课堂响铃自动控制系统的设计与探讨

【摘要】本文以时钟芯片PCF8583和单片机AT89S51为核心对课堂响铃自动控制系统进行了探讨与研究，并提出了该系统的实现方案，通过测试表明，该系统精度高，稳定性好。

【关键词】单片机；AT89S51；PCF8583；自动控制；响铃

0.引言

由于学校作息管理的麻烦和手动打铃的不方便性，课堂响铃自动控制系统在生活及学习中的应用越来越广泛。它按照高校作息时间进行定时自动响铃，实行电铃周期性工作的自动化控制，解除了作息管理麻烦的落后现象。本文采用单片机来实现对自动响铃系统的控制，充分利用了单片机的特点，使系统功耗低、可靠性好。

1.系统总体设计

1.1设计要求

课堂响铃自动控制系统的主要功能是严格按照高校作息时间进行定时自动响铃。本设计使用AT89S51单片机来控制整个系统，由PCF8583时钟芯片与单片机共同实现课堂响铃自动控制系统，实现所要达到的设计要求。其基本要求为：①能设定响铃时间；②通过键盘设置日期、时间；③可以显示时间；④按照高校作息时间进行上下课响铃；⑤做到周末、假日等特殊时间不响铃。

1.2芯片的选择

1.2.1时钟芯片的选择

串行日历芯片对比并行日历芯片电路连接简单且紧凑，体积小，占用系统资源少，在不需要较高速度的情况下，串行日历芯片具有明显的性价比优势，但其读写方法较为复杂。常见的时钟芯片有DS12C887、DS1302、PCF8583等。本文采用PCF8583时钟芯片。

1.2.2单片机的选择

AT89S51是一个低功耗，高性能的CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。相对于AT89C51而言，该芯片在性能上有了较大的提升，且兼容性好。

2.硬件设计

系统硬件总体框架如图1 所示。其基本电路包括时钟电路、控制电路、电铃电路以及电源电路等几部分，在此基础上可添加显示、键盘控制等电路扩展系统功能，实现时间的显示、修改以及临时响铃控制等。系统工作原理：时钟芯片PCF8583向单片机提供时钟数据。单片机在其内部设计程序设置好响铃的时间，当单片机检测到响铃时间，则在P1.0口输出低电平，驱动电铃产生动作，最终实现响铃自动控制。 若需要修改PCF8583的时钟初始值，则通过键盘进行操作。

图1 课堂响铃自动控制系统的系统框架图

时钟电路的设计：

图2 系统时钟电路

系统时钟电路的设计如图2所示。

图中，BT1，D1，D2构成了PCF8583时钟芯片的掉电保护电路；C1是微调电容，大约几十pF，可以在小范围内调节时间的准确性；C2是滤波电容。A0脚接高电平，因此，写地址是A2，读地址是A3。时钟芯片PCF8583只有三根线连接到单片机：时钟线（即SCL，连接到单片机的P3.4引脚）、数据线（即SDA，连接到单片机的P3.5引脚）、中断线（即INT，连接到单片机的中断引脚INT0）。

3.软件设计

课堂响铃自动控制系统要实现响铃必须对控制电路的单片机芯片AT89S51进行编程。该系统的软件设计包括对主程序和接口程序的编程。

3.1主程序设计

主程序是系统软件最重要的程序，确定系统工作的总体流向。系统初始化完毕后主程序开始对键盘进行扫描。如果扫描到键盘有动作，则开始读取键值，通过读取键值对PCF8583芯片进行写时钟数据。写完数据后，读取PCF8583芯片的时钟数据。如果键盘没有动作则直接读取时钟数据。读取数据后送显示，在显示电路上显示时间。然后根据所读取的时钟数据判断是否是特殊不响铃时间（如周末、假日等）。如果是特殊不响铃时间，则返回继续进行扫描。反之，则响铃开始，经过响铃延时后结束，再返回继续扫描进入到下一轮循环。主程序流程图见图3。系统的响铃时间严格按照高校课程时间表进行。

图3 主程序流程图

3.2接口程序设计

课堂响铃自动控制系统的接口程序主要用来控制对PCF8583时钟芯片的读写。在MCS-51系列单片机的基础型号中（如80C31、AT89C51等型号），没有专门的I2C总线接口，在这种情况下可以使用并行I/O口（如P3口）中的两条I/O引脚来模拟I2C接口的SDA和SCL信号线，并通过相应的程序来控制这两条引脚上的信号波形来实现I2C总线上的起始、终止和数据传输时序，从而完成PCF8583的命令初始化和I2C总线上的数据传输。

由于I2C总线上的受控设备必须被分配地址，设备地址在传送开始后首先被传送，PCF8583可作为受控的接收器或发送器，因此SCL端为时钟输入端，但数据线SDA是双向的，PCF8583的芯片寻址字节为：101000A0 R/W，按照单片机与时钟芯片PCF8583的连接电路，PCF8583器件的写操作时的芯片地址为：0A0H，而读操作时的芯片地址为：0A1H。

3.2.1读数据

读数据流程图见图4

系统进行读数据时，首先发送起始信号。芯片收到起始信号后I2C总线开始通信，数据传输开始。数据传输阶段，首先发送PCF8583芯片地址和写命令，然后发送数据单元地址。发送完之后，重新发送起始信号，开始读取数据。读数据时发送PCF8583芯片地址和读命令，再对数据进行读取。等数据读取完毕，发送结束信号，读数据结束。

3.2.2写数据

写数据程序流程图见图5。

PCF8583芯片内时钟数据初始值的设置要对PCF8583进行写数据。写数据程序开始后与读数据程序一样首先要发送起始信号，通信开始。发送PCF8583芯片地址和写命令。收到写命令后发送数据单元地址开始进行写数据。写完数据后，发送结束信号，写数据结束。

4.结论

通过测试，本系统能按照设计的要求准确实现响铃的控制。做到按点响铃，周末不响铃，且运行正常，稳定度较好，精度也完全适应于本设计的应用场所。 [科]

【参考文献】

[1]朱建，郭华北，朱磊，耿杰，王春凤.串行时钟、日历芯片PCF8583及其应用研究[J].山东科技大学学报（自然科学版），2003，19（1）.

[2]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社.

[3]沈红卫编著.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京：电子工业出版社，2005：1-2.