智能定时闹钟--毕业设计

毕业论文 设计 毕业论文 设计 智能定时闹钟智能定时闹钟 温度 定时硬件设计温度 定时硬件设计 院系 工程学院 年级专业 电气工程及其自动化 0801 提交日期 答辩日期 答辩委员会主席 签名 评阅人 签名 年 月 日 摘 要 随着科技的快速发展和生活水平的不断提高 人们对时钟的精确度和实用性要求越来越高 本 文采用宏晶单片机 STC10F08XE 通过 DS1302 时钟芯片进行定时 并通过 LCD 1602 字符液晶显示器 显示 采用 C 语言程序编写 将设计出更准确定时 更省电的数字时钟 单片机数字时钟具有设置 时间 日期 星期的基本功能 并且能够显示年 月 日 时 分 秒 星期 温度 单片机数字 钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化 实践证明单片机数字时钟具有更加准确性 精密性 等功能 本设计是定时闹钟的设计 由单片机 AT89C51 芯片和宏晶单片机 STC10F08XE 为核心 辅 以必要的电路 构成的一个单片机智能定时闹钟 用单片机来设计制 作完成 由于其功能的实现主 要通过软件编程来完成 那么就降低了硬件电路的 复杂性 而且其成本也有所降低 所以在该设计中 采用单片机利用 AT89C51 它是 低功耗 高性能的 CMOS 型 8 位单片机 关键字 数字时钟 DS1302 LCD1602 STC10F08XE I Abstract In daily life time is science technology and everyday life is one of the most basic physics we often deal with temporal clocks such as hand watch wall clock even on a computer program the clock on the phone can be generalized a clock display on the clock along with the rapid development of technology and the continuous improvement of living standards people on the clock s accuracy and practical demand is higher and higher Based on the single chip microcomputer principle USES the monolithic integrated circuit STC10F08XE series through the hardware circuit and software production procedure formulation will design a more accurate timing electricity saving digital clock SCM in performance or digital clock no matter in style have undergone a qualitative change digital clock has proved microcontroller more accuracy precision sex etc Function This design is the design of timing alarm clock the single chip microcomputer AT89C51 single chip microcomputer chip and macro crystal STC10F08XE as the core with the necessary auxiliary circuit constitute a single chip microcomputer intelligent timing of alarm clock By single chip design system to be completed because its main through the realization of the function of software programming to complete then reduce the complexity of the hardware circuit and the cost is reduced so in this design using AT89C51 single chip it is low power high performance CMOS type eight microcontroller Key Words Digital clock DS1302 LCD1602 STC10F08XE II 设计说明 时间 关乎每个人的生命 计时方法的不断创新 特别是近年来科学的飞速发展 社会产生了 不同的计时器 计时系统不单单具有计时功能 还带有定时 自动报时 日历显示等等的功能 计 时系统已广泛地应用在我们的生活 工业自动化控制 自动检测 智能仪器仪表 家用电器 电力 电子 机电一体化设备等各个方面 例如铁路安全日显示屏 生产线看板 体育比赛计时屏 电视 台 监控系统等等 而 51 单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种 