新型多功能数字闹钟设计.doc

济南职业学院济南职业学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题题 目 目 新型多功能数字闹钟设计 系系 部 部 电子工程系 专专 业 业 电气自动化 学学 号 号 201008023113 学生姓名 学生姓名 王依鹏 指导教师 指导教师 杨瑞萍 职职 称 称 副教授 二二 O 一三年四月二十七日一三年四月二十七日 2 济南职业学院 毕业论文 设计 任务书 课题名称 新型多功能数字闹钟设计 系 部 电子工程系 专 业 电气自动化 姓 名 王依鹏 学 号 201008023113 指导教师 杨瑞萍 二二 O 一三年一月八日一三年一月八日 3 一 毕业论文 设计 的目的与要求 毕业设计 论文 是教学过程中最后一个重要的实践性教学环节 是应用在校所学知识 结合工程实际 进行一次系统的 有机的解决工 程实际问题的训练 目的是巩固 扩大和提高所学理论知识 使之系统 化 并提升为解决实际工程技术问题的能力 通过本课题的实施可初步 掌握工业企业的自动化技术改造基本方法和步骤 通过毕业设计实践 可使学生进一步提高资料检索 计算 绘图 动手制作和编写说明书的职业技能 2 毕业论文 设计 的内容 一种基于 AT89C51 单片机的新型多功能电子闹钟的设计 通过对设 计方案的比较与论证 选择了适合本设计的时钟模块 闹铃模块 温度 检测模块 键盘及显示模块 电源模块设计方案 其中实时时钟采用 DS12C887 实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能 温度检测模 块由 DS18B20 集成温度传感器对现场环境温度进行实时检测 键盘和数 码管与 ZLG7289 连接 通过键盘数码管可方便地校对时钟和设置闹钟时 间 用蜂鸣器进行声音指示 采用 7805 三端稳压集成芯片稳定输出 5V 直流电压 通过对 AT89C51 单片机最小系统的原理分析 结合论文的设 计要求 完成了系统流程图及系统程序的设计 4 三 毕业论文 设计 进程的安排 序序 号号论文 设计 各阶段名称日 期备备 注注 1 1 指导教师召集相关学生 向学生介 绍毕业设计的相关规定 布置任务 2 2 论文准备 期间老师不得少于两次 指导学生 准备期间 学生 向指导教师汇报 工作进度和工作 情况 每周不少 于一次 3 3 毕业论文送交指导老师阅评 4 4 毕业答辩 公布成绩 4 月 27 日前 四 任务执行日期 自自 2013 年 1 月 8 日至 2013 年 4 月 27 日止 学 生 签字 指导教师 签字 系主任 签字 5 毕业设计 论文 成绩评定表毕业设计 论文 成绩评定表 系部 电子工程系 专业 班级 级 班 姓 名设计 论文 总成绩 设计 论文 题目新型多功能数字闹钟设计 指导教师评语 评定成绩 签名 年 月 日 评 阅 人 评 语 评定成绩 签名 年 月 日 答 辩 小 组 评 语 6 答辩成绩 组长签名 年 月 日 注 设计 论文 总成绩 指导教师评定成绩 30 评阅人评定成绩 30 答辩成绩 40 目 录 摘要 8 第一章 绪论 9 1 1 电子闹钟研究的背景 9 1 2 本课题研究的意义 9 1 3 本课题研究的主要内容 10 第二章电子闹钟硬件电路设计 11 2 1 电子闹钟总体设计方案的比较与论证 11 2 1 1 设计要求 11 2 1 2 设计方案的比较和论证 11 2 2 电子闹钟主机电路设计及原理 12 2 2 1 AT89C51 芯片概述 12 2 2 2系统时钟电路设计 15 2 2 3系统复位电路设计 16 2 3 时钟模块的设计及原理 17 2 3 1 时钟模块设计方案比较比较与论证 17 2 3 2 DS12C887 芯片概述 17 2 3 3 DS12C887 与单片机的连接图 21 2 4 系统复位电路设计 22 2 4 1 DS18B20 芯片概述 22 7 2 4 2 DS18B20 的内部结构 22 2 4 3 DS18B20 在设计中的连接图 23 2 4 4 DS18B20 在设计中的连接图 25 2 5闹铃声光指示电路设计 26 2 6键盘及显示电路设计 26 2 6 1 ZLG7289 芯片概述 27 2 6 2 ZLG7289 在设计中与键盘及数码管的连接图 28 2 7 电源电路的设计 28 第三章系统原理分析及软件部分 30 3 1 原理分析 30 3 2 单片机最小系统 30 3 3 系统软件部分 31 3 3 1 软件总体设计 31 3 3 2 系统流程图及程序 31 第四章 结论 34 参考文献 34 致 谢 17 8 摘摘 要要 本文提出了一种基于 AT89C51 单片机的新型多功能电子闹钟 通过 对设计方案的比较与论证 选择了适合本设计的时钟模块 闹铃模块 温度检测模块 键盘及显示模块 电源模块设计方案 其中实时时钟采 用 DS12C887 实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能 温度检 测模块由 DS18B20 集成温度传感器对现场环境温度进行实时检测 键盘 和数码管与 ZLG7289 连接 通过键盘数码管可方便地校对时钟和设置闹 钟时间 用蜂鸣器进行声音指示 采用 7805 三端稳压集成芯片稳定输 出 5V 直流电压 通过对 AT89C51 单片机最小系统的原理分析 结合论 