試論基于單片機(jī)的作息時(shí)間控制鐘設(shè)計(jì)

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(jì) 題 目： 基于單片機(jī)的作息時(shí)間控制鐘設(shè)計(jì) 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 31.1 作息時(shí)間控制鐘系統(tǒng)概述31.2 本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容4第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì) 5 2.1 單片機(jī)總體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)8第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 9 3.1 軟件主程序 93.2 軟件主要子程序103.2.1 鍵盤掃描子程序 10 3.2.2 萬年歷計(jì)

2、算子程序 10 3.2.3 校時(shí)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第4節(jié) 結(jié)束語15參考文獻(xiàn)16基于單片機(jī)的作息時(shí)間控制鐘系統(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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及設(shè)備向小型化、智能化發(fā)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(jià)格低廉、使用靈活等優(yōu)勢，顯示出了很強(qiáng)的生命力。進(jìn)入21世紀(jì)以來，開發(fā)推出單片機(jī)的公司很多，各種高性能單片機(jī)芯片市場也異?；钴S，新技術(shù)的不斷采用，更加使單片

3、機(jī)的種類、性能以及應(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(gè)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(jì)是一個(gè)具有報(bào)時(shí)功能的作息時(shí)間控制鐘。它利用SPCE061A單片機(jī)的2Hz時(shí)基計(jì)時(shí)，進(jìn)行年歷計(jì)算，并用SPCE061A的語音功能將它報(bào)出來；在進(jìn)行時(shí)間計(jì)算，分每加一時(shí)，都與規(guī)定的作息時(shí)間比較，如果相等則進(jìn)行相應(yīng)的控制或動作。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(gè)按鍵用于報(bào)時(shí)及校正時(shí)間。現(xiàn)代機(jī)關(guān)企業(yè)，特別是學(xué)校要求對時(shí)間加以控制，要按時(shí)打鈴及播放廣播，以保

4、證學(xué)習(xí)與工作的正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)了對時(shí)間控制的智能化。1.1 作息時(shí)間控制鐘概述科技的進(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(fèi)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，就可以使您以前的電路簡單很多。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為核心控制器件的作息時(shí)間控制鐘，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(shí)基

5、計(jì)時(shí)，進(jìn)行年歷計(jì)算，并用SPCE061A的語音功能將它報(bào)出來。SPCE061A單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心控制器件，根據(jù)從鍵盤接受的數(shù)據(jù)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作流程。整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高，實(shí)現(xiàn)了對時(shí)間控制的智能化，擺脫了傳統(tǒng)由人來控制時(shí)間的長短的不便，是現(xiàn)代學(xué)校必不可少的設(shè)備。1.2 本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)是一個(gè)具有報(bào)時(shí)功能的作息時(shí)間控制鐘。它利用SPCE061A單片機(jī)的2Hz時(shí)基計(jì)時(shí)，進(jìn)行年歷計(jì)算，并用SPCE061A的語音功能將它報(bào)出來；在進(jìn)行時(shí)間計(jì)算，分每加1時(shí)，都與規(guī)定的作息時(shí)間比較，如果相等則進(jìn)行相應(yīng)的控制或動作。假定某高校的作息時(shí)間如下所示： 08：00-08：50 第一節(jié)課 09

6、：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 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(yáng)聲器SPEAKER放音，SPEAKER可選用4或8揚(yáng)聲器。IOA15接一個(gè)LED，到規(guī)定的作息時(shí)間用LED閃爍來表示，使用者可根據(jù)具體需要來控制電鈴、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(gè)二極管連續(xù)降壓使5v的電壓降至

7、3.6v，接近3.3v供芯片使用，這種方法比較簡單，但電壓值不是很精確。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)主要硬件電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方面很多，主要考慮以下幾個(gè)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(shí)現(xiàn)性；系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)；因此硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要?，F(xiàn)從各功能模塊的實(shí)現(xiàn)逐個(gè)進(jìn)行分析探討。2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理本設(shè)計(jì)以SPCE061A單片機(jī)為控制核心，模塊化設(shè)計(jì)，共分以下幾個(gè)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

