單片機控制的簡易定時報警器電路設計

設計一個單片機控制的簡易定時報警器。要求根據設定的初始值（1-59秒）進行倒計時，當計時到0時數(shù)碼管閃爍“00”（以1Hz閃爍），按鍵功能如下：
（1）設定鍵：在倒計時模式時，按下此鍵后停止倒計時，進入設置狀態(tài)；如果已經處于設置狀態(tài)則此鍵無效。
（2）增一鍵：在設置狀態(tài)時，每按一次遞增鍵，初始值的數(shù)字增1。
（3）遞一鍵：在設置狀態(tài)時，每按一次遞減鍵，初始值的數(shù)字減1。
（4）確認鍵：在設置狀態(tài)時，按下此鍵后，單片機按照新的初始值進行倒計時及顯示倒計時的數(shù)字。如果已經處于計時狀態(tài)則此鍵無效。
3.1.2 模塊1:系統(tǒng)設計
（1）任務分析與整體設計思路
根據題目的要求，需要實現(xiàn)如下幾個方面的功能。
計時功能：要實現(xiàn)計時功能則需要使用定時器來計時，通過設置定時器的初始值來控制溢出中斷的時間間隔，再利用一個變量記錄定時器溢出的次數(shù)，達到定時1秒中的功能。然后，當計時每到1秒鐘后，倒計時的計數(shù)器減1。當?shù)褂嫊r計數(shù)器到0時，觸發(fā)另一個標志變量，進入閃爍狀態(tài)。
顯示功能：顯示倒計時的數(shù)字要采用動態(tài)掃描的方式將數(shù)字拆成“十位”和“個位”動態(tài)掃描顯示。如果處于閃爍狀態(tài)，則可以不需要動態(tài)掃描顯示，只需要控制共陰極數(shù)碼管的位控線，實現(xiàn)數(shù)碼管的滅和亮。
鍵盤掃描和運行模式的切換：主程序在初始化一些變量和寄存器之后，需要不斷循環(huán)地讀取鍵盤的狀態(tài)和動態(tài)掃描數(shù)碼管顯示相應的數(shù)字。根據鍵盤的按鍵值實現(xiàn)設置狀態(tài)、計時狀態(tài)的切換。
（2）單片機型號及所需外圍器件型號，單片機硬件電路原理圖
選用MCS-51系列AT89S51單片機作為微控制器，選擇兩個四聯(lián)的共陰極數(shù)碼管組成8位顯示模塊，由于AT89S51單片機驅動能力有限，采用兩片74HC244實現(xiàn)總線的驅動，一個74HC244完成位控線的控制和驅動，另一個74HC244完成數(shù)碼管的7段碼輸出，在輸出口上各串聯(lián)一個100歐姆的電阻對7段數(shù)碼管限流。
由于鍵盤數(shù)量不多，選擇獨立式按鍵與P1口連接作為四個按鍵輸入。沒有鍵按下時P1.0-P1.3為高電平，當有鍵按下時，P1.0-P1.3相應管腳為低電平。電路原理圖如圖3-1所示。

圖3-1 定時報警器電路原理圖
（3）程序設計思路，單片機資源分配以及程序流程
①單片機資源分配
采用單片機的P3口作為按鍵的輸入，使用獨立式按鍵與P3.0-P3.3連接，構成四個功能按鍵。
在計時功能中，需要三個變量分別暫存定時器溢出的次數(shù)（T1_cnt）、倒計時的初始值（init_val）以及當前倒計時的秒數(shù)（cnt_val）。
按鍵掃描功能中，需要兩個變量，一個變量（key_val_new）用來存儲當前掃描的鍵值（若無按鍵按下則為255），另一個變量（key_val_old）用來存儲上一次掃描的鍵值。只有這兩個變量值不一樣時，才能說明是一次新的按鍵按下或彈起了，同時將新的鍵值賦給key_val_old變量。
在顯示功能中，需要定義一組數(shù)組（code類型），值為0-9數(shù)字對應的數(shù)碼管7段碼。還需要定義一個變量(show_val)暫存要顯示的數(shù)據，用于動態(tài)掃描顯示中。
在整個程序中，定義了一個狀態(tài)變量（state_val）用來存儲當前單片機工作在哪種狀態(tài)。
②程序設計思路
鑒于題目要求，存在三種工作模式：初始值設置模式、倒計時模式、計時到0時的閃爍模式。變量state_val為0時，處于倒計時模式。變量state_val為1時，處于初始值設置模式。變量state_val為2時，處于閃爍模式。這些狀態(tài)的切換取決于按下哪一個鍵以及是否計時到0。狀態(tài)的切換圖如圖3-2

