毕业设计（论文）-便携式自发电踏步机的研究与开发.pdf

1 便携式便携式踏步机的研究与开发踏步机的研究与开发 摘摘 要：要：便携式踏步机包括踏步系统、机械传动系统、发电蓄能（能量转换）系统、 集成式人机界面四个部分，本文简单介绍机踏步、机械、发电三部分，主要介绍集成 式人机界面部分。人踏步时产生的动能经踏步系统转换为机械能传递给机械传动系 统， 并由发电机转化为电能，蓄能系统将发电机输出的直流电以化学能的形式储存在 蓄电池中，再经两路输出。一路供内置的电子万年历、电压监测等电子设备使用；另 一路经逆变器转换为 220v、50hz 交流电，可供充电器、电风扇、便携式电脑等小功 率电器（ 280w）工作。在健身的同时，将消耗的脂肪高效转化为电能并加以利用， 从而“让人类的每一步都踏在更有用的地方” 。该产品集健身、发电等功能于一体， 使单调的健身过程变得更加丰富有趣，除了能节约能源之外，还可以在特殊情况下作 为应急发电、供电设备使用。 关键词：关键词：踏步机；生物能发电；at89s52；ds1302；ds18b20；led 数码管；单片机 abstract: multifunctional power type mark time machine including step system, mechanical transmission system, power generation, storage (energy conversion) system, integrated man-machine interface four parts, the paper simply introduces machine footfall, machinery, power generation three parts, mainly introduce the man-machine interface integrated part. one step by step the kinetic energy generated when the system is transformed into the mechanical transmission to the mechanical transmission system, and the generators into electrical energy, energy storage system will output of dc generator in the form of chemical energy stored in the battery, then the two ways of output. all the way for the built-in electronic calendar, voltage monitoring and other electronic equipment use; another pass inverter conversion for 220 v, frequency 50 hz ac, available for charger, electric fan, portable computer, and other small power appliances (280 w) work. in the fitness while, will use fat efficient into electrical energy and use them, thus “let the human every step on the more useful place“. this product collection fitness, such as power generation function in an organic whole, make the monotony of fitness process become more rich interesting, in addition to save energy, but also can in special circumstances as emergency power production and supply equipment. keyword: stair steppers; biological energy; at89s52；ds1302；ds18b20；led digital tube；single-chip microcomputer 2 1、前、前 言言 能源是人类社会存在和发展的物质基础。随着社会的发展，能源问题也在逐步的 加大，各国也在竭力的开发新能源，同时，也在研究如何更有效的利用已有的能源。 能源技术推动了经济和社会的高速发展，它无时无刻不在改变着我们的生活，人们的 生活已离不开能源。但是在发展的同时，人们也越来越感受到大规模使用化石燃料所 带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国家之间、地区之间 的政治经济纠纷甚至是冲突和战争。为了人类社会的永久和谐，必须寻求一种新的、 清洁、安全、可靠的可持续能源系统。所以开发新能源和保护环境成为能源问题中的 首要问题。 另外，随着人们生活节奏的加快、工作压力的加大，多数人群处于亚健康状态， 越来越多的人开始意识到“健身”和“锻炼”的重要性；人们对锻炼健身来达到减肥、塑 身的追求越来越强，健身热潮正日渐兴起。 人体在健身运动过程中产生的大量能量将是一个巨大的潜在能量源， 如果能将这 些能量再转化成电能，将是人类应对全球能源危机、改善环境恶化的一种重要途径和 出路。同时，随着人们生活水平和环保意识的提升，“绿色低碳”生活成为现代人的一 种新的生活态度，人们开始树立绿色、节能发展理念，倡导绿色生活，所以，与其让 健身过程中释放出来的能量白白流失，还不如将其收集起来转化为电能。 据了解，踏步是身体直立，两脚交替抬起又放下而不迈步前进的一种动作。在踏 步过程中，身体的重心有规律地在左右两边移动，对脏腑及全身肌肉有比较好的舒缓 的按摩与协调作用。与其他运动相比，踏步运动相对比较舒缓，对身体带来的运动负 荷较小，适合各种年龄段和各种身体状况的人群，尤其是对办公室工作人员、老年人 群甚至部分残疾人员均可以适用。北京体育大学运动医学系陆一帆教授指出，“与跑 步、跳跃等地面运动相比，踏步的主要优势在于能减缓膝关节的压力，对中老年人尤 其有利。”在踏步运动的同时也可以扭动腰部、臀部，达到全身运动的目的，并具有 锻炼身体的协调性和平衡性的优点，所以，以踏步为主要功能的健身器材踏步机将更 具有其它健身器材无法比拟的优越性和市场空间。 根据需求设计出了一种更为人性化的、具有健身、发电储能的多功能发电式踏步 机。 该踏步机无需外部供电即可满足自身系统的电力需求，同时可以将多余的电能储 存起来，使生活变得更加舒适、随心、自由，将为不少忙碌的都市人群喜爱和青睐。 