基于STC12C5A16S2单片机电子打铃器设计.docx

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基于STC12C5A16S2单片机电子打铃器设计

基于STC12C5A16S2单片机电子打铃器设计

摘要：

随着社会、科技的发展，从手动打铃到现在电子打铃，不断研究、创新.为了在人类更好的学习和生活，能够了解与人类密切相关的信息，电子打铃器诞生了，它集时间、日期、打铃等功能于一身，具有显示直观、功能多样、电路简洁等诸多优点，具有广阔的市场前景.该电子打铃器主要采用STC12C5A16S2单片机作为主控核心，由DS1302时钟芯片提供时钟、LCD1602动态扫描显示屏显示.STC12C5A16S2单片机是由Atmel公司推出的，功耗小，电压可选用4～6V电压供电；DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电功能的低功耗实时时钟芯片，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能，而且DS1302的使用寿命长，误差小.电子打铃器是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用自动打铃器，从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路.而且通过电子打铃器的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法.

关键词：

STC12C5A16S2单片机；时钟芯片DS1302；显示器LCD16

DesignofElectronicBellbasedonSTC12C5A16S2

Abstract：

Alongwiththesociety,thedevelopmentofscienceandtechnology,frommanualringingnowelectronicbell,continuetoresearch,innovation.Inordertobetterlearningandlivinghuman,abletounderstandthepeoplecloselyrelatedtoinformation,electronicringerwasborn,itsetsthetime,date,bellandotherfunctionsinabody,hastheadvantagesofvisualdisplay,multiplefunctions,simplecircuitandmanyotheradvantages,hasbroadmarketprospects.TheelectronicringermainlyadoptsSTC12C5A16S2chipascontrollingcore,bytheDS1302clockchipwithclock,LCD1602dynamicscanningdisplay.SinglechipSTC12C5A16S2isofferedbytheAtmel,smallpowerconsumption,voltagecanbe4~6Vvoltagesupply;DS1302clockchipisintroducedbyAmericanDALLASCorporationhasfinecurrenttricklechargingfunctionlowpowerreal-timeclockchip,itcanbeyears,months,days,weeks,hours,minutesandsecondsfortime,alsohasaleapyearcompensationandotherfunctions,DS1302andlongservicelife,smallerror.Electronicringerisakindofdigitalcircuittechnology,minutesandseconds,timingdevices,andmechanicalclock,comparedwithhigheraccuracyandintuitive,andnomachinery,hasalongerservicelife,soithasbeenwidelyusedautomaticbelldevice,fromtheprincipleofspeaking,isatypicaldigitalcircuits,includingtheassemblylogiccircuitandthesequentialcircuits.Andthroughtheelectronicringertomakefurtherunderstandingofavarietyofusedintheproductionofmediumandsmallscaleintegratedcircuitandpracticalmethod.Throughitsfurtherstudyandmasterthevariouscombinationsoflogiccircuitsandsequentialcircuitsusingtheprincipleandmethod.

Keywords:

STC12C5A16S2singlechipmicrocomputer;ClockchipDS1302;DisplayLCD1602

基于STC12C5A16S2单片机电子打铃器设计

1．概述

当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未有的速度被单片机智能控制系统所取代.单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机.近年来，随着电子技术和微机计算机的迅速发展，单片机的档次不断提高，其应用领域也在不断的扩大，已在工业控制、尖端科学、智能仪器仪表、日用家电、汽车电子系统、办公自动化设备、个人信息终端及通信产品中得到了广泛的应用，成为现代电子系统中最重要的智能化的核心部件.随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，对作息时间的安排要求越来越高，电子打铃器的消费需求也是越来越多.学习单片机的最有效的方法就是理论与实践并重，本文用STC12C5A16S2单片机设计的一个自动打铃系统.

本设计为软件，硬件相结合的一组设计.在软件设计过程中，应对硬件部分有相关了解，这样有助于对设计题目的更深了解，有助于软件设计.基本的要了解一些主要器件的基本功能和作用.除了采用集成化的采用软件和硬件结合的方法，控制LED数码管输出，分别用来显示年、月、日、时、分、秒，其最大特点是:

硬件电路简单，安装方便易于实现，软件设计独特,可靠.STC12C5A16S2是由ATMEL公司推出的一种小型单片机.95年出现在中国市场.其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受.