文的设计要求 完成了系统流程图及系统程序的设计 本设计可实现时间显示 闹钟设置 环境温度测量 交直流供电电 源等功能 关键词 关键词 单片机 电子闹钟多功能设计 温度检测 交直流供电 9 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 本课题研究的背景 随着科学技术的进步 现在的闹钟也不再是过去的老样子 在过去 几百年的时间里 人类发明的闹钟有的采用公鸡的鸣叫声 有的用教堂 和佛寺的钟声 而现在市面上出现了各种各样的钟 以声或光的形式提 醒 如数字闹钟 字谜闹钟 小鸡闹钟 礼品小闹钟 旅行闹钟 卡通 闹钟 机械闹钟 石英闹钟 卡通语言钟 扫描钟 打铃钟 工艺钟等 系列产品 制造者们根据社会的需求为人类定制各种各样的产品 闹钟 在向美观化 多功能化 时尚化的方面发展 1787 年美国人李维 赫特金斯制造出第一个闹钟 这个闹钟只会 在每天早晨 4 点响 这是赫特金斯每天起床的时间 所以这个闹钟不 能在别的任何时候响 第一批更加适合顾客使用的闹钟也是在美国诞生 的 1956 年 美国通用电气生产出类似于现在的闹钟 在它闹响后 你必须按一下才能让它停 否则隔 5 分钟以后它还会响 尽管在 20 世纪 80 年代出现了用声音控制和反射控制的闹钟 就是 说你必须拍手 大喊一声或者用手把闹钟在空中摇摆几下 闹钟才不会 继续响 尽管有了这些新奇的发明 闹钟还是在继续向前发展来满足人 类的需求 在下面论文中主要介绍新型电子闹钟 它由单片机 AT89C51 控制时 钟芯片 DS12C887 和 ZLG7289 连接的键盘和数码管 显示年 月 日 时 分 秒 和市面上的相比它不美观 但是它不仅能进行和它们一样 的工作 还能利用键盘输入代码给单片机 由它控制所需要进行的功能 如 12 小时制或 24 小时制计时 其中 12 小时制有 AM 和 PM 时间操作功 能 在设计中还具有温度的测量 采用数码管 显示时间和温度 闹铃 的铃声采用蜂鸣器发声提示 1 2 本课题研究的意义 20 世纪末 电子技术获得了飞速的发展 在其推动下 现代电子 产品几乎渗透了社会的各个领域 有力地推动了社会生产力的发展和社 10 会信息化程度的提高 同时也使现代电子产品性能进一步提高 产品更 新换代的节奏也越来越快 闹钟的升级也随着电子技术的发展个加速 利用电子技术设计的多功能电子闹钟 在功能上得到了极大的扩展 而 人们生活的日新月异 对闹钟功能的要求也越来越高 越来越多 继续 深入研究电子闹钟功能的更新与扩展意义非凡 时间对人们来说总是那么宝贵 工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘 记当前的时间 忘记了要做的事情 当事情不是很重要的时候 这种遗 忘无伤大雅 但是 一旦重要事情 一时的耽误可能酿成大祸 例如 许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间 尤其在 医院 每次护士都会给病人作皮试 测试病人是否对药物过敏 注射后 一般等待 5 分钟 一旦超时 所作的皮试试验就会无效 手表当然是一 个好的选择 但是 随着接受皮试的人数增加 到底是哪个人的皮试到 时间却难以判断 所以 要制作一个闹铃系统 随时提醒这些容易忘记 时间的人 闹钟的数字化以及多功能化 给人们生产生活带来了极大的方便 而且极大地扩展了闹钟原先的报时功能 诸如定时自动报警 按时自动 打铃 时间程序自动控制 定时广播 定时启闭电路 定时开关烘箱 通断动力设备 温度检测 甚至各种定时电气的自动启用等 所有这些 都是以闹钟数字化为基础的 因此 研究多功能电子闹钟及扩大其应用 有着非常现实的意义 着眼生产与生活的需要 无论是个人的时间把握 还是生产时间的 掌控 都需要对时间计量 提示更精确的闹钟来满足要求 新型多功能 电子闹钟需要继续深入的研究 本课题的设计也是极有意义的 1 3 本课题研究的内容 本论文主要分为 5 个章节 分篇对本课题的设计进行概述与解释 第 1 章 绪论 主要对本课题的研究背景以及通篇内容进行概述 第 2 章 电子闹钟硬件电路设计及原理 为本论文的主要部分 对本设计的各个硬件模块的电路设计及原理 做出了详细的阐述 主要 包括 1 电子闹钟总体设计方案的比较和论证 提出了本课题设计的要 求 并列出了两种设计方案 通过对两种方案的比较进行选择 画出了 系统的设计框图 11 2 电子闹钟主机电路设计及原理 对主机选用的 AT89C51 芯片进 行了概述 提出了系统时钟电路和复位电路的设计方案 3 时钟模块的设计及原理 列出了时钟模块的几种方案及其优缺 点 选择适合本设计的方案 并对所选方案中的芯片 DS12C887 进行了 说明 画出了 DS12C887 芯片与单片机的连接电路图 4 温度检测模块的设计及原理 对比了几种温度检测模块的方案 根据其特点选择了适合本设计的方案 对所选方案中的芯片 DS18B20 进 行了说明 画出了 DS18B20 芯片与单片机的连接电路图 5 闹铃声光指示电路设计 对本设计采用的闹铃方案进行了说明 6 键盘及显示电路设计 根据本设计的需要 采用了 LED 数码管 显示的方式 对键盘控制芯片 ZLG7289 进行了说明 画出了 ZLG7289 与 单片机的连接电路图 7 电源电路的设计 根据系统采用的单片机的要求 设计了交直 流交叉供电的电源系统 第 3 章 系统原理分析及软件 