多功能天數計時器的設計與應用

作者 / 張瑞增、顏丙波、陳紀旸，山東大學控制科學與工程學院

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多功能天數計時器的設計與應用

作者 / 張瑞增、顏丙波、陳紀旸，山東大學控制科學與工程學院

針對人們對天數正計時、倒計時產品的需要，設計了多功能天數計時器。本文介紹了該天數計時器硬件接口電路及其軟件編程思路，提出了正計時/倒計時模式自動轉換的簡易方法。該系統能夠進行天數正計時、倒計時，記錄計時開始時間及截止時間，相關信息保存到STC15內部EEPROM中，使其在系統斷電后不丟失，解決了現有產品中數據在掉電后不能保存的問題。采用低功耗日歷時鐘芯片PCF8563 作為實時時鐘，并設計了雙電源電路向PCF8563供電，使實時時鐘在主電路斷電后仍可以繼續運行，保證系統的穩定性。LED數字屏亮度高，室內室外都可使用，且大小可根據需要選擇，提高了系統的通用性。

單片機；正計時；倒計時；EEPROM；PCF8563；LED屏

引言

在企業安全生產中，人們對生產線安全運行天數進行記錄并顯示。在舉辦重大活動時，為了提高對活動的關注度和緊迫感，人們開始研發各種倒計時系統［1］。比如高考倒計時、運動會倒計時、比賽時間計時等等。

本文提出一種基于STC15F2K56S2的多功能天數計時系統設計方案，使正計時/倒計時模式可自由轉換，并通過實驗驗證了其可行性、實用性。利用STC15F2K56S2內部EEPROM保存人們設置的計時時間基準，確保系統掉電后設置的參數不會丟失。

1.系統整體設計

系統主要功能是計算當前時間與截止日期間的天數并在LED數字屏顯示。在設計上，將系統分為6個子模塊：控制器STC15F2K56S2、時鐘芯片PCF8563、設定HMI、LED數字屏、485通信電路、電源管理。系統整體結構框圖如圖1所示。其中控制器STC15F2K56S2作為系統的“大腦”，負責總體運行；時鐘芯片PCF8563提供實時時鐘；設定HMI（Human Machine Interface:人機界面）、LED數字屏和485通信電路作為系統的輸入輸出部分。

圖1 系統整體結構框圖

2.系統硬件電路設計

穩定可靠的硬件是系統長期穩定運行的基礎，硬件的模塊化設計可以將系統化繁為簡，使其更便于設計、制作、調試及維護。下面將整體硬件分6大模塊進行詳細說明。

■2.1 控制器STC15F2K56S2最小系統

控制器采用STC15F2K56S2，其內部包含增強型8051內核、8路高速10位A / D轉換、2KB RAM、56KB ROM、5K 的EEPROM，該EEPROM用于永久保存用戶設定的起始日期、終止日期等信息［2］。STC15F2K系列單片機內置SPI（Serial Peripheral Interface:串行外設接口），方便與其他SPI接口設備連接；內置看門狗，可用程序控制其啟用及關閉。其最小系統原理圖如圖2所示。其中CH340G為USB轉串口芯片，用于給STC15F2K56S2單片機下載程序及PC與MCU（Micro Controller Unit:單片機）間的串口通信，其封裝為SOP-16，方便焊接使用。 STC15F2K56S2作為天數計時系統的控制核心，其引腳功能分配如表1所示。

圖2 控制器最小系統原理圖

■2.2 時鐘芯片PCF8563應用電路

時鐘芯片選用PCF8563，該芯片功耗低，具有實時時鐘和日歷功能，并具有可編程時鐘輸出、定時中斷輸出、低電壓檢測的功能，I2C接口便于和MCU通信［3］。其應用電路如圖3所示。其中紐扣電池BAT1用于在系統斷電時為PCF8563供電，保證時鐘持續、穩定運行。一枚型號為CR1220的紐扣電池的標稱容量為38mAH， PCF8563在3V電池供電消耗電流為0.25μA，故主電路斷電后一枚CR1220電池可使PCF8563運行15年以上［4］。

