毕业设计-基于PIC16F72单片机的立式冷冻箱时间控制器设计.doc

本科毕业设计（论文）题 目 基于pic16f72单片机的立式冷冻箱时间控制器设计学 院 电气与自动化工程学院 年 级 专 业 班 级 1 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 论文提交日期 23摘 要随着电子结构产业调整，生产工艺的飞速发展，人们生活水平的不断提高，家用电器逐渐普及，市场对于智能时钟控制系统的需求也越来越大。本论文研究的智能时钟控制系统主要是指家用电器的时钟显示、时间设置、定时开关机的控制系统。本系统是以pic16f72单片机为核心，4位led数码管显示时间，使用ds1302时钟芯片完成实时时钟的基本功能，同时利用24c02存储定时数据，实现对立式冷冻箱的定时控制。本文对立式冷冻箱时间控制系统进行了深入的分析和研究，讨论了控制系统的结构、设计方案，介绍了该装置的系统设计、工作原理，详细分析了以pic16f72单片机为控制单元的硬件电路设计以及实物设计。对时钟显示及定时控制软件设计，进行实验验证，证明了系统方案的可行性。实验结果表明，立式冷冻箱时间控制器设计可靠，而其显示的新颖性往往更能吸引人们的眼球，因此该设计有着十分广阔的实用价值和商业前景。关键词：pic16f72单片机 时钟控制器 ds1302 24c02 design of time control for vertical freezers based on pic mcuabstractwith the electronic structure of industrial restructuring, the rapid development of the production process, the continuous improvement of peoples living standard and the household appliances gradually popular, market is also growing demand for intelligent clock control system. the intelligent clock control system of this thesis mainly refers to the household appliances of the clock display, timing setting and timer switch. this system is based on pic16f72 microcontroller core, 4 led digital display time, and used the ds1302 clock chip to complete the basic functions of the real-time clock. also used the 24c02 to store timing data,to achieve the timing control of vertical freezers. this paper does in-depth analysis and research on time control for vertical freezers, discusses structure and design project of the control system, introduces system design and working principle of the device, and gives detailed analysis of the hardware circuit and physical design based on pic16f72 mcu used as control unit. the software design is used to experiment with the clock display and timer control, and the result proves feasibility of the schemes.experimental results show that design of time control for vertical freezers is reliable. novelty of the show is easier to attract peoples attention, so this design has a very broad practical value and commercial prospects.keywords: pic16f72 mcu; time control; ds1302; 24c02目 录1. 绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究意义11.3论文章节安排21.4本章小结22 .