以51單片機為核心的校園鈴聲控制系統的設計

朱燕叢　徐志超

摘要：基于目前“綠色環保”生活環境的要求，文章設計了一種以AT89S52單片機為核心的新型自動音樂電鈴，音樂為悅耳的鈴聲并可按設定好的時間自動打鈴。該系統可以通過鍵盤電路對當前的時間值進行校正，通過液晶屏進行數據的顯示還可實現強制打鈴的功能。

關鍵詞：51單片機；AT89S52；校園鈴聲；控制系統；自動打鈴；時間校正 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM421 文章編號：1009-2374（2015）24-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.010

1 設計目的及實現功能

1.1 設計目的

目前廣泛應用的傳統電鈴噪音大，聲音刺耳，不符合人們追求。基于此，該課題采用51單片機技術設計了一種新型自動音樂電鈴，可按設定好的時間自動打鈴，而且改變了以往那種單調的“鈴鈴鈴”的鈴聲，而是以音樂的形式代替。該設計的核心控制器件為AT89S52單片機，通過專用的時鐘芯片DS1302進行計時，采用1602液晶屏進行數據的顯示。在聲音播放上使用了LM386功放芯片驅動小喇叭實現。同時設計了按鍵電路，可以通過鍵盤電路對當前的時間值進行校正，還可實現強制打鈴的功能。

1.2 本課題實現功能

（1）時鐘功能：能顯示年、月、日、時、分、秒；（2）鍵盤功能：能校正年份、日期、時間；（3）打鈴功能：按指定時間打鈴即播放音樂，上課播放一首音樂，下課播放另外一首；（4）設置手動打鈴按鍵和強制停止打鈴按鍵。

2 硬件設計

2.1 硬件設計原理

本系統的硬件主要由單片機控制部分、鍵盤電路、LCD液晶屏顯示電路、時鐘電路、喇叭驅動電路組成。

2.2 單片機最小系統

單片機選用AT89S52，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，片內具有8k的可反復擦寫可系統編程Flash只讀存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器即RAM，采用的是高密度非易失性存儲技術制造，并且與標準80C51指令系統及引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，所以適用于常規編程器。它的Flash程序存儲器既可以在線編程，也可用傳統方法進行編程及通過8位微處理器于單片機中，使得AT89S52成為為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。

單片機最小系統包括三部分：單片機，晶振電路，復位電路。其中電源、復位電路、振蕩電路是最小系統啟動的必要條件。

2.3 鍵盤電路

按鍵是各種電子設備最基本的人機交互界面，良好的按鍵是電子產品美觀易用的基礎。鍵盤分又為獨立式鍵盤和矩陣鍵盤，由于本設計中鍵盤只用于對時間進行校對，用到的按鍵個數比較少，所以本設計采用獨立式鍵盤，它們的功能分別為：設置按鍵、減按鍵和加按鍵。每個按鍵連接單片機的一個I/O口。

有兩種方法消除按鍵下按時產生的抖動，分別是硬件消抖和軟件消抖。

硬件消抖的方法是通過硬件電路消除按鍵按下和按鍵釋放時產生的抖動，從而使按鍵保持兩種狀態：高電平或者低電平。軟件消抖的方法是在檢測到按鍵被按下時先延時一段時間，然后再次對按鍵狀態進行判斷，當按鍵釋放后，也要經過數毫秒的延時，以消除后沿抖動。考慮到硬件去抖還要增加外部電路，所以本設計中采用的是軟件去抖的方法。

2.4 LCD液晶屏顯示電路

本文設計的自動打鈴系統通過LCD1602液晶屏顯示日期。LCD1602液晶屏屬于字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號的點陣型液晶模塊。它由若干個5×7或者5×11的點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以用顯示一個字符，能夠顯示16*2，即32個字符，分兩行進行顯示。LCD1602液晶屏內部存儲器內置了160個常用的點陣字符，比如：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、日文假名等，同時為每一個字符編寫了一個固定的代碼，在運行時識別的是ASCII碼，所以我們在編程時可以用ASCII碼進行數值操作，編程時也可以直接通過字符進行顯示。

其顯示部分引腳接口如圖1所示：

圖1 LCD液晶屏顯示電路

2.5 喇叭驅動電路

本設計采用LM386對音頻信號進行放大，進而驅動喇叭發出聲音。LM386是一種音頻集成功放，自身功耗低，約為4mA；電壓增益可調整（20～200）；可用于電池供電電源電壓范圍大，4～12V或5～18V；外接元件少、總諧波失真小，廣泛應用于錄音機和收音機之中。本設計中音頻信號的輸出口為單片機的P3.1口。具體電路圖如圖2所示：

圖2 喇叭驅動電路

2.6 時鐘電路

DS1302是一個美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、日期、月、年等信息，并且還有軟件自動調整的能力，可以通過配置AM/PM來決定采用24小時格式還是12小時格式。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。

采集時鐘芯片DS1302，單片機通過時鐘中斷程序讀取DS1302內時鐘數據，然后通過LCD1602進行顯示。設計電路圖如圖3所示：

圖3 時鐘電路

3 系統軟件的設計

3.1 主程序

主程序實現的功能：與硬件相結合實現酒精濃度檢測儀的所有功能。對各個功能子函數進行調用。它的工作流程為：首先初始化定時器、單片機、液晶屏及時鐘芯片，然后掃描按鍵狀態，如果調整時間按鍵沒有按鍵，則調用液晶屏顯示程序，接下來掃描強制打鈴按鍵，如果該按鍵按下，則音符計數清0，然后將當前的時間值與單片機內設定好的打鈴時間進行比較，如果達到打鈴時間，則音符計數清0，最后就是音樂播放了。

3.2 時鐘讀取流程

首先讀取溫度值，然后分別從DS1302讀取秒、分、時、日、月、年、星期的值，然后通過液晶屏顯示溫度、秒、分、時、日、月、年、星期的值。

3.3 液晶屏顯示流程圖

程序開始前先對液晶屏進行初始化，接下來數據顯示時先發送字符顯示位置，然后送出要顯示的數據，結束顯示。

3.4 按鍵掃描流程

三個按鍵分別連接單片機的P3.4，P3.5，P3.6，P3.7三個端口，由于單片機P3口內部具有上拉電阻，所以不再需要外加上拉電阻。

3.5 音樂播放流程圖

首先查詢當前音樂的音符及音高，然后據此查詢到所應對應的頻率及節拍數，根據此頻率給定時器賦值，根據節拍進行聲音延時。

4 結語

隨著電子產品的發展，市場上各種類型的自動打鈴系統層出不窮，而且是結合了各種設備的綜合應用系統，能實現的功能也是越來越強大便捷，例如基于校園網的自動打鈴系統，自動廣播打鈴系統，音樂打鈴系統等。隨著技術的進步，將單片機應用于鈴聲控制系統中將會使得打鈴系統的功能由單一型發展成多功能、多花樣的通用型，使用也將會越來越普遍。

作者簡介：朱燕叢（1982-），女，北京工業大學耿丹學院機械系講師，研究方向：機械電子。

（責任編輯：周 瓊）