演讲限时器设计

演讲限时器的设计

摘要

本设计是以STC89C51单片机驱动电路为核心,由按键电路、显示电路、电源电路以及提示等模块组成。演讲限时器主要是针对现实生活中的需要,能够使演讲者或者说话人有效的把握时间，更快更好地对表达出自己的意思。本设计主要是对倒计时至零时，蜂鸣器响5声的限时功能进行了重点研究。本设计以模块化为设计方法,可以有效地提高计时的准确率，其限制时间的方式形象直观，实际操作步骤也非常简易，值得推广使用。

关键词：STC89C51单片机,蜂鸣器,四位一体数码管,限时器。

目录

TOC \o "1-3" \h \u 24353 第1章 绪论 1

2168 1.1 研究背景 1

20975 1.2 国内外发展现状 1

6085 1.3 本论文研究的主要内容 2

18311 第2章 总体方案的设计及方案论证 2

15524 2.1 总体方案设计 2

30612 2.2 方案论证 3

16798 2.2.1 主控芯片的选择 3

21980 2.2.2显示模块的选择 4

22846 2.2.3 按键方式的选择 4

2359 2.3 方案的确定 4

7078 2.4 单片机设计元件清单 5

19255 第3章 系统总体硬件电路设计 6

24086 3.1 单片机最小系统电路设计与分析 6

32311 3.1.1 复位电路设计与分析 6

6984 3.1.2 晶振电路设计与分析 7

29861 3.1.3 P0口的上拉电阻分析 8

7184 3.2 按键电路 8

31675 3.3 四位一体数码管 9

18853 3.4 自锁开关 10

3347 3.5 蜂鸣提示电路 10

8056 第四章 系统软件设计 11

26031 第5章系统调试与结果分析 13

8329 5.1 硬件调试 13

30318 5.1.1 系统显示模块调试 13

5270 5.1.2 系统按键模块调试 13

265 5.1.3 系统整体调试 13

13213 5.1.4 设计出现的问题 14

3592 5.2 软件调试 14

23170 结束语 15

2897 参考文献 17

31198 致谢 18

PAGE 4

PAGE 4

第1章 绪论

1.1 研究背景

单片机是一种微型集成的电路芯片，也可以说是一个小巧而完善的微型计算机系统。在早期，单片机主要在工业自动化的实时控制过程得到广泛应用。在后期，由于科技水平的不断进步，社会文化的不断发展，越来越多的单片机爱好者投入到单片机的研发征途中，单片机从4位、8位升级到32位，才成就了单片机今日的辉煌。随着电子产品消费的激增，广大单片机生产商为了满足消费者的需求，攻克了单片技术的种种难题，发展到现在的300M的高速单片机。

现今的单片机已经成为人们生活中使用必不可少的部分，不管是手机、电脑，还是家用的大大小小的电器，基本都有单片机的“影子”。因此，单片机的发展可谓是突飞猛进。大到国防、航空航天，小到个人使用的微电子产品，单片机在其中都扮演者至关重要角色。与此同时，在医用设备领域也是不可替代的“能人”，医院许多检测仪器设备的核心部件都离不开单片机。

1.2 国内外发展现状

单片机在当前科技的发展形势下，其应用水平、功能可靠性与日益增。甚至在结合通信、医疗、网络等领域把单片机推向了有一个高峰。无论是国防导弹的导航装置，还是家用轿车的安全保障系统；无论是工业生产上自动化过程的数据处理，还是社会各个行业领域使用的摄像机等,在国内外的电子产品市场都致力于各种智能单片机加以驱动。由此可见，单片机所肩负的“责任”重于泰山。在满足用户要求的同时，单片机技术也随之大幅上升。因此，集成嵌入式部件演变为单片机的下一个发展的趋势，不仅仅满足了用户超低功耗的基本要求，而且在生活中研发出各种方便人们生活的应用单片机产品。

