基于單片機的簡易定時報警器電路設(shè)計

設(shè)計一個單片機控制的簡易定時報警器。要求根據(jù)設(shè)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(shè)定鍵：在倒計時模式時，按下此鍵后停止倒計時，進入設(shè)置狀態(tài)；如果已經(jīng)處于設(shè)置狀態(tài)則此鍵無效。
（2）增一鍵：在設(shè)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(shè)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(shè)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(jīng)處于計時狀態(tài)則此鍵無效。
3.1.2 模塊1:系統(tǒng)設(shè)計
（1）任務(wù)分析與整體設(shè)計思路
根據(jù)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(shè)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(yīng)的數(shù)字。根據(jù)鍵盤的按鍵值實現(xiàn)設(shè)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(qū)動能力有限，采用兩片74HC244實現(xiàn)總線的驅(qū)動，一個74HC244完成位控線的控制和驅(qū)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(yīng)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(shè)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(gòu)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(yīng)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(jù)，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(shè)計思路
鑒于題目要求，存在三種工作模式：初始值設(shè)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(shè)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(fù)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(jù)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(shè)置鍵”按下時，變量state_val由0變?yōu)?，切換到設(shè)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(jù)按鍵的情況分別又切換到計時和設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jù)前一次按鍵的結(jié)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(shè)計旨在避免一個按鍵長時間按下時被重復(fù)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(jù)按鍵的值分別改變變量（state_val）的值或者在設(shè)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(chǎn)生一次溢出中斷，中斷服務(wù)程序如圖3-4所示。

中斷服務(wù)程序流程圖

（4）軟硬件調(diào)試方案
軟件調(diào)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(yīng)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(chǎn)生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。
硬件調(diào)試方案：在設(shè)計平臺中，將單片機的P3.0-P3.3分別與獨立式鍵盤的相應(yīng)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(yīng)的flash 數(shù)據(jù)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(nèi)容。