通过对本产品所拥有的功能分析，表明本产品适用人群及应用环境广泛，可解决 人们日常生活多种问题，以下罗列了本产品主要的适用人群和应用环境。 概述如下： 3 1、可作为公共健身设施，健身房器材及一般家庭健身器材等使用。 2、适用于平时工作繁忙、精神紧张的人群健身及放松、休闲使用。 3、可作为普通城乡家庭的备用发电工具，在停电的情况下应急照明、发电。 4、可作为电网未覆盖地区人群的发电工具（中国仍有 300 万无电户和 1147 万无电人口） ，满足 此类人群的照明和小功率家用电器的用电需求。 5、可作为哨所、塔站、野外作业等特殊环境及旅游、野营时的发电工具，满足照明、充电、烧 水、加热等需求。 6、可作为地震、洪水、冰雪等自然灾害发生时受灾地区的开展生产自救，应急发电工具，保证 如手机、gps 等重要电子通讯设备正常使用。 4 2、产品研发设计、产品研发设计 2.1 产品简介及功能介绍产品简介及功能介绍 绿色环保多功能发电式踏步机主要包括踏步系统、 机械传动系统、 发电蓄能系统、 集成式人机界面四个部分。人踏步时产生的动能经踏步系统传递给机械传动系统，并 输送给发电机转化为电能， 再由蓄能系统将发电机输出的直流电以化学能的形式储存 在蓄电池中，使之可以作为发电设备使用；同时，踏步机的集成式人机界面日期时间 显示、温湿度测量等功能，在健身锻炼的时能随时了解时间、温度状况。 2.2 机械部分设计机械部分设计 图 2.1 为部分机械部件示意图,图 2.2 机械结构总体设计简图 图图 2.1 机械机械部分部分各各部件部件示意图示意图 5 图图 2.2 机械结构总体设计简图机械结构总体设计简图 2.2.1 机械结构运动原理机械结构运动原理 脚踏板安装在脚踏轴（5）上，脚踏轴（5）通过螺纹安装在连杆（6）的小孔端， 连杆 （6）的大孔端通过键连接前轴，前轴通过轴承在支座（8）的孔内旋转，连杆（6） 伸出端通过键连接单向超越离合器。当人做踏步运动时，踏板以平行于地面的方式运 动，人体的生物能转化为连杆（6）的旋转动能，从而带动前轴（9）转动，经过单向 超越离合器使主动带轮旋转，经过主动带轮与从动带轮的加速，带动电机转子旋转产 生电能。 2.3 发电储能系统发电储能系统 蓄电池储能：成本低廉，重量大，重复充电次数较少； 锂离子电池储能：成本较高，重量轻，体积小，使用寿命较长； 励磁发电机：可通过控制电路调节励磁电流达到不同的运动强度要求，但需要提 供一定的励磁电流； 永磁发电机：价格较高，不需提供励磁电流，易实现低转速发电。 因人踏步频率有限且有断续，所以选择永磁发电机并用锂离子电池储能。电能输 出分两路，一路供生活常备的电子设备使用（手机、应急灯、灭蚊器等等充电） ；一 路供集成式人机界面系统使用。 6 2.4 集成式人机界面部分设计集成式人机界面部分设计 万年历模块：显示日期、时间、星期的功能，可调时； 温度监测模块：显示环境温度的功能； 电压监测模块：时刻监测显示电压 3、 集成式人机界面系统硬件设计集成式人机界面系统硬件设计 3.1 硬件总体方案与选型硬件总体方案与选型 3.1.1 单片机芯片单片机芯片 picpic 单片机单片机 是 microchip 公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性 好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的 flash 程序存 储器的芯片。 emcemc 单片机单片机 at89s52 主控制模 块 ds1302 时钟模块 ldc 显示模块 温度采集模块 键盘模块 电压采集模块 电源模块 7 是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与 pic 8 位单片机兼容,且相兼容产品的资 源相对比 pic 的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。 atmelatmel 单片机单片机 atmel 公司的 8 位单片机有 at89、at90 两个系列,at89 系列是 8 位 flash 单片机, 与 8051 系列单片机相兼容,静态时钟模式;at90 系列单片机是增强 risc 结构、全静态 工作方式、内载在线可编程 flash 的单片机,也叫 avr 单片机。 phlipis 51plcphlipis 51plc 系列单片机系列单片机 philips 公司的单片机是基于 80c51 内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片 内 rc 振荡器等功能,这使 51lpc 在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足 多方面的性能要求。 holtekholtek 单片机单片机 台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。 titi 公司单片机公司单片机 德州仪器提供了tms370和msp430两大系列通用单片机.tms370系列单片机是8 位 cmos 单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场 合;msp430 系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的 16 位低功耗单片机,特别 适用于要求功耗低的场合。 方案一方案一 采用 89c51 芯片作为硬件核心，采用 flash rom，内部具有 4kb rom 存储空间, 能于 3v 的超低压工作,而且与 mcs-51 系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时 由于不具备 isp 在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程 序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。 方案二方案二 采用 at89s52,片内 rom 全都采用 flash rom；能以 3v 的超底压工作；同时也与 mcs-51 系列单片机完全该芯片内部存储器为 8kb rom 存储空间，同样具有 89c51 的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改 或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成 损坏。 所以选择采用 at89s52 作为主控制系统。 3.1.2 显示模块显示模块 8 方案一方案一 采用 led 液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多 样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多,所以在此设计中不采用 led 液晶显示屏。 