系统基础知识概述及开发环境的建立32.1 新型绿色电冰箱技术现状及发展方向32.1.1 我国电冰箱的现状32.2.2 绿色电冰箱的发展趋势32.2 pic单片机的概述42.2.1 pic单片机介绍42.2.2 pic系列单片机特点42.2.3 pic16f72单片机的引脚及介绍52.3 pic16f72系统开发环境的建立72.3.1 mplab ide软件简介72.3.2 烧录器软件介绍82.4 编程语言概述102.5 hitech-picc 编译器102.6 本章小结113. 时钟控制器的硬件设计123.1 系统总体设计框图123.2 控制核心的设计123.3 主系统的供电电路设计133.3.1 7805的概述133.3.2 固定输出的双电源电路143.4 时钟系统电路设计143.4.1 常用时钟日历芯片比较143.4.2 ds1302简介143.4.3 时钟电路设计153.5 定时系统电路设计163.5.1 i2c总线163.5.2 24c02简介173.5.3 24c02的硬件电路设计183.6 led显示电路设计183.6.1 led动态显示方式183.6.2 led静态显示方式193.7键盘扫描电路设计193.8 继电器驱动电路设计203.8.1 继电器原理203.8.2 继电器的驱动电路213.9 本章小结214. 时钟控制器的软件设计224.1系统软件的总体设计及流程图224.2 ds1302时钟读写的软件设计224.2.1 ds1302的控制字和读写时序说明224.2.2 ds1302的片内寄存器244.2.3 ds1302的读写流程图254.3 24c02存储数据的软件设计264.4 led显示电路的软件设计294.5 键盘扫描的软件设计294.6 继电器驱动的软件设计314.7 本章小结315. 系统的调试325.1 系统设计实物图325.2 硬件调试335.2.1 单片机基础的硬件电路调试335.2.2 led显示电路的调试335.2.3 ds1302电路调试345.3 软件调试345.4 本章小结346. 总结35参考文献36附 录37附录一 总体硬件电路图37附录二 系统pcb板图38附录三 系统程序39致谢46常熟理工学院毕业设计（论文）1. 绪论时间是人类生活必不可少的重要元素，如果没有时间的概念，社会将不会有所发展和进步。从古代的水漏、十二天干地支，到后来的机械钟表以及当今的石英钟，都充分显现出了时间的重要，同时也代表着科技的进步。致力于时钟控制的研究和充分发挥时钟的作用，将有着重要的意义。1.1课题研究的背景一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。从古至今，时间是人们生活中不可缺少的重要伴侣。如果没有时间的概念，社会将停滞不前。从古代的奎表、沙漏，到后来的机械钟表以及当今的电子钟，都充分体现了时间的重要性。现代社会人们对时间计量的精度要求也越来越高，应用越来越广。因此，利用当今先进的科技致力于时钟控制的研究将更能更好的服务于人们的生活。电子时钟控制主要是利用现代电子技术将时钟电子化、数字化。与传统的机械钟相比，具有时钟精确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛的运用。时钟控制广泛用于个人家庭，车站，码头，办公场所，成为人们日常生活不可少的必需品，带来了极大的方便。另外，在生活和工业生产中，人们对电子时钟控制的功能又提出了诸多要求:报时功能、定时功能、日历、温度显示，这就需要电子时钟控制的多功能性。同时随着微电子技术的高速发展，单片机在国民经济的个人领域得到了广泛的运用。单片机以其体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌头，单片机开发技术已成为电子信息、电气、通信、自动化、机电一体化等专业技术人员必须掌握的技术。目前世界上单片机年产量已达十多亿片，通常是当年微处理器产量的45倍以上。用最少的芯片就能实现最强大的功能，这是将来电子产品的主流方向，它将无可置疑地一步步取代其它同类产品，其数量之大和应用面之广，是其它任何类型的计算机所无法比拟的。1.2课题研究意义单片机技术飞速发展，产品质量越来越好，而成本越来越低，现阶段许多复杂、多用的电子器件普遍采用单片机来实现。同时，随着人们生活节奏的加快，时钟已成为人们日常生活中的必需品，许多家用电器都带有时钟模块，而人们也不再满足于仅仅具有时钟显示功能的时钟对时钟功能的要求也越来越全面。单片机以其强大的功能成为多功能时钟的首选，为电子时钟的功能扩展提供了强大的支持，实现一物多用，提高电子时钟的使用价值。利用单片机的智能性，可方便地实现具有智能的电子钟设计。单片机均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时器/计数器可实现电子钟功能。然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟日历芯片，以精确时间。另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。 本设计详细介绍了该系统组成和基本工作原理，重点介绍了硬件设计思想和软件的设计思路，在保证功能齐全，性能良好的前提下，最大限度简化电路，降低系统的整体成本，提高系统的可靠性。