智能打铃系统.doc

智 能 打 铃 系 统引言本设计采用STC单片机实现对时钟芯片DS1307及128x64LCD的控制，系统由STC单片机控制部分和时钟芯片及液晶显示部分组成。该系统由单片机作为主控机控制各个模块的运行，报时、定时准确并能够在LCD上清晰的显示万年历、温度。除此以外，该系统还能够进行简单的单片机实验，包括程序下载、串口调试等。从实际运行情况看，该系统工作稳定、LCD显示清晰直观、报时准确、编程灵活、功能齐全，比较理想的实现了设计指标的要求。第一章 系统设计第一章 系统设计1.1 设计要求（1）基本要求：显示时钟、温度及作息时间表，具备调时，调日期及定时闹铃功能。（2）发挥部分：用LCD显示，课间播放音乐，可以现场修改打铃时间设置。1.2 总体设计思路题目要求设计一个智能打铃系统，实现的功能为定时闹铃，课间播放音乐，并能显示作息时间表。设计中为了提高产品的稳定性，控制部分我们采用STC单片机完成，显示部分由单片机输出控制信号经放大后驱动128 X64的LCD，时间由时钟芯片精确定时 。1.3 系统组成框图系统总方框图如图1.1所示。利用STC单片机的p3口做时钟芯片和温度传感器的控制信号，p1口做4X4矩阵键盘的行列选信号，使用P0口的8个输出信号做液晶的控制信号点亮LCD。STC单片机主控部分LCD显示时钟芯片控制部分系统电源部分键盘控制图1.1 系统组成方框图1.4方案论证与比较1.41 控制部分设计方案论证与选择方案一、采用AT89S51单片机配以4*4矩阵式键盘控制，如图1.2所示，用AT89S52的并行口P1接44矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线；在数码管上显示每个按键的“0F”序号。 把“单片机系统“区域中的P3.0P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1C4R1R4端口上；“单片机系统”区域中的P0.0/AD0P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个ah端口上；要求：P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，P0.7/AD7对应着h。图 1.2方案一控制部分示意图用该方案将会使得最终做成的产品缺乏稳定性，数码管显示不够直观。需要的外围电路及芯片多，且PCB布局和布线不方便。方案二、采用STC单片机控制和液晶显示，提高了产品的稳定性和美观。硬件连线流程图如下图1.3所示，详细电路图见单元电路设计中控制部分。利用STC单片机的p3口做时钟芯片和温度传感器的控制信号，p1口做4X4矩阵键盘的行列选信号，P0口点亮LCD。此方案利用1k位串行EEPROM储存器93C46存储LCD显示数据，显示部分不需要格外的芯片，形成的电路简单，PCB的布局和布线也较容易和美观。 图1.3方案二控制部分示意图1.4.2 显示部分设计方案论证与选择方案一、采用两个四位七段数码管显示，控制简单易行，所占体积较小，但需要额外的驱动或扩展芯片，整体结构不够直观大方。方案二、使用128X64LCD显示，感觉美观大方，显示清晰明了，所需的元件也较少。综上所述，LCD电路简单，性价比高，又能很好完成驱动作用，选择方案二。1.4.3 时钟芯片部分设计方案论证与选择方案一、采用DS12887实时时钟芯片，与DS1307相比DS12887内置了晶体振荡器和电池，所需外围电路较少，但DS12887的体积较大，要占用PCB较多的空间；方案二、使用DS1307，虽然要外置晶体振荡器和电池，但体积空间较小，已足够满足系统所需的时钟显示功能，并且编程比DS12887简单；综上所述，用DS1307只需很少的外围电路就可构成一个完整的时间显示系统,因此选方案二。第二章 单元电路设计2.1 控制部分电路图1.4 控制部分电路示意图控制部分主要是由单片机最小系统组成。采用了1片STC单片机，配以一些相应的电阻电容等构成的外围电路。把STC单片机的p3口做时钟芯片和温度传感器的控制信号，p1口做4X4矩阵键盘的行列选信号，使用P0口的8个输出信号做液晶的控制信号点亮LCD。此方案利用1k位串行EEPROM储存器93C46存储LCD显示数据，显示部分不需要格外的芯片，形成的电路简单，读取及显示速度都得到了很大的提升。2.2 显示部分电路图1.5 LCD显示部分电路图液晶模块与微处理器MCU的接口电路有两种方式：一是直接访问方式，将STC单片机数据口P0直接与液晶模块的数据口连接；二是采用间接控制方式，MPU通过I/O并行接口， 模拟液晶模块的时序，间接实现对液晶显示模块的控制。从实时性考虑，本文采用第一种方式。2.3 时钟芯片部分时钟芯片是美国公司生产的总线接口实时时钟芯片。可以独立于工作，它不受晶振和电容等的影响，并且计时准确，月积累误差一般小于秒。此芯片还具有掉电时钟保护功能，可自动切换到后备电源供电。同时还具有闰年自动调整功能，可以产生秒、分、时、日、月、年等数据，并将其保存在具有掉电保护功能的时间寄存器内，以便根据需要对其进行读出或写入。由于STC单片机没有总线接口，因此，要驱动，就必须采用单主机方式下的总线虚拟技术。在此方式下，以单片机为主节点（主器件），主器件永远占有总线而不出现总线竞争，且可以用两根口线来虚拟总线接口。总线上的主器件（单片机）可在时钟线（）上产生时钟脉冲，在数据线（）上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件。任何被选中的器件都将被主器件看成是从器件。在这里，作为总线的从器件。总线为同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，因此，需加上拉电阻。实时时钟芯片与STC单片机连接如图1.6所示。图1.6实时时钟芯片与STC连接图2.4 温度传感器部分温度传感器我们使用的是DS1820 单线数字温度计，DS1820数字温度计以9位数字量的形式反映器件的温度值。 DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。 因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。