单片机开发工程案例分析与解析.docx

3 单片机开发工程案例分析与解析3.1 定时报警器设计一个单片机控制的简易定时报警器。要求根据设定的初始值1-59秒进行倒计时，当计时到0时数码管闪烁“00以1Hz闪烁，按键功能如下：1设定键：在倒计时模式时，按下此键后停止倒计时，进入设置状态；如果已经处于设置状态那么此键无效。2增一键：在设置状态时，每按一次递增键，初始值的数字增1。3递一键：在设置状态时，每按一次递减键，初始值的数字减1。4确认键：在设置状态时，按下此键后，单片机按照新的初始值进行倒计时及显示倒计时的数字。如果已经处于计时状态那么此键无效。3. 模块1:系统设计1任务分析与整体设计思路根据题目的要求，需要实现如下几个方面的功能。计时功能：要实现计时功能那么需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，到达定时1秒中的功能。然后，当计时每到1秒钟后，倒计时的计数器减1。当倒计时计数器到0时，触发另一个标志变量，进入闪烁状态。显示功能：显示倒计时的数字要采用动态扫描的方式将数字拆成“十位和“个位动态扫描显示。如果处于闪烁状态，那么可以不需要动态扫描显示，只需要控制共阴极数码管的位控线，实现数码管的灭和亮。键盘扫描和运行模式的切换：主程序在初始化一些变量和存放器之后，需要不断循环地读取键盘的状态和动态扫描数码管显示相应的数字。根据键盘的按键值实现设置状态、计时状态的切换。 2单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图选用MCS-51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。由于键盘数量不多，选择独立式按键与P1口连接作为四个按键输入。没有键按下时P1.0-P1.3为高电平，当有键按下时，P1.0-P1.3相应管脚为低电平。电路原理图如图3-1所示。 图3-1 定时报警器电路原理图3程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程 单片机资源分配采用单片机的P3口作为按键的输入，使用独立式按键与P3.0-P3.3连接，构成四个功能按键。在计时功能中，需要三个变量分别暂存定时器溢出的次数T1_cnt、倒计时的初始值init_val以及当前倒计时的秒数cnt_val。按键扫描功能中，需要两个变量，一个变量key_val_new用来存储当前扫描的键值假设无按键按下那么为255，另一个变量key_val_old用来存储上一次扫描的键值。只有这两个变量值不一样时，才能说明是一次新的按键按下或弹起了，同时将新的键值赋给key_val_old变量。在显示功能中，需要定义一组数组code类型，值为0-9数字对应的数码管7段码。还需要定义一个变量(show_val)暂存要显示的数据，用于动态扫描显示中。在整个程序中，定义了一个状态变量state_val用来存储当前单片机工作在哪种状态。程序设计思路鉴于题目要求，存在三种工作模式：初始值设置模式、倒计时模式、计时到0时的闪烁模式。变量state_val为0时，处于倒计时模式。变量state_val为1时，处于初始值设置模式。变量state_val为2时，处于闪烁模式。这些状态的切换取决于按下哪一个键以及是否计时到0。状态的切换图如图3-2 图3-2 状态的切换单片机复位之后，默认处于倒计时模式，启动定时器，定时器每隔250us溢出一次，根据定时器溢出次数来计时，到1秒时将时间的计数器减1。当“设置键按下时，变量state_val由0变为1，切换到设置模式。可以使用“递增键“递减键对计时初始值进行修改。按下“确认键时，回到计时模式开始以新的初始值进行倒计时。当倒计时到0时，变量state_val由1变为2，处于闪烁状态，在这种状态下，根据按键的情况分别又切换到计时和设置状态。程序流程主程序首先需要初始化定时器的参数和一些变量，然后进入一个循环结构，在循环中始终只做两件事，一是键盘的扫描，二是数码管的动态扫描。在扫描键盘后，根据前一次按键的结果是否与本次键值相同。如果不同，表示有键按下或弹起，同时用本次按键值更新上一次的按键值。这样设计旨在防止一个按键长时间按下时被重复判为有新键按下，使得当前按下的键只有松开后，下一次按下时才算为一次新的按键。根据按键的值分别改变变量state_val的值或者在设置状态时的倒计时初始值。完整的主程序图如图3-3所示。 图3-3 主程序的流程图 在定时器的参数中，选择定时器T1的8位自动装载模式，每250us产生一次溢出中断，中断效劳程序如图3-4所示。 图3-4中断效劳程序流程图4软硬件调试方案 软件调试方案：伟福软件中，在“文件新建文件中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件新建工程的菜单中，新建工程并将C语言源程序文件包括在工程文件中。 在 “工程编译菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex和“*.bin 后缀的目标文件。硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P3.0-P3.3分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行MCU下载程序，选择相应的flash 数据文件，点击“编程按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否到达题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。3.1.3 程序设计仅供参考的C语言源程序/晶振： T1-250微秒 按键P10 P11 P12 P13/*变量的定义: show_val: 显示的值0-59 init_val: 初始值 state_val: 状态值 0-计数状态;1-设置状态;2-闪烁状态 shan_val: key_val1: 四个按键的值 255-无键;1-设置键 2-增一键 3-减一键 4-确定键 T1_cnt: 定时器计数溢出数 cnt_val: 倒计时的数值 led_seg_code：数码管7段码*/#include reg51.h /包含文件sbit P1_0=P10; /设置键sbit P1_1=P11; /增一键sbit P1_2=P12; /减一键sbit P1_3=P13; /确定键unsigned char data shan_val; /闪烁时LED的开/关状态unsigned char data cnt_val; /保存倒计数的当前值unsigned int data T1_cnt; /保存定时器溢出次数unsigned char data key_val_new,key_val_old;/存放当前扫描的键和前一次按下的键值unsigned char data state_val; /状态值unsigned char data show_val; /存放需要在数码管显示的数字unsigned char data init_val; /暂存倒计数的初始值char code led_seg_code10=0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/-延时-void delay(unsigned int i) /大约延时i*2个微秒 while(-i);/-按键扫描-unsigned char scan_key() unsigned char i; i=P1&0x0f; delay(100); /延时，去抖动 if (i=(P1&0x0f) 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;/-数码管显示-void led_show(unsigned int v) unsigned char i; if (state_val!=2) /动态扫描 i=v%10; /取要显示的数的个位 P0=led_seg_codei; /转换为7段码 P2=0xfe; /显示个位 delay(15); /延时 i=v%100/10; /取十位 P0=led_seg_codei; /转换为7段码 P2=0xfd; /显示十位 delay(5); /延时 else P0=led_seg_code0; /处于闪烁状态 if (shan_val) P2=0xff; /将数码管的关闭 else P2=0xfc; /将数码管的翻开 /-定时器T1中断效劳程序-void timer1() interrupt 3 /T1中断，250us中断一次 T1_cnt+; switch (state_val) case 0: if(T1_cnt3999) /如果计数3999, 计时1s T1_cnt=0; if(cnt_val!=0) cnt_val-; else state_val=2; /定时计数到0时，切换状态 show_val=cnt_val; break; case 2: T1_cnt=0; shan_val=!shan_val; /闪烁状态 break; /-主程序-main()init_val=59; /初始化各变量 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的存放器TMOD=0x20; /用T1计时 8位自动装载定时模式 TL1=0x19; EA=1; /翻开总中断允许 ET1=1; /开中断允许 TR1=1; /开定时器T1while(1) key_val_new=scan_key(); / 255表示无键按下 if (key_val_new!