詮解單片機鈴聲控制系統設計

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摘要：介紹一種以單片機為核心的鈴聲自動控制系統。該系統由單片機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。

關鍵詞：單片機、時鐘、RS-485通信

1引言

當今社會，計算機的應用已經滲透到人們生產、生活的各個領域。尤其是以單片機為代表的微型計算機的應用最為廣泛，它們憑借其體積小、價格低、功能強、性價比高等優點，占有了計算機應用領域的半壁江山。本文筆者以單片微型計算機為核心，同時運用RS-485遠程通信協議，設計出一款鈴聲控制系統，克服了以往打鈴鐘定時不準確，電路復雜，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行修改和設定，而不影響走時，并且可以方便可靠的實現分布式遠程控制。該鈴聲控制系統可以廣泛的適用于學校、工廠、車站等不同場合的實時報時控制。

2系統簡介

鈴聲控制系統整體由兩部分組成：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、監控電路和遠程通信部分電路。用戶可以通過控制電路操作主控中心，對遠程電鈴進行控制。終端電鈴為響應控制設備，通過其自身的控制系統可以獲得清晰、響亮的聲響，另外還可以實現不同的時刻發出的鈴聲不同。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的穩定性和可靠性，它們之間通過RS-485異步串行通信完成遠程（1200米）數據交換。系統整體框圖如圖1所示。

3系統設計

主機硬件設計

主機作為整個系統的主控中心按系統要求需要完成的功能有：實時時鐘的產生、用戶控制輸入、各類信息的顯示、數據的存取以及遠程通信。其主要包括：MCU，時鐘產生模塊，控制輸入模塊，數據存儲模塊及通信模塊的選用。

3.1.1MCU的選用

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

3.1.2時鐘的產生

本系統采用外接時鐘芯片(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，本系統采用的是矩陣式鍵盤和普通的數碼管顯示電路。矩陣式鍵盤共設置了16個按鍵，由4*4矩陣式自制鍵盤構成，包括0到9十個數字鍵，以及6個功能鍵。

3.1.4數據存儲

考慮到節省口線、穩定性等方面，本系統采用串行數據傳輸存儲器。其容量計算如下：若以打鈴次數較多的校園為例，每天按12節課計算，每節課打鈴2次，再加上起床和熄燈的次數，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，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個字節左右，選用256字節的存儲器就能夠滿足容量的要求，故采用了ATMEL公司的24C02。根據硬件電路的設計可得24C02的I2C硬件地址為：0A2H/0A3H。

3.1.5監控電路

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

3.1.6通信模塊

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

從機作為整個控制中心的響應設備，主要完成的功能有：主機命令的接收、應答和響鈴的控制。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

在設計中根據系統要求(當突然斷電時，系統整體仍能持續運行)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，通過它的單向導電性來保證單片機系統

在突然斷電時能夠持續的工作。

4軟件設計

該鈴聲控制系統的軟件設計分為主機軟件設計和從機軟件設計。對于整個軟件系統設計而言，系統監控程序的設計是關鍵，是單片機系統程序的框架。因此本系統主、從機軟件設計都采用了一般結構模式，并綜合考慮系統的結構合理性及運行穩定性，主機系統采用了狀態順序編碼、監控模塊在中斷子程序中的設計風格，但鑒于該系統狀態單一性，從機系統并未采用狀態編碼方式，而是由主程序和串口中斷子程序構成。

4.1主機軟件設計

主機軟件設計主要由自檢和初始化主程序、定時/計數器T0中斷服務程序，以及鍵盤掃描、顯示、狀態獲得、串口中斷和延時等子程序構成。它實現了對硬件設備的檢測、整個系統運行中的調度和實時監控以及對硬件和軟件的初始化。

4.1.1主程序設計

系統通電復位后，程序隨即進入主程序，完成對系統的自檢。接著對系統進行正常的初始化，包括硬件和軟件初始化。初始化結束，主程序進入等待方式。流程如圖5所示。

系統自檢包括按鍵、顯示檢測、時鐘芯片PCF8583檢測和E2PROM芯片24C02數據區檢測。（1）按鍵、顯示檢測：檢測前數碼管處于全滅狀態，隨即顯示提示輸入按鍵（P）。若按下任意鍵，數碼管顯示該按鍵值，一秒后數碼管全滅退出檢測。按鍵功能與鍵值定義如下：數字鍵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-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，直至時間顯示為2004年1月1日，0時0分5秒。隨后數碼管全滅，檢測退出。（3）E2PROM芯片24C02數據區檢測：顯示DATATEST，檢測開始。24C02有256個字節的E2PROM，程序依次對每個字節讀出保存數據。寫入0，讀出核對，如正確再寫入0FFH，讀出核對。核對無誤把原數據恢復。若在檢測過程中發現數據核對有誤則顯示出錯（ERROR），并把該出錯數據區地址顯示出來。至此系統自檢結束。

系統初始化包括定時/計數器T0，時鐘時間表，串口相關硬件以及看門狗X5045初始化。（1）定時/計數器T0初始化：定時/計數器T0在該系統中作為監控程序的載體，其初始值須多方面考慮。設定為定時器，定時50ms，采用方式1（16位定時/計數器）。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）結果X=15536