方案二方案二 采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显 示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种 作为显示。 方案三方案三 采用 lcd1602 液晶显示，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。 （16 列 2 行） ，微功 耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 所以采用了 lcd1602 液晶作为显示。 3.1.3 时钟芯片时钟芯片 方方案一案一 直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、 分、秒计数。采用此种方案虽然减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差 较大。所以不采用此方案。 方案二方案二 采用 ds1302 时钟芯片实现时钟，ds1302 芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动 对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,位的 ram 做为数据暂存区，工作电压 2.5v5.5v 范围内，2.5v 时耗电小于 300na。 所以采用 ds1302 时钟芯片实现时钟。 3.1.4 温度传感器温度传感器 方案一方案一 使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热 敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行 a/d 转换。 此设计方案需用 a/d 转换电路， 增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并 不是严格线性的，会产生较大的测量误差。 方案二方案二 采用数字式温度传感器 ds18b20， 此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数 9 据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除 a/d 模块，降低硬件成本，简化系 统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。 所以采用数字式温度传感器 ds18b20。 3.1.5 a/d 转换器选择转换器选择 方案一方案一 采用双积分a/d转换器mc14433.它有多路调制的bcd码输出端和超量程输出端， 采用动态扫描显示，便于实现自动控制。单芯片只能完成 a/d 转换功能，要实现显示 功能还需配合其它驱动芯片等，使得整部分硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和 实际焊接的工作。 方案二方案二 采用 a/d 转换芯片 adc0809。adc0809 是一块 8 路 8 位模数转换芯片，将模拟 电路和数字电路集成在一个用 28 个功能端的电路内，包含了 a/d 转化、逻辑控制、 姨妈驱动等电路，其转换时间为 100s 左右，符合作品 8 路采集要求且电路设计简 单，电路板布线不复杂，便于焊接、调试。 综上所述，故采用方案二。 3.1.6 系统总体设计方案系统总体设计方案 单片机 at89c52 和 adc0809 设计一个数字电压表监测发电机的电压， 能够测量 0 5v 之间的直流电压值，两位数码显示。重点负责单片机 at89c52 硬件部分的功能 及应用。at89s52 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 8k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器， 器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 mcs -51 指令系统及 80c51 引脚结构， 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元， 功能强大的微型 计算机的 at89s52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 设计方框 图如下 单 片 机 a/d转 换器 ad574a 电 压 显 示 模 拟 电 压 输 入 量程 控制 电路 系统总框图 10 温度测试与万年历采用数字温度芯片ds18b20 测量温度，输出信号全数字 化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的 物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100 摄氏 度时，最大线形偏差小于1 摄氏度。ds18b20 的最大特点之一采用了单总线的数 据传输，由数字温度计ds18b20和微控制器at89s51构成的温度测量装置,它直接 输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体 积也不大。采用51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各 样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独 对多ds18b20。该系统利用at89s51芯片控制温度传感器ds18b20进行实时温度检 测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。 该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片ds1302以获取时间数据，在 数据处理同时显示时间。 3.2 万年历万年历 3.2.1 单片机主控制模块单片机主控制模块 主要主要性能性能 与 mcs-51 单片机产品兼容 、8k 字节在系统可编程 flash 存储器、 1000 次擦写 周期、 全静态操作：0hz33hz 、 三级加密程序存储器 、 32 个可编程 i/o 口线 、 三个 16 位定时器/计数器 八个中断源 、全双工 uart 串行通道、 低功耗空闲和掉 电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。 