本设计智能定时闹钟已成为人们日常生活中必不可少的物品 广泛用于个人家庭 学校生活 给人们的生活 学习 工作 娱乐带来极大的方便 设计在朱明杰老师指导下完成的 设计任务主要是硬件设计制作协助对软件仿真及其调试 设计达到主要目标 清晰显示年月日时分秒 能进行计时 对温度实行实时监测 并且控制系 统要求对各个按键的动作出相应反应 具体内容 1 硬件系统设计 2 模拟系统调试 3 绘制硬件原理图 硬件方面 温度检测 时钟模块 显示模块等 关键字 硬件 时钟 设计 III 目目 录录 1 引言 1 1 1 电子定时闹钟研究现状和发展趋势 1 1 2 设计本电子定时闹钟的目的和意义 1 1 3 本电子闹钟的特点和功能介绍 2 1 3 1 数字钟介绍 2 1 3 2 本电子钟设计特点 2 1 3 3 本电子钟的主要功能 2 2 单片机介绍 3 2 1 单片机的发展历史 3 2 2 单片机的发展趋势 4 2 3 单片机的特点 4 2 4 单片机的应用 5 2 5 单片机的分类 5 3 方案论证与设计 6 3 1 控制芯片 6 3 2 显示部分 6 3 3 检测温度部分 6 4 总体方案设计 8 4 1 工作原理 8 4 2 系统模块图 8 5 原理分析与硬件电路图 9 5 1 DS18B20 9 5 1 1 技术性能描述 9 5 1 2 应用范围 9 5 1 3 DS18B20 的外形和内部结构 10 5 1 4 DS18B20 工作原理 12 5 2 DS1302S 时钟芯片 12 IV 5 2 1 DS1302 的结构及工作原理 14 5 2 2 引脚功能及结构 14 5 2 3 DS1302 的控制字节 16 5 2 4 数据输入输出 I O 16 5 2 5 DS1302 的寄存器 16 5 2 6 DS1302 实时显示时间的软硬件 16 5 2 7 时钟电路部分设计 17 5 3 1602 字符液晶显示器 18 5 3 1 液晶显示器的特点 18 5 3 2 1602 字符型 LCD 简介 19 5 2 3 1602LCD 的基本参数及引脚功能 19 6 系统调试和分析 22 6 1 时间显示 22 6 2 精确度 22 6 3 调整时间 22 6 4 计时器 22 6 5 设置闹钟 23 6 6 复位 23 6 7 温度调试 23 结束语 24 参考文献 25 致谢 26 附录 27 附录 1 27 附录 2 28 0 1 引 言 1 1 电子定时闹钟研究现状和发展趋势 现在是一个高度发达的高科技的时代 目前单片机正朝向高性能和多品种方向发展 而且进一步向低功耗 小体积 大容量 高性能 低价格和外围电路内装化等几个方向 发展 单片机的应用还从根本上改变了传统的控制系统设计思想和方法一个世纪以来 单片机技术如今已经受到了迅速的推广及运用 渗透到我们生活的各个领域 在智能仪 器 工业控制 家用电器 计算机网络和通信等都得到广泛的应用 世界各大电气厂家 测控技术企业 机电行业大批竞相把单片机应用于产品更新 作为实现数字化 智能化 的核心部件 随着集成电路技术的不断发展 单片机的性能也在不断提高 其应用的范 围必将越来越宽广 LCD 电子定时闹钟使用数字电路技术实现时分秒计时的装置 有更高的准确性和直 观性 寿命更长 广泛的应用于家庭 车站 办公室等场所 成为人们日常生活不可缺 少的必需品 它给人们带来了很大的方便 由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性 所以 以单片机为核心的数字时钟是 很有社会意义和社会价值的 钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增长的要求 现代的电子时钟多带有类似自动报警 按时自动打铃 时间程序自动控制 定时广播 自动起闭路灯 通断动力设备 甚至各种定时电气的自动启用等功能 现在是高度发达的社会 时间观念很重要 自古以来人们对时间的控制都是十分棘 手的问题 俗话说事件就时间就是生命 LCD 电子定时闹钟的多功能化必定将一步一步 的开拓出来 与时间相关的产品在任何时候都是不可或缺的物质 它的前景一如既往的 远大 1 2 设计本电子定时闹钟的目的和意义 本设计可以让我对所学过的知识进行系统的回顾和总结 不仅如此 我在主动去找 寻找更多的资料的同时 了解了更多的知识 也培养了我的设计能力和解决实际问题的 能力 增强了自我的学习能力 通过本 LCD 电子定时闹钟的设计我也初步掌握了组成 系统 编程 调试等能力应用 并且初步了解了单片机应用系统开发研制过程 软件和 硬件设计的方法 1 1 3 本电子闹钟的特点和功能介绍 1 3 1 数字钟介绍 时钟是将小时 分钟 秒钟显示于人的肉眼的计时装置 而单片机模块中最常见的 正是数字钟 数字钟是一种用数字电路技术实现时 分 秒计时的装置 与机械式时钟 相比具有更高的准确性和直观性 且无机械装置 具有更长的使用寿命 因此得到了广 泛的使用 而 LCD 电子定时闹钟是以单片机为基础的数字电路实现对时 分 秒的数 字显示的数字计时装置 它的计时周期为 24 小时 另外应有校时功能和一些显示日期 闹钟等附加功能 一个基本的数字钟电路主要由译码显示器 时 分 秒 星期 计数器 校时电路 报时电路和振荡器组成 由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性 所以尝试设计以单片机为核心的数字 时钟是很有意义的 钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增长的要求 现代的 电子时钟多带有类似自动报警 