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1、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
2、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
3、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
4、如图3-1所示。J2Key?123456P10TP11TP12P13P14P15P16P17POOP01P02P03P04P05P06P0739 LED_A/ A 7 A E_/ F /38 LED37 LED36 LED35 LED34 LED33 LED32 LEDLED_A 2 LED_BT LED_C 6led_dT、LED_E 11 LED_F %led_gI5led_hI7VCc，R1INT1INTO1574VCc31161.0592CAPRST 91918T1TOEA/VPP20P21P22P23P24P25P26P2721 LED_J022 LED23 LED24 LED25
5、LED26 LED27 LED28 LEDJ1J2J3J4J5J6J7X1X2RESETEDWR89S52RXDtxDALE/PPSEN110 TT2JLED_J0 2 LED_J1T LED_J2丘 LED_J3J31A11Y11A21Y21A31Y31A41Y42A22Y22A32Y32A42Y41GHC244J4SET1G2G2A12A22A32A4LED_J411LED_J5LED_J6LED_J71718田。00.16_田 p4Q0E四七10012 尚 1009.田，丁迎、田-j00f R9_100 R10 1001A11A21A31A41Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y
6、4HC244LED_A1/LED_B /LED_C /LED_D1LED_E1/LED_F1/ LED_G1.LED_H118 L_COM16 L_COM14 L_COM、12 L_COM、9 L_COM、7 L_COM、5_L_COK73L_COMLED_H1 10 LED_ LED LED LED LED LED LEDG1 8F1 3E1 12D1 11T 9B 6A1 2LED_H1 10 LED led pED LED LED LED LEDG1 8F1 3E1 12D1 11C 9B 6A1 2J5 HCOM G Fcom? E DCOM3 C BCDMlALED4SH7L_COM
7、5L_COM4L_COM1L_COMJ6 HCOM G Fcom? E DCOMB C BCOM4ALED4SH7L_COM5L_COM4L_COK71L_COM,/(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(若无 按键按下则为255)，另一个变量(key
8、_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
9、 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按下设置键按下确认键递增键.State_val=1设置按下遂减键按下，确认键倒计数减到0State_val=2 闪烁按下设置键图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sta
10、te_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。图3-3
11、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。定时器中断T1溢出计数值T1 cnt+1图3-4中断服务程序流程图(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
12、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：11.0592M T1-250 微秒按键 P10 P11 P12 P13/*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
13、-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=P0;/设置键sbitP1_1=P1;/增一键sbitP1_2=P2;/减一键sbitP1_3=P3;/确定键unsignedchar datashan_val; /闪烁时LED的开/关状态unsignedchar datacnt_val;/保存倒计数的当前值unsignedint dataT1_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
14、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
15、;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;
16、/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; /将数码管的打开/定时器T1中断服务程序void timer1() interrupt 3/T1 中断，250us 中断一次 T1_cnt+;switch (state_val) case 0:if(T1_cnt3999) T1_cnt=0;if(cnt_val!=0) cnt_val; elsestate_val=2;show_val
17、=cnt_val;break;case 2:if(T1_cnt1999)/如果计数3999,计时1s/定时计数到0时，切换状态/如果计数1999,计时0.5s T1_cnt=0; shan_val=!shan_val; /闪烁状态 break;/-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的寄存器TMOD=0x20;TH1=0x19;TL1=0x19;EA=1;ET1=1;TR1=1;while(1) key_
18、val_主程序用T1计时8位自动装载定时模式/250 微秒溢出一次；250=(256-x)*12/11.0592 - x= 230.4打开总中断允许开中断允许开定时器T1new=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;(key_val_new)1: /设置键 state_val=1; TR1=1;show_val=init_val;break;2: if(state_val=1) if (init_val0)switch cas
19、ecase/处于设置状态/停止计时/显示原来的倒计数初始值/只有在设置状态，增1键才有用/更改原来的倒计数初始值init_val; elseinit_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_val59) /更改原来的倒计数初始值 init_val+; else init_val=0; show_val=init_val; /显示更改后的计数初始值 break; case 4: if(state_val!=0)/如果已处于计数模式，确认键不起作用 c
20、nt_val=init_val; /将初始值赋给计数变量 show_val=cnt_val; /将计数变量的数字显示 TR1=1;/启动定时器T1state_val=0;/将状态切换为计数模式/动态扫描 break; led_show(show_val);设计一个基于单片机的交通灯信号控制器。已知东、西、南、北四个方向各有红黄绿色三个灯， 在东西方向有两个数码管，在南北方向也有两个数码管。要求交通灯按照表1进行显示和定时切换， 并要求在数码管上分别倒计时显示东西、南北方向各状态的剩余时间。表1交通灯的状态切换表南北方向东西方向序号状态序号状态1绿灯亮25秒，红、黄灯灭1红灯亮30秒，绿、黄灯灭