1.3论文章节安排第一章：主要介绍课题研究的背景、意义及主要研究内容等。 第二章：主要介绍时钟显示及控制的方法，pic16f72单片机的基本原理、开发环境、编程语言。 第三章：主要阐述时钟显示及控制系统硬件平台的设计，系统硬件的整体实现方案，并结合各个元器件和主要模块工作的特性进行原理分析。 第四章：主要介绍系统软件的设计，阐述各功能软件设计的流程图及部分核心程序。第五章：主要阐述时钟显示及控制系统各个模块的过程，以及调试过程中出现的各种问题及相应解决方法，并最终完成所有的设计目标。第六章：主要是对本次设计研究的总结，并提出本次设计的不足之处以及今后改进的方向。1.4本章小结本章是论文的绪论部分，首先介绍了时钟显示及控制研究的意义以及发展前景，然后对论文的章节分布作了简要的叙述。2. 系统基础知识概述及开发环境的建立2.1 新型绿色电冰箱技术现状及发展方向电冰箱已成为我国城镇居民家庭不可缺少的必备生活用品。冰箱的普及给人们的生活带来了加大的方便，但同时冰箱制冷工质散逸对臭氧层的破坏和温室效应的加剧，以及电冰箱广泛普及导致电力消耗过大，资源浪费等问题不能忽视。因此，人们对电冰箱在人性化、智能化、舒适化方面要求不断提高，这些都要求在冰箱的生产中要使用一些新技术和新工艺加以改进。2.1.1 我国电冰箱的现状1.采用高效节能技术电冰箱耗电量是广大消费者购买电冰箱是最关心的主要参数之一。我国颁布相关规定：电冰箱电耗要低于国际规定值。因此，节能技术的开发已成为电冰箱行业的重要日程。2.采用电子控制技术将光电技术引入电冰箱设计中，通过设置工作状态选择（如最大制冷、快速制冷、省电等）、自诊断系统、自动处理与报警（声、光、电）功能，是电冰箱始终处于最佳工作状态，以达到节能目的。3.采用超静音技术最大限度降低电冰箱运行噪音，一直是各电冰箱厂家追求质量的目标之一。4.具有抗菌功能最近，市场上推出一种具有抗菌功能的电冰箱，这种电冰箱在内箱、门内胆、门内搁架等零件成型时，加入一种具有抗菌功能的材料，使上述零件具有抗菌功能。2.2.2 绿色电冰箱的发展趋势我国冰箱进一步发展的基本点一是节能，以真空绝热、变能量和变频技术为主导方向；二是环保，利于回收的绿色设计，同时智能化、人性化的理念也会体现到产品中去。各宗适合专门场合和用途的冰箱将有广阔的前景。在技术研究开发上，应具有一定的预见性，能做到“应用一代，储备一代”。1.向大容量、多门、多温方向发展随着人们生活节奏的加快，人们已逐渐形成一次购买几天甚至一个星期的肉类、蔬菜的习惯，市场需要大容量、多门、多温的电冰箱。2.向智能化方向发展新型冰箱中已应用了变频与模糊逻辑控制、箱外显温控温、电脑控温与自动除霜系统、自动解冻、自动制冰、自我诊断、功能切换以及深冷速度的智能化技术。3.向多元化发展我国地域辽阔，南北气候差异较大，各地区发展不平衡，生活习惯有差异等等，因此电冰箱将向多元化发展。4.开发新制冷原理的电冰箱各国的科学家正竞相寻找从根本上解决cfc制冷剂问题的途径，研究开发新制冷原理和比较有前途的电冰箱的技术，如吸收扩散式电冰箱、半导体制冷电冰箱、太阳能制冷电冰箱、磁制冷电冰箱等。2.2 pic单片机的概述2.2.1 pic单片机介绍pic（periphery interface chip）单片机是美国microchip公司生产的pic系列单片机。pic系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种中，pic具有性能完善、功能强大、学习容易、开发应用方便、人机界面友好等突出优点。8位pic单片机的内部结构以强大的risc内核为基础，通过不同产品系列为通用户提供6个引脚到100个引脚的灵活选择空间。2.2.2 pic系列单片机特点（1）采用了指令总线和数据总线分离的哈佛结构 pic系列单片机的哈佛总线结构彻底将芯片内部的指令总线和数据总线分离，为采用不同的字节宽度及有效扩展指令的字长度奠定了技术基础。该结构为实现指令提取和执行的“流水作业”提供结构保证，即在执行一条指令的同时又协同处理下一条指令的取指令操作。两总线的分离，也为pic单片机实现全部指令单字节化和单周期化创造条件，从而大大提高了cpu执行指令的速度和工作效率。通常人们，常说pic单片机一个指令周期就能执行一条指令，如果深究指令微观的执行过程，则应清晰地认识到一条指令分为取指令过程和执行过程两个步骤，实际上执行一条指令需要两个指令周期。（2）risc技术pic系列单片机的指令系统采用精减指令risc技术，以控制逻辑为主的设计理念。此外，pic系列单片机全部采用单字节指令，执行速度较高。（3）pic系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点。pic系列单片机的寻址方式有4种，即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址。pic系列单片机能有效利用存储器空间，1kb程序存储器空间可存放多达1024条指令，而mcs-51系列仅能存放500多条指令。（4）驱动能力强pic系列单片机的每个输出引脚可以驱动20-25ma的负载，既能高电平直接驱动led，光电耦合器，小型继电器，也可以低电平驱动，这样大大简化了控制电路。