多功能天数计时器的设计与应用

作者 / 张瑞增、颜丙波、陈纪旸，山东大学控制科学与工程学院



多功能天数计时器的设计与应用

作者 / 张瑞增、颜丙波、陈纪旸，山东大学控制科学与工程学院

针对人们对天数正计时、倒计时产品的需要，设计了多功能天数计时器。本文介绍了该天数计时器硬件接口电路及其软件编程思路，提出了正计时/倒计时模式自动转换的简易方法。该系统能够进行天数正计时、倒计时，记录计时开始时间及截止时间，相关信息保存到STC15内部EEPROM中，使其在系统断电后不丢失，解决了现有产品中数据在掉电后不能保存的问题。采用低功耗日历时钟芯片PCF8563 作为实时时钟，并设计了双电源电路向PCF8563供电，使实时时钟在主电路断电后仍可以继续运行，保证系统的稳定性。LED数字屏亮度高，室内室外都可使用，且大小可根据需要选择，提高了系统的通用性。

单片机；正计时；倒计时；EEPROM；PCF8563；LED屏

引言

在企业安全生产中，人们对生产线安全运行天数进行记录并显示。在举办重大活动时，为了提高对活动的关注度和紧迫感，人们开始研发各种倒计时系统［1］。比如高考倒计时、运动会倒计时、比赛时间计时等等。

本文提出一种基于STC15F2K56S2的多功能天数计时系统设计方案，使正计时/倒计时模式可自由转换，并通过实验验证了其可行性、实用性。利用STC15F2K56S2内部EEPROM保存人们设置的计时时间基准，确保系统掉电后设置的参数不会丢失。

1.系统整体设计

系统主要功能是计算当前时间与截止日期间的天数并在LED数字屏显示。在设计上，将系统分为6个子模块：控制器STC15F2K56S2、时钟芯片PCF8563、设定HMI、LED数字屏、485通信电路、电源管理。系统整体结构框图如图1所示。其中控制器STC15F2K56S2作为系统的“大脑”，负责总体运行；时钟芯片PCF8563提供实时时钟；设定HMI（Human Machine Interface:人机界面）、LED数字屏和485通信电路作为系统的输入输出部分。

图1 系统整体结构框图

2.系统硬件电路设计

稳定可靠的硬件是系统长期稳定运行的基础，硬件的模块化设计可以将系统化繁为简，使其更便于设计、制作、调试及维护。下面将整体硬件分6大模块进行详细说明。

■2.1 控制器STC15F2K56S2最小系统

控制器采用STC15F2K56S2，其内部包含增强型8051内核、8路高速10位A / D转换、2KB RAM、56KB ROM、5K 的EEPROM，该EEPROM用于永久保存用户设定的起始日期、终止日期等信息［2］。STC15F2K系列单片机内置SPI（Serial Peripheral Interface:串行外设接口），方便与其他SPI接口设备连接；内置看门狗，可用程序控制其启用及关闭。其最小系统原理图如图2所示。其中CH340G为USB转串口芯片，用于给STC15F2K56S2单片机下载程序及PC与MCU（Micro Controller Unit:单片机）间的串口通信，其封装为SOP-16，方便焊接使用。 STC15F2K56S2作为天数计时系统的控制核心，其引脚功能分配如表1所示。

图2 控制器最小系统原理图

■2.2 时钟芯片PCF8563应用电路

时钟芯片选用PCF8563，该芯片功耗低，具有实时时钟和日历功能，并具有可编程时钟输出、定时中断输出、低电压检测的功能，I2C接口便于和MCU通信［3］。其应用电路如图3所示。其中纽扣电池BAT1用于在系统断电时为PCF8563供电，保证时钟持续、稳定运行。一枚型号为CR1220的纽扣电池的标称容量为38mAH， PCF8563在3V电池供电消耗电流为0.25μA，故主电路断电后一枚CR1220电池可使PCF8563运行15年以上［4］。

■2.3 LED数字屏设计

LED数字屏的优点是亮度高、视角广，在室内室外都可以被清晰的看到，且其大小有多种型号，可根据不同需求进行选择，提高了系统的通用性。LED数字屏内部有3位七段数码管，每段数码管由多个LED灯串并联组成。其驱动采用大功率达林顿集成电路ULN2803，每段的驱动电流最大可达500mA，为LED数字屏的供电提供了充足的裕度。使用74HC573锁存器锁存LED数字屏段选信号，从而用P2口可控制3位数码管的段选。一位LED数字屏驱动电路如图4所示。

表1 天数计时系统中STC15引脚功能分配表

图3 PCF8563应用电路图

■2.4 设定HMI

设定HMI采用12864液晶作为后台显示、6个独立按键用于设定参数、一个蜂鸣器用于输出声音。在液晶上显示当前时间日期、倒计时截止日期、正计时开始日期、倒计时剩余天数、正计时累计天数等信息。

■2.5 485通信电路

图4 一位LED数码屏驱动电路

485通信为预留接口，以备后期将设备接入物联网系统，实现远程设定计时参数及控制LED数字屏的亮灭。485通信具有通信距离远、抗干扰能力强的优点，此处选用MAX485芯片作为TTL与RS-485转换芯片，其硬件电路如图5所示［5］。