按时自动打铃 时间程序自动控制 定时广播 自动起 闭路灯 通断动力设备 甚至各种定时电气的自动启用等功能 本设计中 LCD 电子时 钟采用 LCD 显示时间和日期年月 直观实用 而且可以方便的校调 附带的万年历和 定时功能也是很方便和实用的 1 3 2 本电子钟设计特点 本 LCD 电子定时闹钟是一种基于单片机技术的多功能 多用途的电子产品 有电 子时钟 日期显示 定时闹铃等多种功能 本设计产品性能卓越 功能丰富 采用 LCD 显示更加直观 是一个比较实用的电子产品 1 3 3 本电子钟的主要功能 1 可以显示 24 小时制 时时 分分 秒秒 LCD 显示 2 可以显示日期 具有万年历功能 3 可以方便的设定定时时间 修改定时时间 闹铃功能 预设定时时间到将发 出闹铃声 4 能够修改时钟时间的时 分 秒 能够修改日期的年月日 2 2 单片机介绍 2 1 单片机的发展历史 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末 经历了探索 完善 MCU 化 百花齐放四个阶 段 1 芯片化探索阶段 20 世纪 70 午代 美国的 Fairchild 仙童 公司首先推出了第 一款单片机 F 8 随后 Intel 公司推出了影响面大 应用更广的 MCS48 单片机系列 MCS48 单片机系列的推出标志着在工业控制领域 进入到智能化嵌入式应用的芯片形 态计算机的探索阶段 参与这一探索阶段的还有 Motorola Zilog 和 Ti 等大公司 它们 都取得了满意的探索效果 确立了在 SCMC 的嵌入式应用中的地位 这就是 Single Chip Microcomputer 的诞生年代 单片机一词即由此而来 这一时期的特点是 嵌入式计算机系统的芯片集成设计 少资源 无软件 只保证基本控制功能 2 结构体系的完善阶段 在 MCS 48 探索成功的基础上很快推出了完善的 典型 的单片机系列 MCS 5l MCS 51 系列单片机的推出 标志着 Single Chip Microcomputer 体系结构的完善 它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机的体系结构 完善的总线结构 并行总线 8 位数据总线 16 位地址总线及相应的控制总线 两个独立的地址空 间 串行总线 通信总线 扩展总线 完善的指令系统 具有很强的位处理功能和逻辑控制功能 以满足工业控制等方面的需要 功能单元的 SFR 特殊功能寄存器 集中管理 完善的 MCS 51 成为 SCMC 的经典体系结构 日后 许多电气商在 MCS 51 的内核和体系结构的基础上 生产出各具特色的单片 机 3 从 SCMC 向 MCU 化过渡阶段 Intel 公司推出的 MCS96 单片机 将一些用于测 控系统的模数转换器 ADC 程序运行监视器 WDT 脉宽调制器 PWM 高速 I O 口 纳入片中 体现了单片机的微控制器特征 由于 MCS 51 单片机系列向各大电气商的广 3 泛扩散 许多电气商竞相使用 80C51 为核 将许多在测控系统中使用的电路技术 接口 技术 可靠性技术应用到单片机中 随着单片机内外围功能电路的增强 进一步强化了 智能控制器的特征 微控制器 Microcontrollers 成为单片机较为准确表达的名词 其特 点是 满足嵌入式应用要求的外围扩展 如 WDT PWM ADC DAC 高速 I 0 口等 众多计算机外围功能集成 如 提供串行扩展总线 SPI I2C BUS Microwire 配置现场总线接口 CAN BUS CMOS 化 提供功耗管理功能 提供 OTP 供应状态 利于大规模和批量生产 4 MCU 的百花齐放阶段 单片机发展到这一阶段 表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制 工具 小到玩具 家电行业 大到车载 舰船电子系统 遍及计量测试 工业过程控 制 机械电子 金融电子 商用电子 办公自动化 工业机器人 军事和航空航天等领 域 为满足不同的要求 出现了高速 大寻址范围 强运算能力和多机通信能力的 8 位 16 位 32 位通用型单片机 小型廉价型 外围系统集成的专用型单片机 以及形形色 色各具特色的现代单片机 可以说 单片机的发展进入了百花齐放的时代 为用户的选 择提供了广阔的空间 2 2 单片机的发展趋势 当前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展 预计 单片机将进一步向着 CMOS 化 低功耗 小体积 大容量 高性能 低价格和外围电路内装化等几个方向发展 2 3 单片机的特点 1 性能价格比高 2 集成度高 体积小 可靠性高 由于单片机将各功能部件集成在一块芯片上 且内部采用总线结构 减少了各芯片之间的连线 从而大大提高单片机的可靠性与抗干 扰能力 另外 因其体积小 对于强磁场环境易于采取屏蔽措施 适合在恶劣环境下工 作 3 控制功能强 为满足工业控制的要求 一般单片机的指令系统中均有极丰富 4 的转移指令 I O 接口的逻辑操作极为处理功能 单片机的逻辑控制功能及运行速度均 高于同一档次的微型计算机 4 低能耗 低电压 便于生产便携式产品 5 外部总线增加了 I2C 及 SPI 等串行总线方式 进一步缩小了体积 简化了结构 6 单片机的系统扩展和系统配置较经典 规范 易于构成各种规模的应用系统 2 4 单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数据传输 工业自动化 