（5）同步串行数据传送方式在pic系列单片机中，有些型号具有同步串行数据传输功能，如pic16f72，可以满足iic(主动/从动)和spi（主控）总线要求。2.2.3 pic16f72单片机的引脚及介绍pic16f722单片机的引脚如图2-1所示：图2-1 pic16f72引脚分配图pic16f72该单片机有28个引脚，去掉电源、复位、振荡器等，共有22个可复用的io口，其中第13脚是ccp1输出口，可输出最大分辨率达10bit的可调pwm信号，另有an0-an4共5路ad模数转换输入口，可提供检测外部电路的电压，一个外部中断输入脚，可处理突发事件。各引脚应用如下：（1）mclr复位/烧写高压输入两用口。（2）模拟/数字量输入口：放大后的电流信号输入口，单片机将此信号进行a-d转换后经过运算来控制pwm的输出，使电流不致过大而烧毁功率管。正常运转时电压应在0-1.5v左右。（3）模拟/数字量输入口：电源电压经分压后的输入口，单片机将此信号进行a-d转换后判断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护电池，避免电池因过放电而损坏。正常时电压应在3v以上。（4）模拟/数字量输入口：线性霍尔组成的手柄调速电压输入口，单片机根据此电压高低来控制输出给电机的总功率，从而达到调整速度的目的。（5）模拟/数字量输入口：刹车信号电压输入口。可以使用ad转换器判断，或根据电平高低判断，平时该脚为高电平，当有刹车信号输入时，该脚变成低电平，单片机收到该信号后切断给电机的供电，以减少不必要的损耗。（6）数字量输入口：1+1助力脉冲信号输入口，当骑行者踏动踏板使车前行时，该口会收到齿轮传感器发出的脉冲信号，该信号被单片机接收到后会给电机输出一定功率以帮助骑行者更轻松地往前走。（7）模拟/数字量输入口：由于电机的位置传感器排列方法不同，该口的电平高低决定适合于哪种电机。 （8）单片机电源地。（9）单片机外接振荡器输入脚。（10）单片机外接振荡器反馈输出脚。（11）数字输入口：功能开关1。（12）数字输入口：功能开关2。（13）数字输出口：pwm调制信号输出脚，速度或电流由其输出的脉冲占空比宽度控制。（14）数字输入口：功能开关3。（15）、（16）、（17）数字输入口：电机转子位置传感器信号输入口，单片机根据其信号变化决定让电机的相应绕组通电，从而使电机始终向需要的方向转动。（18）数字输出口：该口控制一个led指示灯，大部分厂商都将该指示灯用作故障情况显示，当控制器有重大故障时该指示灯闪烁不同的次数表示不同的故障类型以方便生产、维修。（19）单片机电源地。（20）单片机电源正。上限是5.5v。（21）数字输入口：外部中断输入，当电流由于意外原因突然增大而不在控制范围时，该口有低电平脉冲输入。单片机收到此信号时产生中断，关闭电机的输出，从而保护重要器件不致损坏或故障不再扩大。（22）数字输出口：同步续流控制端，当电流比较大时，该口输出低电平，控制其后逻辑电路，使同步续流功能开启。（23）（28）数字输出口：是功率管的逻辑开关，单片机根据电机转子位置传感器的信号，由这里输出三相交流信号控制功率mosfet开关的导通和关闭，使电机正常运转。2.3 pic16f72系统开发环境的建立2.3.1 mplab ide软件简介microchip公司为pic系列单片机配备了功能强大、基于windows、易学易用的软件集成开发环境mplab ide。其操作界面如图2-2所示，开发环境可以使人们在自己的微机系统上，对pic系列单片机进行程序的创建、录入、编辑以及汇编，还能方便而灵活地实现程序的模拟运行和动态调试，可以对实际应用系统进行在线仿真和功能模块开发。 应用mplab ide进行软件仿真开发的主要步骤为：1.编写源程序并保存；2.创建项目；3.编译项目；4.调试应用程序。图2-2 mplab ide操作界面2.3.2 烧录器软件介绍1.pstar v6编程器介绍pstar v6编程器（如图2-3），是生产公司依靠多年来制造microchip pic单片机专用编程器的经验，经长时间酝酿和试验开发出来的新一代高性能pic单片机开发工具，从94年国内第一台全系列pic编程器 pstar v3.1，到后来行销多年深受用户称赞的pstar v4.0和 pstar v4.5，比高一直把为用户提供高性能和高可靠性的产品作为他们的目标。经过长时间的精心设计和开发，pstar v6终于面世了，比其上一代产品pstar v4.5，v6无论是从性能上，还是从使用方便性上，以及外观上，都有了质的飞跃！图2-3 pstar v6烧录器2.pstar v6编程器的特点（1）支持器件多，包括pic12cxx、pic16c4xx、pic16c5xx、pic16c6xx、pic16c7xx、pic16c9xx、pic18cxxx、mcp25xxx以及flash系列16fxxx、18fxxx超过100种，是目前市场上支持器件种类最全最多的pic单片机编程器，其中，16c4xx、18fxxx、mcp25xxx系列是其它编程器目前还不支持的。（2）支持全系列的串行eeprom。（3）通过内置的icsp接口，可以直接支持icsp（在线路板编程）而无需任何附加装置，用户可以等电路板焊好后，最后再写入程序，对于flash单片机，更是可以完成在线升级功能。