功能特性描述功能特性描述 at89s52 是一种低功耗、 高性能 cmos8 位微控制器， 具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指令 和引脚完 全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统 可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌 入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 at89s52 具有以下标准功能： 8k 字节 flash，256 字节 ram， 32 位 i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三 个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及 时钟电路。另外，at89s52 可降至 0hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模 式。 空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。 掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下 一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8k 字节在系统可编程 flash at89s52 11 p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，p0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种 模式下，p0 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程 序校验时，需要外部上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作 为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电 流（iil） 。 此外，p1.0 和 p1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/ 计数器 2 的触发输入（p1.1/t2ex） ，具体如下表所示。 在 flash 编程和校验时，p1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能引脚号第二功能 p1.0 t2（定时器/计数器 t2 的外部计数输入） ，时钟输出 p1.1 t2ex（定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） p1.5 mosi（在系统编程用） p1.6 miso（在系统编程用） p1.7 sck（在系统编程用） p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作 为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电 流（iil） 。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 movx dptr）时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）访问外部数据存储器时，p2 口输出 p2 锁存器的 内容。 在 flash 编程和校验时，p2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出 电流（iil） 。 p3 口亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在 flash 编程和校验时，p3 口也接收一些控制信号。 端口引脚端口引脚 第二功能第二功能 p3.0 rxd(串行输入口) 12 p3.1 txd(串行输出口) p3.2 into(外中断 0) p3.3 int1(外中断 1) p3.4 to(定时/计数器 0) p3.5 t1(定时/计数器 1) p3.6 wr(外部数据存储器写选通) p3.7 rd(外部数据存储器读选通) 此外，p3 口还接收一些用于 flash 闪存编程和程序校验的控制信号。 rst复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将 是单片机复位。 ale/prog当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输 出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出 固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外 部数据存储器时将跳过一个 ale 脉冲。 对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog） 。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的 8eh 单元的 d0 位置位，可 禁止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此外， 该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 禁止位无效。 psen程序储存允许 （psen） 输出是外部程序存储器的读选通信号， 当 at89c52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 psen 有效，即输出两个 脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 psen 信号。 ea/vpp外部访问允许，欲使 cpu 仅访问外部程序存储器（地址为 0000h-ffffh） ，ea 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 lb1 被编程， 复位时内部会锁存 ea 端状态。 如 ea 端为高电平（接 vcc 端） ，cpu 则执行内部程序存储器的指令。 flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器 件是使用 12v 编程电压 vpp。 at89s52 单片机为 40 引脚双列直插芯片,有四个 i/o 口 p0,p1,p2,p3, mcs-51 单片 机共有 4 个 8 位的 i/o 口（p0、p1、p2、p3） ，每一条 i/o 线都能独立地作输出或输 入。 单片机的最小系统如下图所示,18引脚和19引脚接时钟电路,xtal1接外部晶振和 微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,xtal2 接外部晶振和微调电容 的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出.