=key_val_old) / 只有当前扫描的键值与上次扫描的不同，才判断是有键按下 key_val_old=key_val_new; switch (key_val_new) case 1: /设置键 state_val=1; /处于设置状态 TR1=1; /停止计时 show_val=init_val; /显示原来的倒计数初始值 break; case 2: if(state_val=1) /只有在设置状态，增1键才有用 if (init_val0) /更改原来的倒计数初始值 init_val-; else init_val=59; show_val=init_val;/显示更改后的倒计数初始值 break; case 3: if(state_val=1) /只有在设置状态，减1键才有用 if (init_val3999) /如果计数3999, 计时1s T1_cnt=0; if (cnt_sn!=0) /南北方向计时 cnt_sn-; else state_val_sn+; if (state_val_sn2) state_val_sn=0; cnt_sn=init_snstate_val_sn; switch (state_val_sn) /根据状态值，刷新各信号灯的状态 case 0: SN_green=0 ;/南北方向绿灯 SN_yellow=1 ;/南北方向黄灯 SN_red=1 ;/南北方向红灯 break; case 1: SN_green=1 ;/南北方向绿灯 SN_yellow=0 ;/南北方向黄灯 SN_red=1 ;/南北方向红灯 break; case 2:SN_green=1 ;/南北方向绿灯 SN_yellow=1 ;/南北方向黄灯 SN_red=0 ;/南北方向红灯 break; if (cnt_ew!=0) /东西方向计时 cnt_ew-; else state_val_ew+; if (state_val_ew2) state_val_ew=0; cnt_ew=init_ewstate_val_ew; switch (state_val_ew) /根据状态值，刷新各信号灯的状态 case 0: EW_green=1 ;/东西方向绿灯 EW_yellow=1;/东西方向黄灯 EW_red=0 ;/东西方向红灯 break; case 1: EW_green=0 ;/东西方向绿灯 EW_yellow=1 ;/东西方向黄灯 EW_red=1 ;/东西方向红灯 break; case 2: EW_green=1 ;/东西方向绿灯 EW_yellow=0 ;/东西方向黄灯 EW_red=1 ;/东西方向红灯 break; /-main()/初始化各变量 cnt_sn=init_sn0; cnt_ew=init_ew0; T1_cnt=0; state_val_sn=0; /启动后，默认工作在序号为1的状态 state_val_ew=0;/初始化各灯的状态 SN_green=0 ;/南北方向绿灯亮 SN_yellow=1 ;/南北方向黄灯灭 SN_red=1 ;/南北方向红灯灭 EW_green=1 ;/东西方向绿灯灭 EW_yellow=1;/东西方向黄灯灭 EW_red=0 ;/东西方向红灯亮/初始化51的存放器 TMOD=0x20;/用T1计时 8位自动装载定时模式 TL1=0x19; EA=1; /开中断 ET1=1; TR1=1; /开定时器T1while(1) led_show(cnt_sn,cnt_ew);/主程序结束3 密码锁单片机控制的密码锁设计。AT89S52单片机P1引脚外接独立式按键S1-S8，分别代表数字键0-5、确定键、取消键。单片机从P3.0-P3.3输出4个信号，分别为1个电磁开锁驱动信号和密码错误指示、报警输出、已开锁指示信号，分别用发光二极管L1-L4指示。P3.4接一有源蜂鸣器，用于实现提示音。根本要求：1初始密码为123450，输完后按确定键开锁，取消键去除所有输入，每次按键有短“滴声按键提示音。2密码输入正确后，输出一个电磁锁开锁信号与已开锁信号，并发出两声短“滴声提示。4秒后开锁信号与已开锁指示清零。3密码输入错误时，发出一声长“滴声错误指示提示音，并密码错误指示灯亮，三次密码错误时，发出长鸣声报警，并密码错误指示灯亮，报警指示灯亮，此后15秒内无法再次输入密码，15秒过后，去除所有报警和指示。45秒内无任何操作后，去除所有输入内容，等待下次输入。模块1 系统设计1分析任务要求。写出系统整体设计思路根据题目的要求，需要考虑如下几个任务：按键的输入，密码的判断，密码输入正确或错误的计时、输出信号的控制等。 键盘的输入：由于需要输入6个数字作为密码，先要判断按键时数字键还是功能键，假设判断为数字键按下，那么需要将每次键盘的输入内容依次暂存在一个数组中。在每次按键输入时，需要启动定时器实现待机计时5秒。假设5秒内没有输入内容那么去除已输入的内容。密码的判断和计时：在按下确认键之后，要将输入的内容与初始密码核对，如果密码正确，输出相应的指示，同时还要启动定时器实现4s的计时。如果密码错误，错误计数变量增1，同时输出密码指示信号，假设错误次数超过3s，那么输出报警等信号，同时启动定时器实现15秒的计时。 输出信号的控制主要根据按键输入与密码的核对情况来决定。 整体程序设计思想：程序分为主程序和中断效劳程序两个主要局部，主程序完成变量和单片机特殊功能存放器的初始化后，进入一个循环结构。