定時器T0的初始化程序如下：

MOVTMOD，#21H；設置定時器T0方式1

MOVTH0，#HIGH（15536）；填定時器初值高字節

MOVTL0，#LOW（15536）；填定時器初值低字節

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的設置在本系統中需要對其內部9個寄存器進行初始化：控制狀態寄存器（00H），計數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）。其中控制狀態寄存器設置為32.768K計數方式。（3）串口初始化：包括波特率設置、串口方式設置和硬件MAX485設置。為了通信的穩定性與正確性，串口方式設置為方式3（9位通用異步接收器/發送器），即對串口控制寄存器SCON設值為0D0H。波特率設置方式為方式2（具有自動重裝初值的8位定時/計數器），用定時/計數器T1作為波特率發生器。設置波特率為2400。其計算公式如下：

波特率=得定時器初值X=230（即0E6H）

MAX485設置：因MAX485為半雙工方式，所以它的發送/接收需要對引腳/RE、DE按要求進行置位/復位設置。

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

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

系統初始化結束后，主程序進入節電等待方式。該方式下，送往CPU的時鐘信號被封鎖，CPU進入等待狀態，此時堆棧指針SP、程序計數器PC、程序狀態字PSW、累加器A的狀態均保持不變，I/O引腳保持以前的狀態。等待方式可由中斷或復位來退出。在本系統中主要是由定時中斷T0來喚醒，之后進入監控循環。

3.1.2定時中斷監控程序設計

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

（1）填定時器初值喂狗模塊：主要為監控循環正常運行而設置，看門狗定時器復位使其繼續監控系統運行。

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

（3）鍵盤處理模塊：它是監控程序的主要組成部分，負責掃描鍵盤，解釋按鍵和調度執行模塊。

（4）閃爍判斷及顯示模塊：按照硬件設計，本系統的顯示為靜態模擬串口顯示。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行判斷，以便進入正確的顯示模塊。設置了兩個標志位：顯示標志DISPF和閃爍標志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其他應用子程序設計

本系統中的應用子程序包括鍵盤掃描子程序、顯示子程序、狀態獲得子程序、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：在本系統的通信中應用的是RS485串口通信，對于硬件可參照硬件設計的通信部分。因為該通信簡單不存在大量數據的通信，所以通信協議是自行定義的。格式有兩種：通常狀態下，通信為兩個字節，首字節為地址（廣播地址0），尾字節為響鈴類型，該通信不需要從機回應。檢測狀態下，通信為一個字節，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）。當從機接收到0FFH或本機號時響鈴（類型0），否則不做任何響應。接收到本機號時要向主機發送回應，主機接到回應表示該從機運行正常。串口中斷子程序只是通常狀態下調用的，主要是為了發送響鈴類型而設置的。

（2）延時子程序：本系統中設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上調用多次實現的：

經計算可知該程序執行用993個機器周期，當采用12MHz的晶振，1個機器周期=1μs，則執行該程序要993μs，與1ms比較存在7μs誤差。

（3）I2C總線和SPI總線通用軟件包：本系統硬件設計中使用了兩個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?？梢栽O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—發送緩沖區首址，MRD—接收緩沖區首址，SLA—尋址字節（SLAW／R）存放單元，NUMBYT—傳送字節數n存放單元。本系統通用軟件包適用于以80C51系列為主控器的I2C總線應用系統，主控時鐘頻率為12MHz。如果時鐘頻率改變則應適當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用程序編寫有關的子程序為WRNBYT和RDNBYT。相應的I2C總線讀寫指令為：

4.2.1主程序設計

本鈴聲控制系統的從機軟件設計，主要包含有主程序（自檢程序和初始化程序）、定時中斷服務程序及若干子程序設計。由于從機外圍硬件電路很少，故上電復位后，省去對外圍器件的檢測，立即進入正常的初始化。從機完成的主要功能是對主機發送命令能夠及時準確的接收并響應，所以初始化主要是串行口的設置。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，系統中設置波特率為2400，為了保證通信的穩定性與正確性，設置為方式3（9位通用異步接收器/發送器），即對串口控制寄存器SCON設值為0D0H。初始化結束后，主程序即刻進入空閑模式：

AT89C2051進入等待模式，直到接收到主機命令。

4.2.2串口中斷子程序

為了讓通信更加穩定，我們制定了自己的通信協議：把通信狀態分為兩種：正常通信狀態和檢測通信狀態。正常通信狀態主要完成定時通信打鈴的功能，命令格式為兩個字節，第一字節為廣播地址：0；另一字節為響鈴類型。檢測通信狀態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為地址字節，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讀取數據。如上流程圖示。讀取數據后，首先進行數據的校驗，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進行二次校驗，最大可能的保證接收數據的正確性。校驗程序段如下：

當數據校驗正確時，進入正常響應階段。按照通信協議的約定，串口中斷子程序對命令進行解釋并按命令執行相應的操作。詳細命令解釋判斷見圖9。各標志判斷結束后，系統進入響鈴控制流程。按照要求，響鈴時間為10秒，系統中取定時器T0，配合一個記數單元構成10秒的延時。不同時刻要求響鈴類型不同，在實際設計過程中，利用T0的中斷速率來控制產生聲音的脈沖頻率，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，調用設置T0的以上子程序即可。

5結束語

在整個設計過程中，無論硬件還是軟件，始終以模塊化設計為指導思想，對整個系統細化，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的調試。