技大學出版社，1997

[5] 李秀忠主編.單片機應用技術.北京:人民郵電出版社，2007

[6] 肖洪兵主編.跟我學單片機.北京:北京航空航天大學出版社，2002

[7] 張國鋒主編.單片機原理及應用.北京:機械工業(yè)出版社，2009

[8] 張旭濤.單片機原理及應用.北京:北京理工大學出版社，2007

[9] 張偉.單片機原理及應用.北京:機械工業(yè)出版社，2005