■2.3 LED數字屏設計

LED數字屏的優點是亮度高、視角廣，在室內室外都可以被清晰的看到，且其大小有多種型號，可根據不同需求進行選擇，提高了系統的通用性。LED數字屏內部有3位七段數碼管，每段數碼管由多個LED燈串并聯組成。其驅動采用大功率達林頓集成電路ULN2803，每段的驅動電流最大可達500mA，為LED數字屏的供電提供了充足的裕度。使用74HC573鎖存器鎖存LED數字屏段選信號，從而用P2口可控制3位數碼管的段選。一位LED數字屏驅動電路如圖4所示。

表1 天數計時系統中STC15引腳功能分配表

圖3 PCF8563應用電路圖

■2.4 設定HMI

設定HMI采用12864液晶作為后臺顯示、6個獨立按鍵用于設定參數、一個蜂鳴器用于輸出聲音。在液晶上顯示當前時間日期、倒計時截止日期、正計時開始日期、倒計時剩余天數、正計時累計天數等信息。

■2.5 485通信電路

圖4 一位LED數碼屏驅動電路

485通信為預留接口，以備后期將設備接入物聯網系統，實現遠程設定計時參數及控制LED數字屏的亮滅。485通信具有通信距離遠、抗干擾能力強的優點，此處選用MAX485芯片作為TTL與RS-485轉換芯片，其硬件電路如圖5所示［5］。

圖5 485通信接口電路

■2.6 電源電路

電源作為整個系統的心臟，其穩定性、抗干擾能力、負載能力將對系統的穩定運行起到至關重要的作用。本系統采用LM2596_5V開關型穩壓芯片，其負載電流最大可達3A，且具有較好的負載調整特性。在DC-DC轉換前，設計LC濾波電路以減小電源的紋波。電源電路如圖6所示。

3. 系統軟件設計

天數倒計時/正計時器的軟件采用模塊化設計，在主程序中進行計時模式的判斷及相應天數的計算；按鍵設定計時模式及參數的設定在外部中斷中完成。為防止系統在異常情況下，受到強烈干擾，MCU程序跑飛，導致系統長時間不能正常工作，引入看門狗。如果MCU沒有在規定的時間內按預定要求訪問看門狗，就判斷MCU為異常狀態，看門狗就強制MCU復位，使系統重新從頭開始按用戶編寫的程序運行。

■3.1 主程序設計

主程序采用C語言進行編程，使用到順序結構、分支結構、循環結構，在main（）函數中執行的操作流程如圖7所示。首先進行系統初始化，然后讀取PCF8563的日歷時鐘，從EEPROM中讀取當前的計時狀態，而后進入3種分支結構的判斷，并根據判斷執行相應的操作。

圖6 5V電源電路

■3.2 輸入設置

首先對6個按鍵的功能定義為菜單/確定鍵、左移鍵、右移鍵、加1鍵、減1鍵、屏幕喚醒鍵。在設定參數時，長按菜單/確定鍵2s，進入設定模式并且液晶屏的相應區域光標閃爍，這樣既防止了誤碰按鍵帶來的問題又將設定的變量突出顯示；再次長按菜單/確定鍵2s，將設置的參數保存，并跳轉到運行模式。12864液晶背光燈電源和供電電源的通斷用三極管開關電路控制，在設定好各參數10s后，關閉液晶顯示，節省電能；在需要顯示時，按下屏幕喚醒按鍵，12864液晶即可重新顯示。

圖7 主程序流程圖

系統時間的設定與矯正、計時截止日期的設定在外部中斷中處理。其處理流程如下圖8所示。當設定的截止日期晚于RTC（Real Time Clock:實時時鐘）日期時，則在程序中判斷為倒計時模式；若設定的截止日期早于或等于RTC日期，則在程序中判斷為正計時模式。