8、.1 SPCE061A性能簡介SPCE061A的結(jié)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(gè)寄存器，4個(gè)通用寄存器R1R4，1個(gè)程序計(jì)數(shù)器PC，1個(gè)堆棧指針SP，1個(gè)基址指針BP，1個(gè)段寄存器SR，通用寄存器R3和R4結(jié)合組成一個(gè)32位寄存器MR，MR可以作為乘法運(yùn)算和內(nèi)積運(yùn)算的目標(biāo)寄存器。此外，SPCE061A有3個(gè)FIQ中斷和14個(gè)IRQ中斷，1個(gè)由指令控制的軟中斷。2存儲器    SPCE061A擁有2 kb的SRAM，還有32 kb閃存FLAS

9、H  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。3時(shí)鐘    (1)鎖相環(huán)（PLL）振蕩器PLL的作用為系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基頻（32 768 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(shí)鐘其信號源為PLL振蕩器。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率（Fosc）和CPU時(shí)鐘頻率（CPUCLK）

10、可通過編程來控制。默認(rèn)的Fosc、CPUCLK分別為24576 MHz和Fosc/8。    (3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘通常用于鐘表、實(shí)時(shí)時(shí)鐘延時(shí)以及其他與時(shí)間相關(guān)類產(chǎn)品。SPCE061A通過對32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘源分頻而提供了多種實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷源。 4低電壓監(jiān)測和低電壓復(fù)位    低電壓監(jiān)測功能可以提供系統(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?？赏ㄟ^編程來控制，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

11、V時(shí)，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定且易出故障，導(dǎo)致電源電壓過低的原因很多，如電壓的反跳、負(fù)載過重、電池能量不足等。如果系統(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(shí)，會在4個(gè)時(shí)鐘周期之后產(chǎn)生一個(gè)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。中斷控制器可處理3種FIQ中斷和14種IRQ中斷，以及1個(gè)由指令BREAK控制的軟中斷。 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(gè)可編程口：A口和B口。A口既是具有可編程喚醒

12、功能的普通I/O口，又可與ADC的多路LINE IN輸入共用，B口除了具有普通I/O口的功能外，在特定的管腳上還可以完成一些特殊的功能。7定時(shí)器/計(jì)數(shù)器    SPCE061A提供了2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：TimerA和TimerB。TimerA為通用計(jì)數(shù)器；TimerB為多功能計(jì)數(shù)器。TimerA的時(shí)鐘源由時(shí)鐘源A（高速時(shí)鐘源）和時(shí)鐘源B（實(shí)時(shí)時(shí)鐘32 768Hz）進(jìn)行“與”操作而形成，TimerB的時(shí)鐘源僅為時(shí)鐘源A。8時(shí)基    時(shí)間基準(zhǔn)信號，簡稱時(shí)基信號，來自于32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘，通過頻率選擇組合而成。時(shí)基信號發(fā)生

13、器的2個(gè)選頻邏輯TMB1和TMB2為TimerA的時(shí)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(shí)基信號發(fā)生器還可以直接生成2 Hz，4 Hz，1 024 Hz，2 048 Hz以及4 096 Hz的時(shí)基信號，為中斷系統(tǒng)提供各種實(shí)時(shí)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(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，其中7個(gè)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。另外有一個(gè)通道只作為語音輸入通道，通過內(nèi)置有自動增益控制放大器的麥克風(fēng)通道（MIC IN）輸入。實(shí)際

14、上可以把ADC看作是一個(gè)實(shí)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(gè)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別通過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(gè)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(gè)端口實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展三個(gè)按鍵用于報(bào)時(shí)及校正時(shí)間。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(yáng)聲器S

15、PEAKER放音，SPEAKER可選用4或8揚(yáng)聲器。IOA15接一個(gè)LED，到規(guī)定的作息時(shí)間用LED閃爍來表示，使用者可根據(jù)具體需要來控制電鈴、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(jì)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，完成各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實(shí)現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)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(shí)，對軟件進(jìn)行全面測試也是檢驗(yàn)錯誤排除故障的