对本设计的软件系统原理进行了 分析 画出了单片机最小系统的原理图 对整个系统的软件流程图进行 了设计 第 4 部分 结论 主要对本论文的研究成果以及本论的不足之处 进行总结 并提出了对本设计的展望 第第 2 2 章章 电子闹钟硬件电路设计电子闹钟硬件电路设计 本论文 新型多功能电子闹钟的设计 是通过整合各个功能模块的 硬件电路 配以最优化的系统软件来实现的 本章为论文的主要部分 提出了设计的要求 比较和论证了本设计的总体方案和各功能模块的硬 件电路设计方案 完成了各模块的硬件电路设计和交直流交叉供电的稳 压电源设计 2 1 总体设计方案的比较与论证 2 1 1 设计要求 本设计为新型多功能电子闹钟设计 其功能 新 的表现也是本设 计要达到的要求 本设计拟定达到以下八点要求 1 能任意设定走时起始时间 2 能设定闹铃时间 3 能指示秒节 12 奏 即秒指示 4 12 小时 24 小时两种制式可选 5 采用交直流供 电电源 6 具有走时误差修正能力 7 具有温度显示的功能 8 停电时由电池供电 计时不会丢失 2 1 2 设计方案的比较与论证 总体设计方案的选择 决定了后面的研究方向 选择一个更好的总 体设计方案 对今后的设计有指导性的作用 一个好的的总体设计方案 除了本身具有更适合设计的功能优势 还会为后面的研究节约大量的时 间 避开后面功能模块选择的弯路 所以进行总体方案的比较和论证是 极其必要的 1 本设计的主机方案主要有两种 2 如下 方案一 采用 AT89C2051 微处理器控制 显示电路采用 4 个共阳极 数码管显示 设置两个按键和一个按钮 闹铃模块采用蜂鸣器 蜂鸣器 连接单片机 由单片机直接控制 PNP 小功率三极管 9012 驱动 电源 采用 7805 三端稳压集成芯片控制 稳定输出 5V 直流电压 此方案设 计简单 能实现设计的要求 但灵活性较低 不利于各种功能的扩展 方案二 采用 AT89C51 单片机来实现系统的控制 键盘用芯片 ZLG7289 控制 时钟芯片采用 DS12C887 温度传感器采用 DS18B20 电 源采用 7805 三端稳压集成芯片控制 稳定输出 5V 直流电压 此系统 硬件简洁 将复杂的硬件功能用软件实现 因此系统控制灵活 能很好 地满足本题的基本要求和扩展要求 比较以上两种方案的优缺点 方案一仅能简单实现闹钟的功能 而 方案二采用的时钟芯片 DS12C887 能够自动产生世纪 年 月 日 时 分 秒等时间信息 显示简洁 灵活 可扩展性好 能完全达到设计要 求 故采用第二种方案 方案二设计 系统框图 如图 2 1 所示 2 1 系统方框原理图 DS18B20温度 传感器 AT89C51 ZLG7289 键盘输入 与控制 电源系统 DS12C887 实时时钟 闹铃声指示电 路 数 码 管 显 示 13 2 2 电子闹钟主机电路设计及原理 2 2 1 AT89C51 单片机的概述 本设计采用的 AT89C51 单片机 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦 除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 3 单片机 的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度 非易失内存制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相 兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁内存组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方 案 4 2 2 1 1 AT89C51 单片机的主要特性 本设计的主机 AT89C51 单片机性能优越 为许多嵌入式控制系统 所采用 具有的主要特性如下 5 1 与 MCS 51 相容 2 4K 字节可编程闪烁内存 3 寿命 1000 写 擦循环 4 数据保留时间 10 年 5 全静态工作 0Hz 24Hz 6 三 级程序内存锁定 7 128 8 位内部 RAM 8 32 可编程 I O 线 9 两 个 16 位定时器 计数器 10 5 个中断源 11 可编程串行通道 12 低 功耗的闲置和掉电模式 13 片内振荡器和时钟电路 2 2 1 2 AT89C51 单片机的管脚说明 本设计需要用到 AT89C51 单片机的大多数管脚 AT89C51 单片机的 管脚名称及信息说明如下 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I O 口 每个管脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口管脚第一次写 1 时 被定义为高阻态 P0 能够用 于外部程序数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出 原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓 冲器能接收输出 4T 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可 14 用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部 