2021年度智能电子计时器系统

摘要

本设计是以ATS51单片机为关键实现一个智能电子计时器系统。现在市场上电子计时器,关键有基于NE555电子计时器、基于脉冲电子计时器和基于ATS51单片机电子计时器三种。经过比较,本课题选择了“基于ATS51单片机电子计时器”设计方案。 该方案利用了ATS51单片机为主控芯片,实现了时间显示、定时中止和统计比分等功效。 含有简单易操作、时间能够任意设定等优点,适合现在大家对智能小家电需求。本设计关键从总体设计、 硬件设计、 软件设计、系统实现等方面来对智能电子计时器进行具体介绍。硬件关键由显示模块、 按键模块、 复位模块、晶振电路等组成;软件是用C语言编程,再利用Keil软件进行仿真,最终将软硬件结合起来实现电子计时器功效。

本设计关键是完成定时时功效,该计时器系统简单易操作,定时时间也较长,适合在999秒以内定时,比如豆浆机、榨汁机等定时。

关键词:ATS51, LED数码管,电子计时器, C语言

Abstract

Thisdesign is based on ATS51 as the core implementation of anintelligent electronic timer system. Currently on the market ofelectronic timer, are mainly based on the electronic timer NE555,based on the pulse of the electronic timer and electronic timer basedon ATS51 3 kinds. By comparison, chose the topic "electronictimer based on ATS51" design. The scheme takes advantage ofthe ATS51 as the main control chip, implement the time display,timing interrupt and record the score. With a simple easy to operate,the advantages of time can be set arbitrary, meet requirements ofintelligent household appliances. This design mainly from the overalldesign, hardware design, software design, system implementation, etcto intelligent electronic timer is introduced in detail. Hardware ismainly composed of display module, keys module, reset module, acrystal vibration circuit and so on; Software is written in Clanguage programming, using the Keil software simulation, electronictimer function is realized by combining software and hardware.

Timingof the completion of this design is mainly the function, the timersystem easy to operate, simple timing time is longer, suitable timewithin 999 seconds, such as timing DouJiangJi, juicer and so on.

Keywords:ATS51, LED digital tube, electronic timer, the C language

目录

第一章绪论...................................................................................................................................1

第二章电子计时器及ATS51单片机介绍.................................................................................2

2.1电子计时器功效和工作原理..............................................................................................22.1.1电子计时器功效简述.................................................................................................22.1.2电子计时器工作原理及组成.....................................................................................22.2ATS51单片机介绍.............................................................................................................32.2.1ATS51功效特征概述.................................................................................................32.2.2ATS51引脚图及说明.................................................................................................4

第三章系统总体设计.....................................................................................................................8

3.1方案比较...............................................................................................................................83.2功效设计............................................................................................................................103.3功效实现步骤....................................................................................................................10

第四章硬件设计.........................................................................................................................12

4.1单片机最小系统.................................................................................................................124.2电子计时功效模块.............................................................................................................144.3继电器模块...........................................................................................................................144.4按钮模块...............................................................................................................................154.5显示模块...............................................................................................................................16

第五章软件设计.........................................................................................................................19

5.1C语言介绍..........................................................................................................................19

5.2软件模块计划....................................................................................................................20

5.3程序实现............................................................................................................................21

5.3.1程序功效模块...............................................................................................................22

5.3.2主程序设计...................................................................................................................22

5.3.3中止程序设计...............................................................................................................23

5.3.4其它子程序设计...........................................................................................................24

第六章系统实现............................................................................................................................26

6.1硬件实现............................................................................................................................26

6.2软件调试............................................................................................................................27

6.3系统功效测试....................................................................................................................29

结论.............................................................................................................................................30

致谢...............................................................................................................................................31

参考文件.........................................................................................................................................32

附录1:计时继电器设计总电路图:...........................................................................................33

附录2:PCB电路图.........................................................................................................................34

附录3:元器件清单.......................................................................................................................35

附录4:电子计时器源程序...........................................................................................................36

第一章 绪论

中国广泛采取搅拌机是强制式搅拌机和倾卸式搅拌机[1]。这两类搅拌机对混凝土水灰比、 强度、 坍落度适应性比较宽。中国在搅拌机研究和发展上在向大容量方向发展和提升,不过伴随大家生活水平提升,搅拌机也逐步进入到老百姓生活中。而且是智能小型搅拌机,比如说豆浆机和榨汁机等全部用到了搅拌机,把大家从纷繁家务劳动中出来而且将中国美食做更美味。

伴随计算机在社会领域渗透,微型单片机应用[2]正在不停地走向深入。

单片机往往是作为一个关键部件来使用,仅单片机方面知识是不够,还应依据具体硬件结构,和针对具体应用对象特点软件结合。有时还会用到利用C语言[3]进行编程,简化了源程序,简单易懂,再利用Keil软件进行仿真编译,最终软硬件相结合实现功效。