在单片机发展至今,它的脚印已经遍布在了世界的每一角落，几乎涉及到了所有的领域。不管是科技发展，还是民生百事都能看到它的影子。而演讲限时器的单片机不管是在国外还是国内，都备受人们的青睐。而数字式电子限时器的诞生在维持赛场秩序做出了巨大的贡献，它是采用集成电路，代替机械式传动,用LED显示器显示时间。随着世界经济、文化的不断发展，这种限时器在各种竞赛的场所发挥着越来越重要的作用，不但可以大大减小了时间的误差,还可以间接提醒竞赛者对时间的把控。

1.3 本论文研究的主要内容

本设计主要研究方向是保证限时准确,同时可以维护现场秩序,即演讲限时器自动提醒,超时叫停。从用途和适用场合来讲,演讲限时器是能够实现限定发言者时间并提醒发言者剩余时间的一种电子器件,它可以广泛应用于各种演讲与辩论赛的现场。通过演讲限时器，可以使发言者直入主题,逻辑结构清晰，说话方式精炼，有效的把控演讲的时间。

本设计采用STC89C51单片机为核心元器件实现限时功能,同时采用LED数码动态显示器的限时装置，来根据实际情况动态限时,以达到时间截止时刻蜂鸣报警提示5声的功能。本设计主要由单片机最小系统及外围电路组合而成。可以实现倒计时、控制寄存数据、设定时间功能；其中，设计倒计时时间设定时,倒计时结束时蜂鸣器报警作为重点研究对象。

第2章 总体方案的设计及方案论证

2.1 总体方案设计

本系统采用STC89C51单片机为核心器件,将软件、硬件有机地结合起来，即采用STC89C51单片机的定时和记数的工作原理来设计基于单片机的演讲限时器。一方面，其硬件连接原理图、PCB图用PROTELL SE99来绘制。另一方面，软件系统采用C语言编写程序,包括显示、计数、按键程序等,并在编程硬件中调试运行；再利用keil软件强大的功能进行软件系统仿真,因为在keil中可以很直观地观察程序出现的逻辑错误，也便于更正和修改。

图2-1 系统总体硬件设计框图

系统总体硬件设计框图如图2-1所示，演讲计时器单片机的设计,对应的程序编写可以实现对应的演讲时间的有效控制,并且通过控制显示模块使得演讲限时器具有良好的显示效果。由于USB供电其电源的纹波系数相对较小，能够使得本系统工作过程中的电压趋于稳定状态，而且便于携带。因此，在设计采用USB对限时器进行供电。在本设计中采用独立按键的方式作为输入方式,在程序设计中能够通过按键的检测,结合对应的程序编写进行判定,实现对于演讲时间的准确实时限制。

2.2 方案论证

2.2.1 主控芯片的选择

方案一: 采用STC系列单片机。STC系列具有很强的抗干扰能力。此外，STC系列在空闲状态功耗为2mA,在正常工作模式下的功耗为4mA-7mA,具有超低功耗的优势。而且在系统可编程，无需编程器。

方案二:采用AT系列单片机。AT系列是具有高性能CMOS 8位单片机，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。但是其价格相对比较贵。

综上所述,以上两种系列的单片机都切合本设计的需要。基于SAT89C51单片机来实现系统的控制,外围电路比较简单,成本比较低,此系统控制比较灵活能，可以很好地满足本课题的基本要求和扩展需求。因此选用STC系列作为本设计的核心控制器件。

2.2.2显示模块的选择

方案一:采用点阵式数码管显示。点阵式数码管是由由m行n列的发光二极管组成，比较适用于显示大量的数字信息。本系统的最大显示时间为59:59，只需要显示4位数字即可，如果采用点阵数码管作为显示模块相对比较浪费,且成本也相对较高。

