基于单片机的多功能电子万年历设计

天津大学网络教育学院专科毕业论文天 津 大 学 网 络 教 育 学 院专科毕业论文题目：基于数字电路的交通信号灯控制系统设计完成期限：2015 年 9 月 26 日至 2015 年 10 月 16 日学习中心：奥鹏专业名称：电气自动化技术学生姓名：周园学生学号：132701433080指导教师：王猛天津大学网络教育学院专科毕业论文0基于数字电路的交通信号灯控制系统设计一、绪论1、课题的背景与意义随 着 电 子 技 术 的 迅 速 发 展 ， 特 别 是 大 规 模 集 成 电 路 出 现 ， 给 人 类 生 活 带 来 了 根本 性 的 改 变 ， 尤 其 是 单 片 机 技 术 的 应 用 产 品 已 经 走 进 了 千 家 万 户 。 近年来，我国科技的不断发展，我国经济发展的支柱产业电子产业获得长足发展，各种电子产品琳琅满目，随处可见，随着电子产品的更新速度的加快，各种功能强大，款式新颖的电子产品不断问世。数字万年历便是这一发展趋势中的代表，数字万年历则顺应了人们对时间方面的要求。它 的 出 现 给 人 们 的 生 活 带 来 的 诸 多 方 便 ， 在 时 间 极 显 宝 贵 的 现 代 生 活 中 ， 其作 用 更 是 不 言 而 喻 。 它 在 学 校 、 车 站 、 码 头 、 剧 院 、 医 院 、 办 公 室 等 公 共 场 所 的 应用 非 常 广 泛 。 但传统的数字万年历除显示时间之外，功能较为单一，逐渐失去了市场。顺应技术发展和人们生产、生活需求，各种功能的新式万年历不断涌现，且功能不断更新。数 字 万 年 历 作 为 电 子 类 的 小 产 品 以 其 方 便 、 实 用 等 优 势 成 为 市 场 上 的 宠 儿 ， 同时 也 成 为 单 片 机 设 计 培 训 中 一 个 很 实 用 的 课 题 。 因 为 这 个 课 题 有 很 好 的 的 开 发 性 和可 发 挥 性 ， 因 此 对 设 计 者 的 要 求 比 较 高 ， 不 仅 考 察 了 对 单 片 机 的 掌 握 能 力 更 加 强 调了 对 单 片 机 扩 展 的 应 用 。 而 且 要 求 设 计 的 数 字 万 年 历 在 操 作 上 力 求 简 洁 ， 功 能 上 尽量 齐 全 ， 显 示 界 面 也 要 出 色 。 所 以 数 字 万 年 历 无 论 从 实 用 的 角 度 和 培 养 能 力 的 角 度都 很 有 价 值 。天津大学网络教育学院专科毕业论文1二、系统硬件设计本系统以单片机为核心控制器，包含了时钟芯片的接口、键盘接口、温度检测接口以及液晶显示输出接口，因此在硬件设计中合理分配单片机的输入输出端口尤为重要，通过综合比较市场上的元器件的价格以及分析单片机的I/O 口数量，本系统最终选择了AVR 单片机中的 MEGA16 型，设计的硬件电路图见附录 2，其单片机的I/O的分配如下：11个I/O 口用于液晶显示，4个I/O口用于按键输入，3个 I/O 口用于时钟芯片，1个 I/O口用于温度检测，1个I/O口用于声音输出，单片机的20个I/O口充分利用。下面从系统硬件的各个组成部分一一做介绍。1、主控制器 ATmega16 单片机介绍ATmega16 带有 16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节的 EEPROM，1K 字节的 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描 的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)， 片内/外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可 选差分输入级可编程增益(TQFP 封装)的 ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。2、时钟电路 DS1302本系统时钟芯片选择了DS1302芯片， 该 芯片是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟 芯片， 内 含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM ， 通 过简单的串行接口与单片机进行 通信实。时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰 年的天数可自动调整， 时 钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24或12小时格式。DS1302与 单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线：（1）RES（复位）；（ 2）I/O（ 数 据 线 ）；（3）SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302与ATmega16的接口电路图如图 1所示：天津大学网络教育学院专科毕业论文2PB1/T12PB2/INT2/AIN23PB3/OC0/AIN14PB4/SS5PB5/MISI6PB6/MISO7PB7/SCK8RESET9Vcc10GND11XTAL212XTAL113PD0/RXD14PD1/TXD15PD2/INTO016PD3/INTO117PD4/OC1B18PD5/OC1A19PD6/ICP120ADC0/PA0 40ADC2/PA2 38ADC3/PA3 37ADC4/PA4 36ADC5/PA5 35ADC6/PA6 34ADC7/PA7 33AREF 32ADC1/PA1 39GND 31AVCC 30TOSC2/PC7 29TOSC1/PC6 28TD1/PC5 27TD0/PC4 26TMS/PC3 25TCK/PC2 24SDA/PC1 23SCL/PC0 22OC2/PD7 21PB0/T0/XCK1S?ATMEGA16X1X2I/ORESETSCLKVcc2Vcc1DS1302C16pFC26pFX132768HZ1.5V1.5V5V图 1 DS1302 与 ATmega16 的接口电路图3、温度检测 DS18B20本万年历采用了美国 DAL-LAS公司最新推出的 DS18B20数字式温度传感器 ，并由 DS18B20和ATmega16 组成了室温测量系统，可根据实际需要任意设定温度值，并进行自动控制。DS18B20 是美国DALLAS 公司继DS18B20 之后推出的增强型单总线数字式温度传感 器，它在转换速度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS18B20 有了很大的改进，给 用户带来了更方便、更令人满意的效果。18B20与ATmega16的接口电路如图2所示：PB1/T12PB2/INT2/AIN23PB3/OC0/AIN14PB4/SS5PB5/MISI6PB6/MISO7PB7/SCK8RESET9Vcc10GND11XTAL212XTAL113PD0/RXD14PD1/TXD15PD2/INTO016PD3/INTO117PD4/OC1B18PD5/OC1A19PD6/ICP120ADC0/PA0 40ADC2/PA2 38ADC3/PA3 37ADC4/PA4 36ADC5/PA5 35ADC6/PA6 34ADC7/PA7 33AREF 32ADC1/PA1 39GND 31AVCC 30TOSC2/PC7 29TOSC1/PC6 28TD1/PC5 27TD0/PC4 26TMS/PC3 25TCK/PC2 24SDA/PC1 23SCL/PC0 22OC2/PD7 21PB0/T0/XCK1S?ATMEGA16GND1I/O2VCC3U?DS18B20图 2 18B20与 ATmega16 的接口电路图天津大学网络教育学院专科毕业论文34、液晶显示液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。本设计中拟显示内容如表 1 所示。 表1 lcd12864画面1显示内容2 0 0 9 0 6 0 1 星 期 一己 丑 年 五 月 初 九芒 种 1 9 : 2 5 : 0 82 9 . 1 度5、键盘接口按键输入部分主要用于时间调整、 定 时设置、 闹钟设置以及查询公历某日对应的农历日期， 最终确定由四个按键来实现上叙功能， 由于按键比较少， 所以用普通按钮接在I/O口，启用I/O 口的内部上拉电阻，用查询法完成读键功能。6、语音闹铃模块报时是本套数字万年历的一个重要功能，报时器可用蜂鸣器和扬声器来实现，本次设计采用蜂鸣器实现闹铃报时。由于单片机 I/O 引脚输出的电流较小，所以单片机输出的 TTL 电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。