此次设计搅拌机智能电子计时器是以ATS51单片机为关键计时系统,由硬件和软件两部分组成。进行软件仿真时,再跟硬件相结合。设计一个愈加简单和灵敏计时器,用于小型家电中,还能够作为篮球计分器使用。计时时间从000-999秒小型电子计时器,计时间隔是1S,时间能够在这个范围内任意设置,简单,方便,灵敏度高等优点,就是在时间设置这一块存在不能直接输入,而必需要用按键加减才能实现。

第二章 电子计时器及ATS51单片机介绍

2.1 电子计时器功效和工作原理

2.1.1 电子计时器功效简述

电子计时器功效是以单片机[4]硬件设计为基础,经过硬件模块化设计,再结合软件系统,最终实现整体功效。电子计时器系统能够分为三个部分:复位模块、显示模块和控制模块。

电子计时器是由单片机为关键器件组成一个倒计时系统。系统显示器是由3个8位数共阳型数码管组成,还有复位模块、按键模块等组成。 现在电子计时器应用广泛用于多种场所,如篮球比赛,广告牌定时翻转和此次最关键是用于家庭小型搅拌机定时。

999秒,开始计时时显示器经过单片机控制,数码管显示倒计时时间,经过按键控制倒计时开始和停止,当倒计时结束时,会听到滴一声和数码管显示为000并不再改变来提醒倒计时结束。

本设计是基于ATS51单片机控制智能电子计时系统,该系统以单片机为关键,C语言为程序基础,采取单片机软件、

此次设计能够实现999秒以内时间定时,利用C语言编程,实现对整个系统控制,完成对应所需功效。不仅成本低而且制作简单,

实现功效齐全,在平时篮球比赛倒计时中也能够利用,而且能够复位,能够数次设定和任意设定计时时间。

2.1.2 电子计时器工作原理及组成

本方案采取单片机程序设计制作,它是利用芯片ATS51特殊功效,P3口控制按键开关,当按下开关S1,三个数码管将显示999,然后经过P2.0和P2.1对控制数码管两个三极管进行位选,P1口输出段码经74LS373锁存来驱动数码管进行倒计时,同时能实现复位、暂停、 任意调整时间功效。 其系统框图图下图所表示。

A

振荡电路	T	驱动	显示
复位电路	8	电路	电路
按键输入	9
	S

5

图2-1系统原理框图1

图2-1是电子计时器工作原理框图,计时器工作原理是以硬件为基础,采取模块化设计方法进行控制系统。由图能够看出计时器关键部件是单片机,以单片机为关键,利用系统软件[5]程序控制硬件电路,从而实现计时功效。经过按键向单片机设定时间,然后经过内部程序处理以后,由单片机输出信号,最终由数码管显示出结果。

单片机是整个计时器控制部分,它不仅将输入和输出连接起来了,同时完成了信号处理部分。单片机内部软件部分设计[6]是采取C语言编写,它完成了时间参数设定、计时功效、 保留、 显示、 输出及计时倒计时等功效。

2.2ATS51单片机介绍

2.2.1ATS51功效特征概述

ATS51是美国ATMEL企业生产低功耗, 高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes 可系统编程Flash只读程序存放器,器件采取ATMEL企业高密度、非易失性存放技术生产, 兼容标准8051指令系统及引脚。

也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL 企业功效强大,低价位ATS51单片机可为您提供很多高性价比应用场所,可灵活应用于多种控制领域。

ATS51提供以下标准功效:4k 字节Flash闪速存放器,128 字节内部RAM,32 个I／O口线,看门狗（WDT）,两个数据指针,两个16位定时／计数器,一个5向量两级中止结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器立即钟电路。同时,ATS51 可降至0Hz静态逻辑操作,并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作,但许可RAM,定时／计数器,串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容,但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。

ATS51单片机关键特点以下:
(1)控制功效强。为了满足工业控制要求,通常单片机指令系统全部有及丰富转移指令、I/O口逻辑操作和位处理功效。

(2)集成度高、体积小、 有很高可靠性。 单机机把各功效部件集成在一块芯片上,内部采取总线结构,降低了芯片内部之间连线,大大提升了单片机可靠性和抗干扰能力。另外,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽方法,适合于在恶劣环境下工作。 (3)有优异性能价格比。