方案二:采用LCD液晶显示屏显示。液晶显示屏显示是一款兼容数字和文字的“双显”装置，其显示内容可多样化。可见，此显示屏的功能强大，但是其价格昂贵。但是对于本系统只需要显示数字来说，这款显示屏虽然可以满足设计要求，但是有些大材小用了，不相适应。

方案三:采用LED数码管动态显示。LED数码管可以说是最好的数字显示器，而且成本相对比较低。虽然功耗大一些,但足以是满足本设计的数字显示功能。

综上所述,三种显示模块都能实现本设计要求。考虑到成本问题,最后采用LED数码管动态扫描作为本设计的显示模块。由于本设计只需显示4位数字，不需要显示文字信息。所以，采用LED数码管动的四位一体数码管最为合适。

2.2.3 按键方式的选择

方案一:采用矩阵键盘方式。矩阵键盘的占用单片机I/O口资源不但小，而且在使用大量按键进行布局布线时可以大大的缩小电路板的面积。但是如果设计不需大量的按键,采用这种按键方式会增加设计的成本,还有程序设计的复杂程度。比如说,矩阵键盘在进行扫描中,采用行列扫描的方式进行,程序编写较为复杂一些,所以放弃采用矩阵键盘的方式。

方案二:采用独立按键方式。独立按键的独特优势在于程序设计相对比较简单且电路控制比较灵活。在硬件设计中，如果采用独立按键可以大大减小板子的面积,而且独立按键的电路可以实现与单片机I/O的直接相连接。比较适合作为本系统的按键设备。

综上所述,由于本系统硬件设计中并不需要大量的按键，所以采用独立按键作为本设计的按键设备。

2.3 方案的确定

通过以上总体设计的构思和各类主要模块的选用论证分析,最终确定毕业设计方案如下:

在本次演讲限时器单片机的设计中采用STC89C51单片机作为核心控制器;用四位一体数码管作为本设计的显示模块;在设计中采用独立按键的方式进行;在系统的供电选择上采用USB的方式进行供电使得设计具有一定的兼容特性;演讲限时器的设计中利用按键作为输入单元,这就使得设计可以有效的对演讲时间进行把控,使得设计更加的合理可靠,具有一定的实用价值。

2.4 单片机设计元件清单

表2-1 单片机设计元件清单表

原件

数量

7*9万用板

1

stc89c51单片机

1

40脚 IC座

1

四位一体共阳数码管

1

2.2k电阻

5

蜂鸣器

1

103排阻

1

10uf电容

1

30pf电容

2

12mhz晶振

1

10k电阻

1

小按键

6

自锁开关

1

DC电源座

1

导线

若干

焊锡

若干

Usb电源线（电池盒+DC插头）

1

第3章 系统总体硬件电路设计

3.1 单片机最小系统电路设计与分析

复位电路

复位电路

晶振电路

STC89C51单片机

I/O

接口

图3-1 最小系统原理框图

如图3-1，单片机最小系统是将晶振电路和复位电路接到STC89C51单片机上，再将I/O借口部分接到单片机上。在最小系统中，电源电路、显示电路、按键电路是保障单片机正常运行的前提条件,也是单片机最小系统核心部分。STC89C51单片机的最小系统电路图如图3-2所示。

图3-2 最小系统电路图

3.1.1 复位电路设计与分析

复位电路就是当单片机系统在运行的时候,受到环境干扰出现程序跑飞的时候,按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行，这种状态与我们所熟悉的电脑重启类似。单片机复位电路如图3-3所示。

图3-3 STC89C51复位电路图

复位电路有几种实现复位方式呢？

首先需要将高电平持续2US与STC89C51单片机的第9引脚连接才能实现复位。单片机通电后，复位按键按下，则系统实现复位；当释放按键后再按下，系统会再进行复位一次。此外，当单片机系统在通电启动时，也会产生一次复位。因此，STC89C51单片机有两种方式实现复位，分别是手动按键复位和通电复位。