上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器 可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上 拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉 低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口在用于外部程序内 存或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存 储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输 出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部 中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 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 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接 收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部内存时 地址锁存允许的输出电平用于锁存 地址的地位字节在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每 当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出 可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状 态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序内存的选通信号 在由外部程序内存取指令期间 每个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有 效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序内存 0000H FFFFH 不管是否有内部程序内存 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁 15 定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序内存 在 FLASH 编 程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 2 2 1 3 AT89C51 单片机的振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可 以配置为片内振荡器 可采用石晶振荡或陶瓷振荡 如采用外部时钟源 驱动器件 XTAL2 则不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频 触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高 低电平要求的宽度 2 2 1 4 AT89C51 单片机的芯片擦除 整个 PEROM 数组和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦除操作中 代码数 组全被写 1 且在任何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被 执行 此外 AT89C51 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态 逻辑 支持两种软件可选的掉电模式 在闲置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 的内容并且冻结振荡器 禁止所用其它芯片功能 直到下一个 硬件复位为止 2 2 2 系统时钟电路设计 单片机的管脚 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该 反向放大器可以配置为片内振荡器 石英振荡和陶瓷振荡均可采用 如 采用外部时钟源驱动器件 XTAL1 应不接 有余输入至内部时钟信号要 通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求 但必 须保证脉冲的高低电平要求的宽度 6 对于时间要求不是很高的系统 只要按图 7 进行设计就能使系统可 靠起振 并稳定运行 但由于图中的 C1 C2 电容起到系统时钟频率微 调和稳定的作用 因此在本闹钟系统的实际应用中一定要注意正确选择 参数 30 10uF 并保证电路的对称性 选择正牌厂家生产的瓷片或云 母电容 如果可能的话 温度系数要尽可能低 实验表明 这两电容组 C5 30PF C6 30PF Y1 11 0592MHZ XTAL1 XTAL2 16 件对闹钟的正负走时误差有较大的关系 系统时钟电路的设计 如图 2 2 所示 图 2 2 系统时钟电路 2 2 3 