導(dǎo)語：詮解單片機鈴聲控制系統(tǒng)設(shè)計一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹一種以單片機為核心的鈴聲自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機AT89C51和時鐘芯片PCF8583組成，通過RS-485串口通信連接主機和各響鈴從機，可完成時間的修改和定時響鈴等功能。

關(guān)鍵詞：單片機、時鐘、RS-485通信

1引言

當(dāng)今社會，計算機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。尤其是以單片機為代表的微型計算機的應(yīng)用最為廣泛，它們憑借其體積小、價格低、功能強、性價比高等優(yōu)點，占有了計算機應(yīng)用領(lǐng)域的半壁江山。本文筆者以單片微型計算機為核心，同時運用RS-485遠(yuǎn)程通信協(xié)議，設(shè)計出一款鈴聲控制系統(tǒng)，克服了以往打鈴鐘定時不準(zhǔn)確，電路復(fù)雜，可靠性低，成本高等缺點，使用戶可以隨時對任意一點的鈴聲時刻進(jìn)行修改和設(shè)定，而不影響走時，并且可以方便可靠的實現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程控制。該鈴聲控制系統(tǒng)可以廣泛的適用于學(xué)校、工廠、車站等不同場合的實時報時控制。

2系統(tǒng)簡介

鈴聲控制系統(tǒng)整體由兩部分組成：主控中心和終端電鈴。主控中心以單片機為核心，包括控制電路、顯示電路、監(jiān)控電路和遠(yuǎn)程通信部分電路。用戶可以通過控制電路操作主控中心，對遠(yuǎn)程電鈴進(jìn)行控制。終端電鈴為響應(yīng)控制設(shè)備，通過其自身的控制系統(tǒng)可以獲得清晰、響亮的聲響，另外還可以實現(xiàn)不同的時刻發(fā)出的鈴聲不同。同時主控中心和終端電鈴都具有掉電保護的功能，極大的提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，它們之間通過RS-485異步串行通信完成遠(yuǎn)程（1200米）數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

3系統(tǒng)設(shè)計

主機硬件設(shè)計

主機作為整個系統(tǒng)的主控中心按系統(tǒng)要求需要完成的功能有：實時時鐘的產(chǎn)生、用戶控制輸入、各類信息的顯示、數(shù)據(jù)的存取以及遠(yuǎn)程通信。其主要包括：MCU，時鐘產(chǎn)生模塊，控制輸入模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊及通信模塊的選用。

3.1.1MCU的選用

按系統(tǒng)要求及現(xiàn)實條件，該系統(tǒng)選用的MCU是ATMEL公司的89C51，在實際設(shè)計中89C51主要完成智能化的控制、顯示和通信等功能。

3.1.2時鐘的產(chǎn)生

本系統(tǒng)采用外接時鐘芯片(選用PCF8583時鐘芯片)，這樣單片機對其控制就可以以獲得穩(wěn)定的時鐘輸出。

3.1.3鍵盤及顯示電路

針對功能要求，本系統(tǒng)采用的是矩陣式鍵盤和普通的數(shù)碼管顯示電路。矩陣式鍵盤共設(shè)置了16個按鍵，由4*4矩陣式自制鍵盤構(gòu)成，包括0到9十個數(shù)字鍵，以及6個功能鍵。

3.1.4數(shù)據(jù)存儲

考慮到節(jié)省口線、穩(wěn)定性等方面，本系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)傳輸存儲器。其容量計算如下：若以打鈴次數(shù)較多的校園為例，每天按12節(jié)課計算，每節(jié)課打鈴2次，再加上起床和熄燈的次數(shù)，打鈴大約在30次左右。每次打鈴的信息格式如圖2。這樣每個信息單元占8個字節(jié)，存儲時均按照非壓縮型BCD碼存儲，則需要存儲空間大約在240個字節(jié)左右，選用256字節(jié)的存儲器就能夠滿足容量的要求，故采用了ATMEL公司的24C02。根據(jù)硬件電路的設(shè)計可得24C02的I2C硬件地址為：0A2H/0A3H。

