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濟南大學畢業設計畢業設計方案2-6-濟南大學泉城學院濟南大學畢業設計方案題目電子萬年歷及溫度計設計專業電氣工程及其自動化班級電氣1002學生蔣子江學號20103005046指導教師王中華二〇一四年三月三十一日學院專業電氣工程及其自動化學生蔣子江學號20103005046設計題目電子萬年歷及溫度計設計選題背景與意義1.選題目的及意義在目前這個快速發展的社會,人們的生活節奏被不斷加快,人們的時間觀念比之前任何時候都強烈,生活節奏的加快使得人們進一步認識到時間的重要性,一旦忘記時間錯過了機會,會造成很大甚至不可彌補的損失。隨著數字化的時鐘悄然的走進人們的生活,從而帶給了人們極大地方便,單片機這種時代的產物使得數字時鐘功能多樣化。單片機具有靈活性高、功耗低、成本低、集成度高等諸多特點,這類的電子時鐘一般都依單片機為主要的核心,外加一些外圍電路或者是設備得以實現[10]。單片機的應用改變了傳統的控制設計思想,代替了大量的模擬電路或者是數字電路,可以用軟件加以實現與控制,與機械式時鐘相比更直觀、更準確。在把握時間的同時也能夠了解一些與人類生活息息相關的信息例如濕度、溫度、年份、月份、日期等,從而也就誕生了一些具有顯示時間、日期、星期、溫度、濕度等具有多個功能的電子萬年歷,具有簡單方便、直觀顯示、功能多樣化、電路簡潔等多個優點[15],符合現在電子儀器儀表的發展趨勢。電子萬年歷給人們的生活帶來的很多方便,而作為其附加功能現在也逐漸的被應用于各類電子產品中且發展前景廣闊。伴隨著電子科技的迅猛發展,目前基于單片機控制技術的微電子技術得到空前的發展。電子萬年歷的設計不僅要求在設計中具有更加豐富的內容上,而操作也更加趨向于簡潔化、界面顯示更加清晰化[18]。廣泛用于個人、家庭,車站,商場、家庭、賓館、銀行、等公共場所可以說遍及人們生活的每一個角落。由于社會對信息交換不斷提高的要求及高新技術的逐步發展,因此電子萬年歷也進行著不斷更新和轉變,電子萬年歷因為是電子產品類的一類小產品不僅價格便宜同時也是學習單片機設計中的一個很好的例子。由于這個課題具有較好的實用性且其可發展性以及對各模塊的設計等,不僅是對所學單片機知識掌握能力的考察,同時也是對單片機各引腳功能的擴展應用[14]。因此,研究萬年歷及擴大其應用,有著非常現實的意義。2.國內外研究現狀電子萬年歷的出現給人們的生活帶來的極大方便,電子萬年歷的核心是單片機。近年來,電子技術的發展迅速,特別是大規模集成電路的出現,目前基于單片機控制技術的微電子技術得到空前的發展。廣泛應用于各種控制領域、智能領域、仿真領域。控制領域里的定時計時控制、溫度控制、濕度控制在生產、生活等領域已經得到了廣泛的應用。單片機技術的應用產品也已經走進了千家萬戶,人類生活發生了根本性的改變[1]。而隨著單片機的發展,電子萬年歷也越來越小型化、智能化,電子萬年歷采用數字電路實現對時、分、秒用數字顯示出來,成為了人們日常生活的必需品甚至已經遠遠超過老式的鐘表,給人們的生活、學習、工作帶來了極大方便。隨著人們生活水平的提高,智能產品將會越來越受到人們的歡迎,前景非常廣闊。而今天單片機已經滲透到我們生活的各個領域,生產生活中幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置,計算機的網絡通訊與數據傳輸,飛機上各種儀表的控制,工業自動化過程的實時控制和數據處理,廣泛使用的各種智能IC卡,轎車的安全保障系統,攝像機、錄像機、全自動洗衣機的控制,以及程序控制玩具、電子寵物等等,這些都離不開單片機[13]。隨著科技的迅猛發展,時間的流逝,從觀太陽、擺鐘到現在的電子鐘,人類不斷的進行研究。就萬年歷的設計因所用芯片不同所以有很多種電子萬年歷,但其所能實現的基本功能一樣的,都旨在表現時間的同時附加其他功能,較早的只是單純的表現時間,一般采用數字電路實現,電路復雜通常由十幾片數字集成塊組成,焊接麻煩且成本較高,隨著電子技術的發展伴隨單片機的出現,利用軟件編程實現其功能,降低了硬件成本,也適合自主開發研究[17]。本課題采用美國DALLAS公司生產的DS1302+涓流充電時鐘芯片,DS1302+是DS1302的增強型品種.它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時,還具有閏年補償等多種功能,而且DS1302的使用壽命長,誤差小.采用三線接口與CPU進行同步通信,并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。該電路采用AT89S51單片機作為核心,功耗小,能在3V的低壓工作,電壓可選用3~5V電壓供電.綜上所述此萬年歷具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、高精度、多功能、耗電小、計時準確、電路簡潔、成本低廉等諸多優點[19],符合電子儀器儀表的發展趨勢,具有廣闊的市場前景。