系统复位电路设计 智能系统一般应有手动或上电复位电路 复位电路的实现通常有两 种方式 既专用的 P 监控电路和 RC 复位电路 前者电路实现简单 成本低 但复位系统可靠性较低 后者成本较高 但复位系统可靠性较 高 尤其是高可靠重复复位 对于复位要求高 并对电源电压进行监视 的场合 大多数采用这种控制方式 8 2 2 3 1 专用的 P 监控电路 专用的 P 监控电路又称为电源监控电路 具有上时可靠产生复位 信号和电源电压跌落到 门坎值 时可靠产生复位信号等功能 按有效 电平分 有高电平 低电平输出两种 按功能分 有简单的电源监视复 位电路 带 看门狗 定时器 WATCH DOC Timer WDT 的监控电路和 WDT E2PTOM 的监控电路等多种类型 比较常见的厂家有 MAXIM Philips IMP 及 DALLS 等 51 系列微处理器常用的型号有 MAX831L MAX809 X25043 5 等 2 2 3 2 RC 复位电路 本系统采用的是 RC 复位方式 RC 复位电路的实质是一介充放电电 路 结合图 2 3 RC 复位电路可说明这种复位电路的特点 系统上电的 时该电路提供有效的复位信号 RST 高电平 直至系统电源稳定后撤销复 位信号 低电平 从理论上来说 51 系列单片机复位引脚只要外加两 个机器周期的有效信号即可复位 即只要保证 t RC 2M 机器周期 便 可 但在实际设计中 通常 C1 取值 10 F R1 取值为 10 K 左右 实 践发现 R1 如果取值太小 例如 1K 则会导致 RST 信号驱动能力变 差而无法使系统可靠复位 17 图 2 3 RC 复位电路 2 3 时钟模块的设计及原理 2 3 1 时钟方案的比较 系统时钟的设计是本设计的基础 闹钟的功能需要在系统时钟的功 能下才能实现 系统时钟设计的方案 通常有以下两种 方案一 因为题目中只要求显示小时 分钟 秒 因此可以用门电 路组合构成时钟发生器 但此方案硬件复杂 稳定性低 且不易控制 方案二 采用带 RAM 的时钟芯片 DS12C887 该芯片可以进行时分 秒的计数 具有 100 年日历 可编程接口 还具有报警功能和掉电保存 功能 并且可以对其方便的进行程控 比较两种方案 后者完全能满足题目的要求 而第一种方案 硬件 复杂 稳定性低 不易控制 权衡优劣 选择方案二 2 3 2 DS12C887 的概述 DS12C887是 DALLAS 公司的产品 采用CMOS技术制成 它能在不供 电的情况下使用十年以上 它在没有电压输入的情况下 内部RAM 时 间 日期 闹钟设置信息都不会丢失 在外部电压输入不足 低于4 25V 时 自动写保护 不管片选是否有效 电压降到3V以下就自动切换到内部锂 电池供电 首次使用此模块时 需要对DS12C887初始化 在晶振开启以 后 不用再做初始化 9 2 3 2 1 DS12C887 主要特点 为了更好的了解这款时钟芯片 并应用到设计中去 简要介绍 DS12C887 时钟芯片的主要技术特点 如下 1 可作为 IBM AT 计算机的时钟和日历 18 2 与 MC146818B 和 DS1287 的管脚相容 3 具有完备的时钟 闹钟及到 2100 年的日历功能 可选择 12 小 时制或 24 小时制计时 有 AM 和 PM 星期 夏令时间操作 闰年自动 补偿等功能 4 具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器 功能 5 DS12887 内部有 14 个时钟控制寄存器 包括 10 个时标寄存器 4 个状态寄存器和 114bit 作掉电保护用的低功耗 RAM 6 由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能 因此可以满 足各种不同的待机要求 最长可达 24 小时 使用非常方便 7 时标可选择二进制或 BCD 码表示 8 工作电压 4 5 5 5V 工作电流 7 15mA 工作温度范围 0 70 9 MOTOROLA 和 INTEL 总线时序选择 2 3 2 2 DS12C887的管脚说明 DS12C887 内部由振荡电路 分频电路 周期中断 方波选择电路 14 字节时钟和控制单元 114 字节用户非易失 RAM 十进制 二进制累 加器 总线接口电路 电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成 DS12887 引脚分配和 DS12C887 的结构框图如图 2 4 2 5 所示 19 图 2 4 DS12C887 的引脚排列 图2 5 DS12C887的结构框图 GND VCC 直流电源 其中 VCC 接 5V 输入 GND 接地 当 VCC 输 入为 5V 时 用户可以访问 DS12C887 内 RAM 中的数据 并可对其进行 读 写操作 当 VCC 的输入小于 4 25V 时 禁止用户对内部 RAM 进行 读 写操作 此时用户不能正确获取芯片内的时间信息 当 VCC 的输入 小于 3V 时 DS12C887 会自动将电源发换到内部自带的锂电池上 以保 证内部的电路能够正常工作 OSC POWER SWITCH AND WRITE PROTECT CS 8 64 64 PERIODIC INTERRUPT SQUARE WAVE SELECTOR SQUARE WAVE OUT CLOCK CALENDAR AND