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电子信息工程论文:基于STM32的多功能电子定时器

来源:985论文网 添加时间:2020-07-21 11:03
摘  要
本文介绍的是一种基于STM32单片机的电子定时器。本次设计是以STM32单片机为核心的单片机控制系统,可以实现周数、日期、时间、报警等设置和显示功能。硬件电路中包括STM32单片机最小系统电路、OLED1602液晶显示电路、键盘电路、蜂鸣器电路等模块。本次设计还包括硬件电路原理的实现方案设计、软件程序编辑的实现、数字电子钟正常工作的流程、原理图仿真实现、硬件实物的安装制作与硬件实物的调试过程。各模块的功能由单片机的C语言编程实现,然后将各模块集成完成整个电路的程序调试,使设计的产品最终达到设计要求的效果。
关键词:STM32单片机,电子定时器,OLED1602液晶显示,系统调试
 
Multi function electronic timer based on stm32
Abstract 
This paper introduces an electronic timer based on STM32 single chip microcomputer This design is a single chip microcomputer control system with STM32 single chip microcomputer as the core, which can realize the setting and display functions of week number, date, time, alarm, etc The hardware circuit includes STM32 single chip microcomputer minimum system circuit, OLED1602 liquid crystal display circuit, keyboard circuit, buzzer circuit and other modules The function of each module is programmed by C language of single chip microcomputer, and then each module is integrated to complete the program debugging of the whole circuit, so that the designed product finally achieves the effect required by the design
Keywords: STM32 MCU;Electronic timer;Oled1602 LCD;System debugging
 
目  录
 
引言 1
1 设计功能与框架 1
2 硬件简介 2
21 OLED1602时钟芯片引用介绍 2
22 STM32单片机STM32引用介绍 2
23 OLED1602字符型液晶引用介绍 3
3 硬件设计 3
31 电路设计 3
32 STM32电子定时器触发器或者振荡器构成设计 4
33 电子定时器结构优化 6
4 软件(程序)设计 7
5 系统调试 11
51 硬件调试 11
52 软件调试 11
6 结  论 12
参考文献 13
致    谢 14
 
引言
在当今社会,各种各样的单片机广泛应用于我们生活的各个领域中,以及嵌入式和物联网。为我们的日常生活带来了极大的便利,让我们生活的更加轻松与舒适。如导航设备、各类仪表控制、网络通信和数据传输、工业自动化工程实时控制和数据处理、各类智能IC卡控制、安全系统、录像机、摄像机、自动洗衣机等,机器人在自动控制、智能仪器、医疗器械、遥控玩具、电子宠物等领域都必须依靠单片机。由于单片机在其中发挥的重要作用,因此,研究、开发和应用单片机是学习智能控制的必由之路。
本次设计选用STM32单片机定时器这种类型。STM32单片机定时器是一种模拟混合集成电路,可以方便地构成施密特触发器、多谐振荡器和单稳态触发器。施密特触发器是一种同时具有同相和异相传输电路并具有滞环特性的传输门。它输入模拟信号,输出数字信号。单稳态触发器有两种状态,但只能保证一种输出状态。单稳态触发器特点:电路有一个稳态、一个暂稳态。在外来触发信号作用下,电路由稳态翻转到暂稳态。暂稳态不能长久保持,由于电路中RC延时环节的作用,经过一段时间后,电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间取决于RC电路的参数值。 单稳态触发器的这些特点被广泛地应用于脉冲波形的变换与延时中。多谐振荡器(也称矩形波发生器)是一种能产生矩形波的自激振荡器。多谐振荡器利用深度正反馈,通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止,从而自激产生方波输出,常用作方波发生器。STM32单片机由于其使用灵活、结构方便,被广泛应用于生活的方方面面。STM32单片机定时器是意法半导体(STMicroelectronics)集团推出的一种电子器件。随后,各大公司纷纷仿制制造,但其本质是相同的。它们的功能和插针排列是相同的,但它们的型号不同。同样的,他们模型的最后三位数字是STM 32单片机。
1 设计功能与框架
在满足任务和技术参数设计要求的基础上,同时尽可能扩展和完善其功能。电子计时器的年、月、日、时、分、秒、周显示和时间的设置等基本功能都是通过单片机STM32编程(软实现)来实现的。通过单片机编程来实现对液晶面板的屏幕时间控制的节能功能。本次设计的硬件电路由单片机的最小系统、OLED1602实时时钟模块、OLED1602液晶显示模块、按键模块、蜂鸣器电路模块及相应的外围电路组成。时钟芯片的实时读取,然后由液晶显示器显示读取时间。通过STM32单片机的C语言编程,就可以实现键盘扫描程序的定时和定时功能。在编程的过程中,程序要与硬件结合来编写,逐步依次调试,使程序完美适合,最后将所有的集成到整体设计中。
系统设计可以完成以下功能:(1)以24小时为一个周期。(2) 显示小时、分钟和秒(扩展以实现简单的日历显示)。(3) 具有定时校正功能。键盘可实现定时和分时分开校正,电子定时器对应的时间可随时来调整。(4) 计时的过程具有按小时来计时的功能。且当时间达到小时时,蜂鸣器将鸣响报警,声音的持续时间可以在程序中手动来设置,达到自己想要报警的时间。(5) 它有一个单独的定时器接口,定时器可以调整,定时器可以手动关闭。基于单片机系统的电子定时器的基本框图如图11所示:
 