本課題擬以單片機為核心,采用專用萬年歷芯片和溫度檢測芯片,應用One-Wire總線技術,不僅能夠開發學生的專用芯片、總線技術、電子線路、單片機等基礎知識的應用能力,特別是對于單片機的學習,具有重要的實踐意義,同時單片機的學習、開發與應用可以對以后的工作、就業都會有很大的幫助,也可以造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師以及相關的技術人員。二、設計內容本課題主要采用單片機技術,以單片機為核心,利用半導體時鐘萬年歷芯片、溫度傳感器、濕度傳感器、采用液晶顯示設計。電子萬年歷及溫度計設計具體要求包括:(1)顯示公歷年、月、日、星期、小時、分鐘和秒;(2)能夠采用鍵盤自由設置日期、時間;(3)溫度測量范圍為-55℃-+125℃,在-10℃-+85℃的溫度范圍內,精度要求為±0.5℃;研究內容:(1)單片機外圍電路接口技術;(2)時間、溫度芯片、語音報時電路的接口技術;(3)One-Wire總線協議。三、設計方案1、硬件設計本電路設計的主控制器為STC89C52單片機。大致可分為7個模塊:主控制模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、溫度采集模塊、鬧鐘采集模塊、鍵盤控制模塊、12864液晶顯示模塊。總體框圖如圖1所示:鍵盤模塊鍵盤模塊電源模塊溫度采集模塊鬧鐘模塊AT89S51主控制模塊12864液晶顯示模塊DS1302+時鐘模塊圖1電子萬年歷設計總體框圖圖1電子萬年歷設計總體框圖1.1單片機最小系統的選擇方案一:采用51系列單片機芯片作為硬件核心。89C51一般指的是ATMEL公司所開發生產的AT89C51單片機,而89C51是一種大小為4KB的能于3V以下的超低壓下工作,高性能CMOS的8位微處理器,其具有在線編程可擦除技術,而且指令的寫入需要外部12V電壓,它的另一個缺點不支持在線的程序更新功能(ISP),因此就需要必須加上了ISP的功能才能更好更廣泛的延續MCS-51,雖然已經停產但我們學習的大多數芯片是在其基礎上研究開發的,同時是在原基礎上增強了許多功能,如時鐘,較好的由Flash程序存儲器在內容上至少更改1000次存儲器來取代了原來的ROM,在對電路的調試時,如果在對于程序中的錯誤進行修改或者在對于新增程序功能需要進行燒入時,在對芯片進行多次拔插時極有可能會對芯片的內部結構構成一定程度的損壞。方案二:采用AT89S51單片機,它是一種低電壓、高性能CMOS8位微控制器,俗稱單片機。是一種8K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)。該器件采用ATMEL高密度不容易丟失存儲器制造技術制造,與工業生產標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,AT89S51是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。它包含128B的片內數據存儲器,32根雙向和能夠單獨尋址的I/O線,可以尋址64KB的片外程序(數據)存儲器,一個全雙工的異步串行口,兩個16位定時計數器,5個中斷源,兩個中斷優先級,有片內時鐘振蕩器。同時具有在線的編程可擦除技術,當在對設計電路進行調試時,由于程序的錯誤修改或對程序的新增功能需要植入程序時,不需要反復插拔芯片,所以它不會損壞芯片。使得AT89S51為眾多嵌入式控制應用系統提供了高靈活、有效的解決方案。最終經過綜合的比較確定選擇方案二,即選擇AT89S51作為最小的控制系統1.2顯示模塊的選擇方案一:系統使用DS1602型液晶顯示屏。此模塊可以顯示字母、數字符號,而且具有體積小、重量輕、功耗低、指令功能強、接口簡單方便、工作溫度寬、可靠性高等優點,顯示內容有192種字符和32種字符兩種。方案二:系統采用DS12864液晶顯示屏。12864漢字圖形點陣液晶顯示模塊,可顯示漢字及圖形,內置8192個中文漢字(16X16點陣)、128個字符(8X16點陣)及64X256點陣顯示RAM(GDRAM)。且有多種軟件功能,如光標顯示,畫面移位,自定義字符,畫面模式等。使用起來非常方便,功能要比1602好。經過綜合比較選擇方案二,即選擇DS12864液晶顯示屏。1.3時鐘芯片的選擇方案一:采用DS12887.DS12887是美國Dallas推出的串行接口實時時鐘芯片,采用CMOS技術制成,具有內部晶振和時鐘芯片備份鋰電池,同時它與目前IBMAT計算機常用的時鐘芯片MC146818B和DS1287管腳兼容,可直接替換。它所提供的世紀字節在位置32h,世紀寄存器32h到2000年1月1日將從19遞增到20。采用DS12887芯片設計的時鐘電路無需任何外圍電路和器件,并具有良好的微機接口。DS12887芯片具有微功耗,外圍接口簡單,精度高,工作穩定可靠等優點,可廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘系統中。