（4）读写速度比pstar v4.5提高5倍以上，仍保持了高可靠性，写大容量芯片的时候可以节省大量时间。（5）易换式适配器设计，锁紧座和各种表贴适配器可以随意更换。（6）全中文操作，使用更加得心应手。3. pstar v6编程器操作界面pstar v6烧写软件界面操作简单友好，如图2-4所示。图2-4 烧写软件界面pic的工程师特别是初学pic的朋友们，最麻烦的可能是编程器的配置位设置，写好一个程序，软件调试全部都正常，可是烧进片子怎么样也运行不正常！几天找不到问题，最后发现是配置位选错了，或编程器的配置位选择难于理解。pstar v6编程器就解决了上面的问题出现了，其配置位具有友好的选择界面和中文的标识，配置位选项如下图2-5所示：图2-5 配置位选项2.4 编程语言概述汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同cpu，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。但汇编语言，一条指令就对应一个机器码，每一步执行什么动作都很清楚，并且程序大小和堆栈调用情况都容易控制，调试起来也比较方便。在众多的程序设计语言中，c语言简洁紧凑，语言表达能力强，其结构化的流程控制有助于编制结构良好的程序。c语言程序经编译后生成的目标程序代码效率高，几乎可以与汇编语言媲美。c语言既具备高级语言使用方便、接近自然语言和数学语言的特性，同时也具备对计算机硬件系统的良好操纵和控制能力。而且c语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。c语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。c语言是一种结构化程序设计语言，支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，c语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。用c语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。对于时钟控制系统中的单片机，均使用c语言来编写程序，从而简化了程序。程序模块化也使得整个程序变得容易理解，并且结构十分清晰。而且用c语言编写的程序有很好的可移植性，功能化的代码能够很方便地从一个工程移植到另一个工程。c语言编写程序比用汇编语言也更符合思考习惯，可以更专心地考虑算法而不是考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。综上所述，本设计选用c语言作为单片机的设计语言。2.5 hitech-picc 编译器用c语言来开发单片机系统软件最大的好处是编写代码效率高、软件调试直观、维护升级方便、代码的重复利用率高、便于跨平台的代码移植等等，因此c 语言编程在单片机系统设计中已得到越来越广泛的运用。针对pic单片机的软件开发，同样可以用c 语言实 现。但在单片机上用c语言写程序和在pc机上写程序绝对不能简单等同。现在的pc 机资源十分丰富，运算能力强大，因此程序员在写pc机的应用程序时几乎不用关心编译后的可执行代码在运行过程中需要占用多少系统资源，也基本不用担心运行效率有多高。写单片机的c 程序最关键的一点是单片机内的资源非常有限，控制的实时性要求又很高，因此，如果没有对单片机体系结构和硬件资源作详尽的了解，是无法写出高质量实用的c语言程序。microchip 公司自己没有针对中低档系列pic单片机的c语言编译器，但很多专业的第三方公司有众多支持pic单片机的c语言编译器提供，常见的有hitech、ccs、iar、bytecraft 等公司。其中笔者最常用的是hitech 公司的picc编译器，它稳定可靠，编译生成的代码效率高，在用pic单片机进行系统设计和开发的工程师群体中得到广泛认可。picc 编译器可以直接挂接在mplab-ide 集成开发平台下，实现一体化的编译连接和原代码调试。使用mplab-ide内的调试工具ice2000、icd2和软件模拟器都可以实现原代码级的程序调试，非常方便。首先必须在你的计算机中安装picc编译器，无论是完全版还是学习版都可和mplab-ide 挂接。在建立项目时可以选择语言工具为“hi-tech picc” （如图2-6所示），项目建立完成后可以加入c或汇编源程序，也可以加入已有的库文件或已经编译的目标文件。最常见的是只加入c源程序。用c语言编程的好处是可以实现模块化编程。程序编写者应尽量把相互独立的控制任务用多个独立的c源程序文件实现，如果程序量较大，一般不要把所有的代码写在一个文件内。图2-6 hi-tech picc编译器2.6 本章小结本章首先介绍了时钟显示及控制系统的相关知识，之后着重对单片机的相关知识进行概述，包括单片机的定义、特点、分类、系统结构，接着对开发环境的软件特点和使用方法进行了介绍，最后介绍了本设计使用的编程语言及编译器的用法。3. 