单片机开发工程案例分析

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则此键无效。（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则此键无效。3.1.2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：要实现计时功能则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，达到定时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，则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寄存器之后，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1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U3HC2441A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U4HC244C9A2B6D11E12F3G8H10COM17COM34COM25COM41LED4SCHC9A2B6D11E12F3G8H10COM17COM34COM25COM41U6LED4SCHLED_ALED_BLED_CLED_DLED_ELED_FLED_GLED_HLED_A1LED_B1LED_C1LED_D1LED_E1LED_F1LED_G1LED_H1R2100R3100R4100R6100R7100R8100R9100R10100LED_A1LED_B1LED_C1LED_D1LED_E1LED_F1LED_G1LED_H1LED_A1LED_B1LED_C1LED_D1LED_E1LED_F1LED_G1LED_H1L_COM1L_COM2L_COM3L_COM4L_COM5L_COM6L_COM7L_COM8L_COM1L_COM2L_COM3L_COM4L_COM5L_COM6L_COM7L_COM8LED_J0LED_J1LED_J2LED_J3LED_J5LED_J6LED_J7LED_J4EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U289S52VCCLED_J0LED_J1LED_J2LED_J3LED_ALED_BLED_CLED_DLED_ELED_FLED_GLED_HY111.0592C1CAPC2CAPR1110KR1100C322UVCCS1RESETRSTRSTKEY1KEY2KEY3KEY4LED_J4LED_J5LED_J6LED_J7R510KR1210KR1310KR1410KVCC（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程①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（若无按键按下则为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。②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。③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。这样设计旨在避免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。State_val=0计数State_val=1设置State_val=2闪烁按下设置键按下确认键按下递增键按下递减键倒计数减到0按下确认键按下设置键主程序Mian()初始化变量和定时器扫描按键Key_old=Key_new保存键值Key_new==Key_oldN动态扫描Key_new==1？Key_new==2？Key_new==3？NN设置模式关定时器设置模式初始值-1设置模式初始值+1Key_new==4？计数模式开定时器YYYYY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，中断服务程序如图3-4所示。图3-4中断服务程序流程图定时器中断T1溢出计数值T1_cnt+1状态=闪烁？LED状态值Shan_val=!shan_valT1_cnt4000倒计数Cnt_val==0？T1_cnt=0Cnt_val=Cnt_val-1状态=闪烁退出中断NNNYYY（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\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。在“项目\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达到题目的要求，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：11.0592MT1-250微秒按键P10P11P12P13/*变量的定义:show_val:显示的值0-59init_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*/#includereg51.h//包含文件sbitP1_0=P1^0;//设置键sbitP1_1=P1^1;//增一键sbitP1_2=P1^2;//减一键sbitP1_3=P1^3;//确定键unsignedchardatashan_val;//闪烁时LED的开/关状态unsignedchardatacnt_val;//保存倒计数的当前值unsignedintdataT1_cnt;//保存定时器溢出次数unsignedchardatakey_val_new,key_val_old;//存放当前扫描的键和前一次按下的键值unsignedchardatastate_val;//状态值unsignedchardatashow_val;//存放需要在数码管显示的数字unsignedchardatainit_val;//暂存倒计数的初始值charcodeled_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//----------延时--------------voiddelay(unsignedinti)//大约延时i*2个微秒{while(--i);}//-----------按键扫描-------------unsignedcharscan_key(){unsignedchari;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;}returni;}//---------数码管显示---------------voidled_show(unsignedintv){unsignedchari;if(state_val!=2)//动态扫描{i=v%10;//取要显示的数的个位P0=led_seg_code[i];//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_code[i];//转换为7段码P2=0xfd;//显示十位delay(5);//延时}else{P0=led_seg_code[0];//处于闪烁状态if(shan_val){P2=0xff;}//将数码管的关闭else{P2=0xfc;}//将数码管的打开}}//--