过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能 IC 卡 民用豪华轿车的安全保障系 统 录像机 摄像机 全自动洗衣机的控制 以及程控玩具 电子宠物等等 这些都 离不开单片机 更不用说自动控制领域的机器人 智能仪表 医疗器械以及各种智能机 械了 2 5 单片机的分类 单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类 1 通用型单片机具有比较丰富的内部资源 性能全面且适应性强 能覆盖多种 应用需求 2 专用单片机是专门针对某个特定产品的 例如 专用于电机控制的单片机 车载电子设备 语音信号处理和家用电器中的单片机等 5 3 方案论证与设计 3 1 控制芯片 方案一 采用 Atmel 单片机 AT89S51 作为总的控制元件 方案二 采用宏晶单片机 STC10F08XE 作为总的控制元件 比较论证 方案一 Atmel 单片机 AT89S51 功能较少 P0 口输出指令时要求接上拉 电阻 使电路复杂化 精确度不高 而方案二简化了电路 增加了系统稳定性 宏晶单片 机 STC10F08XE 运行速度快 超强抗干扰 在设计方面提供了极大的方便 IO 口状态 可以设置为标准输入输出 推挽输出 弱输入 高阻四种状态 P0 口无须接上拉电阻 因此可以可采用独立式键盘 Atmel 芯片要用专用的 ISP 线 而 STC 的可以用串口进行 ISP 下载程序 提供了便利的编程环境 方案选定 采用方案二宏晶单片机 STC10F08XE 作为总控制中心 3 2 显示部分 方案一 采用多位数码管显示 方案二 采用 LCD 1602 字符液晶显示器显示 比较论证 数码管显示内容单一 不生动具体 且要求数量多 而 1602 字符液晶显 示器给我们提供了更大的发挥空间 看起来舒服自然 而且能增加显示的美观性与直观性 最重要的是提供了友好的人机界面 方案选定 采用方案二 1602 字符液晶显示器显示 3 3 检测温度部分 方案一 采用 PT100 对温度信号进行采集 优点 1 测量精度高 2 测量范围大 缺点 输出值是模拟 6 方案二 采用 DS18B20 对温度信号进行采集 优点 1 可防水 2 自带 A D 转换 缺点 输出精度不够高 方案选定 最终选择的是 DS18B20 首先作为太阳能热水器的温度检测模块 对温 度的精度要求并不高 使用 DS18B20 能够满足需要 其次 带防水的 DS18B20 能很好的 完成水箱内进行温度检测的任务 最后 DS18B20 的输出值直接就是数字量 可以为后 续的编程节省不少工作量 7 4 总体方案设计 4 1 工作原理 本定时闹钟 是以单片机及外围接口电路为核心硬件 辅以其他外围硬件电路 用 C 语言设计的程序来实现的 根据 C51 单片机的外围接口特点扩展相应的硬件电路 然 后根据单片机的指令设计出数字钟相应的软件 再利用软件执行一定的程序来实现数字 钟的功能 由于采用集成芯片性的单片机来制作电子钟 这样设计制作简单而且功能多 精确度高 也可方便扩充其他功能 实现也十分简单 利用宏晶单片机 STC10F08XE 作为本系统的中控模块 单片机可把由 DS1302 时钟 芯片传来的数据 经过转换 写入显示模块 实现日历 时钟显示 在显示电路中 主 要靠按键来实现调时 计时器 闹钟等功能 4 2 系统模块图 系统模块图如图 1 所示 图 1 系统模块 8 5 原理分析与硬件电路图 5 1 DS18B20 DS18B20 数字温度传感器接线方便 封装成后可应用于多种场合 如管道式 螺 纹式 磁铁吸附式 不锈钢封装式 型号多种多样 有LTM8877 LTM8874 等等 主要根据应用场合的不同而改变其外观 封装后的DS18B20 可用于电缆沟测温 高 炉水循环测温 锅炉测温 机房测温 农业大棚测温 洁净室测温 弹药库测温等各 种非极限温度场合 耐磨耐碰 体积小 使用方便 封装形式多样 适用于各种狭小 空间设备数字测温和控制领域 5 1 1 技术性能描述 1 独特的单线接口方式 DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实 现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 2 测温范围 55 125 固有测温分辨率 0 5 3 支持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 最多只能并 联 8 个 实现多点测温 如果数量过多 会使供电电源电压过低 从而造成信号传输 的不稳定 4 工作电源 3 5V DC 5 在使用中不需要任何外围元件 6 测量结果以 9 12 位数字量方式串行传送 7 不锈钢保护管直径 6 8 适用于 DN15 25 DN40 DN250 各种介质工业管道和狭小空间设备测温 9 标准安装螺纹 M10X1 M12X1 5 G1 2 任选 10 PVC 电缆直接出线或德式球型接线盒出线 便于与其它电器设备连接 5 1 2 应用范围 1 该产品适用于冷冻库 粮仓 储罐 电讯机房 电力机房 电缆线槽等测温 和控制领域 2 轴瓦 缸体 纺机 空调 等狭小空间工业设备测温和控制 3 汽车空调 冰箱 冷柜 以及中低温干燥箱等 9 4 供热 制冷管道热量计量 中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制 5 1 3 DS18B20 的外形和内部结构 DS18B20 的外形及管脚排列如下图 所示 图 2 