本次设计采用了一个很简单的电路来实现蜂鸣器的连接，利用一个三极管来放大驱动蜂鸣器，电路连接如图 3 所示。在本设计电路中，设计者采用 PNP 管 9012 来做为控制蜂鸣器的开关，由图 3-3 可以看出当 PD6 引脚为高电平时，PNP 管截止，蜂鸣器不工作；当 PD6 引脚为低电平时，PNP 管导通，蜂鸣器工作，其中 R2 为限流电阻。采用 PNP 管 9012 的作用是为了防止系统上电时峰鸣器发出声音，因为系统复位以后，I/O 口输出的是高电平。用户可以通过程序控制 PD6 管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭，同时，蜂鸣器的声音大小及音调可以通过调整 PD6 管脚的置高时间及输出的波形进行控制，这一点可以在调试程序的时候来实现。天津大学网络教育学院专科毕业论文4PB1/T12PB2/INT2/AIN23PB3/OC0/AIN14PB4/SS5PB5/MISI6PB6/MISO7PB7/SCK8RESET9Vcc10GND11XTAL212XTAL113PD0/RXD14PD1/TXD15PD2/INTO016PD3/INTO117PD4/OC1B18PD5/OC1A19PD6/ICP120ADC0/PA0 40ADC2/PA2 38ADC3/PA3 37ADC4/PA4 36ADC5/PA5 35ADC6/PA6 34ADC7/PA7 33AREF 32ADC1/PA1 39GND 31AVCC 30TOSC2/PC7 29TOSC1/PC6 28TD1/PC5 27TD0/PC4 26TMS/PC3 25TCK/PC2 24SDA/PC1 23SCL/PC0 22OC2/PD7 21PB0/T0/XCK1S?ATMEGA16LS1SPEAKERQ?PNPR1GND5V图 3 报时电路7、电源的设计电源部分的设计目的就是为各个硬件提供工作电源。单片机 ATmega16 芯片，显示电路等都采用 5V 电源供电。具体的方案是用 W7805 集成稳压电源提供+5V 的电压供给单片机。其原理是（以+5V 为例介绍）用交流电 220V 通过变压器变压，变为交流的 9V 电压，再经过整流变为直流电后，再接一个 W7805 使其转换为所需的直流电作为外接电源。 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图 4 所示图 4 稳压电源原理图电源变压器的作用是将来自电网的 220V 交流电压 uI 变换为整流电路所需要的交流电压 u1。在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压 u2 变换成脉动的直流电压 u3。由于输入电压 u3 发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压 u3 会随着变化。因此，为了维持输出电压 U0 稳定不变，还需加一级稳压电路。在本次设计中采用+5V电压所以选用 H7805稳压器。它的主要特点如下：1.输出电流可达1A 2.输出电压有：5V 3.过热保护 4.短路保护 5.输出晶体管SOA保护光靠一个稳压器还不行，还需要有电容或电阻与其连接才能得到较稳定的+5V电压。电源变压器滤波电路整流电路稳压电路天津大学网络教育学院专科毕业论文5220V电压必须经过整流才可接到稳压器的输入端，则整个电源电路可分整流、滤波、稳压三部分。电路图如图5所示。Ui1GND2Uo 3H7805C00.33uF+5VD5 DIODEE22200uF1234DIODE*4220VAC50HzE6V D3D1D2D4E3220uF图5 电源电路整流部分为桥式整流电路。滤波部分为带极性的电容，如图3-5中电容E2即为滤波电容其值取2200uF。稳压部分接三端稳压集成芯片 H7805，能输出 5V 稳压电源，电容 C0 来抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于 1uF。用 E3消除输出电压中的高频噪声，并有滤波的作用。另外，二极管 D5 起保护作用。天津大学网络教育学院专科毕业论文6三 、系统软件设计本系统的软件部分主要要进行公历计算程序设计， 公 历转农历的算法的研究， 温度 测量程序设计， 按键的扫描输入等。 程序开始运行后首先要进行初始化， 把单片机的各引脚的状态按程序里面的初始化命令进行初始化，