3.1.5監(jiān)控電路

為保證系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用了看門狗芯片X5045，可直接與許多通用的微控制器的同步串行外設(shè)接口（SPI）連接。

3.1.6通信模塊

按中遠(yuǎn)距離（1200米）通信要求，本系統(tǒng)采用異步串行通信的方式。從距離及穩(wěn)定性方面考慮，本系統(tǒng)選用平衡傳輸方式的串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485作為通信標(biāo)準(zhǔn),在具體設(shè)計中，采用的通信接口芯片是MAX485。

從機作為整個控制中心的響應(yīng)設(shè)備，主要完成的功能有：主機命令的接收、應(yīng)答和響鈴的控制。整個從機電路是以AT89C2051微處理器為核心，連接響鈴控制電路。其電路連接如圖所示。

3.3電源模塊

在設(shè)計中根據(jù)系統(tǒng)要求(當(dāng)突然斷電時，系統(tǒng)整體仍能持續(xù)運行)選用了一個較大的電解電容,斷電時其所放電量可以保證單片機及其外圍器件（PCF8583、X5045、24C02）正常工作。但在實際測試過程中，如果還需對顯示模塊供電，則單片機就會由于電力不足而復(fù)位。為了解決以上問題，可以在顯示供電部分的硬件電路中添加一個二極管，如圖4所示，通過它的單向?qū)щ娦詠肀ＷC單片機系統(tǒng)

在突然斷電時能夠持續(xù)的工作。

4軟件設(shè)計

該鈴聲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為主機軟件設(shè)計和從機軟件設(shè)計。對于整個軟件系統(tǒng)設(shè)計而言，系統(tǒng)監(jiān)控程序的設(shè)計是關(guān)鍵，是單片機系統(tǒng)程序的框架。因此本系統(tǒng)主、從機軟件設(shè)計都采用了一般結(jié)構(gòu)模式，并綜合考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理性及運行穩(wěn)定性，主機系統(tǒng)采用了狀態(tài)順序編碼、監(jiān)控模塊在中斷子程序中的設(shè)計風(fēng)格，但鑒于該系統(tǒng)狀態(tài)單一性，從機系統(tǒng)并未采用狀態(tài)編碼方式，而是由主程序和串口中斷子程序構(gòu)成。

4.1主機軟件設(shè)計

主機軟件設(shè)計主要由自檢和初始化主程序、定時/計數(shù)器T0中斷服務(wù)程序，以及鍵盤掃描、顯示、狀態(tài)獲得、串口中斷和延時等子程序構(gòu)成。它實現(xiàn)了對硬件設(shè)備的檢測、整個系統(tǒng)運行中的調(diào)度和實時監(jiān)控以及對硬件和軟件的初始化。

4.1.1主程序設(shè)計

系統(tǒng)通電復(fù)位后，程序隨即進(jìn)入主程序，完成對系統(tǒng)的自檢。接著對系統(tǒng)進(jìn)行正常的初始化，包括硬件和軟件初始化。初始化結(jié)束，主程序進(jìn)入等待方式。流程如圖5所示。

系統(tǒng)自檢包括按鍵、顯示檢測、時鐘芯片PCF8583檢測和E2PROM芯片24C02數(shù)據(jù)區(qū)檢測。（1）按鍵、顯示檢測：檢測前數(shù)碼管處于全滅狀態(tài)，隨即顯示提示輸入按鍵（P）。若按下任意鍵，數(shù)碼管顯示該按鍵值，一秒后數(shù)碼管全滅退出檢測。按鍵功能與鍵值定義如下：數(shù)字鍵0-9，功能鍵A-F（A-修改時鐘，B-修改時間表，C-通信檢測，D-確定，E-取消，F(xiàn)-移位）。（2）時鐘芯片PCF8583檢測：首先初始化始終芯片為2003年12月31日，24時59分55秒。啟動時鐘并顯示，直至?xí)r間顯示為2004年1月1日，0時0分5秒。隨后數(shù)碼管全滅，檢測退出。（3）E2PROM芯片24C02數(shù)據(jù)區(qū)檢測：顯示DATATEST，檢測開始。24C02有256個字節(jié)的E2PROM，程序依次對每個字節(jié)讀出保存數(shù)據(jù)。寫入0，讀出核對，如正確再寫入0FFH，讀出核對。核對無誤把原數(shù)據(jù)恢復(fù)。若在檢測過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)核對有誤則顯示出錯（ERROR），并把該出錯數(shù)據(jù)區(qū)地址顯示出來。至此系統(tǒng)自檢結(jié)束。

系統(tǒng)初始化包括定時/計數(shù)器T0，時鐘時間表，串口相關(guān)硬件以及看門狗X5045初始化。（1）定時/計數(shù)器T0初始化：定時/計數(shù)器T0在該系統(tǒng)中作為監(jiān)控程序的載體，其初始值須多方面考慮。設(shè)定為定時器，定時50ms，采用方式1（16位定時/計數(shù)器）。因單片機所用晶振為12MHz，故初值X可用如下公式計算：

50ms＝（65536-X）結(jié)果X=15536

定時器T0的初始化程序如下：

MOVTMOD，#21H；設(shè)置定時器T0方式1

MOVTH0，#HIGH（15536）；填定時器初值高字節(jié)

MOVTL0，#LOW（15536）；填定時器初值低字節(jié)

SETBTR0；開定時器T0

SETBET0；允許T0中斷

SETBEA；總中斷允許

（2）時鐘時間表的初始化：時鐘芯片PCF8583的設(shè)置在本系統(tǒng)中需要對其內(nèi)部9個寄存器進(jìn)行初始化：控制狀態(tài)寄存器（00H），計數(shù)寄存器百分之一秒單元（01H），秒單元（02H），分單元（03H），時單元（04H），年/日期單元（05H），星期和月份單元（06H），時鐘起鬧控制寄存器（08H），起鬧定時器（0FH）。其中控制狀態(tài)寄存器設(shè)置為32.768K計數(shù)方式。（3）串口初始化：包括波特率設(shè)置、串口方式設(shè)置和硬件MAX485設(shè)置。為了通信的穩(wěn)定性與正確性，串口方式設(shè)置為方式3（9位通用異步接收器/發(fā)送器），即對串口控制寄存器SCON設(shè)值為0D0H。波特率設(shè)置方式為方式2（具有自動重裝初值的8位定時/計數(shù)器），用定時/計數(shù)器T1作為波特率發(fā)生器。設(shè)置波特率為2400。其計算公式如下：

波特率=得定時器初值X=230（即0E6H）

MAX485設(shè)置：因MAX485為半雙工方式，所以它的發(fā)送/接收需要對引腳/RE、DE按要求進(jìn)行置位/復(fù)位設(shè)置。

（3）看門狗初始化：本系統(tǒng)使用了硬件看門狗X5045，考慮程序的運行時間選擇了600ms的復(fù)位時間。

程序為：MOVA,#10H；X5045方式,看門狗600mLCALLWRSR寫入

系統(tǒng)初始化結(jié)束后，主程序進(jìn)入節(jié)電等待方式。該方式下，送往CPU的時鐘信號被封鎖，CPU進(jìn)入等待狀態(tài)，此時堆棧指針SP、程序計數(shù)器PC、程序狀態(tài)字PSW、累加器A的狀態(tài)均保持不變，I/O引腳保持以前的狀態(tài)。等待方式可由中斷或復(fù)位來退出。在本系統(tǒng)中主要是由定時中斷T0來喚醒，之后進(jìn)入監(jiān)控循環(huán)。

3.1.2定時中斷監(jiān)控程序設(shè)計

定時中斷服務(wù)程序是本系統(tǒng)程序的核心，由填定時器初值、喂狗模塊，時間標(biāo)志位、出錯狀態(tài)判斷模塊，鍵盤處理模塊，顯示閃爍判斷及顯示等模塊構(gòu)成。流程圖如圖6所示。狀態(tài)0——初始狀態(tài)，正常顯示時鐘；狀態(tài)1——修改時鐘狀態(tài)；狀態(tài)2——修改時間表狀態(tài)；狀態(tài)3——通信檢測狀態(tài)