图11 电子时钟基本结构框图
2 硬件简介
21 OLED1602时钟芯片引用介绍
OLED1602是美国DALLAS公司开发制造的具有高性能、低功耗和存储功能的实时时钟电路芯片。它不仅可以计时年、月、日、周、时、分、秒,还具有特殊年份(闰年)的补偿计时功能。工作电压一般在25V到55V之间,采用经典的三线制与CPU通信。OLED1602有一个内部31×8 RAM寄存器,用于临时存储数据。OLED1602与DS1202兼容,是DS1202的升级版本。其主要特点是增加主备电源的双电源脚,为备用电源提供涓流充电能力。
22 STM32单片机STM32引用介绍
STM32是意法半导体(STMicroelectronics)集团为16位MCU市场设计了32位MCU。STM32基于ARM Cortex-M3核心。Cortex-M3处理器是ARM的最新一代嵌入式处理器。为了满足单片机的需要,STM 32降低了系统的功耗,减少了管脚数,降低了成本,并提供了优异的计算性能和先进的中断系统响应。
STM32有2个完整的产品线,允许更多选择:
增强型:STM32F103的时钟频率为72MHz,带有更多的片上RAM和片上外设。它将32位微控制器系列的性能和能效提高到了一个新的水平。运行在72mhz的Cortex-M3内核可以完成高端计算。其外围设备实现超级控制和连接。
基本类型:STM32F101的时钟频率为36MHz,是STM32系列的入门级产品。它以16位微控制器的功耗实现了32位微控制器的性能。
这两个产品线是脚对脚和软件兼容,并提供相同的嵌入式闪存选项。
该芯片得益于业界最先进的Cortex-M3核心架构,使其成为一款兼容性高、集成度高、实时性强、效能优越、外围创新一流、功耗低、易于同类芯片开发的芯片。这些都是同类芯片无可比拟的优势。这也是本课题选择该芯片作为研究起点的重要原因。芯片的具体性能指标如下表所示:
表21 STM32F系列芯片的主要性能指标
序号 功能 参数
1 时钟频率 72MHz
2 中断方式 中断嵌套方式,硬件可完成现场保护与恢复
3 电压范围为 20-36V
4 在待机模式下最低功耗 2μA
5 振荡器 32k Hz
6 Flash闪存 最高128KB
7 片内只读存储器RAM 最大为 20KB,可通过位绑定技术按位访问
8 模拟/数字转换器 两个 12 位 ADC(1μs 的转换时间)
9 串行收发模块 三个USART、两个SP1(18MHz 主/从控制器)和两个I2C
10 现场总线 USB、CAN 和 7 个 DMA 通道
11 时钟电路 集成的实时时钟
12 看门狗 两个看门狗
23 OLED1602字符型液晶引用介绍
字符液晶显示器是一种点阵液晶显示模块。它可以显示32个字符(2行16列)。OLED1602液晶又称1602字符液晶,只能显示字母、数字和一些简单的符号,可以承担本次设计的基本功能任务。
3 硬件设计
31 电路设计
单片机最小系统电路:对于STM32单片机,最小系统一般包括:电源、单片机、时钟电路和复位电路。
(1)电源电路:STM32单片机作为一种电子设备,必须要有电源。一般采用5V电源。我们可以从熟悉的USB接口获得5V的电源。