第 9 引脚为复位输入端,接上电容,电 阻及开关后够上电复位电路,20 引脚为接地端,40 引脚为电源端，如图 2-1 所示。 13 图 2-1 主控制系统 3.2.2 时钟电路模块时钟电路模块 ds1302 是美国 dallas 公司推出的一种高性能、低功耗、带 ram 的实时时钟电 路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电 压为 2.5v5.5v。采用三线接口与 cpu 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送 多个字节的时钟信号或 ram 数据。 ds1302 内部有一个 318 的用于临时性存放数据 的 ram 寄存器。ds1302 是 ds1202 的升级产品，与 ds1202 兼容，但增加了主电源/ 后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 （1 1）ds1302ds1302 的结构及工作原理的结构及工作原理 1.引脚功能及结构 ds1302 的引脚排列,其中 vcc1 为后备电源，vcc2 为主电源。在主电源关闭的情 况下，也能保持时钟的连续运行。ds1302 由 vcc1 或 vcc2 两者中的较大者供电。当 vcc2 大于 vcc10.2v 时，vcc2 给 ds1302 供电。 当 vcc2 小于 vcc1 时， ds1302 由 vcc1 供电。x1 和 x2 是振荡源，外接 32.768khz 晶振。rst 是复位/片选线，通过把 rst 输 入驱动置高电平来启动所有的数据传送。rst 输入有两种功能：首先，rst 接通控制 逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst 提供终止单字节或多字节数 据的传送手段。当 rst 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 ds1302 进行 操作。如果在传送过程中 rst 置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o 引脚变为高 阻态。上电运行时，在 vcc2.5v 之前，rst 必须保持低电平。只有在 sclk 为低电平 时， 才能将 rst 置为高电平。 i/o 为串行数据输入输出端(双向)， 后面有详细说明。 sclk 始终是输入端。 2. ds1302 的控制字节 14 控制字节的最高有效位(位 7)必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入 ds1302 中，位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟数据，为 1 表示存取 ram 数据;位 5 至位 1 指示操作单元的地址;最低有效位(位 0)如为 0 表示要进行写操作，为 1 表示进 行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 3. 数据输入输出(i/o) 在控制指令字输入后的下一个 sclk 时钟的上升沿时，数据被写入 ds1302，数据 输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的下一个 sclk 脉冲的下 降沿读出 ds1302 的数据，读出数据时从低位 0 位到高位 7。 4. ds1302 的寄存器 ds1302 有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为 bcd 码形式 。 此外，ds1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及 与 ram 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有 寄存器内容。 ds1302 与 ram 相关的寄存器分为两类：一类是单个 ram 单元，共 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 c0hfdh，其中奇数为读操 作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的 ram 寄存器，此方式下可一次性读写所 有的 ram 的 31 个字节，命令控制字为 feh(写)、ffh(读)。 （2 2）ds1302ds1302 实时显示时间的软硬件实时显示时间的软硬件 ds1302 与 cpu 的连接需要三条线，即 sclk(7)、i/o(6)、rst(5)。 1.ds1302 与 cpu 的连接 实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个 32.768khz 的晶振即可。只是 选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。另外，还可以在上面的电路中加入 ds18b20， 同时显示实时温度。只要占用 cpu 一个口线即可。 lcd 还可以换成 led，还可以使 用北京卫信杰科技发展有限公司生产的 10 位多功能 8 段液晶显示模块 lcm101， 内含 看门狗(wdt)/时钟发生器及两种频率的蜂鸣器驱动电路，并有内置显示 ram，可显 示任意字段笔划，具有 34 线串行接口，可与任何单片机、ic 接口。功耗低，显示 状态时电流为 2a (典型值)，省电模式时小于 1a，工作电压为 2.4v3.3v，显示 清晰。 2.ds1302 实时时间流程 ds1302 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命 令字节最高位 msb(d7)必须为逻辑 1， 如果 d7=0， 则禁止写 ds1302， 即写保护； d6=0， 指定时钟数据，d6=1，指定 ram 数据；d5d1 指定输入或输出的特定寄存器；最低 位 lsb(d0)为逻辑 0，指定写操作(输入)， d0=1，指定读操作(输出)。 在 ds1302 的时 钟日历或 ram 进行数据传送时， ds1302 必须首先发送命令字节。 若进行单字节传送， 8 位命令字节传送结束之后，在下 2 个 sclk 周期的上升沿输入数据字节，或在下 8 个 sclk 周期的下降沿输出数据字节。 ds1302 与 ram 相关的寄存器分为两类:一类是单个 ram 单元， 共 31 个， 每个单 元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 c0hfdh，其中奇数为读操作，偶数为 15 写操作； 再一类为突发方式下的 ram 寄存器， 在此方式下可一次性读、 写所有的 ram 的 31 个字节。 