时钟控制器的硬件设计3.1 系统总体设计框图根据功能要求，本时钟控制器设计的主要思路是：时钟显示是一个循环过程，系统以单片机pic16f72为主控器，不断读取实时时钟芯片ds1302提供的时间发送led显示时间采取24小时模式；pic16f72在单片机不断读取ds1302提供的当前时间的同时，也要读取存储芯片24c02的设定的定时时间数据，当达到所设定的定时时间时，控制压缩机的继电器开始工作一小时，达到制冷的效果；当需要调整当前时间或定时时间时，按下相应键进入设置系统设置。总体设计框图如图3-1所示。图3-1系统的总体设计框图3.2 控制核心的设计该控制系统主控制器采用pic系列单片机pic16f72。一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路等部分组成，pic16f72单片机的最小系统电路如图3-2所示。图3-2 pic单片机的最小系统（1）时钟电路 单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚osc1和osc2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构如图3-2中y1、c6、c8。晶振电路中典型值取4mhz。在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大，处理速度越快。（2）复位电路 单片机最小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位，其结构如图3-2中所示。上电自动复位通过电容c7充电来实现，当rst脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合rc的取值就可以保证可靠的复位。一般电容采用1030uf，电容值越大，需要的复位时间越短，电阻采用10k。当然也有其他取法，原则就是要让rc组合可以在rst脚上产生不少于2个机器周期的高电平。3.3 主系统的供电电路设计在任何单片机系统中，都离不开电源。电源设计的好坏关系到系统的安全运行与否、抗干扰能力强弱等。本设计的主系统需要提供两类电源，包括dc12v和dc5v。12v为继电器提供电压，5v为单片机提供电源。在单片机系统的电源中，常用三端稳压ic作为稳压芯片，它具有价格低，抗干扰能力强等优点，在电子产品中应用广泛。3.3.1 7805的概述常用的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。三端ic是指这种芯片只有3根引脚，分别是输入端、接地端和输出端。用78/79系列芯片组成的稳压电源所需的外围元件很少，芯片内部还有过流、过热、及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。该系列集成稳压ic型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为+5v，7909表示输出电压为-9v。一般三端集成稳压电路的最小输入/输出电压差约为2v，如果输入电压小于输出电压加上此值则不能输出稳定的电压，一般应是电压差保持在35v，即经变压器，二极管整流桥电容器滤波后偶的电压应比稳压值高35v。本设计经变压器降压后的电压为12v，符合应用条件。在实际应用中，应根据所用的功率大小，在三端集成稳压芯片上安装足够大的散热片。如果使用的功率小，可以不装散热器。3.3.2 固定输出的双电源电路图3-3是一个典型的用变压器降压，以7805为芯片的+12v,+5v电源。图中的电容c1、c2为电解电容，根据负载的大小来确定，从理论上将电容越大，输出的电压越稳定。c1、c2的耐压值至少在25v以上，而c3、c4的耐压值在9v以上即可。注意该电路要有接地。图3-3 主系统的供电电路图3.4 时钟系统电路设计3.4.1 常用时钟日历芯片比较在电子时钟设计中，常用的实时时钟芯片有ds12887、ds1216、ds1643、ds1302。每种芯片的主要时钟功能基本相同，只是在引脚数量、备用电池的安装方式、计时精度和扩展功能等方面略有不同。ds12887与ds1216芯片都有内嵌式锂电池作为备用电池；x1203引脚少，没有嵌入式锂电池，跟ds1302芯片功能相似，只是相比较之下，x1203与pic16f72搭配使用时占用i/o口较多。ds1643为带有全功能实时时钟的8k8非易失性sram，集成了非易失性sram、实时时钟、晶振、电源掉电控制电路和锂电池电源，bcd码表示的年、月、日、星期、时、分、秒，带闰年补偿。同样，ds1643拥有28只管脚，硬件连接起来占用微处理器i/o口较多，不方便系统功能拓展和维护。故而从性价比和货源上考虑，本设计采用实时时钟日历芯片ds1302。3.4.2 ds1302简介ds1302是美国dallas公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态ram，采用spi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和ram数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5v。