(2)时钟电路:插脚XTAL1、XTAL2与GND之间的电路为时钟电路(XTAL=外部晶体振荡器,即外部晶体振荡器)。时钟电路由晶体振荡器和电容器组成。晶体振荡器是石英制作的电子元件。当被激发时,它的表面会产生特定频率的振动。最后,通过电路输出频率非常稳定的时钟信号,驱动单片机工作。时钟每次振荡的时间称为时钟周期。对于我们使用的STM32单片机,每12个时钟周期,单片机执行一步操作,称为机器周期。如果是12米晶体,则时钟周期为1/12秒,机器周期正好为1秒。
(3)复位电路:复位电路分为上电自动复位和手动复位。其功能是将单片机恢复到初始状态。
OLED1602实时时钟电路:
OLED1602、VCC2的时钟电路与电源正极相连,X1、X2分别与提供第二脉冲信号的晶体振荡器两端相连,P15控制OLED1602的复位端,P16控制OLED1602的串行时钟输入端,P17控制OLED1602数据的输入和输出端。
OLED1602液晶显示电路:
OLED1602显示电路,VSS接地,VDD接电源阳极,MCU P22控制OLED1602的使能信号,P20控制OLED1602的数据/命令选择器,P21控制OLED1602的读/写选择终端。由于电子时钟电路只需要将数据显示时间写入OLED1602,而不需要读取数据,因此P21端口被设置为低电平,使其始终处于写入状态。端口P0分别连接到D0到D7控制命令和数据输入。因为里面没有上拉电阻,所以在外面加了一个10k上拉电阻,使其正常工作。
键盘扫描和蜂鸣器电路:
键盘扫描电路:按键时,将I/O口拉低,驱动单片机实现一定的功能。键盘扫描可实现定时功能、定时功能和定时功能。
蜂鸣器电路:实现定时功能。在计时过程中,当时间达到小时时,蜂鸣器会鸣响,鸣响的持续时间由写入单片机的程序决定。该电路与单片机结合,实现了到达时的定时功能。当到达时,定时器被设置和告知,并且定时器被手动关闭。
P30控制蜂鸣器,告诉计时器和小时的时间。
32 STM32电子定时器触发器或者振荡器构成设计
脉冲信号是一种形状各异、波形不连续但具有一定周期特性的离散信号。它不同于普通的信号。它可以用来表示信息,如矩形脉冲和尖脉冲。有很多方法可以获得脉冲。最常用的方法是利用振荡器来获得脉冲,如施密特触发器、多谐振荡器和单稳态触发器等,而STM32定时器可以方便地形成三种常用的振荡器来产生脉冲信号。具体方法如下:
(1)STM32定时器构成单稳态触发器
单稳态触发器由STM32定时器和两个外部元件R、C组成,当电路处于稳态时,STM32单片机电路的输入端处于低电平,输出端Vo输出低电平。打开内部放电开关。当STM32电路的外端接触到负脉冲触发信号时,输入端输出端的电位瞬间降低,为原来的2/3。也就是说,单稳态电路在初始测试状态下是稳定的,电容器不断地给电源充电,直到电路的稳态电压被充电,比较器将翻转,使电路处于瞬态,即Vo处于低电平,然后翻转内部放电开关管再次打开,电容器将开始放电,直到瞬态结束,电路将处于稳定状态。瞬态的持续时间Tw(即延迟时间)取决于外部元件R,C的大小。
根据公式Tw=11RC,延迟时间也就是暂态时间直接取决于RC值的变化,通过改变RC值的大小可以对延迟时间进行控制。当选择这种电路作为计时器时候可利用复位端接地进行终止计时,已达到多次计时的目的。
 