那么，在单片机通电时为什么也会产生复位呢？下面对这个问题进行了分析说明。具体如下：

通电时会产生复位的原因：在图3-3 STC89C51单片机复位电路图中，电阻R27=10k，电容C1=10uF。其中单片机的电源是5V，从这些已知量我们可以算出，电容充电的电压到电源电压的0.7倍，即为3.5V，需要的时间是10k*10uF=0.1s。换言之，在单片机系统启动的0.1S之内，电容两端的电压在0~3.5V范围内逐渐增加。因为串联电路各处电压之和为总电压，在这个时候10k电阻两端的电压就会从5~1.5V范围内逐渐减少。由于RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1s左右，所以在开机0.1s之内，STC89C51单片机系统会产生自动复位。

3.1.2 晶振电路设计与分析

由于晶体振荡器本身存在特性，高频率晶振和低频率晶振的频率无限接近。此时，可视晶振等效为一个电感。但是，这样会使其他元器件的参数发生变化，影响振荡器频率的变化。单片机的工作频率范围也是有限的，工作频率太大会影响系统的稳定性。

图3-4 晶振电路图

所以，考虑到晶振频率对系统造成的负面影响，则需要在晶振的两端并联一个合适的电容，组成一个并联谐振电路，再把这个电路加到负反馈电路中，形成正弦波振荡电路，从而保障系统的正常工作。

3.1.3 P0口的上拉电阻分析

在一般接通电源时，端口电压一般不是很稳定。在系统设计中，为了稳定系统电压为高或低，就会使用上拉或下拉电阻。本系统采用P0口的上拉电阻，由于P0口内部没有上拉电阻是开漏的，因此在单片机上需要接一个上拉电阻，使P0口能够给负载提供电流。

图3-5 上拉电阻原理图

3.2 按键电路

独立按键的引脚1和引脚2是导通的，引脚3和引脚4是导通的。所以，电路中只要接引脚1和3或者引脚1和4，或者引脚2和3或者2和4。电路中应用最好的区别方法是按按键的斜对角。当多个按键一起用的时候，就可以利用其导通性，并且不是每个按键都要接地或者电源。按键原理图如图3-6所示。

图3-6 按键原理图

3.3 四位一体数码管

图3-7 共阴共阳端为每一位的led阳极接图

如图3-7所示，四位一体数码管是由“8”字型的器件构成，且有4个“8”字型的器件。其引线不需要自己去连接，只需引出4个“8”字型器件的各个笔划。每一位的led阳极都与光阳数码管共阴共阳端连接，由于本设计的最大限时为59：59，所以数码管的四位选通控制均需要打开。四位一体数码管引脚如图3-8所示。

图3-8 四位一体数码管引脚图

3.4 自锁开关

自锁开关电路在本设计中作为电源的开关，常开的一脚接DC电源插口电源脚，常开的另一脚接电路的电源VCC，自锁开关原理图如图3-9所示。

图3-9 自锁开关原理图

3.5 蜂鸣提示电路

如图3-10，本设计蜂鸣提示电路是由一个电阻、一个PNP三极管、一个蜂鸣器组成，并接在SAT89C51单片机的P3.2口。当限定的时间倒计时至零时，蜂鸣器报警5声后停止。

图3-10 蜂鸣提示电路原理图

蜂鸣提示电路的PNP型三极管相当于一个开关电路。也就是说，当PNP三极管基极为低电平时，发射极导通，则蜂鸣器报警器响；当三极管基极为高电平时，发射极截止，则蜂鸣器的通路断开不报警。其中，PNP型三极管作为电流放大器件，在蜂鸣提示电路可以起到保护单片机的作用。