(4)低功耗、低电压、 便于生产便携式产品。

(5)增加了I2C串行总线方法、SPI串行接口等,深入缩小了体积,简化了结构。

(6)单片机系统扩展、系统配置较经典、 规范,轻易组成多种规格应用系统。

现在单片机正朝着高性能和多品种方向发展,以后单片机发展趋势将深入向着CMOS化、低功耗、 小体积、 大容量、 高性能、低价格和外围电路内装化等多个方面发展。

2.2.2ATS51引脚图及说明

要掌握了解单片机就必需先从最基础引脚开始学习和掌握,图2-2就是ATS51单片机四十个引脚图,
从图中能够看出单片机四十个引脚各个名称和功效。

再依据各个引脚介绍就能够基础熟练地掌握各个引脚作用了。

图2-2 ATS51单片机引脚图

P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口,
也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时,
每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存放器或程序存放器时,
这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用,
在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。

P1口:Pl 是一个带内部上拉电阻8位双向I／O口,
Pl输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“l”,经过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。

作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,
某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。

部分端口还有第二功效,如表2-1所表示。

表2-1 P1口部分引脚第二功效

端口引脚	第二功效
P1.5	MOSI(用于ISP编程)
P1.6	MISO(用于ISP编程)
P1.7	SCK (用于ISP编程)

P2口:P2 是一个带有内部上拉电阻8位双向I／O口,P2
输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,经过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,
某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存放器或16位地址外部数据存放器（比如实施MOVX@DPTR指令）时,P2口送出高8位地址数据。Flash编程或校验时,
P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口:P3 口是一组带有内部上拉电阻8位双向I／0口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“l”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

P3口更关键用途是它第二功效,
P3口还接收部分用于Flash闪速存放器编程和程序校验控制信号。

以下表2-2所表示:
表2-2 P3口特殊功效

端口引脚	第二功效
P3.0	RXD (串行输入口)
P3.1	TXD (串行输出口)

P3.2	INT0 (外部中止0)
P3.3	INT1 (外部中止1)
P3.4	T0 (计时器0外部输入)
P3.5	T1 (计时器1外部输入)
P3.6	WR (外部数据存放器写选通)
P3.7	RD (外部数据存放器读选通)

RST:复位输入。当振荡器工作时,
RST引脚出现两个机器周期以上高电平时间将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFR
AUXRDISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功效。

DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。

XTAL1:反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。XTAL2:来自反向振荡器输出。

第三章系统总体设计

3.1方案比较

（1）基于NE555电子计时器

采取动态显示方法来实现LED显示器数字显示。

内部关键采取了NE555集成电路,实现其它扩充功效。它体积小,无外观修饰,完全裸露内部元件,操作方便,便于安装、拆卸和维修。

NE555是一个应用尤其广泛集成电路,属于小规模集成电路,
在很多电子产品中全部有应用。NE555作用是用内部定时器来组成时基电路,给其它电路提供时序脉冲。NE555内部含有两个电压比较器,一个分压器,一个RS触发器,一个放电晶体管和一个功率输出级。

由NE555组成电子计时器,含有体积小,成本低,抗干扰能力强,
面向控制等优点。它广泛应用于多种继电器,电磁开关,控制器,延时器,定时器等时间测试。现在所使用电秒表大多是指针式或集成电路型,节后相对复杂,测试功效单一。

（2）基于脉冲电子计时器

基于脉冲电子计时器由计时电路、译码显示电路、 脉冲发生电路、 校分电路、清零电路和报时电路这几部分组成。 脉冲发生电路为电子计时器提供计数脉冲,需要产生1Hz脉冲信号。

采取NE555集成电路和分频器CD4040组成脉冲发生器。NE555定时器组成多谐振荡器,波形稳定,上升沿和下降沿小,振幅大,占空比可调,以后经过CD4040k能够输出20～211Hz多个频率供后面使用。

计时电路采取二-十进制加法计数器由CD4518实现。60秒为1分,将分秒个位、十位分别在七段数码显示器上显示出来,从0分0秒到59分59秒,然后重新计数。

校分电路设计有一个开关,当开关打到高电位档时,计数器正常计数;

分计数器进行快速校分（即分计数器能够不受秒计数器进位信号控制,而经过2Hz频率校分信号进行校分）,而秒计数器保持。在任何时候,拨动校分开关,能够进行快速校分。采取74LS74D触发器,因为D触发器输出端只在时钟上升沿改变,而其它时刻保持上一次电平,故能够用其组成防颤动电路,在校分电路中有其应用。

（3）基于ATS51单片机电子计时器

此次设计以ATS51单片机为关键设计一个智能电子计时器,计时时间从000-999秒。本设计硬件部分包含电源电路、 复位电路、 按键电路、振荡电路、 数码管显示电路五部分电路,软件程序部分有定时中止程序、外部中止程序、 显示子程序和延时子程序等。软件仿真工具采取Keil软件。硬件采取万用板把元件焊接在一起从而实现预期功效。

能够任意设定计时时间和能够作篮球电子计时器用等优点;