本设计是一个具有报时功能的作息时间控制钟.它利用单片机的外扩接口与DS1302连接计时，进行年历计算，并用的蜂鸣器驱动模块将它报出来；在进行时间计算，分每加一时，都与规定的作息时间比较，如果相等则进行相应的控制或动作.由七段显示驱动模块、蜂鸣器驱动模块和按钮控制模块三部分组成，四个按键用于报时及校正时间.现代机关企业，特别是学校要求对时间加以控制，要按时打铃及播放广播，以保证学习与工作的正常运行.本设计实现了这些功能，给学校及其他机关企业带来方便，整体性好，人性化强、可靠性高，实现了对时间控制的智能化.

2．整体设计方案论证

方案一：

采用电子计算器在VB平台上设计一种应用程序，通过计算机与电子打铃器的串行通信，实现计算机对电子打铃器的控制.由于采用VB设计，而且设计较复杂，电路程序繁琐.

采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器.FPGA可以实现系统的各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以利用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展.FPGA采用并行的输入方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心.但是由于本设计对数据处理的速度要求不是很高，FPGA高速处理的优势得不到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的操作.

使用传统的数码管显示.传统数码管具有：

低能耗，低损耗，寿命长，防火，防潮，对外界环境要求低，易于维护等优势.但显示资源有限.

方案二：

采用单片机STC12C5A16S2为核心，STC12C5A16S2是16KFlash的宏晶STC12C5A60S2系列单片机，采用宏晶第六代加密技术，STC12C5A60S2系列单片机器件是1个时钟/机器周期8051单片机，低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰.

采用单片机STC12C5A16S2作为系统的控制器.单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉等有点，使其在各个领域应用广泛.

使用液晶显示屏显示计时值.液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点.所以我们选择LCD1602作为显示器.

综上所述，选择方案二，采用单片机STC12C5A16S2构成系统控制部分.

3．硬件设计

3.1模块设计

教学用电子打铃器主要由STC12C5A16S2单片机、键盘扫描模块、时钟和复位模块、打铃器模块、八段数码管显示模块等组成.运用汇编语言来控制单片机STC12C5A16S2来实现、动态数码显示等功能.且本设计中的80C51单片机是整个工作过程的核心，是整个设计灵魂，它控制了脉冲时序的产生，显示信号的发送控制显示LED的选择.

STC12C5A16S2是一种带4K字节存储器（的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机.

3.2单片机介绍

图3-1STC12C5A60S2单片机引脚图

P0.0—P0.7（39—32）：

P0口是一个漏极开路型准双向I/O口.在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻.在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节.验证时，要求外接上拉电阻.

P1.0—P1.7（1-8）：

P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口.在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址.P2.0—P2.7（21-28）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口.在访问外部存储器时，它送出高8位地址.在对EFROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址.

P3.0—P3.7（10-17）：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口.

STC12C5A16S2概述：

STC12C5A16S2是16KFlash的宏晶STC12C5A60S2系列单片机，采用宏晶第六代加密技术，STC12C5A60S2系列单片机器件是1个时钟/机器周期8051单片机，低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰.

STC12C5A16S2特性：

A.高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快6-12倍；

B.宽电压：

5.5-3.3V；

C.增加第二复位功能脚/P4.6；

D.增加外部掉电检测电路/P4.6，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM；

E.低功耗设计：

空闲模式；

F.低功耗设计：

掉电模式；

G.支持掉电唤醒的管脚：

INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5RxD/P3.0CCP0/P1.3（P4.2）CCP1/P1.4（P4.3）EX_LVD/P4.6

H.工作频率：

0-35MHz，相当于普通8051:

0-420MHz；

I.时钟：

外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISO下载编程优惠程序时设置；

J.16K字节内Flash程序存储器，擦写字数10万次以上；

K.1280字节片内RAM数据存储器；

L.芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上；

M.ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器；

N.8通道，10位高速ADC，高速可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用；

O.2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP）；

P.4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2个定时器；

Q.可编程时钟输出功能；

R.硬件看门狗；

S.高速SPI串行通信端口；

T.全双工异步串行口；

U.先进的指令集结构；

V.通用I/O口（36/40/44）,复位后为：

准双向口/弱上拉/（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过120mA

3.3电源介绍

图3-2电源原理图

3.3.1光耦的工作原理

光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦.它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内.当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换.普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号.近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽.

光耦合器的类型及性能特点:

光耦合器有双列直插式、管式、光导纤维式等多种封装形式，其种类达数十种.光耦合器的分类及内部电路如图1所示.图中是8种典型产品的型号：

（a）通用型（无基极引线）；（b）通用型（有基极引线）；（c）达林顿型；（d）高速型；（e）光集成电路；（f）光纤型；（g）光敏晶闸管型；（h）光敏场效应管型.

光耦合器的性能特点:

光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高.它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中.在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的.

光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V（BR）CEO、集电极-发射极饱和压降VCE（sat）.此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数.