圖8 按鍵設定RTC及計時截止日期流程圖

■3.3 計時天數的計算及顯示

3.3.1 當前日期距離截止日期天數的計算

若RTC日期小于截止日期，則認為是倒計時；若RTC日期大于等于截止日期，則認為是正計時，此算法在程序中完成。計時天數的計算以倒計時為例進行說明。

設N0為當前日期，N1為當前日期在當前年的天數，N2為當前日期到當前年底剩余的天數，S0為終止日期，S1為終止日期在終止年的天數，D1為當前日期距離終止日期的天數。時間先后如下圖9所示。

圖9 倒計時天數計算示意圖

三位計時器最大計時時間為999天，跨度最大為3年。因此倒計時天數分以下3中情況進行計算。

（1）終止年與當前年在同一年

D1 = S1 - N1

（2）終止年與當前年為連續年

D1 = N2 + S1

（3）終止年與當前年跨度3年，計中間一年的天數為Y2

D1 = N2 + S1 + Y2

由于太陽歷中，平年閏年相差一天，因此必須判斷相關的年份是否為閏年。相關年份為閏年時2月29天、全年366天，否則2月28天、全年365天。為使MCU能夠進行天數的運算，定義相關變量。

定義結構體變量

typedef struct

｛

unsigned int Year；

unsigned char Mon；

unsigned char Day；

unsigned char Hour；

unsigned char Min；

unsigned char Sec；

｝RTC_Struct；

RTC_Struct Set_Data；

計算一年中的指定某一天來在該年中度過的天數、剩余的天數方法如下。

首先，預定義12個月的天數，寫入數組

unsigned char Mon_Day［12］ = ｛31， 28， 31， 30， 31， 30， 31，31， 30， 31， 30， 31｝；

對于指定的一天Set_Data.Day，先判斷其所在年份Set_Data.Year是否為閏年。若為閏年則Mon_Day［1］= 29，A_Year_All_Day=366，否則Mon_Day［1］=28，A_Year_All_ Day=365。

然后，計算該天在所在年中度過的天數

Spend_Day = Mon_Day［0］+ Mon_Day［1］+……+ Mon_ Day［Set_Data.Mon-2］+ Set_Data.Day

該天在所在年中剩余的天數Surplus_Day = A_Year_All_ Day - Spend_Day。采用此算法S1、N1、N2、Y2的值即可算出，從而可得當前日期距離終止日期的天數D1。

天數正計時的算法與上面的算法相似，只需交換一下截止日期與RTC日期的順序即可，此處不再詳述。

3.3.2 當前日期距離截止日期天數的顯示

當前日期距離截止日期天數的分別在后臺HMI的液晶及LED數字屏上顯示。具體顯示方案需要根據天數位數不同來用不同的方式進行顯示，其具體顯示方案如圖10所示。根據數據D1位數的多少點亮LED數字屏，減少了系統無用的功耗，以節約電能。

圖10 計時天數在液晶及LED數字屏上顯示方案

4. 結語

基于STC15F2K56S2設計的天數計時器，能夠的實現天數倒計時、正計時的功能，同時能夠顯示當前日期、時分秒等信息，并具有體積小、性價比高、安裝方便的特點，很好的滿足了人們對于天數倒計時、天數正計時的需求。當前設計為一個獨立運行的計時系統，但預留了485通信接口，以便后期與其他物聯網設備連接，實現聯網控制。

＊ ［1］陳娜. 室外倒計時系統的設計與實現［J］.河南科技學院學報（自然科學版）2009（1）

＊ ［2］ 陳桂友.單片機應用技術基礎［M］.2015： 北京：機械工業出版社.230

＊ ［3］ 龍世瑜，林漢，陳新源.基于PCF8563戶外型倒計時系統的設計［J］.單片機與嵌入式系統應用2004（2）

＊ ［4］ PCF8563 Real-time clock/calendar Product data sheet. Rev.11. 26 October 2015

＊ ［5］ 趙意鵬，趙河明，張毅，李煥.基于MODBUS和RS-485布網方式的氣體監測系統設計［J］-計算機測量與控制 2015（9）