但存在不能在高温环境下使用和不稳定等缺点,还有待改善。

（4）综合分析

依据以上两种方案能够看出基于NE555电子计时器设计含有体积小,无外观修饰,完全裸露内部元件,操作方便,便于安装、拆卸和维修优点。但现在所使用电秒表大多是指针式或集成电路型,相对于数字电子计时器测试结果不正确,测试内容单一,所以此次设计不适用这个设计。

基于脉冲电子计时器设计采取NE555集成电路和分频器CD4040组成脉冲发生器两个组合设计成,设计比较复杂,操作也比较复杂,
报时是每隔一秒全部会报时,不适合家庭操作,这么也就不适合此次设计。

所以综合以上分析还是基于ATS51单片机电子计时器方案愈加适合,简单易操作、多功效而且时间能够任意设定。

第三章开始将仔细介绍这次设计软件和硬件设计和调试等内容。

3.2 功效设计

此电子计时器系统是采取ATS51单片机为关键元件,结合数码管、晶振、 二极管、 按键等元件组成一个简易电子计时器器。利用了单片机振荡电路、 按键复位电路、 时钟电路、定时中止等电路,实现单片机系统功效。此次设计电子计时器含有实时显示及定时功效,能有多个用处。比如:该电子计时器应含有基础倒时功效;含有开启,暂停复位功效;时间能够任意调整;时间用数码显示,初始值为000秒,最大值为999S扫描时间间隔为1S还能够作为篮球计分表使用。

3.3 功效实现步骤

本课题利用AT8S51单片机及其丰富外围接口实现了计时系统设计,该电子计时器增加了新功效、提升了系统可靠性、 简化了电路结构、 节省了成本,使用方便,只需要按加减按钮设定一个时间,
最终按下确定按钮即可,到时会自动中止,停止工作,是一个实用工程设计,下图3-1是硬件实现步骤图:

开始

设定时间

确定

否
计时完成
是

复位

重新设定时间

完成

图3-1 功效实现步骤图
此次设计搅拌机智能电子计时器就是本着智能简单方便标准,所以功效实现很简单,只要按加减键设定时间然后按确定键就能够了,时间到时就会自动停止。

第四章 硬件设计

4.1单片机最小系统

单片机最小系统是单片机在发挥具体测控功效时所必需组成部分。单片机最小应用系统方框图,图4-1所表示。

图4-1单片机最小系统应用框图

(a)复位电路

单

片

机

在

开

机

时

全

部

需

要

复

位

,

方便CPU及其它功效部件全部处于一个确定初始状态,

单片机复位电路工作原理:当通电瞬间稳压电源给电容充电。

RESET为复位输入端,当RESET引脚连续两个机器周期以上高电平时,使单片机完

伴随电容充电结束,将使电容和电阻之间将展现低电平,单片机复位结束。

使单片机程序存放器从0X0000单元开始实施程序。

此次设计以单片机ATS51作为主控芯片,控制整个电路运行。采取ATS51上复位引脚。单片机外围需要一个复位电路,复位电路功效是:系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤消复位信号。为可靠起见,电源稳定后还要经一定延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引发抖动而影响复位。

复位电路能够有效处理电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引发问题,在电源电压瞬间下降时能够使电容快速放电,一定宽度电源毛刺也可令系统可靠复位。复位电路设计图图4-2所表示:

图4-2单片机复位电路图

(b)晶振电路

本

设

计

选

择

方

案

中

采

取

是

内

部

振

荡

方

法

。

采取内部方法时在XTAL1和XTAL2引脚上接石英晶体和微调电容能够组成振荡器,图4-3所表示。图中C1、C2起稳定振荡频率、快速起振作用。 内部振荡方法所得时钟信号比较稳定,实用电路中使用较多。振荡频率选择范围为1MHz～12MHz。

图4-3晶振电路图

4.2电子计时功效模块

用P0口、P1口、P2口分别连接三个显示管;P3口P3.0、P3.1、P3.2分别连接加1键、减1键、确定键;复位引脚连接复位按钮。图4-4所表示:

继电器模块

P3.3

P0.0~0.7

数码管一

按键模块
P3.0~3.2数码管二

P1.0~1.7

复位模块

ATS51

数码管三

RST
图4-4 计时继电器功效框图P2.0~2.7

4.3继电器模块

现代自动控制设备中,全部存在一个电子电路和电气电路相互连接问题,首先要使电子电路控制信号能够控制电气电路实施元件（电动机,电磁铁,电灯等）,其次又要为电子线路电气电路提供良好电隔离,以保护电子电路和人身安全。电子继电器便能完成这一桥梁作用。

继电器电路中通常全部要在继电器线圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电时产生反电势,预防干扰。本设计控制端为P3.3,当P3.3为高电平时,继电器不工作,当P3.3为低电平时,继电器工作,常开触点吸合,起到保护电路和保护人身安全。

利用P3.3口输出高低,控制继电器开合,实现对外部装置控制。

连接图4-5所表示: