Question

30秒倒计时器课程设计

在Proteus中画出原理图或使用实物，编制程序，实现以下功能：
　　　1、理解倒计时器工作原理。
　　　2、可设置倒计时时间的长短。
　　　3、剩余10秒钟时，给出声音提示，且声音强度随剩余时间的减小而加强。

Answer 1

　　【摘 要】篮球比赛30秒钟规则规定：进攻球队在场上控球时必须在30秒钟内投篮出手(NBA比赛为24秒,全美大学体育联合会比赛中为35秒)，因此在比赛时裁判既要看比赛又要看秒表计时，而本文介绍的30秒倒计时器可以解决此问题。

　　【关键词】AT89C51单片机、30秒倒计时器、LED

　　30秒倒计时器的设计和制作有很多方法，本文介绍的30秒倒计时器以AT89C51单片机作为控制单元，采用两个数码管显示时间，用三个按键分别控制计时器的计时开始、复位和暂停。倒计时器初始状态显示“30”，当裁判员按下计时键，30秒倒计时开始，当计时器时间减到0时，计时器发出声光报警，提示裁判计时时间已到。

　　一、电路设计

　　30秒倒计时器的电路主要由电源电路、单片机最小系统、按键输入、显示驱动电路、报警电路组成，30秒倒计时器控制电路如图1所示。

　　图1 30秒倒计时器电路原理图

　　1、按键输入

　　“30秒倒计时器”采用了三个按键来完成计数器的启动计数、复位、暂停/继续计数等功能。

　　（1）K1键：启动按钮（P3.2）。

　　按下K1键，计数器倒计时开始，数码管显示数字从30开始每秒递减计数，当递减到到零时，报警电路发出声、光报警信号。当计数器处于暂停状态时按下K1键将回到计时状态。

　　（2）K2键：复位按钮（P3.3）。

　　按下K2键，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置值 “30” ,在报警状态时按下K2键还可取消报警。

　　（3）K3键：暂停/计时切换按钮（P3.4）。

　　当计数器处于计时状态时按下该键计数器暂停计时，数码管显示数字保持不变；当计数器处于暂停状态按下该键计数器将回到计时状态；初始状态时该键无效。

　　2、显示驱动电路

　　“30秒倒计时器”用两个共阳数码管来显示时间，数码管显示方式为动态显示。显示驱动电路中，数码管的段码引脚通过470欧的电阻接到单片机的P1口，两个片选引脚各通过一个9012连接到正5V电源，由P3.0和P3.1控制。

　　4、报警电路

　　计时时间减到0，显示数码管显示“00”时，发光二极管D1由P3.5控制发出光报警，同时蜂鸣器由P3.7控制发出声报警。

　　二、软件编程思路

　　1、全局变量

　　“30秒倒计时器”动作流程主要受三个全局变量控制。首先是bit变量“act”，当“act”为“1”时倒计时开始，为“0”时倒计时停止，“act”初值为“0”，可以由按钮操作将其置“1”或清“0”。第二个全局变量是char变量“time”，存放倒计时的时间，当倒计时时间为0时，发出声光报警。变量“time”的初值为30，定时中断服务程序在“act”为1时，每1s对其进行减1操作，减到0时保持为0，按下“复位键”可将“time”复位为30。第三个全局变量是int变量“t”，记录响应定时中断0的次数。根据初始化定义，定时器0以方式1工作，每1ms发出一次中断请求。控制程序只开放了定时器0中断，因此不会有比定时器0中断更高级的中断被允许，所以每次请求都会立刻被响应。响应后在中断服务程序中将全局变量“t”加1记录响应中断次数，每响应1000次即为1秒钟。变量“t”初值为0，在中断服务程序中加1，当“t”为2000时由中断服务程序清0。在按键驱动程序中，按下启动键、复位键、暂停/启动键时将“t”清0，目的是从0ms开始计时。

　　2、控制流程

　　主程序主要用来检测全局变量“time”当“time”为0时发出“声光报警”。按键驱动、显示驱动和“time”操作都在定时器0中断服务程序中进行。其控制流程如图2所示。

　　图2 控制流程图

　　三、软件程序设计

　　1、数码管驱动程序

　　到计时器的两个数码管以动态显示的方式显示计时时间“time”（全局变量），LED1显示“time”的十位，LED2显示“time”的个位。

　　（1）定义段码数据口和片选信号

　　根据实际电路，在C51中定义段码的数据口为P1，两个片选信号为P3.0和P3.1。定义如下：

　　#define duan P1

　　sbit wei1=P3^0;

　　sbit wei2=P3^1;

　　（2）定义字形码

　　LED显示数字0~9以及全灭的字形码表格放在数组zixing[]中。字形码是固定的表格，定义时加上关键字“code” 表示该表格存放在程序存储器中。

　　unsigned char code zixing[]=

　　{

　　0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff

　　};

　　（3）定义数码管LED1和LED2的显示变量

　　为了增加驱动程序的可移植性，笔者为数码管LED1和LED2定义了显示变量。显示变量就是本驱动程序的对外接口，外部程序只要改变显示变量的值就可改变数码管显示的数值。定义方式如下：

　　unsigned char led_str[2]={10,10};

　　led_str[0]直接对应数码管LED1, led_str[1]直接对应数码管LED2。本项目中由专门的子程序将全局变量time计算拆分成led_str[0]和led_str[1]。

　　void js()

　　{

　　led_str[1]=time/10%10;

　　led_str[0]=time%10;

　　}

　　（4）数码管驱动程序

　　数码管驱动程序“void chushi(char i)”在定时中断服务程序中被调用执行。根据初始化程序的定义，定时中断服务程序每1ms被执行一次。定时中断服务程序中运用全局变量“t”记录进入该服务程序的次数，“t”计满2000由定时中断服务程序清零。

　　数码管驱动程序的参数“char i”是用来确定当前点亮的是LED1还是LED2，当参数为“0”时点亮LED1，参数为“1”时点亮LED2。如果我们希望偶数次进入定时中断服务程序时点亮LED1，奇数次进入定时中断服务程序时点亮LED2，我们可以用程序调用语句“chushi(t%2)；”轻松实现。

　　进入数码管驱动程序后首先调用子函数js()，计算当前的led_str[0]和led_str[1]。接下来将两个数码管全部熄灭以防止余晖的出现。最后点亮需要点亮的数码管并送出字型码。驱动程序代码如下：

　　void chushi(char i)

　　{

　　js(); //计算显示变量

　　duan=0xff; //去余晖

　　wei1=i; wei2=!i; //确定片选

　　duan=zixing[led_str[i]]; //送字型码

　　}

　　2、按键驱动程序

　　按键驱动程序分为按键识别和按键功能执行两部分。按键功能执行可在按键按下时或按键抬起后执行，文中将其设计在按键抬起后执行。

　　（1）定义按键I/O地址

　　根据实际电路，三个按键（启动键、复位键、暂停/启动键）分别接在P3口的P3.2，P3.3和P3.4三个引脚上。为了取键值方便还将P3口定义为“iokey”，程序中可作定义如下：

　　#define iokey P3

　　sbit key1=P3^2;

　　sbit key2=P3^3;

　　sbit key3=P3^4;

　　（2）按键驱动流程

　　按键识别的通用流程为：I/O口写“1”→判断有无键按下→延时去抖→确定键值→等待按键抬起→执行按键功能。按键驱动程序中定义了两个静态变量“ts” 和“kv”，分别用来延时去抖和存放键值。

　　（3）延时去抖

　　静态变量“ts”用来延时去抖。按键驱动程序在定时中断服务程序中每1ms被执行一遍，每检测到有键按下“ts”加1，检测到无键按下“ts”清0。按键连续按下20ms，则连续20次执行按键驱动程序时都检测到有键按下，此时静态变量“ts”累加到20，可确认按键按下有效。

　　为防止按键一直按着不放而使“ts”累加到溢出，确认有键按下后可使“ts”的值保持为20，或大于20的某一个值如21。

　　（4）取键值

　　确认有键按下后即可通过读取按键的I/O口状态来得到键值。为读取P3.2、P3.3和P3.4引脚状态，屏蔽P3口其他引脚的影响，可将读取后的数值按位或上11100011B（0xE3）再送给静态变量“kv”。

　　静态变量“kv”存放按键的键值，无键按下或按键抬起后kv的值为0。按下启动键key1时kv=11111011B（0xFB），按下复位键key2时kv=11110111B（0xF7），按下暂停/启动键key3时kv=11101111B（0xEF）。

　　（5）执行按键功能

　　按键抬起后第一次执行按键驱动程序时，静态变量“kv”任保持着按键按下时最后得到的键值，以该键值作为参数调用按键执行程序“actkey(kv)；”即可执行按键功能。调用后kv值立刻清0，确保按一次键执行一次按键功能。驱动程序代码如下：

　　void key()

　　{

　　static unsigned char kv=0;

　　static unsigned char ts=0;

　　key1=1;key2=1;key3=1;

　　if(!(key1&key2&key3))

　　{

　　ts++;

　　if(ts>=20)ts=20; //有键按下

　　if(ts==20)

　　kv=iokey|0xe3; //取键值

　　}

　　else

　　{ //无键按下或按键已抬起

　　actkey(kv);

　　ts=0;

　　kv=0;

　　}

　　}

　　函数actkey(kv)用来根据键值“kv”执行相应操作。当“kv”等于0xFB时代表启动键key1按下，函数actkey(kv)将全局变量act赋值为“1”。当“kv”等于0xF7时代表复位键key2按下，函数actkey(kv)将全局变量“time”复位为“30”。当“kv”等于0xEF时代表暂停/启动键按下，函数actkey(kv)将全局变量act取反。每按一个按钮都有将全局变量“t”清0的操作，目的是每当复位、或启动计时时，进入定时中断的次数都从0开始计算，否则会出现第1秒计时不准确的现象。程序代码如下：

　　void actkey(unsigned char k)

　　{

　　switch(k)

　　{

　　case 0xfb:act=1;t=0;break;

　　case 0xf7:time=30;t=0; break;

　　case 0xef:act=~act;t=0; break;

　　}

　　}

　　四、结束语

　　本文在编程过程中以面向对象的编程思路封装了两个LED数码管和三个独立按键。当其驱动程序在定时中断服务程序中被调用，编程者只要操作其接口：数组“led_str[2]”和函数“actkey(unsigned char k)”，无需直接对硬件进行编程即可改变功能，增强了软件的通用性和可移植性。

Answer 2

　　【摘 要】篮球比赛30秒钟规则规定：进攻球队在场上控球时必须在30秒钟内投篮出手(NBA比赛为24秒,全美大学体育联合会比赛中为35秒)，因此在比赛时裁判既要看比赛又要看秒表计时，而本文介绍的30秒倒计时器可以解决此问题。

　　【关键词】AT89C51单片机、30秒倒计时器、LED

　　30秒倒计时器的设计和制作有很多方法，本文介绍的30秒倒计时器以AT89C51单片机作为控制单元，采用两个数码管显示时间，用三个按键分别控制计时器的计时开始、复位和暂停。倒计时器初始状态显示“30”，当裁判员按下计时键，30秒倒计时开始，当计时器时间减到0时，计时器发出声光报警，提示裁判计时时间已到。

　　一、电路设计

　　30秒倒计时器的电路主要由电源电路、单片机最小系统、按键输入、显示驱动电路、报警电路组成，30秒倒计时器控制电路如图1所示。

　　图1 30秒倒计时器电路原理图

　　1、按键输入

　　“30秒倒计时器”采用了三个按键来完成计数器的启动计数、复位、暂停/继续计数等功能。

　　（1）K1键：启动按钮（P3.2）。

　　按下K1键，计数器倒计时开始，数码管显示数字从30开始每秒递减计数，当递减到到零时，报警电路发出声、光报警信号。当计数器处于暂停状态时按下K1键将回到计时状态。

　　（2）K2键：复位按钮（P3.3）。

　　按下K2键，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置值 “30” ,在报警状态时按下K2键还可取消报警。

　　（3）K3键：暂停/计时切换按钮（P3.4）。

　　当计数器处于计时状态时按下该键计数器暂停计时，数码管显示数字保持不变；当计数器处于暂停状态按下该键计数器将回到计时状态；初始状态时该键无效。

　　2、显示驱动电路

　　“30秒倒计时器”用两个共阳数码管来显示时间，数码管显示方式为动态显示。显示驱动电路中，数码管的段码引脚通过470欧的电阻接到单片机的P1口，两个片选引脚各通过一个9012连接到正5V电源，由P3.0和P3.1控制。

　　4、报警电路

　　计时时间减到0，显示数码管显示“00”时，发光二极管D1由P3.5控制发出光报警，同时蜂鸣器由P3.7控制发出声报警。

　　二、软件编程思路

　　1、全局变量

　　“30秒倒计时器”动作流程主要受三个全局变量控制。首先是bit变量“act”，当“act”为“1”时倒计时开始，为“0”时倒计时停止，“act”初值为“0”，可以由按钮操作将其置“1”或清“0”。第二个全局变量是char变量“time”，存放倒计时的时间，当倒计时时间为0时，发出声光报警。变量“time”的初值为30，定时中断服务程序在“act”为1时，每1s对其进行减1操作，减到0时保持为0，按下“复位键”可将“time”复位为30。第三个全局变量是int变量“t”，记录响应定时中断0的次数。根据初始化定义，定时器0以方式1工作，每1ms发出一次中断请求。控制程序只开放了定时器0中断，因此不会有比定时器0中断更高级的中断被允许，所以每次请求都会立刻被响应。响应后在中断服务程序中将全局变量“t”加1记录响应中断次数，每响应1000次即为1秒钟。变量“t”初值为0，在中断服务程序中加1，当“t”为2000时由中断服务程序清0。在按键驱动程序中，按下启动键、复位键、暂停/启动键时将“t”清0，目的是从0ms开始计时。

　　2、控制流程

　　主程序主要用来检测全局变量“time”当“time”为0时发出“声光报警”。按键驱动、显示驱动和“time”操作都在定时器0中断服务程序中进行。其控制流程如图2所示。

　　图2 控制流程图

　　三、软件程序设计

　　1、数码管驱动程序

　　到计时器的两个数码管以动态显示的方式显示计时时间“time”（全局变量），LED1显示“time”的十位，LED2显示“time”的个位。

　　（1）定义段码数据口和片选信号

　　根据实际电路，在C51中定义段码的数据口为P1，两个片选信号为P3.0和P3.1。定义如下：

　　#define duan P1

　　sbit wei1=P3^0;

　　sbit wei2=P3^1;

　　（2）定义字形码

　　LED显示数字0~9以及全灭的字形码表格放在数组zixing[]中。字形码是固定的表格，定义时加上关键字“code” 表示该表格存放在程序存储器中。

　　unsigned char code zixing[]=

　　{

　　0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff

　　};

　　（3）定义数码管LED1和LED2的显示变量

　　为了增加驱动程序的可移植性，笔者为数码管LED1和LED2定义了显示变量。显示变量就是本驱动程序的对外接口，外部程序只要改变显示变量的值就可改变数码管显示的数值。定义方式如下：

　　unsigned char led_str[2]={10,10};

　　led_str[0]直接对应数码管LED1, led_str[1]直接对应数码管LED2。本项目中由专门的子程序将全局变量time计算拆分成led_str[0]和led_str[1]。

　　void js()

　　{

　　led_str[1]=time/10%10;

　　led_str[0]=time%10;

　　}

　　（4）数码管驱动程序

　　数码管驱动程序“void chushi(char i)”在定时中断服务程序中被调用执行。根据初始化程序的定义，定时中断服务程序每1ms被执行一次。定时中断服务程序中运用全局变量“t”记录进入该服务程序的次数，“t”计满2000由定时中断服务程序清零。

　　数码管驱动程序的参数“char i”是用来确定当前点亮的是LED1还是LED2，当参数为“0”时点亮LED1，参数为“1”时点亮LED2。如果我们希望偶数次进入定时中断服务程序时点亮LED1，奇数次进入定时中断服务程序时点亮LED2，我们可以用程序调用语句“chushi(t%2)；”轻松实现。

　　进入数码管驱动程序后首先调用子函数js()，计算当前的led_str[0]和led_str[1]。接下来将两个数码管全部熄灭以防止余晖的出现。最后点亮需要点亮的数码管并送出字型码。驱动程序代码如下：

　　void chushi(char i)