（1）填定時器初值喂狗模塊：主要為監(jiān)控循環(huán)正常運行而設(shè)置，看門狗定時器復(fù)位使其繼續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)運行。

（2）時間標(biāo)志位、出錯狀態(tài)判斷模塊：為以下程序運行中的一些時間要求而設(shè)置。包含1/2秒標(biāo)志和1秒標(biāo)志；出錯狀態(tài)判斷模塊是為顯示定時間（1s）的出錯信息而設(shè)置，包含時鐘輸入出錯和時間表改動出錯兩種出錯狀態(tài)。

（3）鍵盤處理模塊：它是監(jiān)控程序的主要組成部分，負(fù)責(zé)掃描鍵盤，解釋按鍵和調(diào)度執(zhí)行模塊。

（4）閃爍判斷及顯示模塊：按照硬件設(shè)計，本系統(tǒng)的顯示為靜態(tài)模擬串口顯示。顯示不需要定時刷新，所以在鍵盤處理后對是否顯示及是否閃爍要進(jìn)行判斷，以便進(jìn)入正確的顯示模塊。設(shè)置了兩個標(biāo)志位：顯示標(biāo)志DISPF和閃爍標(biāo)志FLAHF。顯示判斷模塊流程可參照圖7。若有閃爍位則該位由顯示1/4秒，滅1/4秒來造成閃爍效果。

3.1.3其他應(yīng)用子程序設(shè)計

本系統(tǒng)中的應(yīng)用子程序包括鍵盤掃描子程序、顯示子程序、狀態(tài)獲得子程序、串口中斷子程序、延時子程序以及I2C總線和SPI總線的兩個通用軟件包。部分子程序在上面已做過介紹了，下面只對串口中斷子程序、延時子程序和兩種總線的通用軟件包做說明。

（1）串口中斷子程序：在本系統(tǒng)的通信中應(yīng)用的是RS485串口通信，對于硬件可參照硬件設(shè)計的通信部分。因為該通信簡單不存在大量數(shù)據(jù)的通信，所以通信協(xié)議是自行定義的。格式有兩種：通常狀態(tài)下，通信為兩個字節(jié)，首字節(jié)為地址（廣播地址0），尾字節(jié)為響鈴類型，該通信不需要從機回應(yīng)。檢測狀態(tài)下，通信為一個字節(jié)，包括廣播檢測和單機檢測。廣播檢測地址為0FFH，單機地址為某從機號（01-99）。當(dāng)從機接收到0FFH或本機號時響鈴（類型0），否則不做任何響應(yīng)。接收到本機號時要向主機發(fā)送回應(yīng)，主機接到回應(yīng)表示該從機運行正常。串口中斷子程序只是通常狀態(tài)下調(diào)用的，主要是為了發(fā)送響鈴類型而設(shè)置的。

（2）延時子程序：本系統(tǒng)中設(shè)置了一個比較精確的1ms延時程序，其他延時程序都是在此基礎(chǔ)上調(diào)用多次實現(xiàn)的：

經(jīng)計算可知該程序執(zhí)行用993個機器周期，當(dāng)采用12MHz的晶振，1個機器周期=1μs，則執(zhí)行該程序要993μs，與1ms比較存在7μs誤差。

（3）I2C總線和SPI總線通用軟件包：本系統(tǒng)硬件設(shè)計中使用了兩個I2C總線器件：時鐘芯片PCF8583和E2PROM24C02，地址分配為PCF8583—0A0H/0A1H，24C02—0A2H/0A3H。本系統(tǒng)I2C模擬通用軟件包由信號模擬子程序STA、STOP、MACK、MNACK和通用子程序CACK、WRBYT、RDBYT、WRNBYT、RDNBYT共九個子程序組成。可以設(shè)置在程序存儲器的任何空間，占用的資源有R0(18H)、R1(19H)、F0、C。通用軟件包中的符號單元有：MTD—發(fā)送緩沖區(qū)首址，MRD—接收緩沖區(qū)首址，SLA—尋址字節(jié)（SLAW／R）存放單元，NUMBYT—傳送字節(jié)數(shù)n存放單元。本系統(tǒng)通用軟件包適用于以80C51系列為主控器的I2C總線應(yīng)用系統(tǒng)，主控時鐘頻率為12MHz。如果時鐘頻率改變則應(yīng)適當(dāng)修改信號模擬子程序中的定時要求。通用軟件包中直接與應(yīng)用程序編寫有關(guān)的子程序為WRNBYT和RDNBYT。相應(yīng)的I2C總線讀寫指令為：