ALARM RAM REGISTERS A B C D USER RAM 113 BYTES CENTURY BYTE CLOCK CALENDAR UPDATE BCD BINARY INC REMENT BUS INTER FACE VCC VBAT CS DS R W AS ADO AD7 MOT VCC POK SQW IRQ RESET DOUBLE BUFFERED 20 MOT 模式选择脚 DA12C887 有两种工作模式 即 Motorola 模式 和 Intel 模式 当 MOT 接 VCC 时 选用的工作模式是 Motorola 模式 当 MOT 接 GND 时 选用的是 Intel 模式 本文主要讨论 Intel 模式 SQW 方波输出脚 当供电电压 VCC 大于 4 25V 时 SQW 脚可进行 方波输出 此时用户可以通过对控制寄存器编程来得到 13 种方波信号 的输出 AD0 AD7 复用地址数据总线 该总线采用时分复用技术 在总线 周期的前半部分 出现在 AD0 AD7 上的是地址信息 可用以选通 DS12C887 内的 RAM 总线周期的后半部分出现在 AD0 AD7 上的数据信 息 AS 地址选通输入脚 在进行读写操作时 AS 的上升沿将 AD0 AD7 上出现的地址信息锁存到 DS12C887 上 而下一个下降沿清除 AD0 AD7 上的地址信息 不论是否有效 DS12C887 都将执行该操作 表 2 1 周期性中断率和方波中断频率 寄存器 A 中的控制 RS3RS2RS1RS0 PI 周期中断周期SQW 输出频率 0000无无 00013 90625ms256 Hz 00107 8125ms128 Hz 0011122 070 s8129 Hz 0100244 141 s4096 Hz 0101488 281 s2048 Hz 0110976 5625 s1024 Hz 01111 953126ms512 Hz 00003 90625ms256 Hz 00017 8125ms128 Hz 001015 625ms64 Hz 001131 25ms32 Hz 010062 5ms16 Hz 0101125ms8 Hz 0110250ms4 Hz 0111500ms2 Hz DS RD 数据选择或读输入脚 该引脚有两种工作模式 当 MOT 接 VCC 时 选用 Motorola 工作模式 在这种工作模式中 每个总线周期 21 的后一部分的 DS 为高电平 被称为资料选通 在读操作中 DS 的上升 沿 使 DS12C887 将内部数据送往总线 AD0 AD7 上 以供外部读取 在 写操作中 DS 的下降沿将使总线 AD0 AD7 上的数据 锁存在 DS12C887 中 当 MOT 接 GND 时 选用 Intel 工作模式 在该模式中 该引脚是读 允许输入脚 即 Read Enable R W 读 写输入端 该管脚也有 2 种工作模式 当 MOT 接 VCC 时 R W 工作在 Motorola 模式 此时 该引脚的作用是区分进行的是读操 作还是写操作 当 R W 为高电平时为读操作 R W 为低电平时为写操作 当 MOT 接 GND 时 该管脚工作在 Intel 模式 此时该引脚作为写允许输 入 即 Write Enable CS 片选输入 低电平有效 IRQ 中断请求输入 低电平有效 该引脚有效对 DS12C887 内的时 钟 日历和 RAM 中的内容没有任何影响 仅对内部的控制寄存器有影响 在典型的应用中 RESET 可以直接与 VCC 连接 这样可以保证 DS12C887 在掉电时 内部控制寄存器不受影响 2 3 2 3 DS12C887 的存储功能 在 DS12C887 内有 10 字节 RAM 用来存储时间信息 4 字节用来存储 控制信息 其具体地址及取值 如表 2 2 所示 表 2 2 DS12C887 的地址及取值 RANGEADDRESS LOCATION FUNCTION DECIMAL RANGEBINARY DATA MODEBCD DATA MODE 0Seconds00 5900 3B00 59 1Seconds alarm00 5900 3B00 59 2Minutes00 5900 3B00 59 3Minutes alarm00 5900 3B00 59 Hours 12 hr Mode1 1201 0C AM 81 8C PM 01 12 AM 81 92 PM4 Hours 24 hr Mode0 2300 1700 23 Hours alarm 12 hr1 1201 0C AM 81 8C PM 01 12 AM 81 92 PM5 Hours alarm 24 hr0 2300 1700 23 6 Day of the week Sunday 1 1 701 0701 07 22 7Data of the month1 3101 1F01 31 8Month1 1201 0C01 12 9Year0 9900 6300 99 50Century19 20NA19 20 2 3 3 DS12C887 与单片机的连接图 在各种设备 家电 仪器 工业控制系统中 可以很容易地用 DS12C887 来组成时间获取单元 以实现各种时间的获取 图 2 6 是用 AT89C51 单片机和 DS12C887 芯片构成的 时间获取电路图 其中 DS12C887 的基地址为 