在循环中，首先判断有无按键按下，假设有按键那么判断是否数字键还是功能键，根据按键的情况执行相应的功能。然后根据密码是否正确的判断情况，执行相应的操作。循环中最后将需要显示的内容通过动态扫描在数码管上显示。 中断效劳程序只要实现三个状态的计时，待机时需要计时5秒，密码正确需要计时5s，密码3次输入错误需要计时15秒。当前处于何种计时，由主程序根据密码判断结果来决定。2选择单片机型号和所需外围器件型号，设计单片机硬件电路原理图 采用MCS51系列单片机At89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、蜂鸣器的输出驱动、独立式键盘以及发光二极管的输出等。数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。蜂鸣器的驱动采用PNP三极管8550来驱动，低电平有效。独立式按键使用上提拉电路连接，在没有键按下时，输出高电平。发光二极管串联500欧姆电阻再接到电源上，当输入为低电平时，发光二极管导通发光。硬件电路原理图如图3-9所示。 图3-9 密码锁电路原理图3分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图 软件任务要求主要包括按键扫描、密码判断、动态扫描输入的内容、计时、指示信号输出以及蜂鸣器提示音的输出等。主程序主要完成变量与存放器的初始化、按键的扫描与判断、密码的判断以及数码管动态扫描显示等。主程序流程图如图3-10所示。 图3-10 密码锁的主程序流程图中断效劳程序主要完成三种定时的计时工作，包括按键之后启动的待机计时，当待机超过5s那么去除已输入的内容。密码输入正确之后的计时，4s之后去除开锁驱动信号与已开锁指示信号。 密码输入错误3次的计时，计时15s,在那么15s内无法再次输入密码，15秒过后去除所有报警与指示。中断效劳程序流程图如图3-11所示。 图3-11 密码锁中断效劳程序流程图 单片机资源的分配与变量的定义： 密码的输入与判断需要定义4个变量。原始密码存储在数组init_val6中。键盘输入的密码存储在数据show_val6中，变量 key_index的值表示当前按键是六位密码中的哪一位，每输入一个密码数字该变量增一。密码输入错误的次数暂存在变量error_num中。 计时功能需要5个变量。模式变量cnt_state存储计时属于什么状态，0表示待机计时，1表示密码正确的计时，2表示密码错误3次的计时。三个变量cnt_val_15s,cnt_val_5s, cnt_val_4s分别实现待机、密码正确和密码错误3次后的计时工作。定时器T1每250ms产生一次中断，变量T1_cnt记录定时器溢出中断的次数，当记录到4000时表示计时1秒。4设计系统软件调试方案、硬件调试方案及软硬件联合调试方案 软件调试方案：伟福软件中，在“文件新建文件中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件新建工程的菜单中，新建工程并将C语言源程序文件包括在工程文件中。 在 “工程编译菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex和“*.bin 后缀的目标文件。硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P1.0-P1.7分别与8个独立式键盘通过插线连接起来，将P3.0-P3.3分别与4个发光二极管连接起来，P3.4与蜂鸣器的输入连接起来。在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台的下载线接口上，运行“MCU下载程序，选择相应的flash 数据文件，点击“编程按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否到达题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。 程序设计Hz，T1每250微秒中断，按键P1/*变量的定义: show_val6: 显示的值 init_val6: 密码初始值 key_val: 返回按键的值 255-表示无按键按下 key_index: 当前按键是哪一位密码 T1_cnt: 定时器计数溢出数 cnt_val_15s: 报警计时的数值 cnt_val_5s: 待机时间计时 cnt_val_4s: 输入正确，等待4秒去除开锁信号 cnt_state: 计时状态 error_num: 错误次数 led_seg_code：数码管7段码*/#include reg51.h/*说明key0=P10; key1=P11;key2=P12; key3=P13;key4=P14;key5=P15;enter=P16;esc=P17;*/sbit relay_open=P30; /电磁锁开锁驱动sbit pw_error=P31; /密码错误信号sbit alarm_out=P32; /报警输出s