图31
(2)STM32定时器接成多谐振荡器
多谐振荡器没有稳定的输出状态,只有两个瞬态(延迟时间),因此也被称为不稳定触发器。这两种瞬态回在一定时间内分离,可以自动切换。当电路经历其中一个瞬态时,一段时间会自动跳到另一个瞬态,这通常被用作方波发生器。多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器,它利用深度正反馈,通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止,从而自激产生方波输出,常用作方波发生器。如图32所示,当电路连接到电源时,电源处于高电平,电容器充电,二极管未连接。当VCC端子电压上升到高于该端子电压时,输出低电压倒转一次。此时,二极管进行电容放电,VCC电压持续下降,直到小于第个端电压,并再次进行反向,从而继续。
经分析,T1为输出高电平时间,T2为输出低电平时间,T3为振荡周期。
T1=(R1+R2)Cln2
T2=R2Cln2
T3=(R1+2R2)Cln2
 
图32
(3)STM32定时器构成施密特触发器
由STM32定时器构成的施密特触发器广泛应用于数字系统中。它可以帮助人们转换所需的脉冲信号。与多谐振荡器不同,它有两种稳定状态。因为它也是一个水平触发器,它还需要一个额外的触发信号。这里不重复具体的工作原理。
33 电子定时器结构优化
在前人研究的基础上,本设计提出了一种新的结构优化技术方案,即电子定时器包括直流电源DC、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、场效应管VT、电位器RP、时基集成芯片IC、继电器J1、第二继电器J2、蜂鸣器F和指示器L,直流电源DC的正极与第二电容器C2的第一端、第二电阻R2的第一端、时基集成芯片IC的第四和第八引脚、蜂鸣器F的第一端和指示灯L的第一端同时连接,直流电源直流的负极与第二电容器C2的第二端子、场效应管VT的电源、第一电容器C1的第二端子、时基集成芯片IC的第一和第五引脚同时连接,继电器控制回路中的负极和控制回路中的第二端子,第二继电器控制回路中的负极和控制回路中的第二端子,第二电阻器R2的第二端子与场效应晶体管VT的漏极相连,场效应晶体管VT的栅极电平与第一电阻器R1的第一端连接,第一电阻器R1分别与时基集成芯片IC的第七引脚连接,电位器RP的第一端连接,电位器RP的移动端与时基集成芯片IC的第六引脚连接,电位器RP的第二端与第一电容器C1的第一端连接,基片集成电路的第三引脚分别与继电器J1的控制回路中的正极和第二继电器J2的控制回路中的正极连接,蜂鸣器F的第二端与第二继电器J2的控制回路中的第一端相连,指示灯L的第二端与第一继电器J1的控制回路中的第一端相连。其中,直流电源DC为9V,第一电容器C1为300μF,第二电容器C2为470μF,电位器RP为10kΩ,第一电阻R1为1kΩ,第二电阻R2为2kΩ,场效应晶体管VT型号为2SK2956,时序集成芯片IC型号为NE555。
工作原理:本装置在使用中,可定时鸣叫报警,定时指示灯l同时预警。定时可调电位器RP在0~3h内连续变化,采用时基集成芯片IC构成的单稳态电路,以fet-VT为恒流源。第一继电器的触点J1定期闭合,指示灯l的设置具有定时照明和预警功能。同时,第二继电器触点J2定时闭合,蜂鸣器f、电子定时器的设置具有定时蜂鸣器报警功能,与现有技术相比,电子定时器不仅具有定时照明报警和蜂鸣器报警功能,同时也具有电子元器件少、成本低、电路结构简单、易于实现和推广应用的优点。
 