7F00H 相应的程序采用 C51 语言编写 设计中为 Intel 工作模式 图 2 6 DS12C887 时钟硬件电路图 2 4 温度检测的设计及原理 2 4 1 温度检测模块设计方案比较与论证 常见温度检测系统的设计 有以下两种方案 10 方案一 采用热电偶或热敏电阻作感温组件 但热电偶需冷端补偿 电路设计复杂 热敏电阻虽然精度较高 但需要标准稳定电阻匹配才能 使用 而且重复性 可靠性都比较差 方案二 采用集成温度传感器 DS18B20 该传感器结构简单 不需 5V R4 10k C8 10uF 5V R3 5k 5V MOT 1 NC 2 NC 3 AD0 4 AD1 5 AD2 6 AD3 7 AD4 8 AD5 9 AD6 10 AD7 11 GND 12 CS 13 AS 14 R W 15 NC 16 DS 17 RESET 18 IRQ 19 NC 20 NC 21 NC 22 SQW 23 VCC 24 U2 DS12C887 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 INT0 23 外接电路 相比较 方案二完全能满足题目的要求 且分辨率较高 重复性和 可靠性好 所以采用方案二 2 4 2 DS18B20 温度传感器的概述 DS18B20是DALLAS公司最新单线式数字温度传感器 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DS18B20 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DS18B20一样 DS18B22也支持 一线总线 接口 它继 一线总线 的早期产品后 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 DSl8B20 的测量范围从 55 到 125 分辨率可达 0 0625 可 在 1s 典型值 内把温度变换成数字 每只 DS18B20 都可以设置成两种 供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式 采取数据总线供电方式 可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长 采取外部供电方式则多 用一根导线但测量速度较快 因此该系统采用外部供电方式 2 4 3 DS18B20 的内部结构 DS18B20 具有 3 引脚 TO 92 小体积封装形式 提供 12 位 二进制 温度读数指示器件的温度信息 经过单线界面送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出 因此从主机 CPU 到 DSl8B20 仅需一条线 和地线 DSl8B20 的电源 可以由数据线本身提供而不需要外部电源 因为每一 个 DSl8B20 在出厂时已经给定了唯一的序号 因此任意多个 DSl8B20 可 以存放在同一条单线总线上 这允许在许多不同的地方放置温度敏感器 件 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 内部结构如 图 2 7 所示 64位ROM和一线端口 存储和控制逻辑温度传感器 高温触发器TH 高速暂存器 低温触发器TL 8位CRC生成器配置寄存器 供电方式选择 INTERNALVDD DQ VDD 图 2 7 DS18B20 的内部结构 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 24 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 X8 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 DQ 为数字信号输入 输出端 GND 为电源地 VDD 为外 接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 DS18B20 及 DS18B20Z 的管脚排列及封装如图 2 8 所示 图 2 8 DS18B20 及 DS18B20Z 的管脚排列及封装 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 格式如表 2 3 所示 表 2 3 温度数据值格式 Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0 LS Byte 2 3 2 2 2 1 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8 MS Byte SSSSS2 6 2 5 2 4 这是 12 位转化后得到的 12 位数据 存储在 DS18B20 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 25 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 如表 2 4 所示 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 E2RAM 后者存放高温度和低温度触发器 TH TL 和结构寄存器 暂存存储器包了 