多功能天數(shù)計時器的設(shè)計與應(yīng)用

作者 / 張瑞增、顏丙波、陳紀(jì)旸，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院

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多功能天數(shù)計時器的設(shè)計與應(yīng)用

作者 / 張瑞增、顏丙波、陳紀(jì)旸，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院

針對人們對天數(shù)正計時、倒計時產(chǎn)品的需要，設(shè)計了多功能天數(shù)計時器。本文介紹了該天數(shù)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(zhuǎn)換的簡易方法。該系統(tǒng)能夠進(jìn)行天數(shù)正計時、倒計時，記錄計時開始時間及截止時間，相關(guān)信息保存到STC15內(nèi)部EEPROM中，使其在系統(tǒng)斷電后不丟失，解決了現(xiàn)有產(chǎn)品中數(shù)據(jù)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(shè)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(xù)運行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LED數(shù)字屏亮度高，室內(nèi)室外都可使用，且大小可根據(jù)需要選擇，提高了系統(tǒng)的通用性。

單片機；正計時；倒計時；EEPROM；PCF8563；LED屏

引言

在企業(yè)安全生產(chǎn)中，人們對生產(chǎn)線安全運行天數(shù)進(jìn)行記錄并顯示。在舉辦重大活動時，為了提高對活動的關(guān)注度和緊迫感，人們開始研發(fā)各種倒計時系統(tǒng)［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(shù)計時系統(tǒng)設(shè)計方案，使正計時/倒計時模式可自由轉(zhuǎn)換，并通過實驗驗證了其可行性、實用性。利用STC15F2K56S2內(nèi)部EEPROM保存人們設(shè)置的計時時間基準(zhǔn)，確保系統(tǒng)掉電后設(shè)置的參數(shù)不會丟失。

1.系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要功能是計算當(dāng)前時間與截止日期間的天數(shù)并在LED數(shù)字屏顯示。在設(shè)計上，將系統(tǒng)分為6個子模塊：控制器STC15F2K56S2、時鐘芯片PCF8563、設(shè)定HMI、LED數(shù)字屏、485通信電路、電源管理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中控制器STC15F2K56S2作為系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)總體運行；時鐘芯片PCF8563提供實時時鐘；設(shè)定HMI（Human Machine Interface:人機界面）、LED數(shù)字屏和485通信電路作為系統(tǒng)的輸入輸出部分。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

穩(wěn)定可靠的硬件是系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，硬件的模塊化設(shè)計可以將系統(tǒng)化繁為簡，使其更便于設(shè)計、制作、調(diào)試及維護(hù)。下面將整體硬件分6大模塊進(jìn)行詳細(xì)說明。

■2.1 控制器STC15F2K56S2最小系統(tǒng)

控制器采用STC15F2K56S2，其內(nèi)部包含增強型8051內(nèi)核、8路高速10位A / D轉(zhuǎn)換、2KB RAM、56KB ROM、5K 的EEPROM，該EEPROM用于永久保存用戶設(shè)定的起始日期、終止日期等信息［2］。STC15F2K系列單片機內(nèi)置SPI（Serial Peripheral Interface:串行外設(shè)接口），方便與其他SPI接口設(shè)備連接；內(nèi)置看門狗，可用程序控制其啟用及關(guān)閉。其最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。其中CH340G為USB轉(zhuǎn)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(shù)計時系統(tǒng)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(tǒng)原理圖

■2.2 時鐘芯片PCF8563應(yīng)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(yīng)用電路如圖3所示。其中紐扣電池BAT1用于在系統(tǒng)斷電時為PCF8563供電，保證時鐘持續(xù)、穩(wěn)定運行。一枚型號為CR1220的紐扣電池的標(biāo)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(shù)字屏設(shè)計

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

表1 天數(shù)計時系統(tǒng)中STC15引腳功能分配表

圖3 PCF8563應(yīng)用電路圖

■2.4 設(shè)定HMI

設(shè)定HMI采用12864液晶作為后臺顯示、6個獨立按鍵用于設(shè)定參數(shù)、一個蜂鳴器用于輸出聲音。在液晶上顯示當(dāng)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(shù)、正計時累計天數(shù)等信息。

■2.5 485通信電路

圖4 一位LED數(shù)碼屏驅(qū)動電路

485通信為預(yù)留接口，以備后期將設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定計時參數(shù)及控制LED數(shù)字屏的亮滅。485通信具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強的優(yōu)點，此處選用MAX485芯片作為TTL與RS-485轉(zhuǎn)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(tǒng)的心臟，其穩(wěn)定性、抗干擾能力、負(fù)載能力將對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)采用LM2596_5V開關(guān)型穩(wěn)壓芯片，其負(fù)載電流最大可達(dá)3A，且具有較好的負(fù)載調(diào)整特性。在DC-DC轉(zhuǎn)換前，設(shè)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(tǒng)軟件設(shè)計