电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示.当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比.其公式为：

采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%（如4N35），而PC817则为80%～160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～5000%.这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流.因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处.线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲线，分别如图2中的虚线和实线所示.

由图2可见，普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号.线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比（ΔCTR＝ΔIC/ΔIF）很接近于直流电流传输比CTR值.因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系.这是其重要特性.

线性光耦合器的产品分类及选取原则

线性光耦合器的典型产品及主要参数见表1，这些光耦均以光敏三极管作为接收管.线性光耦合器的选取原则,在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：

①光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%.这是因为当CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF＞5.0mA），才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗.若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出.

②推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整.

③由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在国内应用地十分普遍.鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号（高、低电平），因此不推荐用在开关电源中.

线性光耦合器应用举例:

多路输出式电源变换器电路如图3所示.其输入电压为36V到90V的准方波电压，三路输出分别为：

UO1＝＋5V（2A），UO2＝＋15V（0.17A），UO3＝－15V（0.17A）.现将UO1定为主输出，其电压调整率SV＝±0.4%；UO2和UO3为辅输出，总电源效率可达75%～80%.电路中采用一片TOP104Y型三端单片开关电源集成电路.主输出绕组电压经过VD2、C2、L1和C3整流滤波后，得到＋5V电压.VD2采用MBR735型35V／7.5A肖特基二极管.两个辅输出绕组及输出电路完全呈对称结构.因为±15V输出电流较小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V／1A的超快恢复二极管.由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器TL431C构成光耦反馈式精密开关电源，可以对＋5V电压进行精密调整.反馈绕组电压通过VD3、C4整流滤波后，得到12V反馈电压.由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极管构成的漏极钳位保护电路，能吸收由高频变压器漏感形成的尖峰电压，保护芯片内部的功率场效应管MOSFET不受损坏.

外部误差放大器由TL431C组成.当+5V输出电压升高时，经R3、R4分压后得到的取样电压，就与TL431C中的2.5V带隙基准电压进行比较，使其阴极电位降低，LED的工作电流IF增大，再通过线性光耦IC2（CNY17-2）使控制端电流IC增大，TOP104Y的输出占空比减小，使UO1维持不变，达到稳压目的.+5V稳压值UO1则由TL431C、光耦中的LED正向压降来设定.R1是LED的限流电阻.误差放大器的频率响应由C5、R2和C6来决定.C5的作用有三个：

滤除控制端上的尖峰电压；决定自动重启动频率；与R2一起对控制回路进行补偿.

3.3.2光耦的优点

光耦合器的主要优点是：

信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高.光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中.在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的.

3.3.3光耦的种类

光电耦合器分为两种：

一种为非线性光耦，另一种为线性光耦.

非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量.常用的4N系列光耦属于非线性光耦.

线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制.常用的线性光耦是PC817A—C系列.

开关电源中常用的光耦是线性光耦.如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制.由此产生的后果是对彩电，彩显，VCD，DCD等等，将在图像画面上产生干扰.同时电源带负载能力下降.在彩电，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换.常用的4脚线性光耦有PC817A----C.PC111TLP521等常用的六脚线性光耦有：

LP632TLP532PC614PC714PS2031等.常用的4N254N264N354N36是不适合用于开关电源中的，因为这4种光耦均属于非线性光耦.

3.3.4光耦的作用

由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：

（a）在逻辑电路上的应用

光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠.

（b）作为固体开关应用

在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现.

（c）在触发电路上的应用

将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题.

（d）在脉冲放大电路中的应用

光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大.

（e）在线性电路上的应用

线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能.

（f）特殊场合的应用

光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合.

线性光耦合器的选取原则:

在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：

A.光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%.这是因为当CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF＞5.0mA），才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗.若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出.

B.推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整.

C.由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在国内应用地十分普遍.鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号（高、低电平），因此不推荐用在开关电源中.

线性光耦合器应用举例

多路输出式电源变换器电路如图3所示.其输入电压为36V到90V的准方波电压，三路输出分别为：

UO1＝＋5V（2A），UO2＝＋15V（0.17A），UO3＝－15V（0.17A）.现将UO1定为主输出，其电压调整率SV＝±0.4%；UO2和UO3为辅输出，总电源效率可达75%～80%.电路中采用一片TOP104Y型三端单片开关电源集成电路.主输出绕组电压经过VD2、C2、L1和C3整流滤波后，得到＋5V电压.VD2采用MBR735型35V／7.5A肖特基二极管.两个辅输出绕组及输出电路完全呈对称结构.因为±15V输出电流较小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V／1A的超快恢复二极管.由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器TL4