DS18B20 外形及管脚图 DS18B20 温度传感器特性 1 适应电压范围宽 电压范围在 3 0 5 5 在寄生电源方式下可由数据线供电 2 独特的单线接口方式 它与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器 与 DS18B20 的双向通信 3 支持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 实现组网多点测 温 4 在使用中不需要任何外围元件 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极 管的集成电路中 5 测温范围 55 125 在 10 85 时精确度为 0 5 6 可编程分辨率为 9 12 位 对应的可分辨温度分别为 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 可实现高精度测温 7 在 9 位分辨率时 最多在 93 75ms 内把温度转换为数字 12 位分辨率时 最多 在 750ms 内把温度值转换为数字 显然速度更快 8 测量结果直接输出数字温度信号 以 一线总线 串行传送给 CPU 同时可传 送 CRC 校验码 具有极强的抗干扰纠错能力 9 负压特性 电源极性接反时 芯片不会因为发热而烧毁 但不能正常工作 DS18B20 引脚介绍 DS18B20 实物如图 3 和图 4 所示 10 图 3 DS18B20 实物图 图 4 DS18B20 引脚图 DS18B20 引脚定义 1 I O 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 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 如图 5 所示 图 5 DS18B20 内部结构 该装置信号线高的时候 内部电容器 储存能量通由 1 线通信线路给片子供电 而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电 DS18B20 的电 源也可以从外部 3V 5 5V 的电压得到 DS18B20 采用一线通信接口 因为一线通信接口 必须在先完成ROM 设定 否 则记忆和控制功能将无法使用 主要首先提供以下功能命令之一 1 ROM 2 ROM 匹配 3 搜索 ROM 4 跳过 ROM 11 5 报警检查 这些指令操作作用 在没有一个器件的 64 位光刻 ROM 序列号 可以在挂在一线上多个器件选定某一个器 件 同时 总线也可以知道总线上挂有有 多少 什么样的设备 若指令成功地使 DS18B20 完成温度测量 数据存储在 DS18B20 的存储器 一个 控制功能指挥指示 DS18B20 的演出测温 测量结果将被放置在 DS18B20 内存中 并 可以让阅读发出记忆功能的指挥 阅读内容的片上存储器 温度报警触发器TH 和 TL 都有一字节 EEPROM 的数据 如果 DS18B20 不使用报警检查指令 这些寄存器可 作为一般的用户记忆用途 在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换 写 TH TL 指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成 通过缓存器读寄存器 所有 数据的读 写都是从最低位开始 5 1 4 DS18B20 工作原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同 只是得到的温度值的位数因分 辨率不同而不同 且温度转换时的延时时间由2s 减为 750ms 图中低温度系数晶 振的振荡频率受温度影响很小 用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1 高温 度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变 所产生的信号作为计数器2 的脉冲输 入 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 所对应的一个基数值 计数器 1 对 低 温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数 当计数器1 的预置值减到 0 时 温度 寄存器的值将加 1 计数器 1 的预置将重新被装入 计数器 1 重 新开始对低温度系 数晶振产生的脉冲信号进行计数 如此循环直到计数器2 计数到 0 时 停止温度寄 存器值的累加 此时温度寄存器中的数值即 为所测温度 图 4 中的斜率累加器用 于补偿和修正测温过程中的非线性 其输出用于修正计数器1 的预置值 5 2 DS1302S 时钟芯片 DS1302 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 工作时功耗很低 保持数据和时 钟信息时功率小于 1mW DS1302 是由 DS1202 改进而来 增加了以下的特性 双电源管脚 12 用于主电源和备份电源供应 Vcc1 为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器 它广泛应 用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域 独特的一线接口 只需要一条口线通信 多点能力 