但此芯片性價比相對不高。方案二:采用DS1302+時鐘芯片實現時鐘定。DS1302+是美國DALLAS公司最新推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路,DS1302+是DS1302的增強型品種,它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時,具有閏年補償功能,且精度高,內含一個實時時鐘/日歷和31×8位暫存數據存儲RAM,簡單地采用同步串行方式與單片機通信;工作電壓2.0~5.5V范圍內,工作電流2.0V時耗電小于300mA,采用三線接口與CPU進行同步通信,并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。而且DS1302的使用壽命長,誤差小.對于數字電子萬年歷采用直觀的數字顯示,可以同時顯示年、月、日、時、分、秒等信息,還具有時間校準等功能.DS1302內部有一個31×8的用于臨時性存放數據的RAM寄存器。因此芯片性價比較高。經過綜合比較選擇方案一,即采用DS1302+。1.4溫度傳感器的選擇方案一:采用熱敏電阻作為溫度傳感器。熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成,利用的原理是溫度引起電阻變化。熱敏電阻的主要特點是:靈敏度較高;工作溫度范圍寬;體積小,能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度;使用方便,電阻值可在0.1~100kΩ間任意選擇;穩定性好、過載能力強。此設計方案需用A/D轉換電路,增加硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴格線性的,會產生較大的測量誤差。方案二:采用DS18B20+溫度傳感器,DS18B20+是DS18B20的增強型品種,功能上相當于DS18B20的改進型。即單總線器件,在一根通信線,只要求一個端口即可實現通信,具有線路簡單,體積小的特點。測量溫度范圍為-55°C~+125°C,在-10~+85°C范圍內,精度為±0.5°C。DS18B20可以程序設定9~12位的分辨率,可選很小的封裝方式,較寬的電壓適用范圍。分辨率設定,及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中,掉電后依然保存。DS18B20+的性能是新一代產品中很合適的的,性能價格比也非常出色。經過綜合比較選擇方案二,即選擇溫度傳感器DS18B20+。2、軟件設計系統主程序框圖如圖2所示:編寫程序時要以此框圖為依據,首先初始化程序,然后檢測是否有按鍵按下,如果有鍵按下,就進入日期、時間、鬧鐘調整模式,然后根據需要調整日期、時間、鬧鐘,如果沒有鍵按下,則跳過該環節,直接讀取DS1302中的日期、時間、溫度等數據并顯示在LCD12864的液晶屏幕上。LCD電子萬年歷的軟件設計包括顯示程序、鍵盤顯示程序、溫度采集程序、鬧鐘程序。C語言是一種編譯型的結構化程序設計語言,具有簡單的語法結構和強大的處理功能,具有運行速度快、編譯效率高,移植性好和可讀性強等多種優點,可以實現對系統便件直接操作。用C語言來編寫目標系統軟件,可以大大縮短開發周期,且明顯地增加軟件的可讀性,便于改進和擴充,從而開發出大規模、高性能的應用系統。在程序設計中采用模塊化設計思想,能使程序可讀性加強,而且編寫時很方便,將要實現的功能分成幾部分,由于某些功能使用不只一次,將它編成一個子程序,既可隨時多次調用,修改時也不會影響其他程序。參考文獻徐新民,李林功,施競文.單片機原理與應用[M].杭州:浙江大學出版社,2006.7:13-22胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,2002:177-186陳小忠.黃寧,趙小俠.單片機接口技術實用子程序[M],第2版.北京:人民郵電出版社,2005.9:246-254童詩白.華成英.模擬電子技術基礎[M].第4版.北京:高等教育出版社.2006.5:513-534譚浩強.C程序設計第三版[M].北京:清華大學出版社,2007楊欣.王玉鳳,劉湘黔,張延強.51單片機應用實例詳解[M].北京:清華大學出版社,2010.5:203-207薛棟梁.MCS-51/151/251單片機原理與應用[M].北京:中國水利水電出版社,2001.5:171-182AT89S51:8-BitMicrocontrollerwith8KBytesFlashChipManual.ATMEL,UnitedStates,2005:56-67DS1302+TrickleChargeTimekeepingChip.[EB/OL].
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