圖3-2 狀態(tài)的切換
單片機復位之后，默認處于倒計時模式，啟動定時器，定時器每隔250us溢出一次，根據定時器溢出次數(shù)來計時，到1秒時將時間的計數(shù)器減1。當“設置鍵”按下時，變量state_val由0變?yōu)?，切換到設置模式?？梢允褂谩斑f增鍵”“遞減鍵”對計時初始值進行修改。按下“確認鍵”時，回到計時模式開始以新的初始值進行倒計時。當?shù)褂嫊r到0時，變量state_val由1變?yōu)?，處于閃爍狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，根據按鍵的情況分別又切換到計時和設置狀態(tài)。
③程序流程
主程序首先需要初始化定時器的參數(shù)和一些變量，然后進入一個循環(huán)結構，在循環(huán)中始終只做兩件事，一是鍵盤的掃描，二是數(shù)碼管的動態(tài)掃描。
在掃描鍵盤后，根據前一次按鍵的結果是否與本次鍵值相同。如果不同，表示有鍵按下或彈起，同時用本次按鍵值更新上一次的按鍵值。這樣設計旨在避免一個按鍵長時間按下時被重復判為有新鍵按下，使得當前按下的鍵只有松開后，下一次按下時才算為一次新的按鍵。
根據按鍵的值分別改變變量（state_val）的值或者在設置狀態(tài)時的倒計時初始值。完整的主程序圖如圖3-3所示。

圖3-3 主程序的流程圖
在定時器的參數(shù)中，選擇定時器T1的8位自動裝載模式，每250us產生一次溢出中斷，中斷服務程序如圖3-4所示。

中斷服務程序流程圖

（4）軟硬件調試方案
軟件調試方案：偉福軟件中，在“文件新建文件”中，新建C語言源程序文件，編寫相應的程序。在“文件新建項目”的菜單中，新建項目并將C語言源程序文件包括在項目文件中。
在 “項目編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語法錯誤及邏輯錯誤。在編譯成功后，產生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。
硬件調試方案：在設計平臺中，將單片機的P3.0-P3.3分別與獨立式鍵盤的相應位通過插線連接起來。
在偉福中將程序文件編譯成目標文件后，運行MCU下載程序，選擇相應的flash 數(shù)據文件，點擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機的Flash中。
然后，上電重新啟動單片機，檢查所編寫的程序是否達到題目的要求，是否全面完整地完成試題的內容。