　　{

　　js(); //计算显示变量

　　duan=0xff; //去余晖

　　wei1=i; wei2=!i; //确定片选

　　duan=zixing[led_str[i]]; //送字型码

　　}

　　2、按键驱动程序

　　按键驱动程序分为按键识别和按键功能执行两部分。按键功能执行可在按键按下时或按键抬起后执行，文中将其设计在按键抬起后执行。

　　（1）定义按键I/O地址

　　根据实际电路，三个按键（启动键、复位键、暂停/启动键）分别接在P3口的P3.2，P3.3和P3.4三个引脚上。为了取键值方便还将P3口定义为“iokey”，程序中可作定义如下：

　　#define iokey P3

　　sbit key1=P3^2;

　　sbit key2=P3^3;

　　sbit key3=P3^4;

　　（2）按键驱动流程

　　按键识别的通用流程为：I/O口写“1”→判断有无键按下→延时去抖→确定键值→等待按键抬起→执行按键功能。按键驱动程序中定义了两个静态变量“ts” 和“kv”，分别用来延时去抖和存放键值。

　　（3）延时去抖

　　静态变量“ts”用来延时去抖。按键驱动程序在定时中断服务程序中每1ms被执行一遍，每检测到有键按下“ts”加1，检测到无键按下“ts”清0。按键连续按下20ms，则连续20次执行按键驱动程序时都检测到有键按下，此时静态变量“ts”累加到20，可确认按键按下有效。

　　为防止按键一直按着不放而使“ts”累加到溢出，确认有键按下后可使“ts”的值保持为20，或大于20的某一个值如21。

　　（4）取键值

　　确认有键按下后即可通过读取按键的I/O口状态来得到键值。为读取P3.2、P3.3和P3.4引脚状态，屏蔽P3口其他引脚的影响，可将读取后的数值按位或上11100011B（0xE3）再送给静态变量“kv”。

　　静态变量“kv”存放按键的键值，无键按下或按键抬起后kv的值为0。按下启动键key1时kv=11111011B（0xFB），按下复位键key2时kv=11110111B（0xF7），按下暂停/启动键key3时kv=11101111B（0xEF）。

　　（5）执行按键功能

　　按键抬起后第一次执行按键驱动程序时，静态变量“kv”任保持着按键按下时最后得到的键值，以该键值作为参数调用按键执行程序“actkey(kv)；”即可执行按键功能。调用后kv值立刻清0，确保按一次键执行一次按键功能。驱动程序代码如下：

　　void key()

　　{

　　static unsigned char kv=0;

　　static unsigned char ts=0;

　　key1=1;key2=1;key3=1;

　　if(!(key1&key2&key3))

　　{

　　ts++;

　　if(ts>=20)ts=20; //有键按下

　　if(ts==20)

　　kv=iokey|0xe3; //取键值

　　}

　　else

　　{ //无键按下或按键已抬起

　　actkey(kv);

　　ts=0;

　　kv=0;

　　}

　　}

　　函数actkey(kv)用来根据键值“kv”执行相应操作。当“kv”等于0xFB时代表启动键key1按下，函数actkey(kv)将全局变量act赋值为“1”。当“kv”等于0xF7时代表复位键key2按下，函数actkey(kv)将全局变量“time”复位为“30”。当“kv”等于0xEF时代表暂停/启动键按下，函数actkey(kv)将全局变量act取反。每按一个按钮都有将全局变量“t”清0的操作，目的是每当复位、或启动计时时，进入定时中断的次数都从0开始计算，否则会出现第1秒计时不准确的现象。程序代码如下：

　　void actkey(unsigned char k)

　　{

　　switch(k)

　　{

　　case 0xfb:act=1;t=0;break;

　　case 0xf7:time=30;t=0; break;

　　case 0xef:act=~act;t=0; break;

　　}

　　}

　　四、结束语

　　本文在编程过程中以面向对象的编程思路封装了两个LED数码管和三个独立按键。当其驱动程序在定时中断服务程序中被调用，编程者只要操作其接口：数组“led_str[2]”和函数“actkey(unsigned char k)”，无需直接对硬件进行编程即可改变功能，增强了软件的通用性和可移植性。