21、2黄灯亮5秒，红、绿灯灭3红灯亮30秒，绿、黄灯灭2绿灯亮25秒，红、黄灯灭3黄灯亮25秒，红、绿灯灭回到状态1回到状态13.2.1模块1:系统设计（1）任务分析与整体设计思路试题要求实现的功能主要包括计时功能、动态扫描以及状态的切换等几部分。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。当计时每到1秒 钟后，东西、南北信号灯各状态的暂存剩余时间的变量减1。当暂存剩余时间的变量减到0时，切 换到下一个状态，同时将下一个状态的初始的倒计时值装载到计时变量中。开始下一个状态，如此 循环重复
22、执行。动态扫描：需要使用4个数码管分别显示东西、南北的倒计时数字，将暂存各状态剩余时间的 数字从变量中提取出“十位”和“个位”，用动态扫描的方式在数码管中显示。整个程序依据定时器的溢出数来计时，每计时1S则相应状态的剩余时间减1，一直减到0时触 发下一个状态的开始。（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123456780P3313 P3212P3515P3414VCc311918RST 916U2P10TP00P11TP01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT1P20INT0P21P22T1P23T0P24P25EA/VPP26P27
23、X1X2RESETRXDtxDRDALE/PWRPSEN80C3239 LED_A_/38 LED_B /37 LED_C /36 LED_D /35 LED_E /34 LED_F /33 LED_G _/32 LED_H21 LED J0 22 LED_J123 LED_J、24 LED_J厂、25 LED_J26 LED_J527 LED_J628 LED_J7、10 P30TT P313029J5LED_A 2 led_BT LED_C 6led_DTled_e 11LED_F 13LED_GL5led_h77U31A11A21A31A41Y11Y21Y31Y42A12A22A32A4
24、2Y12Y22Y32Y418R2 气/tpLED_A1/|E-./P-14R4LED C /12R6 1(0)LED_D1七9SQLED_E1 /1ExJ0LED_F1/5 1T _COM 12 L_COM、9 L_COM、7 L_COA65 L_COM、3、ZLED_J411 ZLED_J513 /LED_J615 /LED_J717LED_H1 10 LED_G1 8 led_f1_3_ LEDE1 12 LED_D1 11 LED_a 9 LED B 6LED_A1 2HCOM1GFCOM2EDCOM3CBCOM4ALED4SCHJ6HCOM1GFCOM2EDCOM3CBCOM4A7 L
25、_CON15 L_COM4 L_CON37 L_COMX5 L_COM1 L_CO房1 l_coM4 l_conNED236C2 3(PC1 11.05923(P 14.Jvccal鬼ET100、JRSTHC244图3-5交通灯硬件电路原理图选用MCS51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完成共阴极数码管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7段码输出口上各 串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。用P3 口的P3.0-P
26、3.5完成发光二极管的控制，实现 交通灯信号的显示，每个发光二极管串联500欧姆电阻起限流作用。硬件电路原理图如图3-5所示。(3)程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程 单片机资源分配单片机P3 口的P3.0-P3.1引脚用作输出，控制发光二极管的显示。在计时模块中，需要定义 两个数组变量(init_sn3，init_ew3)来存储东西、南北两个方向在不同状态中倒计时的初始 值，题目中每个方向的交通灯共有3种显示状态，因此数组元素个数为3。还需要定义两个变量(cnt_ sn, cnt_ ew )暂存东西、南北两个方向的倒计时剩余时间。在状态的切换中，为了明确当前处于哪种状态，东西、南北方向
27、各设置一个状态变量 (state_val_sn, state_val_ew),当倒计时的剩余时间到零时，状态变量增1，表示启动下一个状态， 当该变量增到3时变为0，回到序号为1的状态。 程序设计思路在设计中，由于没有键盘功能，因此只涉及定时计数和动态扫描功能。主程序将变量初始化之 后，设置单片机定时器和中断特殊功能寄存器的初始值，将定时器T1的工作方式设置为8位自动 装载模式，定时器每隔250us产生一次溢出。在初始化变量与寄存器后，主程序进入一个循环结构，在循环中只做动态扫描的工作，根据东 西、南北两向的剩余时时间进行动态扫描显示。计时以及状态的切换通过定时器的中断服务程序来实现，在中断服务
28、程序中，每计时到一秒时， 则各方向当前状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始，改变交通灯的指示。定时器中断 程序流程主程序Mian()T1溢出计数T1 cnt+1初始化变量1初始化定时器的相关 寄存器打开中断F1动态扫描、T1.二c.nt3999)/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
29、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_
30、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cn
31、t_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的寄存器TMOD=0x20;/用T1计时8位自动装载定时模式TH1=0x19;/0x4b; /500 微秒溢出一次； 250=(256-x)*12/11.0592
32、 - x= 230.4 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3.3.3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。基本要求：（1）初始密码为123450，输完后按确定键开锁，取消键清除所有输入，每次按键有短“滴”声 按键提
33、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，清除所有报警和指示。（4）5秒内无任何操作后，清除所有输入内容，等待下次输入。3.3.1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
34、码，先要判断按键时数字键还是功能键，若判断为 数字键按下，则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）。若5秒内没有输入内容则清除已输入的内容。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，若错误次数超过3s，则输出报警等信号，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服务程序两个主要部分，主程序完成变量和单片机特殊
35、功能寄存器的初 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，若有按键则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。中断服务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