尤其是备用电源 b1，可以用电池或者超级电容器(0.1f 以上)。虽然 ds1302 在主 电源掉电后的耗电很小， 但是， 如果要长时间保证时钟正常， 最好选用小型充电电池。 可以用老式电脑主板上的 3.6v 充电电池。如果断电时间较短(几小时或几天)时，就可 以用漏电较小的普通电解电容器代替。 100 f 就可以保证1小时的正常走时。 ds1302 在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。 （3 3） 结论结论 ds1302 存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。ds1302 可以 用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数 据的时间同时记录。 这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现 的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体 的时间记录， 因此， 只能记录数据而无法准确记录其出现的时间； 若采用单片机计时， 一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费 单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片 ds1302，则能很好地解决这个问题。 (1) (1) 时钟芯片时钟芯片 ds1302ds1302 的工作原理的工作原理 ds1302 在每次进行读、写程序前都必须初始化，先把 sclk 端置 “0” ，接着把 rst 端置“1” ，最后才给予 sclk 脉冲；读/写时序如下图 4 所示。图 5 为 ds1302 的 控制字，此控制字的位 7 必须置 1，若为 0 则不能把对 ds1302 进行读写数据。对于 位 6，若对程序进行读/写时 ram=1，对时间进行读/写时，ck=0。位 1 至位 5 指操作 单元的地址。位 0 是读/写操作位，进行读操作时，该位为 1；该位为 0 则表示进行 的是写操作。控制字节总是从最低位开始输入/输出的。表 6 为 ds1302 的日历、时间 寄存器内容： “ch”是时钟暂停标志位，当该位为 1 时，时钟振荡器停止，ds1302 处于低功耗状态；当该位为 0 时，时钟开始运行。 “wp” 是写保护位，在任何的对时钟和 ram 的写操作之前，wp 必须为 0。当“wp” 为 1 时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。 (2) ds1302(2) ds1302 的控制字节的控制字节 ds1302 的控制字如表 2-1 所示。控制字节的高有效位（位 7）必须是逻辑 1，如 果它为 0，则不能把数据写入 ds1302 中，位 6 如果 0，则表示存取日历时钟数据， 为 1 表示存取 ram 数据；位 5 至位 1 指示操作单元的地址；最低有效位（位 0）如 为 0 表示要进行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出 ram rd 1 a4 a3 a2 a1 a0 / ck /wr 表 2-1 ds1302 的控制字格式 16 (3) (3) 数据输入输出（数据输入输出（i/oi/o） 在控制指令字输入后的下一个 sclk 时钟的上升沿时，数据被写入 ds1302，数据 输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的下一个 sclk 脉冲的下 降沿读出 ds1302 的数据，读出数据时从低位 0 位到高位 7。如下图 2-2 所示 图 2-2 ds1302 读/写时序图 (4) ds1302(4) ds1302 的寄存器的寄存器 ds1302 有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为 bcd 码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表 2-2。 表 2-2 ds1302 的日历、时间寄存器 此外，ds1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及 与 ram 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有 寄存器内容。 ds1302 与 ram 相关的寄存器分为两类：一类是单个 ram 单元，共 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 c0hfdh，其中奇数为读操 作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的 ram 寄存器，此方式下可一次性读写所 有的 ram 的 31 个字节，命令控制字为 feh(写)、ffh(读)。 图 2-3 示出 ds1302 的引脚排列，其中 vcc1 为后备电源，vcc2 为主电源。在主 17 电源关闭的情况下， 也能保持时钟的连续运行。 ds1302 由 vcc1 或 vcc2 两者中的较大 者供电。 当 vcc2 大于 vcc1+0.2v 时， vcc2 给 ds1302 供电。 当 vcc2 小于 vcc1 时， ds1302 由 vcc1 供电。x1 和 x2 是振荡源，外接 32.khz 晶振。rst 是复位/片选线，通 过把 rst 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。rst 输入有两种功能：首先，rst 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst 提供终止单字节或多 字节数据的传送手段。 当 rst 为高电平时， 所有的数据传送被初始化， 允许对 ds1302 进行操作。如果在传送过程中 rsts 置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o 引脚变 为高阻态。上电动行时，在 vcc 大于等于 2.5v 之前，rst 必须保持低电平。中有在 sclk 为低电平时，才能将 rst 置为高电平，i/o 为串行数据输入端（双向） 。sclk 始 终是输入端。 图 2-3 ds1302 的引脚图 18 3.3 温度检测温度检测 ds18b20ds18b20 dallas 最新单线数字温度传感器 ds18b20 简介新的“一线器件“体积更小、适用 电压更宽、 更经济 dallas 半导体公司的数字化温度传感器 ds1820 是世界上第一片支 持 “一线总线“接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地 组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。