8 个连续字节 前两个字节是测得的温 度信息 第一个字节的内容是温度的低八位 第二个字节是温度的高八 位 第三个和第四个字节是 TH TL 的易失性拷贝 第五个字节是结构 寄存器的易失性拷贝 这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新 第六 七 八个字节用于内部计算 第九个字节是冗余检验字节 该字 节各位的意义如下 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 如表 2 5 所示 DS18B20 出厂时被设置为 12 位 表 2 4 DS18B20 温度与测得值对应表 表 2 5 DS18B20 分辨率的定义规定 R1R0 分辨率 温度最大转换时 间 00 9 位 93 75ms 01 10 位 187 5ms 10 11 位 375ms 温度 二进制表示十六进制表示 125 0000 0111 1101 000007D0h 85 0000 0101 0101 00000550h 25 0625 0000 0001 1001 00010191h 10 125 0000 0000 1010 001000A2h 0 5 0000 0000 0000 10000008h 0 0000 0000 0000 00000000h 0 5 1111 1111 1111 1000FFF8h 10 125 1111 1111 0101 1110FF5Eh 25 0625 1111 1110 0110 1111FE6Fh 55 1111 1100 1001 0000FC90h 26 11 12 位 750ms 2 4 4 DS18B20 在设计中的连接图 DS18B20 芯片在设计中与本设计选用的主机 AT89C51 单片机的连接 其中 U4 为温度检测控制芯片 DS18B20 如图 2 9 所示 图 2 9 温度检测模块及闹铃模块 2 5 闹铃声光指示电路设计 闹铃指示有声和光两种形式 本系统采用声音指示 关键元件是蜂 鸣器 11 蜂鸣器分有无源和有源两种 前者需要输入声音频率信号才 能正常发声 后者只需适当直流电源电压即可 元件内部已封装了音频 振荡电路 在得电状态下即起振发声 市场上的有源蜂鸣器分为 3V 5V 6V 等系列 以适应不同的应用需要 其电路设计参见电路图 2 9 中的 U5 连接部分直接由程序和单片机控制 2 6 键盘及显示电路 就电子钟而言 用数码管即可实现显示功能 加上键盘控制 那么 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 AT89C51 R1 10k C7 10uF vcc C5 30PF C6 30PF Y1 11 0592MHZ 1 2 3 U4 DS18B205V R2 10k CS CLK DIO KEY 5V U5 BEL L 27 选用 ZLG7289 芯片连接电路 即可实现数码显示和键盘控制的全部功能 2 6 1 ZLG7289 的概述 ZLG7289是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI串行 接口功能的可同时驱动8位共阴极数码管或64只独立LED的智能显示驱动 芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单即可完成LED显示 键 盘接口的全部功能 12 ZLG7289内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码 并同时具有 2种译码方式 此外还具有多种控制指令如消隐 闪烁 左移 右移 段寻址等ZLG7289具有片选信号可方便地实现多于8 位的显示或多于64 键的键盘接口 典型应用于仪器仪表工业控制器条形显示器控制面板 电特性为 Vcc 5 0V Fosc 16MHz Ta 25 在设计中连接了八 个数码管 十六个键盘来实现题目的要 ZLG7289电特性具体参数 如 表2 6所示 表 2 6 电特性参数 符号参数测试条件最小典型最大单位 Vcc电源电压2 75 06 0V Icc工作电流不接 LED35mA Icc工作电流 LED 全亮 ISEO 10mA 60100mA VIH逻辑输入高电平2 05 5V VIL逻辑输入低电平00 8V TKEY按键响应时间101840mS IKOKEY 引脚输出电流7mA IKIKEY 引脚吸入电流10mA T1从 CS 下降沿至 CLK 脉冲时间2550250uS T2传送指令时 CLK 脉冲宽度58250uS T3字节传送中 CLK 脉冲时间间隔58250uS T4指令与数据时间间隔1525250uS T5 读键盘指令中指令与输入数据时 间间隔 1525250uS T6输入键盘数据建立时间58uS 28 T7读键盘数据时 CLK 脉冲宽度58250uS T8 读键盘数据完成后 DATA 转为输 入状态时间 5uS 2 6 1 1 ZLG7289 的主要特点 1 串行接口无需外围组件可直接驱动 LED 2 各位独立控制译码 不 译码及消隐和闪烁属性 3 循环左移 循环右移指令 4 具有段寻址 指令方便控制独立 LED 5 64 键盘控制器内含去抖动电路 2 6 1 2 ZLG7289 的管脚说明 VDD 1 2 脚 正电源 NC 3 5 脚 悬空 Vss 4 脚 接地