1、第 1 页 共 43 页基于单片机的专用定时器摘要： 本设计主要研究以单片机为核心的专用定时器。该系统在单片机的控制下能够完成三个定时时间,而且每个时间的初值都可以改变，通过 LED 数码管显示剩余时间。本文主要解决了两个问题：一个是数码管的显示问题，另一个是定时时间的确定。软件方面采用 Keil C51 进行 C 语言编程，用 PROTEUS 进行电路仿真，在程序控制下整个定时系统能完成时间的显示，调时，复位等功能。关键词：AT89C51，LED 数码管显示管，Keil C51,PROTEUS第 2 页 共 43 页Special-purpose Timer Base on Single-c
2、hip MicrocomputerAbstract:This major study designed to SCM as the core of an exclusive timer. The system under the control of the MCU to complete the three regular time, and each time the initial value can be changed,through LED digital display the remainder of time. This article has mainly solved t
3、wo problems: One is the digital display and the other is the determination of regular time.in the aspect of software,used Keil C51 to programm C language,and circuit simulation by PROTUUS, the entire timing system can be completed in time, transfer, reduction, and other functions under the program c
4、ontrol.Keywords:AT89C51,The LED figures tube display,Keil C51,PROTEUS1 绪论1.1 定时器概述定时器按结构可分为机械式、电动式和电子式 3 类。机械式定时器 以发条为原动力，用擒纵调速器控制走时精度，通过齿轮传动和凸轮，按时间控制机构预置的时段操纵执行机构动作。计时精度要求不高的定时器（如风扇定时器、洗衣机定时器、厨房用定时器、照相暗房用定时器、电视机控制用定时器、电灯开关定时器） ，一般采用无固有振动周期的调速器。这些定时器都是在手动上发条的同时预置时限，定时精度不高，但结构简单，使用方便。计时精度要求高、定时范围在 31
5、2 小时的定时器，一般采用摆轮游丝调速器。电动式定时器 用交流同步电动机或石英步进电机驱动，通过齿轮传动和凸轮簧片触点机构，按预置的时段或时刻控制执行机构。其中短时段控制的电动式定时器可用于程序控制式洗衣机、洗碗机、微波炉、烘箱及时间继电器等;长时段电动式定时器是一种 24 小时或 7 天程序控制的开关装置，可预置开关动作多次，最短时间第 3 页 共 43 页控制间隔一般为 15 分钟，可用于用户用电情况监控、照明控制、实验室装置控制、空调器控制和自动生产线上某些设备的定时控制等 1。电子式定时器 利用石英振荡器或民用交流电的标准频率，经过分频计数组成时间累加器或数字钟，按照预置的时间编码输出
6、控制信号。这种定时器走时精确，时间设定没有误差，定时精度高，控制程序多。其中长时段定时器最小控制时段一般为 1 分钟，配上微处理器后能精确地编制一年的时间程序，组成多路可编程序的定时器。电子式定时器在工业自动化控制系统中应用广泛，它也是节约能源管理中一种有效的技术措施。电子定时器类的电子定时开关钟，可用于按高、平、低峰用电收取不同电费制度的场合，它将一天内的用电高峰、平峰、低谷时间在定时开关中设定，并分别接通 3 种电表进行计费。电子式定时器在科学实验中和在微波炉、电饭锅、洗衣机等电器中也有使用 2。基于单片机的专用定时器是比较常用设备的基本电环境中，定时器能给我们的工作、生活以及娱乐带来很大
7、的方便，充分利用定时器，人们就可摆路单元，在当今非常注重工作效率的社会脱直监督的工作，减少人力资源，充分地利用实现自动控制，提高效率。 1.2 国内外单片机的发展和应用单片机诞生于 20 世纪 70 年代末,其发展过程可以分为 SCM 单片微型计算(Single ChipMicrocomputer)阶段，低性能单片机阶段，单片机的完善阶段，8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段以及微控制器的全面发展五个阶段。单片机按其内部数据通道的宽度,可分为 4 位、8 位、16 位、32 位及 64 位。市场上在大份额的几类八位单片机是 51（Intel 公司）,AVR （Atmel 公司）和
8、PIC（美国微芯公司 Microship）八位单片机 3。为什么选用单片机进行此次设计？近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善 4。第 4 页 共 43 页自单片机出现至今，单片机技术已走过了几十年的发展路程。纵观几十年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发
9、展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，拉动广泛的应用领域，表现出比微处理器更具个性的发展趋势。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展 5。单片机应用的意义绝不限于它的功能以及所带来的经济效益上，更重要的意义在于单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法，从前由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能用单片机通过软件编程的方法实现了，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为为控制技术。这标志着一种全新概念的建立。随着单片机应用技术的推广普
10、及，为控制技术必将不断发展，日益完善，更加充实 6。在应用上，单片机在各个领域都有表现，下面就一些方面进行介绍。(1)工业自动化方面 自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要要有单片机的参与。 在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中，单片机将发挥越来越大的作用。 (2)仪器仪表方面 现在仪器仪表的自动化和智能化要求