16、重要手段。由于編程多涉及到數(shù)值運(yùn)算，比較復(fù)雜，用我們平時(shí)常用的匯編語言編程是很難實(shí)現(xiàn)的，這里我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的C語言來實(shí)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(jì)，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(gè)，這對于用電池供電的系統(tǒng)非常重要，睡眠模式可以通過按鍵中斷喚醒。圖3-1 軟件主程序流程圖3.2 軟件主要子程序3.2.1 鍵盤掃描子程序由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在鍵被按下或彈起時(shí)會出現(xiàn)電壓抖動，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時(shí)間，如圖3-2所示。為保證鍵識別的準(zhǔn)確，

17、必須進(jìn)行去抖動處理，去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是加去抖動電路，從根本上避免抖動；軟件方法有很多種，本例中主要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(shí)，則說明是穩(wěn)定的按鍵值。 圖3-2 鍵盤按下過程3.2.2 萬年歷計(jì)算子程序利用2Hz中斷做時(shí)鐘源進(jìn)行計(jì)時(shí)，每兩次中斷秒加1，并進(jìn)行年歷計(jì)算，年歷范圍從2001年到3099年。在進(jìn)行年歷計(jì)算時(shí)，有平閏年計(jì)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(jì)算子程序流程圖3.2.3 校時(shí)子程序系統(tǒng)擴(kuò)展了三個(gè)按鍵，TIME鍵用于

18、報(bào)時(shí)，由于時(shí)間包括年月日和時(shí)分，按一次TIME鍵，則報(bào)年月日，再按一次則報(bào)時(shí)分。當(dāng)一直按住TIME鍵3秒則進(jìn)入時(shí)間校正狀態(tài)，語音報(bào)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(shí)、分，調(diào)整完分后，按TIME鍵確認(rèn)，語音報(bào)出年月日時(shí)分。時(shí)間增加的流程如圖3-4所示，時(shí)間減少的流程與增加的相同，所以不再給出時(shí)間減少的流程圖。在校正時(shí)間的狀態(tài)下，如果連續(xù)2分鐘鍵沒有被按下，則自動退出圖3-4 校時(shí)子程序流程圖3.2.4 播放語音子程序報(bào)時(shí)用SACM-A2000播放，該壓縮算法壓縮比較小(8:1)所以具有高質(zhì)量、高碼率的特點(diǎn)適用于高保真音樂和語音。圖3-5 播放語音子

19、程序流程圖第4節(jié) 系統(tǒng)調(diào)試因本設(shè)計(jì)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(yàn)證數(shù)據(jù)處理的精度，確保判斷的準(zhǔn)確性外，同時(shí)必須確認(rèn)各項(xiàng)的功能的正常運(yùn)行。4.1 調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，所以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(shí)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)電路無虛焊，無短路，無斷路，集成元

20、件安裝是否正確，之后進(jìn)行電路功能模塊的分級調(diào)試，根據(jù)電路功能逐級進(jìn)行：1) 鍵盤功能調(diào)試2) 聲音輸出功能調(diào)試3) 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)很大，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(shí)，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(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊，然后再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)，最后完成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。主要是液晶顯示屏實(shí)時(shí)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。主要任務(wù)是檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的功能及其效果并校正數(shù)值。根據(jù)實(shí)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)軟件先在最小系統(tǒng)板

21、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(jì)以SPCE061A單片機(jī)為核心，是一個(gè)具有報(bào)時(shí)功能的作息時(shí)間控制鐘?，F(xiàn)代學(xué)校要求對時(shí)間加以控制，要按時(shí)打鈴及播放廣播，以保證學(xué)習(xí)與工作的正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)了對時(shí)間控制的智能化，適應(yīng)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，給人們帶來很大的效益。這次設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)由以往的手動控制變?yōu)樽詣涌刂?，可以自動控制高校的作息時(shí)間如下所示： 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