DS1820依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立 ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条。 一条控制操作命令指示DS1820完成一次温度测量。测量结果放在DS1820的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS1820使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。 图1.7温度传感器控制电路2.5 存储部分存储部分采用Microchip公司出品的型号为93C46串行EEPROM存储模块，该模块存储容量为1K，用于存储打铃时间表。我们把存储空间按字节分配，每字节为一个基本单元，首字节单元内容为时间表总个数，用来进行时间表的排序及查找运算；从第二字节单元开始，每三个字节单元为一个表格元素，其中每字节单元包含一个时间表的具体内容，并按顺序排列分别存放“小时”、“分钟”、“课时长度”；每个表格元素按时间先后排列，以方便遍历时间表。Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4时间表总个数小时分钟课时长度小时3字节为一个表格元素存储时，编号从1开始，每个记录的首字节地址为：编号32，地址0存放记录总。如以下公式3.5.1所示：第N个表格元素首地址 = N 3 2由此可知，当要操作第N条打铃记录单元的方法如图1.8所示：读编码N算出第N个表格元素首地址add分钟地址小时地址时长地址add+1add+2add+1图1.8 操作第N条打铃记录单元示意图2.6 电源部分本设计用到的电源主要为+5V 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图1.9所示 图1 . 9 电源方框及波形图a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。b 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。图2.0中电路提供+5V的电源；主要用于STC单片机、LCD显示、键盘; 图2.0电源部分2.7 扬声器控制电路在该智能打铃系统中，我们用的是交流蜂鸣器，由于一般I/O口的驱动能力有限，在此我们采用了三极管9013来驱动蜂鸣器，其硬件原理图如图2.1所示。Beep与P3.7口相连，当Beep输出高电平是蜂鸣器不响，而Beep输出低电平时蜂鸣器发出响声。我们只要控制Beep输出高低电平的时间和变化频率，就可以让蜂鸣器发出悦耳的音乐了。 图2.1扬声器原理图2.8 键盘控制部分矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是44个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法我们得到16个键的特征编码。举例说明如何得到按键的特征编码：假设“1”键被按下，找其按键的特征编码。从P1口的高四位输出低电平，即P1.4P1.7为输出口。低四位输出高电平，即P1.0P1.3为输入口。读P1口的低四位状态为“ 1101”，其值为“0DH”。再从P1口的高四位输出高电平，即P1.4P1.7为输入口。低四位输出低电平，即P10P13为输出口，读P1口的高四位状态为“1110”，其值为“E0H”。将两次读出的P0口状态值进行逻辑或运算就得到其按键的特征编码为“EDH”。用同样的方法可以得到其它15个按键的特征编码。矩阵键盘电路如图2.2所示。 图2.2键盘控制原理图2.9 串口调试部分 图2.3串口调试原理图第三章 软件设计本作品使用keilc系列软件作为编程器件，它是以WINDOWS为设计平台，在使用时先在txt、word或keilc软件环境下编辑程序，然后保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序，最后调试和执行这样一步步来实现仿真。3.1 单元程序流程方框图3.1.1 系统工作总流程图如图2. 4所示： 图2.4总程序流程图3.1.2 存储模块程序流程图如图2. 5所示图2.5存储模块程序流程图3.2 程序设计3.2.1 MUC软件设计MCU程序设计结构图如图2.6所示： 图2.6 MCU程序设计结构图3.2.2 PC-Link客户端软件设计PC-Link控制端系统初始界面：PC系统与MUC系统成功对接界面：PC-Link从MCU系统成功读出数据界面：MUC数据读取完毕界面：添加打铃时间表窗体界面：删除一条记录提示界面：打开时间表文件界面：保存时间表文件界面：从PC-Link下载时间表文件到MCU界面：下载成功界面：第四章 系统测试4.1 测试使用的仪器设备如表2.6所示。表2.6 测试使用的仪器设备序 号名称、型号、规格数量备 注1DF-1731SC直流稳压电源1宁波中策电子有限公司2BT3C-B频率特性测试仪1南京无线电仪器厂3GDS-820C数字存储示波器1江苏扬中电子仪器厂4GFG-8216A函数信号发生器1江苏扬中电子仪器厂6DF1071高频信号发生器（带调制信号）1上海爱使电子仪器厂7UNI-T数字万用表1优德利UNIT-T有限公司8SP-1500A型系列等精度频率计数器1南京胜普电子有限公司4.2程序仿真测试测试平台：windeow 2003 sever测试软件：keil C 6.02硬件配置：CPU：PM747内存：256MB硬盘：40GB测试方案：利用keil C 6.02 中的Debug 进行仿真，观察P0,P1,P2,P3口的高低电平变化，从而得出结论。4.3 结果分析根据对系统进行测试的结果可见，该系统比较满意的实现了设计要求。第五章 结论从实际运行情况看，该系统工作稳定、LCD显示清晰直观、报时准确、编程灵活、功能齐全，比较理想的实现了设计指标的要求。除此以外，该系统还能够进行简单的单片机实验，包括程序下载、串口调试等。参考文献1黄智伟主编，王彦，陈文光，朱卫华等编著.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.北京：电子工业出版社，2005年第1版2 康华光主编，电子技术基础.北京：高等教育出版社，2000.7.3. 单片机典型模块设计实例导航/求是科技编 北京：人民邮电出版社，2004.5作者信息：韦瑞锦 电气工程学院电子043班 联系电话：13875