基于ATmage8的打铃器设计

0 引言
    本设计根据学校常规教学和临时教学活动(如考试等)对打铃时间的要求，对打铃器的设计进行了改进，使其可分别工作在夏制、冬制、临时三种模式下。每种工作模式支持多达80个时间点的打铃输出，并且根日期的设置，打铃器可以自动切换冬夏两种工作模式，实现不同时制的打铃。如需临时改变打铃时间，将系统切换至临时工作模式，设置打铃时间即可，极大地简化了打铃器的操作。通过电路设计的优化改进，提高了设备的可靠性和操作易用性，并在使用过程中表现出了较高稳定性和实用性。

1 系统硬件设计
    打铃器由ATmega8单片机最小系统、DS1302时钟电路、LED数码显示电路、串行口通讯电路、按键电路和打铃输出控制电路构成，系统电路如图1所示。

    ATmage8单片机是美国ATEMEL公司的一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，内含32个8位通用工作寄存器、RC时钟振荡电路、8K字节的系统内可编程Flash、512字节的EEPROM及1K的SRAM。ATmega8内含丰富的总线接口，并有专门的SPI接口，可方便实现与时钟电路的连接。
    时钟芯片采用的是DS1302。它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时。在工作过程中，SCM对这些时钟单元的数据循环读取，将读到的时间与打铃时间比对，以确定是否打铃。通过修改相应的时间单元，可实现系统时间的调整。
    时间显示采用了4位共阳LED数码管动态显示方式，PC口与数码管的段码相连，PB0、PB1、PB6、PB7作为位选信号分别控制数码管的共阳极；S1～S4分别与PD4、PD5、PD6、PD7相连，用于系统设置和时间调整；串行通讯接口电路分别与ATmega8的RXD和TXD引脚相连，通过与PC联机，可快速完成打铃器的系统设置、打铃时间设定及系统时间的调整；SPI接口与DS1302的数据I／O相连，从DS1302中读取实时时钟。
    PD2与打铃控制电路相连，电路如图2所示，打铃输出时，该引脚被置为低电平，三极管Q1饱和导通，经光耦隔离并触发Q2饱和导通，继电器JD1得电闭合，并触发双向晶闸管AK极导通，AC220V电源经BT136的AK极，电铃线圈得电响铃。当响铃时间结束后，PD2被置为高电平，Q1截止，后续电路均失电，响铃停止。

2 软件设计
    打铃器上电后，SCM将从片内的EEPROM中读取设置参数进行系统的初始化，然后读取DS1302时间单元，将时间通过定时中断程序显示出来。在工作过程中，每个打铃时间点用两个字节分别表示小时和分钟的时间值，当秒单元为‘00’时，系统将调用一次打铃时间比较子程序，以确定当前时间是否打铃，系统的主程序流程如图3所示。

    打铃器可工作在冬制、夏制和临时打铃三种模式，每种工作模式最多可设置80个打铃时间点，基本满足任何工作场合要求。每个打铃时间点用2个字节表示，3种工作模式共占480字节的存储空间，根据工作模式的不同，打铃时间分3个区存放在ATmage8的EEPROM存储器中。系统上电后，SCM根据模式特征字自动判别工作模式，并将对应区间的打铃数据复制到SCM片内的SRAM区。
2．1 打铃时间比较子程序
    在主程序中，SCM读取DS1302的数据后，对秒数据进行判断。当秒单元为“00”时，程序立即调用打铃时间比较子程序，否则将不执行该子程序的调用。在打铃时间比较子程序中，SCM首先从片内的EEPROM区取出当前工作模式的打铃次数字，将其复制到Ring cnt计数变量中，然后将当前模式的第一组打铃时间与系统时间进行比较，若打铃时间与当前时间相等，置PD0引脚为低电平，打铃控制电路接通并响铃，同时置响铃标志位为‘1’，程序返回。若不相等，Ring cnt变量减一，继续比较下一组打铃时间，直到时间相等或Ring cnt变量减为‘0’，则子程序返回。程序流程图如图4所示。响铃标志位置‘1’后，系统将启动15s定时，定时结束后，PD0置高电平当，电铃停止工作，同时将响铃标志位也置‘0’。
2．2 串口通讯子程序
    打铃器的时间设定、查询和系统设置可通过键盘操作完成。为了准确快捷地完成打铃器设置，系统还支持串口操作功能，通过串行口与PC机进行通讯，在上位机上可以完成打铃器的相关设置。上位机软件通过串行口向打铃器发送命令，完成打铃器参数的设置与查询，命令格式为：命令字+数据+结束标识，其具体组成如表1所示。在通讯过程中，SCM在RAM区开辟一块存储空间接收上位机发送的数据。每接收到一个字节都判断其是否为结束标识，若为结束标识，则停止接收，否则继续接收。当数据接收完成后，程序便开始查询命令字状态，并根据表1中命令字含义进行数据的相关处理。若命令字为查询命令字时，则SCM根据命令字含义返回相应的数据至PC，并通过上位机软件显示出来，上位机软件如图5所示。

3 结束语
    本打铃器电路简洁，价格低廉，且简单易用。通过在学校一年多的使用检验，打铃器走时精准，性能稳定可靠，具有较高的推广价值。