3.1.3 程序設計（僅供參考的C語言源程序）
//晶振：11.0592M T1-250微秒 按鍵P10 P11 P12 P13
/*變量的定義:
show_val: 顯示的值0-59
init_val: 初始值
state_val: 狀態(tài)值 0-計數(shù)狀態(tài);1-設置狀態(tài);2-閃爍狀態(tài)
shan_val:
key_val1: 四個按鍵的值 255-無鍵;1-設置鍵 2-增一鍵 3-減一鍵 4-確定鍵
T1_cnt: 定時器計數(shù)溢出數(shù)
cnt_val: 倒計時的數(shù)值
led_seg_code：數(shù)碼管7段碼
*/
#include "reg51.h" //包含文件
sbit P1_0=P1^0; //設置鍵
sbit P1_1=P1^1; //增一鍵
sbit P1_2=P1^2; //減一鍵
sbit P1_3=P1^3; //確定鍵
unsigned char data shan_val; //閃爍時LED的開/關狀態(tài)
unsigned char data cnt_val; //保存倒計數(shù)的當前值
unsigned int data T1_cnt; //保存定時器溢出次數(shù)
unsigned char data key_val_new,key_val_old;//存放當前掃描的鍵和前一次按下的鍵值
unsigned char data state_val; //狀態(tài)值
unsigned char data show_val; //存放需要在數(shù)碼管顯示的數(shù)字
unsigned char data init_val; //暫存倒計數(shù)的初始值
char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//----------延時--------------
void delay(unsigned int i) //大約延時i*2個微秒
{ while(--i);}
//-----------按鍵掃描-------------
unsigned char scan_key()
{ unsigned char i;
i=P10x0f;
delay(100); //延時，去抖動
if (i==(P10x0f))
{ 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;
}
//---------數(shù)碼管顯示---------------
void led_show(unsigned int v)
{
unsigned char i;
if (state_val!=2) //動態(tài)掃描
{i=v%10; //取要顯示的數(shù)的個位
P0=led_seg_code[i]; //轉換為7段碼
P2=0xfe; //顯示個位
delay(15); //延時
i=v%100/10; //取十位
P0=led_seg_code[i]; //轉換為7段碼
P2=0xfd; //顯示十位
delay(5); //延時
}
else
{ P0=led_seg_code[0]; //處于閃爍狀態(tài)
if (shan_val)
{ P2=0xff; } //將數(shù)碼管的關閉
else
{ P2=0xfc; } //將數(shù)碼管的打開
}
}
//----------定時器T1中斷服務程序---------------
void timer1() interrupt 3 //T1中斷，250us中斷一次
{ T1_cnt++;
switch (state_val)
{ case 0:
if(T1_cnt>3999) //如果計數(shù)>3999, 計時1s
{ T1_cnt=0;
if(cnt_val!=0)
{ cnt_val--;}
else
{state_val=2;} //定時計數(shù)到0時，切換狀態(tài)
show_val=cnt_val;
}
break;
case 2:
if(T1_cnt>1999) //如果計數(shù)>1999, 計時0.5s
{ T1_cnt=0; shan_val=!shan_val; } //閃爍狀態(tài)
break;
}
}
//---------主程序----------------
main()
{init_val=59; //初始化各變量
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計時 8位自動裝載定時模式
TH1=0x19; //250微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4
TL1=0x19;
EA=1; //打開總中斷允許
ET1=1; //開中斷允許
TR1=1; //開定時器T1
while(1)
{ key_val_new=scan_key(); // 255表示無鍵按下
if (key_val_new!=key_val_old)
{ // 只有當前掃描的鍵值與上次掃描的不同，才判斷是有鍵按下
key_val_old=key_val_new;
switch (key_val_new)
{ case 1: //設置鍵
state_val=1; //處于設置狀態(tài)
TR1=1; //停止計時
show_val=init_val; //顯示原來的倒計數(shù)初始值
break;
case 2: if(state_val==1) //只有在設置狀態(tài)，增1鍵才有用
{ if (init_val>0) //更改原來的倒計數(shù)初始值
{init_val--; }
else
{init_val=59;}
show_val=init_val;//顯示更改后的倒計數(shù)初始值
}
break;
case 3: if(state_val==1) //只有在設置狀態(tài)，減1鍵才有用
{ if (init_val59) //更改原來的倒計數(shù)初始值
{init_val++; }
else
{init_val=0;}
show_val=init_val; //顯示更改后的計數(shù)初始值
}
break;
case 4: if(state_val!=0) //如果已處于計數(shù)模式，確認鍵不起作用
{ cnt_val=init_val; //將初始值賦給計數(shù)變量
show_val=cnt_val; //將計數(shù)變量的數(shù)字顯示
TR1=1; //啟動定時器T1
state_val=0; //將狀態(tài)切換為計數(shù)模式
}
break;
}
}
led_show(show_val); //動態(tài)掃描
}
}