图5 485通信接口电路

■2.6 电源电路

电源作为整个系统的心脏，其稳定性、抗干扰能力、负载能力将对系统的稳定运行起到至关重要的作用。本系统采用LM2596_5V开关型稳压芯片，其负载电流最大可达3A，且具有较好的负载调整特性。在DC-DC转换前，设计LC滤波电路以减小电源的纹波。电源电路如图6所示。

3. 系统软件设计

天数倒计时/正计时器的软件采用模块化设计，在主程序中进行计时模式的判断及相应天数的计算；按键设定计时模式及参数的设定在外部中断中完成。为防止系统在异常情况下，受到强烈干扰，MCU程序跑飞，导致系统长时间不能正常工作，引入看门狗。如果MCU没有在规定的时间内按预定要求访问看门狗，就判断MCU为异常状态，看门狗就强制MCU复位，使系统重新从头开始按用户编写的程序运行。

■3.1 主程序设计

主程序采用C语言进行编程，使用到顺序结构、分支结构、循环结构，在main（）函数中执行的操作流程如图7所示。首先进行系统初始化，然后读取PCF8563的日历时钟，从EEPROM中读取当前的计时状态，而后进入3种分支结构的判断，并根据判断执行相应的操作。

图6 5V电源电路

■3.2 输入设置

首先对6个按键的功能定义为菜单/确定键、左移键、右移键、加1键、减1键、屏幕唤醒键。在设定参数时，长按菜单/确定键2s，进入设定模式并且液晶屏的相应区域光标闪烁，这样既防止了误碰按键带来的问题又将设定的变量突出显示；再次长按菜单/确定键2s，将设置的参数保存，并跳转到运行模式。12864液晶背光灯电源和供电电源的通断用三极管开关电路控制，在设定好各参数10s后，关闭液晶显示，节省电能；在需要显示时，按下屏幕唤醒按键，12864液晶即可重新显示。

图7 主程序流程图

系统时间的设定与矫正、计时截止日期的设定在外部中断中处理。其处理流程如下图8所示。当设定的截止日期晚于RTC（Real Time Clock:实时时钟）日期时，则在程序中判断为倒计时模式；若设定的截止日期早于或等于RTC日期，则在程序中判断为正计时模式。

图8 按键设定RTC及计时截止日期流程图

■3.3 计时天数的计算及显示

3.3.1 当前日期距离截止日期天数的计算

若RTC日期小于截止日期，则认为是倒计时；若RTC日期大于等于截止日期，则认为是正计时，此算法在程序中完成。计时天数的计算以倒计时为例进行说明。

设N0为当前日期，N1为当前日期在当前年的天数，N2为当前日期到当前年底剩余的天数，S0为终止日期，S1为终止日期在终止年的天数，D1为当前日期距离终止日期的天数。时间先后如下图9所示。

图9 倒计时天数计算示意图

三位计时器最大计时时间为999天，跨度最大为3年。因此倒计时天数分以下3中情况进行计算。

（1）终止年与当前年在同一年

D1 = S1 - N1

（2）终止年与当前年为连续年

D1 = N2 + S1

（3）终止年与当前年跨度3年，计中间一年的天数为Y2

D1 = N2 + S1 + Y2

由于太阳历中，平年闰年相差一天，因此必须判断相关的年份是否为闰年。相关年份为闰年时2月29天、全年366天，否则2月28天、全年365天。为使MCU能够进行天数的运算，定义相关变量。

定义结构体变量

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；

计算一年中的指定某一天来在该年中度过的天数、剩余的天数方法如下。

首先，预定义12个月的天数，写入数组

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

对于指定的一天Set_Data.Day，先判断其所在年份Set_Data.Year是否为闰年。若为闰年则Mon_Day［1］= 29，A_Year_All_Day=366，否则Mon_Day［1］=28，A_Year_All_ Day=365。

然后，计算该天在所在年中度过的天数

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

该天在所在年中剩余的天数Surplus_Day = A_Year_All_ Day - Spend_Day。采用此算法S1、N1、N2、Y2的值即可算出，从而可得当前日期距离终止日期的天数D1。

天数正计时的算法与上面的算法相似，只需交换一下截止日期与RTC日期的顺序即可，此处不再详述。

3.3.2 当前日期距离截止日期天数的显示

当前日期距离截止日期天数的分别在后台HMI的液晶及LED数字屏上显示。具体显示方案需要根据天数位数不同来用不同的方式进行显示，其具体显示方案如图10所示。根据数据D1位数的多少点亮LED数字屏，减少了系统无用的功耗，以节约电能。

图10 计时天数在液晶及LED数字屏上显示方案

4. 结语

基于STC15F2K56S2设计的天数计时器，能够的实现天数倒计时、正计时的功能，同时能够显示当前日期、时分秒等信息，并具有体积小、性价比高、安装方便的特点，很好的满足了人们对于天数倒计时、天数正计时的需求。当前设计为一个独立运行的计时系统，但预留了485通信接口，以便后期与其他物联网设备连接，实现联网控制。

＊ ［1］陈娜. 室外倒计时系统的设计与实现［J］.河南科技学院学报（自然科学版）2009（1）

＊ ［2］ 陈桂友.单片机应用技术基础［M］.2015： 北京：机械工业出版社.230

＊ ［3］ 龙世瑜，林汉，陈新源.基于PCF8563户外型倒计时系统的设计［J］.单片机与嵌入式系统应用2004（2）

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

＊ ［5］ 赵意鹏，赵河明，张毅，李焕.基于MODBUS和RS-485布网方式的气体监测系统设计［J］-计算机测量与控制 2015（9）