11、越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和柔性化方向发展。此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量而易于携带和使用，并具有降低成本，增强抗干扰的能力，便于增加显示、报警和自诊断等功能。 (3)家用电器方面 当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与，所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次，例如洗衣机，电冰箱，空调机，微波炉，电视机和音像视频设备第 5 页 共 43 页等，这里说的电脑实际上就是单片机。智能化家用电器将给我们带来更大的舒
12、适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更加丰富多彩。(4) 信息和通信产品方面 信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与，例如计算机的外部设备和自动化办公设备中，都有单片机在其中发挥着作用 7。1.3 本设计要研究和解决的问题本设计主要研究以单片机为核心的专用定时器。该系统在单片机的控制下能够完成三个定时时间,而且每个时间的初值都可以改变，通过 LED 数码管剩余显示。本设计需要解决的问题大致有两个，一个是数码管的显示问题，另一个是定时时间的确定。考虑到可能单片机与数码显示管匹配问题，需要加一个驱动器，拟采用 ULN2803 作为驱动器；而定时时间则采用直
13、观的 LED 显示来区别定时时间段。下面介绍本设计文章章节的分配情况：第一章 绪论回顾了基于单片机的定时器的应用。并对单片机的现状和发展趋势进行了简要说明。第二章 单片机定时器的总体设计介绍了基于单片机定时器的总体设计方案。并介绍了选择的元器件。第三章 单片机定时器的硬件实现详细介绍基于单片机定时器的硬件设计，其中包括设计器件的介绍以及各部分电路图。第四章 单片机定时器的软件设计基于单片机的定时器的软件设计部分流程图介绍及解释。第五章 基于单片机的定时器的软件仿真利用相关软件进行仿真，来验证单片机定时器控制硬件与软件的系统特性和功能的实现情况。第六章 总结与展望整篇论文的总结。第 6 页 共
14、43 页2 总体方案设计2.1 方案设计方案一：高频脉冲信号作为定时器的时间基准，计时器实现定时。该系统的工作原理是：振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为定时器的时间基准，经分频器输出标准脉冲。T1 减计数器计时时通过 T1 预置数显示器显示 T1 的剩余时间，同时使 T1 的时间输出器和指示器工作，当 T1 计数满之后 T2 开始工作，并对 T2 预置数。T2 减计数器工作方式同 T1。当 T2 计数满之后 T3 减计数器开始工作。工作方式同 T1、T2，如此循环，便能实现该设计功能。原理框图见图 2.1.第 7 页 共 43 页T3 显示T3 显示译码器T3 减计数器T3 预置数振荡器 分
15、频器T2 预置数T2 减计数器译码器T2 显示T3时间输出和指示T2时间输出和指示T1 显示译码器T1 减计数器T1 预置数T1时间输出和指示图 2.1方案二：利用单片机定时器完成定时要求。利用单片机定时输出 Y1、Y2、Y3（如图 2.2） ，定时时间分别为 T1、T2、T3，并用发光二极管表示其时间的长短，用 LED 显示定时的剩余时间。时间长短通过按键调节。串口用来对单片机编程。原理框图见图 2.3.Y1 T1Y2 T2Y3 T3图 2.2 定时器时间输出 Y1、Y2、Y3第 8 页 共 43 页单片机发光二极管显示、指示按键调节、选择串口LED 显示驱动图 2.3 原理框图2.2 方案
16、选择方案一：优点是该方案应用稳定的高频脉冲信号作为定时器的时间基准，可以说也有同单片机一样的精确、稳定、可靠的输出时间，且对软件编写要求不高，能很好地实现设计要求的功能。缺点是该方案复杂，一般不容易弄明白它的原理，而且应用的元器件较多，在调试时出现的问题可能较多。由于原理复杂，所以成功完成该设计的概率较低。方案二：优点是利用单片机的定时器的定时，时间精确、稳定、可靠，并可以利用单片机的功能很好的进行时间的显示，指示，输出。原理简单，使用的元器件少，相对来说调试时出现的问题就少。经过无数人的证明，用单片机完全可以实现定时功能，失败的风险小。缺点是使用单片机要求写程序。对于不熟悉软件的人来说要单独
17、完成该设计有一定难度。通过对以上设计方案比较，该设计选用方案一进行设计。第 9 页 共 43 页3 硬件电路设计3.1 主要元器件介绍3.1.1 AT89C51 的芯片概述AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机, 它提供以下标准功能：4K 字节 FLASH 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个可编程 I/O 接口，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器和时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0HZ 的静态逻辑操作，共支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RA
18、M,定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位 8。该设计选用 AT89C51 单片机，AT89C51 单片机的内部框图如图 3.1 所示。第 10 页 共 43 页图 3.13.1.2 数码管显示器LED 显示器有静态显示和动态扫描显示两种工作方式。静态显示。显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制 LED，知道下一次显示时再传送一次新的显示数据。静态显示的数据稳定，占用的 CPU 时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口，该接口用于笔划段字
19、形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形，要显示新的数据时，单片机再发送新的字形码。动态扫描显示。动态扫描方法是用其接口把所有显示器的 8 个笔划段 ah 同名端连在一起，而每个显示器的公共极 COM 各自独立地受 I/O 线控制。CPU 向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟哪个显示器亮，则取决于 COM 端，而这一端由 I/O 控制的，由单片机决定何时显示哪一位。动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器 COM 端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每个显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据 9。