系统软件设计

本系统的设计框图如图4-1所示：

图4-1 软件设计框图

开始

开始

系统初始化

按键扫描

S1

S2

S3

S4

S5

启动正计时

计数据

暂停计时

设置秒

设置秒

显示时间

00.00~59.59

蜂鸣

结束

图4-2 程序流程图

第5章系统调试与结果分析

5.1 硬件调试

硬件调试是利用基本测试仪器检查系统硬件是否存在问题，主要是对单片机外围器件以及整个硬件系统进行检测。硬件调试主要是对系统显示模块、系统按键模块、硬件系统整体进行调试。

5.1.1 系统显示模块调试

对显示模块的测试，主要是为了验证电源模块是否能会出现一些短路或者其他的现象。测试步骤具体如下：

第一步：通过肉眼观察线路板的焊接状况。进行相应的判断，是否会出现一些短路或者断路。

第二步：接通系统的电源。此时，显示屏会亮。

第三步：通过按键的功能不同进行调试。观察显示显示屏是否随着不同的功能显示数字不同，如果可以实现变化，就说明设计是合理可靠的。

5.1.2 系统按键模块调试

对系统按键模块的测试步骤具体如下：

第一步：重复的检测电路的完整性。及时焊好在检测中出现短路或者断路情况的地方。

第二步：接通系统的电源。此时，功率放大器应该不发出任何声音。

第三步：按下开始计时按键，观察显示屏是否会随着按键的按下而数字变化，如果显示屏的数字等间隔增大，则证明系统按键模块是正确的。

5.1.3 系统整体调试

为了让系统的功能更加的完善，主要对以下内容进行调试：

第一步：按键按下观察是否可以正常的显示数字；

第二步：观察芯片的引脚是否对应正确；

第三步：当倒计时为零时检查是否会出现蜂鸣声；

第四步：验证电源模块是否能会出现一些短路或者其他的现象。

5.1.4 设计出现的问题

在演讲限时器的设计中，出现了几个问题，解决方法如下：

在设计上蜂鸣器的响度不够，声音有时存在时断时续现象。问题分析：本设计中的USB与充电宝接触不良，因而导致蜂鸣器声响不一致。

出现单片机的程序运行出现卡死的情况。问题分析：在单片机进入中断之后，没有及时进行中断的退出，因而导致程序发生错乱的情况。

5.2 软件调试

软件调试采用单步式的执行每一句程序，选择设置断点的方法来控制程序运行的速度，可以比较直观地查看当前程序调试的具体数值。这样可以直观地体验到软件调试的过程。当程序运行结果与期望值不符的时候，可以通过多次的调试，定位到具体语句或者操作中出现问题的地方，进而针对性的分析问题的原因，达到快速解决的目的。此外，软件调试用了keil软件进行软件仿真，进一步提高设计的合理性。

在演讲限时器的软件设计中，为了让设计更加的合理可靠，需要采用protel se99画原理图，生成网络表之后再转PCB图。本系统采用keil软件对软件进行调试仿真，以达到更清晰的对设计进行仿真调试。也就是说，通过对程序的连接，以及程序的执行来发现存在的程序中的语法错误和逻辑错误，并修正。通过keil软件进行仿真之后，大大的减少了本设计过程中出现的逻辑错误。keil软件仿真界面如图5-1。

图5-1 keil软件仿真界面

结束语

本系统总体设计相对比较简单，性能相对比较稳定。经过反复检测，本系统硬件设备基本满足设计需求；软件设计也能够配合硬件设备连接实现本系统功能；在功能上，基本实现当显示模块倒计时至零时，提示模块蜂鸣器响5声等功能。

在整个硬件设计构思过程中，通过查阅STC89C51单片机相关的资料，深入了解了限时设计的基本原理，以及单片机的工作基本原理等等。渐渐地构思出了能够实现本设计硬件电路功能的各个部分电路的组成结构。在完成系统设计的框架后，根据实际要求进行手动组装电路。