4.2.1主程序設(shè)計

本鈴聲控制系統(tǒng)的從機軟件設(shè)計，主要包含有主程序（自檢程序和初始化程序）、定時中斷服務(wù)程序及若干子程序設(shè)計。由于從機外圍硬件電路很少，故上電復(fù)位后，省去對外圍器件的檢測，立即進(jìn)入正常的初始化。從機完成的主要功能是對主機發(fā)送命令能夠及時準(zhǔn)確的接收并響應(yīng)，所以初始化主要是串行口的設(shè)置。具體流程見圖8。串口通信要求通信雙方必須有相同的波特率，系統(tǒng)中設(shè)置波特率為2400，為了保證通信的穩(wěn)定性與正確性，設(shè)置為方式3（9位通用異步接收器/發(fā)送器），即對串口控制寄存器SCON設(shè)值為0D0H。初始化結(jié)束后，主程序即刻進(jìn)入空閑模式：

AT89C2051進(jìn)入等待模式，直到接收到主機命令。

4.2.2串口中斷子程序

為了讓通信更加穩(wěn)定，我們制定了自己的通信協(xié)議：把通信狀態(tài)分為兩種：正常通信狀態(tài)和檢測通信狀態(tài)。正常通信狀態(tài)主要完成定時通信打鈴的功能，命令格式為兩個字節(jié)，第一字節(jié)為廣播地址：0；另一字節(jié)為響鈴類型。檢測通信狀態(tài)主要完成對從機的通信檢測，分為廣播檢測和單機檢測。命令格式是一個字節(jié)為地址字節(jié)，其中廣播檢測地址為0，單機檢測地址為該從機號01-99。串行口中斷請求由接收所引起。串行接口接收到了一幀信息，便由硬件置RI=1，在CPU允許中斷請求的情況下，向CPU申請中斷，中斷響應(yīng)后，必須由軟件清楚RI。故在串行口中斷子程序開始，首先清除RI，然后由特殊功能寄存器SBUF讀取數(shù)據(jù)。如上流程圖示。讀取數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗，由于采用的是串行口工作方式3，所以將SCON中的位RB8作為一次校驗，同時也取PSW中的奇偶校驗位P進(jìn)行二次校驗，最大可能的保證接收數(shù)據(jù)的正確性。校驗程序段如下：

當(dāng)數(shù)據(jù)校驗正確時，進(jìn)入正常響應(yīng)階段。按照通信協(xié)議的約定，串口中斷子程序?qū)γ钸M(jìn)行解釋并按命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。詳細(xì)命令解釋判斷見圖9。各標(biāo)志判斷結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入響鈴控制流程。按照要求，響鈴時間為10秒，系統(tǒng)中取定時器T0，配合一個記數(shù)單元構(gòu)成10秒的延時。不同時刻要求響鈴類型不同，在實際設(shè)計過程中，利用T0的中斷速率來控制產(chǎn)生聲音的脈沖頻率，通過一個音頻放大器做簡單的功率放大后產(chǎn)生不同的聲音（見從機硬件部分）。

程序中T0的初值TH、TL0用于頻率的控制，利用兩個中間單元DPH、DPL，不同的響鈴類型只需把需要的初值提前放置到DPH、DPL中，調(diào)用設(shè)置T0的以上子程序即可。

5結(jié)束語

在整個設(shè)計過程中，無論硬件還是軟件，始終以模塊化設(shè)計為指導(dǎo)思想，對整個系統(tǒng)細(xì)化，分成多個小模塊，保證每部分都能夠獨立、可靠的工作，然后把精力集中放在對各模塊之間的無縫接口上。最終采用TKS-58仿真器來完成了整個系統(tǒng)的調(diào)試。