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。ds1302的外部引脚分配如图3-4所示。ds1302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上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。图3-4 ds1302的外部引脚分配 各引脚的功能为： vcc1：主电源；vcc2：备份电源。当vcc2vcc1+0.2v时，由vcc2向ds1302供电，当vcc2 vcc1时，由vcc1向ds1302供电。 sclk：串行时钟输入，控制数据的输入与输出； i/o：三线接口时的双向数据线； ce：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，ce开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，ce提供结束单字节或多字节数据传输的方法。3.4.3 时钟电路设计系统时钟应用了实时时钟日历芯片ds1302，其连接如图3-5。该硬件电路设计简单，抗干扰能力强。如图3-5，pic16f72单片机ra0直接接ds1302的rst端，上电后，pic16f72的ra0脚自动输出高电平。ra1作为串行时钟接口，rb7作为时钟数据的i/o。ds1302采用双电源供电，平时由+5v电源供电，当+5v掉电之后，由图中bt1（+3v备用电池）供电。特别需要注意x1和x2两端连接的晶振y2，该晶振频率为32.768khz。图3-5 系统时钟电路3.5 定时系统电路设计3.5.1 i2c总线在现代电子系统中，有为数众多的ic需要进行相互之间以及与外界的通信。为了提供硬件 的效率和简化电路的设计，philips开发了一种用于内部ic控制的简单的双向两线串行总线i2c。i2c总线支持任何一种ic制造工艺，并且philips和其他厂商提供了种类非常丰富的i2c兼容芯片。作为一个专利的控制总线，i2c已经成为世界性的工业标准。1. i2c总线特点及工作原理i2c总线（inter integrated circuit bus）：是philips公司推出的串行总线标准（为二线制）。总线上扩展的外围器件及外设接口通过总线寻址，是具备总线仲裁和高低速设备同步等功能的高性能多主机总线。i2c总线特点：组成系统结构简单，占用空间小，芯片管脚的数量少，无需片选信号，价格低。允许若干兼容器件共享总线，应用比较广泛。总线的长度可达7.6m，传送速度可达400kbps，标准速率为100kbps。支持多个组件。支持多主控器件（某时刻只能有一个主控器件）。i2c总线上所有设备的sda, scl引脚必须外接上拉电阻。所有挂接在i2c总线上的器件和接口电路都应具有i2c总线接口，且所有的sda/scl同名端相连。总线上所有器件要依靠sda发送的地址信号寻址，不需要片选线。2. i2c总线工作原理典型的i2c总线系统结构，如图3-6所示。i2c总线上可挂接多个器件，其中每个器件都支持i2c总线通信协议。i2c协议规定了scl和sda信号有占用或释放两种状态。如果一个期间占用总线，就通过scl输低电平将其拉低；如果期间释放总线，则将自己的scl和sda信号线变成输入高阻状态，使总线上出现高电平。为了此状态下总线上电平确定，必须在总线上外接上拉电阻。当其他主机检测到总线为高电平时，则总线处于空闲状态，方可占用总线进行数据传输。因此，设计i2c总线时，scl和sda的上拉电阻必须存在。图3-6 典型的i2c总线系统结构3.5.2 24c02简介124c02特性l 与400khz i2c总线兼容。l 1.8到6.0伏工作电压范围。l 低功耗cmos技术。l 1,000,000编程/擦除周期。l 可保存数据100年。l 8 脚dip soic或tssop封装。l 温度范围：商业级工业级和汽车级。2. 24c02的引脚分配及功能24c02是一个2k位串行cmos eeprom，内部含有256个8位字节，catalyst公司的先进cmos技术实质上减少了器件的功耗，24c02有一个16字节页写缓冲器，该器件通过i2c总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。24c02的外部引脚封装如图3-7所示。图3-7 24c02引脚分配图24c02的各个引脚功能如表3-1所示。表3-1 24c02各引脚功能引脚序号引脚名称功能1a0从机地址配置信号12a1从机地址配置信号23a2从机地址配置信号34gnd接地5sdai2c数据线6scli2c时钟线7wp写保护引脚，高电平有效8vcc电源输入3.5.3 24c02的硬件电路设计本时钟控制的设计中，定时功能用到了存储芯片24c02，根据其各引脚功能，就可以很容易绘制出24c02芯片与pic16f72的连接电路，如图3-8所示。图3-8 pic16f72与24c02芯片的硬件电路图3-8中pic16f72与24c02通过标准的i2c接口相连，r10和r12为i2c总线的上拉电阻。wp接地是写保护失效便于写入数据。e0、e1、e2也接地是24c02的从机地址为0b1010000。