图33 结构图
本设计的结构图如图3所示,电子定时器包括直流电源DC、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、场效应管VT、电位器RP、时基集成芯片IC、继电器J1、第二继电器J2、蜂鸣器F和指示灯L。
4 软件(程序)设计
基本程序流程应为:启动程序,初始化各种数据,显示初始时间显示,读取时钟芯片时间,同时更新时间显示;检测主程序中每次是否按下扫描按钮,按下时停止当前时间,修改相应的时间值,更改修改后的时间显示,同时再次读取时钟时间,如果没有,继续检测;如果定时器打开,定时器设置时间蜂鸣器将自动告诉时间,并手动按下按钮关闭定时器停止告诉时间。当时间达到59分55秒时,蜂鸣器开始实现计时功能。整个过程流程图见图41:
 
图41 整体程序流程框图
OLED1602相关程序设计:
 
OLED写命令函数:根据写操作时序图,当写命令时将OLEDrs置为低电平,P0口讲命令值传入OLED1602,com表示传入的命令,使能置为1延时一段时间置为0,完成写命令。
OLED写数据函数:根据写操作时序图,当写命令时将OLEDrs置为高电平,P0口讲数据值传入OLED1602,dat表示传入的命令,使能置为1延时一段时间置为0,完成写数据。
此次电子定时器需要用的命令指令如下:
w_com(0x38);//设置显示模式
w_com(0x0c);//开显示不显示光标
w_com(0x06);//设置当读写一个字符时地址指针和光标向后移一位
w_com(0x01);//初始化时 显示清屏
w_com(0x80+x);//设置地址指针指向屏幕第一排第x位
w_com(0x80+0x40+x);//设置地址指针指向屏幕第二排第x位
蜂鸣器程序设计:
实现定时器和计时功能。在计时的过程中,当时间达到了以开始定时器设定的时间或整点时,蜂鸣器会发出蜂鸣声提醒报警,蜂鸣报警时间由程序控制(在本设计中,我们将蜂鸣报警时间设定为5秒)。蜂鸣器由30端口控制。当程序初始化的时候,它将被设置为低电平。大功率时,蜂鸣器会响。定时功能实现了判断何时报时:
 
键盘扫描程序设计:
本次设计设有一共的6个按键,实现时钟校时功能及定时器设定,k1:选择修改时间;k2:时间加1;k3:时间减1;k4:完成时间修改;k5:设定定时器;k6:关定时器。键盘扫描程序的流程图和键盘扫描定时器的程序流程图如图42、图43所示:
 