简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电 电压范围为 3 0 V 至 5 5 V 无需备用电源 测量温度 范围为 55 至 125 华氏相当于是 67 F 到 257 华氏度 10 至 85 范围内精 度为 0 5 温度传感器可编程的分辨率为 9 12 位 温度转换为 12 位数字格式最大值为 750 毫 秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制 工业系统 消费电 子产品温度计 或任何热敏感系统 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 该装置信号线高的时候 内部电容器 储存能量通 由 1 线通信线路给片子供电 而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重 新充电 DS18B20 的电源也可以从外部 3V 5 5V 的电压得到 DS18B20 采用一线通信接口 因为一线通信接口 必须在先完成 ROM 设定 否则记 忆和控制功能将无法使用 主要首先提供以下功能命令之一 1 读 ROM 2 ROM 匹配 3 搜索 ROM 4 跳过 ROM 5 报警检查 这些指令操作作用在没有一个器件的 64 位 光刻 ROM 序列号 可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件 同时 总线也可以知道 总线上挂有有多少 什么样的设备 若指令成功地使 DS18B20 完成温度测量 数据存储在 DS18B20 的存储器 一个控制 功能指挥指示 DS18B20 的演出测温 测量结果将被放置在 DS18B20 内存中 并可以让阅 读发出记忆功能的指挥 阅读内容的片上存储器 温度报警触发器 TH 和 TL 都有一字节 EEPROM 的数据 如果 DS18B20 不使用报警检查指令 这些寄存器可作为一般的用户记 忆用途 在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换 写 TH TL 指令以及配置字 节利用一个记忆功能的指令完成 通过缓存器读寄存器 所有的数据都读 写都是从最 低位开始 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 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 13 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 DS18B20 的存储器包括高速暂存器 RAM 和可电擦除 RAM 可电擦除 RAM 又包括温度触发 器 TH 和 TL 以及一个配置寄存器 存储器能完整的确定一线端口的通讯 数字开始用 写寄存器的命令写进寄存器 接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数字 当确认以 后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除 RAM 中 当修改过寄存器中 的数时 这个过程能确保数字的完整性 高速暂存器 RAM 是由 8 个字节的存储器组成 第一和第二个字节是温度的显示位 第三和第四个字节是复制 TH 和 TL 同时第三和第 四个字节的数字可以更新 第五个字节是复制配置寄存器 同时第五个字节的数字可以 更新 六 七 八三个字节是计算机自身使用 用读寄存器的命令能读出第九个字节 这个字节是对前面的八个字节进行校验 5 2 1 DS1302 的结构及工作原理 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 5V 5 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 31 8 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 5 2 2 引脚功能及结构 DS1302 的引脚功能排列及描述如下图 6 所示 图 6 DS1302 引脚图 管脚描述 X1 X2 32 768KHz 晶振管脚 GND 地 14 RST 复位脚 I O 数据输入 输出引脚 SCLK 串行时钟 Vcc1 Vcc2 电源供电管脚 DS1302 串行时钟芯片8 脚 DIP DS1302S 串行时钟芯片8 脚 SOIC 200mil DS1302Z 串行时钟芯片8 脚 SOIC 150mil DS1302 内部寄存器 CH 时钟停止位 存器2 的第7 位12 24 小时标志 CH 0 振荡器工作允许 bit7 1 12 小时模式 CH 1 振荡器停止 bit7 0 24 小时模式 WP 写保护位 寄存器2 的第5 位 AM PM 定义 WP 0 寄存器数据能够写入 AP 1 下午模式 WP 1 寄存器数据不能写入 AP 0 上午模式 TCS 涓流充电选择 DS 二极管选择位 TCS 1010 使能涓流充电 DS 01 选择一个二极管 TCS 其它 禁止涓流充电 DS 10 选择两个二极管 DS 00 或11 即使 TCS 1010 充电功能也被禁止 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 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 