3.6 led显示电路设计就时钟而言，通常可采用lcd显示或led显示。对于一般的段式lcd，需要专门的驱动电路，而且lcd显示的可视性较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般采用并行接口，对微处理器的接口要求较高，占用资源多。另外，pic16f72本身没有专门的液晶驱动接口。led结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高，而且显示亮度高，价格便宜，市场上也有专门的时钟显示组合led。故本设计中应用4位8段共阴led实现显示部分。led显示分动态显示和静态显示。3.6.1 led动态显示方式动态显示方式的硬件电路简单。设计上如果处理不当，易造成亮度低，闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现，又要保证图像稳定，无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短，发光的亮度。3.6.2 led静态显示方式静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。正因为如此，静态显示的数码管的亮度度较高。静态显示驱动程序简单，且cpu占用率低，但每个led数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的笔段代码，硬件开销大，仅适合显示位数较少的场合。为了在显示部分节省单片机i/o口，故采用动态显示方式。由于本单片机的引脚有限，故采用74hc4094芯片驱动led做显示部分。74hc4094是带输出锁存和三态控制的串入/并出高速转换器，具有使用简单、功耗低、驱动能力强和控制灵活等优点。电路图参见图3-9。图3-9 led显示电路图3.7键盘扫描电路设计根据功能需要，本时钟需要设置以下功能键：调节时钟显示，调节定时时间，加1操作键，减1操作键。按照键盘与cpu的连接方式可分为独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘是各个按键相互独立，每个按键占用一个i/o口线，每根i/o口线上的按键不会影响其他i/o口上按键工作状态。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根i/o口，在按键数量较多时，i/o口线浪费较大，且电路结构复杂。矩阵式键盘适合按键较多时使用。由于本设计的电子钟最多需要4个按键，若采用矩阵式键盘时会有按键浪费，故采用的是独立式键盘。键盘电路如图3-10所示。图3-10 键盘扫描电路s1、s2、s3、s4键为自动复位按键。每次按下后，会自动弹出。单片机引脚只有在按键按下时为低电平，按键弹出后重新恢复高电平。按键功能参见表3-2。表3-2 按键功能表按键功能属性s1调节显示时间自动复位s2调节定时时间自动复位s3数值加一操作自动复位s4数值减一操作自动复位3.8 继电器驱动电路设计继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小电流控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。3.8.1 继电器原理电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。3.8.2 继电器的驱动电路在家用电器电控中，一般有两种电路驱动继电器，分为:晶体管驱动电路和集成电路2003驱动。集成电路驱动一般用于驱动多个继电器，在本设计中没必要，故选择晶体管驱动。本设计中选择的是直流（dc）电压的继电器。晶体管驱动的电路原理图，如图3-11所示。当晶体管驱动继电器时，必须将晶体管的发射极接地。当输入高电平时，晶体管q1饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合。当输入低电平时，晶体管q1截止，继电器线圈断电，触点断开。电路中各元器件的作用：晶体管q1为控制开关；电阻q1主要起限流作用，降低晶体管q1功耗；二极管q1反向续流，抑制浪涌。图3-11 继电器晶体管驱动电路3.9 本章小结本章主要介绍了基于pic16f72单片机的时钟显示及控制系统的硬件设计，包括单片机的最小系统 、主系统的供电电路设计、时钟芯片ds1302电路设计、存储芯片24c02电路设计、led显示电路设计、键盘扫描电路设计、继电器驱动电路设计等，确定了系统硬件整体实现方案。4. 时钟控制器的软件设计4.1系统软件的总体设计及流程图在进行时钟显示及控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个对象模块的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在时钟显示及控制系统设计中占非常重要地位。图4-1是时钟显示及控制系统的总体软件设计流程图，根据此流程图设计所有模块，编译相应的软件。图4-1系统软件设计总体流程图4.2 ds1302时钟读写的软件设计4.2.1 ds1302的控制