图42 键盘扫描程序流程图
 
图43 键盘扫描定时器程序流程图
5 系统调试
51 硬件调试
硬件调试会遇到一些困难。由于是调试,部件不能焊接,只能用导线来连接。连接不稳,连接错误都会导致调试的失败,会给本次设计带来极大的困难。整个调试过程如下:对各系统逐一进行调试,各部分调试成功后,进行组装后的整体调试。
调试过程包括:
(1) 显示部分调试
问题:数码管显示不稳定,不停闪烁。
分析:不考虑干扰和环境约束。所以我们把面包板上的电路焊接到印刷板上,并用电容滤波尽可能地消除纹波和干扰。
(2) 控制部分调试
问题:按键后,数据有时正常有时异常,加减运算不稳定。
分析:根据分析,导致这种现象的情况有两种,一种是键接触不良可能导致短路,另一种是程序部分存在问题。用万用表测量,发现按键后不稳定,更换质量较好的按键后故障排除。
52 软件调试
程序的调试分几个步骤,收集资料,做好备注,打开编程软件进行编程,要在WAVE6000软件中修改无错误的代码,直到编译通过,然后通过Keil软件把程序下载到单片机中最终调试出满意的效果才算成功。
(1)WAVE6000调试
首先,启动WAVE6000新建一个项目,输入一个名字用来保存,然后打开“真器设置”选项,在“语言”选项下选择“伟福汇编器”选项,“缺省显示格式”选项选择“混合十、十六进制”选项。“仿真器”选项下选择“使用伟福软件模拟器”选项。“通信设置”选项下选择“使用伟福软件模拟器”选项。
打开已经写好的程序,选择“项目”选项菜单下的“编译”选项命令,根据Message窗口的编译信息修改程序中的错误地方。直到Mes-sage窗口中不再出现错误符号,全部显示正确符号为止。
虽然程序在Message中编译通过了,但并不代表程序就没有错误,只有最终出现效果才说明没问题。如若出现问题,参考上述步骤再来一遍进行调试。到最终满意为止。
(2)Keil调试
在WAVE6000软件中调试过的程序在KEIL中还有可能有毛病,只有通过Keil的编译才能下载到试验箱上。
启动Keil软件,选择“Project”选项菜单下的“NewProject”选项命令,输入项目的文件名,选择存储路径,点击“保存”选项按钮。
在“SelectDevice”选项窗口中选择“Atmel”选项下的“89CSTM32”芯片,单击“确定”按钮。展开“ProjectWorkspace”选项窗口中的“Target1”选项,右击“Target1”选项,选择“OptionsforTarget‘Target1’”选项,选择“Target”选项在Keil(MHZ)右边输入“110592”。选择“Debug”选项,选择“UseKeilMonitor-STM32Driver”选项。单击“Settings”选项按钮,串口选择“COM1”选项,波特率选择“38400”选项,单击“OK”按钮。
右击“SourceGroup1”选项,选择“AddfilestoGroup‘SourceGroup1’”选项,在文件类型中选择“AsmSourcefile”选项,找到将要编译的程序,单击“ADD”按钮,然后再单击“CLOSE”按钮。单击“Rebuildalltargefiles”选项,在“Build”选项窗口中观察编译结果,根据提示修改程序,直到没有错误出现。
(3)试验箱调试
根据程序的设计在试验箱上分别连接好各个端口的连接线,用串口线把计算机和试验箱的仿真头连接好,打开试验箱。单击Keil软件上的“Start/Stop DebugSession”按钮,再单击“RUN”按钮,运行程序。观察试验箱上出现的效果,分析程序的对错,直到调试出正确的结果。
6 结  论
基于单片机的数字电子定时器具有原理简单、调试方便等优点。首先,根据设计的要求,给出了电子定时定时器的总体基本框图。根据系统总体基本框图,设计了系统总体基本硬件电路图。在此基础上,增加了一些外围电路,也增加了功能,使设计的产品更加得人性化、智能化。硬件电路完成之后,根据硬件电路的结构和设计要求来编写程序,对编写的代码进行反复的调试至满意为止,最后集成。在保证设计功能全部实现的前提下,程序运行更加的合理,消除了死区循环的发生等一些常见的程序漏洞,修复bug。该系统使用OLED液晶显示器动态显示“小时”、“分钟”、“秒”和一个简单的日历。与传统的机械表相比,具有行程时间精确、显示直观的两个特点。单片机实现的数字时钟具有编程灵活、功能扩展方便等多个优点。
系统硬件电路主要由单片机最小系统电路、键盘扫描电路、DS1302时钟电路和OLED1602液晶显示电路组成。系统采用c语言编程,体现了设计的实时性和灵活性等特点。系统实现了以下功能:
(1) 时间是24小时。
(2) 显示时、分、秒并展开,实现简单的日历显示。
(3) 具有定时校正功能。通过键盘,时间和分钟可以独立修正,电子计时器对应的时间可以随时调整。
(4) 计时过程具有按小时计时的功能。计时到小时,蜂鸣器鸣响,声音持续时间可灵活控制。
(5) 当时间达到计时器设定的时间时,蜂鸣器将发出警报。
(6) 通过按钮切换定时器显示界面。
通过本次设计,我对单片机有了更深的了解和掌握,对I/O口扩展、中断、定时/计数器等应用有了更深的了解。在程序调试过程中,我们结合了平时所学的理论和实践,循序渐进地探索我们以前没有学习过的STM32单片机,从实践探索中找到学习方法。
 
参考文献
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