单片机数字计时器的系统设计与型式试验

摘要：设计了一种以PIC16F887单片机为控制器、LED数码管动态显示的数字计时器。详细介绍了整个系统的工作原理、硬件设计、软件程序设计和型式试验过程。软件程序采用C语言编写，便于移植与升级。计时器体积小巧、精度高、抗干扰能力强。

关键词：PIC16F887;计时器;抗干扰

引言

目前市场上计时器种类很多，并且有部分厂家可根据客户的要求定制，但有的商家为了节约成本，对生产质量没有进行很好的控制，在芯片的选择和整个系统可靠性试验方面都没有很好地把关，而且目前市场上所采用的数码管质量较差，抗干扰能力差，不能应用于复杂的环境。单片机数字计时器体积小巧、精度高、抗干扰能力强，适用于复杂的工作环境。

1 硬件设计

1.1 系统结构

系统主要由电源模块、输入部分、控制部分和显示部分组成，系统结构框图如图1所示。

1.2 单片机最小系统设计

控制部分选用40引脚单片机PIC16F887，该单片机采用了精简指令集、哈佛总线结构和二级流水线，价格低、可靠性高、功耗低、体积小。单片机最小系统如图2所示。

单片机最小系统由PIC16F887单片机、复位模块、4 MHz外部晶振、排针等组成。其中，7引脚、8引脚、28引脚VDD为电源端，接工作电源DC 5 V。6引脚、30引脚、31引脚VSS为接地端，直接接地;32引脚、33引脚接4 MHz外部晶振，电容取22 pF;VPP复位端接上拉电阻连接到工作电源。

1.3 显示部分

显示部分采用工业级4位7段数码管动态显示，这样可以节省I/O口，而且功耗低。显示部分电路图如图3所示。

1.4 输入部分

输入部分有两路独立的启动/停止端和复位端，互不干扰。输入通道采用光耦TLP521做隔离，信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强、工作稳定使用寿命长、传输效率高。输入部分电路如图4所示。

1.5 电源部分

电源部分为24 V转5 V稳压隔离电源模块，输入电压范围宽，工作可靠稳定。输入电压范围为DC 18～36 V，输出电压5 V，输出功率5 W。电源部分电路图如图5所示。

2 软件设计

计时器控制程序采用中断触发方式，选用定时器1进行定时计时，其具有两路独立的启动和停止端口以及与之对应的独立的复位端口，分别命名为“启动/停止1”、“启动/停止2”、“复位1”和“复位2”。各控制端口采用DC24 V电平触发工作方式，两路控制独立工作，互不干扰，工作可靠，抗干扰能力强。

2.1 主程序流程图

当第1路控制端接通DC 24 V电平时，计时器开始计时，断开时，计时器停止计时，数码管闪烁显示当前计时提示，直到复位端接通DC 24 V电平时计时器复位，计时清零。两路控制端是独立的，第1路控制端启动计时，只能由第1路的复位控制去复位和清零，当第1路启动计时且未复位时，第2路启动计时和复位操作无效。第2路控制与第1路相同。主程序流程图如图6所示。

2.2 显示模块

显示模块选用的数码管为4位7段动态显示，根据计时范围小数点自动移动。当计时数据大于等于0且小于10，显示个数位和3位小数位;当计时数据大于等于 10小于100，显示两位整数位和两位小数位;当计时数据大于等于100且小于1000时，显示3位整数位和1位小数位;当计时数据大于等于1000且小于10 000时，显示四位整数位;当计时数据大于等于10 000时，显示复位从0开始，但是系统内部累计计时，不清零，直到手动复位清零.

2.3 控制模块

控制程序采用终端电平中断触发方式，控制定时器的启动和停止。

2.4 延时模块

3 型式试验

在实现功能的基础上，分别对该设备进行了功能试验、电磁兼容试验和环境试验。

3.1 功能试验

在功能试验中，设备运行良好，能够很好地实现所设计的各项功能。计时器计时范围为0.000～9 999 s，当计时达到9 999 s后，计时器从0.000重新开始计时，且运行30 000 s后误差不大于1 s。

3.2 电磁兼容试验

按照TB3073—2003的规定，在电磁兼容实验中做了以下试验：静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌(冲击)抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验和脉冲磁场抗扰度试验。在试验过程中，遇到了一些问题并及时进行了改进。

3. 2.1 静电放电抗扰度试验

当在电源端口接线端子加空气放电8 kV干扰时，计时器出现错误复位情况，经分析应该是接线端子质量问题，更换为台湾町洋的接线端子后，计时器工作正常，没有再出现在空气放电干扰下的复位情况，设备工作正常。设备通过了静电放电抗扰度试验3级A类。

3.2.2 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

当给电源线加+2 kV/5 kHz和-2 kV/5 kHz干扰时，计时器显示闪烁，不能正常计时，据观察显