天數(shù)倒計時/正計時器的軟件采用模塊化設(shè)計，在主程序中進(jìn)行計時模式的判斷及相應(yīng)天數(shù)的計算；按鍵設(shè)定計時模式及參數(shù)的設(shè)定在外部中斷中完成。為防止系統(tǒng)在異常情況下，受到強烈干擾，MCU程序跑飛，導(dǎo)致系統(tǒng)長時間不能正常工作，引入看門狗。如果MCU沒有在規(guī)定的時間內(nèi)按預(yù)定要求訪問看門狗，就判斷MCU為異常狀態(tài)，看門狗就強制MCU復(fù)位，使系統(tǒng)重新從頭開始按用戶編寫的程序運行。

■3.1 主程序設(shè)計

主程序采用C語言進(jìn)行編程，使用到順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)，在main（）函數(shù)中執(zhí)行的操作流程如圖7所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后讀取PCF8563的日歷時鐘，從EEPROM中讀取當(dāng)前的計時狀態(tài)，而后進(jìn)入3種分支結(jié)構(gòu)的判斷，并根據(jù)判斷執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖6 5V電源電路

■3.2 輸入設(shè)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(shè)定參數(shù)時，長按菜單/確定鍵2s，進(jìn)入設(shè)定模式并且液晶屏的相應(yīng)區(qū)域光標(biāo)閃爍，這樣既防止了誤碰按鍵帶來的問題又將設(shè)定的變量突出顯示；再次長按菜單/確定鍵2s，將設(shè)置的參數(shù)保存，并跳轉(zhuǎn)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(guān)電路控制，在設(shè)定好各參數(shù)10s后，關(guān)閉液晶顯示，節(jié)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(tǒng)時間的設(shè)定與矯正、計時截止日期的設(shè)定在外部中斷中處理。其處理流程如下圖8所示。當(dāng)設(shè)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(shè)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(shè)定RTC及計時截止日期流程圖

■3.3 計時天數(shù)的計算及顯示

3.3.1 當(dāng)前日期距離截止日期天數(shù)的計算

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

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

圖9 倒計時天數(shù)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(shù)分以下3中情況進(jìn)行計算。

（1）終止年與當(dāng)前年在同一年

D1 = S1 - N1

（2）終止年與當(dāng)前年為連續(xù)年

D1 = N2 + S1

（3）終止年與當(dāng)前年跨度3年，計中間一年的天數(shù)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(guān)的年份是否為閏年。相關(guān)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(jìn)行天數(shù)的運算，定義相關(guān)變量。

定義結(jié)構(gòu)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(shù)、剩余的天數(shù)方法如下。

首先，預(yù)定義12個月的天數(shù)，寫入數(shù)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(shù)

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(shù)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(dāng)前日期距離終止日期的天數(shù)D1。

天數(shù)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(dāng)前日期距離截止日期天數(shù)的顯示

當(dāng)前日期距離截止日期天數(shù)的分別在后臺HMI的液晶及LED數(shù)字屏上顯示。具體顯示方案需要根據(jù)天數(shù)位數(shù)不同來用不同的方式進(jìn)行顯示，其具體顯示方案如圖10所示。根據(jù)數(shù)據(jù)D1位數(shù)的多少點亮LED數(shù)字屏，減少了系統(tǒng)無用的功耗，以節(jié)約電能。

圖10 計時天數(shù)在液晶及LED數(shù)字屏上顯示方案

4. 結(jié)語

基于STC15F2K56S2設(shè)計的天數(shù)計時器，能夠的實現(xiàn)天數(shù)倒計時、正計時的功能，同時能夠顯示當(dāng)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(shù)倒計時、天數(shù)正計時的需求。當(dāng)前設(shè)計為一個獨立運行的計時系統(tǒng)，但預(yù)留了485通信接口，以便后期與其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。

＊ ［1］陳娜. 室外倒計時系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.河南科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）2009（1）

＊ ［2］ 陳桂友.單片機應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)［M］.2015： 北京：機械工業(yè)出版社.230

＊ ［3］ 龍世瑜，林漢，陳新源.基于PCF8563戶外型倒計時系統(tǒng)的設(shè)計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(wǎng)方式的氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］-計算機測量與控制 2015（9）