ds18b20、 ds1822 “一线总线“ 数字化温度传感器 同 ds1820 一样，ds18b20 也 支持“一线总线“接口，测量温度范 围为 -55c+125c，在-10+85c 范围内,精度为0.5c。ds1822 的精度较差为 2c 。 现场温度直接以“一线总线“的数字方式传输， 大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子 产品等。 与前一代产品不同， 新的产品支持 3v5.5v 的电压范围， 使系统设计更灵活、 方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 ds18b20、 ds1822 的特性 ds18b20 可 以程序设定 912 位的分辨率，精度为0.5c。可选更小的封装方式，更宽的电压 适用范围。 分辨率设定， 及用户设定的报警温度存储在 eeprom 中， 掉电后依然保存。 ds18b20 的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ ds1822 与 ds18b20 软件兼容，是 ds18b20 的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率 参数的 eeprom， 精度降低为2c， 适用于对性能要求不高， 成本控制严格的应用， 是经济型产品。 继“一线总线“的早期产品后，ds1820 开辟了温度传感器技术的新概 念。ds18b20 和 ds1822 使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自 己的经济的测温系统。 ds18b20 的新性能 1) 可用数据线供电，电压范围：3.05.5v； 2) 测温范围：-55+125，在-10+85时精度为0.5； 3) 可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125 和 0.0625； 4) 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字； 19 5) 负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 ds18b20 的外形和内部结构 ds18b20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 rom、温度传感器、非挥发的 温度报警触发器 th 和 tl、配置寄存器。ds18b20 的管脚排列如下: ds18b20 外形图 引脚定义： 1) dq 为数字信号输入/输出端； 2) gnd 为电源地； 3) vdd 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 。 内部结构 20 ds18b20 内部结构图 ds18b20 有 4 个主要的数据部件： 1）光刻 rom 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 ds18b20 的 地址序列码。64 位光刻 rom 的排列是：开始 8 位（28h）是产品类型标号，接着的 48 位是该 ds18b20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（crc=x 8+x5+x4+1） 。光刻 rom 的作用是使每一个 ds18b20 都各不相同，这样就可以实现一 根总线上挂接多个 ds18b20 的目的。 2） ds18b20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：用 16 位符 号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/lsb 形式表达，其中 s 为符号位。 表 6-1 ds18b20 温度值格式表 这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 18b20 的两个 8 比特的 ram 中，二 进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数 值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取 反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为 07d0h，+25.0625的数字输出为 0191h，-25.0625的数 字输出为 ff6fh，-55的数字输出为 fc90h。 表 6-2 ds18b20 温度数据表 21 3）ds18b20 温度传感器的存储器 ds18b20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 ram 和一个非易失性的可 电擦除的 eepram,后者存放高温度和低温度触发器 th、tl 和结构寄存器。 4）配置寄存器 该字节各位的意义如下： 表 6-3 配置寄存器结构 tm r1 r0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1 ，tm 是测试模式位，用于设置 ds18b20 在工作模式还是在测 试模式。在 ds18b20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。r1 和 r0 用来设置分 辨率，如下表所示： （ds18b20 出厂时被设置为 12 位） 分辨率设置表： 表 6-4 温度值分辨率设置表 r1 r0 分辨率 温度最大转换时 间 0 0 9 位 93.75ms 0 1 10 位 187.5ms 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 原理接线图如下 22 3.4 电压电压 8 8位位a/da/d转换器芯片转换器芯片adc0809adc0809 dc0809 是带有 8 位 a/d 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 cmos 组件。它是逐次逼近式 a/d 转换器，可以和单片机直接接口。 adc0809 的主要特性 1） 它是具有 8 路模拟量输入、8 位数字量输出功能的 a/d 转换器。 2） 转换时间为 100s。 3） 模拟输入电压范围为 0v+5v，不需零点和满刻度校准。 4）低功耗，约 15mw。 引脚结构 图12所示 图12 adc0809 主要信号引脚的功能如下： in0in7：8 条模拟量输入通道 ale地址锁存允许信号。对应 ale 上跳沿，a、b、c 地址状态送入地址锁存 23