在软件设计过程中，首先采用PROTEL SE99软件对整个硬件系统原理图进行绘制，生成网络表之后再进行PCB图的转换，这里在PCB图布线的过程中遇到了很多问题，比如线段交叉等。但是进过与专业学习成绩好的同学交流后，终于布线成功了。其次采用C语言进行编写程序。虽然在编译中出现很多错误，但是经过自己翻阅相关书籍并仔细研究、上网搜索其错误原因，最后总算是编译成功了。最后运用keil软件进行设计仿真，刚开始接触这个软件，操作不是很娴熟，查阅该软件的相关资料及看过网上的视频后，慢慢的接触后发现这个仿真软件并没有自己想象的那么难。

在软、硬件较完美的结合之后，则需要进行检测并加以调试到最佳工作状态。其中主要是检测，当本系统通电后是否可以正常工作。此外，还希望在实现功能的基础之上让本系统更新升级。比如，怎么实现缩小电路板的面积，采用印刷电路板，提高其实用性、可靠性等等。在第一次检测时，蜂鸣器模块就出现异常，虽然这个异常让我感觉有点意外，用了排除法进行仔细检查并尝试对应的解决办法之后，终于解决了这个问题。经过层层检测，本毕业设计总算实现了各大模块的正常工作。

在论文的撰写过程中，本人也是通过查阅大量的相关资料，借鉴他人撰写论文报告的格式，不断地探索并尝试，如何才能把自己的设计用文字的方式表达出来。在参照多份相关报告和设置之后，最后采用“先硬再软”的论文格式来介绍，即先介绍硬件模块设计，再结合硬件分析介绍软件的设计。本论文重点解说了两个大的问题，一是系统可靠性的问题；二是硬件选材的成本问题。经过不断的查阅相关专业术语的表述和修改,发现自己的文字功底和言语表达能力有了一定的提升。

通过本次毕业设计和毕业论文的撰写，获益良多。实践是最有具高度，也是最能检验整体知识水平的过程。比如，设计一个硬件电路图，不仅需要掌握keil软件的相关操作，还要熟练掌握其电路图的基本原理，以及设计的相关注意事项。此外，还有设计中如何能使硬件电路图简单明了，程序简单而准确；如何在运行中出现的错误进行分析并纠正等等，都是需要经过自己的独立思考、再手动研究夹加上反复实践摸索出来的。由于没有进行相应的单片机开发经验，在程序编写过程中对我来说是比较棘手的事。通过自己的不断自学，终于顺利的完成了大学的最后一课，即毕业设计和毕业论文。

参考文献

[1]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]李全利.单片机原理及接口技术（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]张刚毅.单片机原理及应用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4]宋国富主编.单片机技能与实训[M].北京：电子工业出版社，2010年2月.

[5]谢维成.单片机原理与应用及C51程序设计（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2009.

[6]杜文洁，王晓红.单片机原理及应用案例教程.北京：清华大学出版社，2012.

[7]及力.Protel 99 SE原理图与PCB设计教程[M].北京:电子工业出版社,2007.8.

致谢

本人的毕业论文研究的是演讲限时器单片机设计，由于在实物制作努力将作品完善好，论文撰写也很顺利，本人满怀感激，在这里需要感谢我的指导老师，还有同学们的耐心帮助。

首先，司宏林老师对我的关心和支持尤为重要，感谢老师在百忙之中抽出时间为我修改论文，让我的论文无论是结构还是内容变得更加公整、紧凑，感谢司宏林老师对我的悉心指导。

其次，在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们。感谢他们为我的设计提供的一些物质上的帮助，在设计时为我不断的加油鼓劲，在碰到一些困难时，总是热心的帮助我。才让我不仅学到了毕业设计所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量，让我感到无比的温暖。

最后，在论文撰写方面，要感谢本论文参考文献的作者，正是因为他们的优秀文摘，让我受益匪浅，得到了很大的启发。在借鉴他们的文摘之后，才得以顺利完成自己的论文撰写，给毕业设计画上了一个圆满的句号。