基于单片机的简易定时报警器电路设计(含电路图和程序)

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
（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。

 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。

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0-59
  init_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
*/
#include "reg51.h"     //包含文件
sbit     P1_0=P1^0;    //设置键
sbit     P1_1=P1^1;    //增一键
sbit     P1_2=P1^2;    //减一键
sbit     P1_3=P1^3;    //确定键
unsigned char data shan_val;  //闪烁时LED的开/关状态
unsigned char data cnt_val;   //保存倒计数的当前值
unsigned int  data T1_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_code[10]={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;
   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_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
 }
}
//----------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_cnt>3999)       //如果计数>3999, 计时1s
         {  T1_cnt=0;
            if(cnt_val!=0)
            { cnt_val--;}
            else
            {state_val=2;}     //定时计数到0时，切换状态
            show_val=cnt_val;
          }
          break;
      case 2:
         if(T1_cnt>1999)        //如果计数>1999, 计时0.5s
         { T1_cnt=0; shan_val=!shan_val; } //闪烁状态
         break;
     }
}
//---------主程序----------------
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;  //用T1计时 8位自动装载定时模式
 TH1=0x19;   //250微秒溢出一次;   250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4
 TL1=0x19;
 EA=1;       //打开总中断允许
 ET1=1;      //开中断允许
 TR1=1;      //开定时器T1
while(1)
{  key_val_new=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;
     switch (key_val_new)
     { case 1: //设置键
               state_val=1;        //处于设置状态
               TR1=1;              //停止计时
               show_val=init_val;  //显示原来的倒计数初始值
               break;
       case 2: if(state_val==1)    //只有在设置状态，增1键才有用
               { if (init_val>0)   //更改原来的倒计数初始值
                 {init_val--; }
                 else
                 {init_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_val<59) //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
               { cnt_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T1
                 state_val=0;       //将状态切换为计数模式
               }
               break;
      }
   }
   led_show(show_val);              //动态扫描
}
}