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 Vcc 2 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 15 5 2 3 DS1302 的控制字节 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 5 2 4 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 5 2 5 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 其日历 时间寄存器及其控制字见 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 C0H FDH 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 5 2 6 DS1302 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 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 3 4 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 2 A 典型值 省电模式时小于 1 A 工作电压为 2 4V 3 3V 显示清晰 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 16 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 时钟工作原理如图 7 所示 图 7 时钟工作原理图 5 2 7 时钟电路部分设计 AT89C51 系列的单片机的时钟方式分为内部方式和外部方式 内部方式就是在单片 机的 XTAL1 和 XTAL2 的两引脚外接晶振 就够成了自激振荡器在单片机内部产生时 钟脉冲信号 外部时钟方式是把外部已经有的时钟信号引入到单片机内部 时钟电路在 17 计算机系统中起着非常重要的作用 是保证系统正常工作的基础 在一个单片机应用系 统中 时钟有两方面的含义 一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号 主要由 晶振和外围电路组成 晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢 二是指系统的标 准定时时钟 即定时时间 本 LCD 电子闹钟设计是采用内部时钟方式 用一个 12MHz 晶振和两个 30Pf 瓷片 电容组成 为单片机提供标准时钟 其中两个瓷片电容起微调作用 其电路图见图 8 之 所以采用高性能的振荡电路 因为 1 单片机电子钟的计时脉冲基准是由外部晶振的频率经过 12 分频后提供 采用 内部的定时 计数器来实现计时功能 所以 外接晶振频率精确度直接影响电子钟计时 的准确性 2 单片机电 子钟利用内部定时 计数器溢出产生中断 12M 晶振一般为 50ms 再乘以相应的倍率来实现秒 分 时的转换 大家都知道从定时 计数器产生中断请求 到响 应中断需要 3 8 个机器周期 定时中断子程序中的数据入栈和重装定时 计数器的 初值还需要占用数个机器周期 还有从中断入口转到中断子程序也要占用一定的机器周 期 图 8 时钟电路 5 3 1602 字符液晶显示器 5 3 1 液晶显示器的特点 在日常生活中 我们对液晶显示器并不陌生 液晶显示模块已作为很多电子产品的 通过器件 如在计算器 万用表 电子表及很多家用电子产品中都可以看到 显示的主 要是数字 专用符号和图形 在单片机的人机交流界面中 一般的输出方式有以下几种 发光管 LED 数码管 液晶显示器 发光管和 LED 数码管比较常用 软硬件都比较简单 在前面章节已经介绍过 在此不作介绍 本章重点介绍字符型液晶显示器的应用 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点 18 1 显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮 度 恒定发光 而不像阴极射线管显示器 CRT 那样需要不断刷新新亮点 因此 液 晶显示器画质高且不会闪烁 2 数字式接口 液晶显示器都是数字式的 和单片机系统的接口更加简单可靠 操作更加方便 3 功耗低 相对而言 液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上 因而耗电量比其它显示器要少得多 5 3 2 1602 字符型 LCD 简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母 数字 符号等点阵式 LCD 目前常 用 16 1 16 2 20 2 和 40 2 行等的模块 下面以长沙太阳人电子有限公司的 1602 字 符型液晶显示器为例 介绍其用法 一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 9 和图 10 所 示 图 9 字符液晶屏幕 图 10 字符型液晶显示器实物图 19 5 2 3 1602LCD 的基本参数及引脚功能 1602LCD 分为带背光和不带背光两种 基控制器大部分为 HD44780 带背光的比不 带背光的厚 是否带背光在应用中并无差别 两者尺寸差别如下图 11 所示 图 11 1602LCD 尺寸图 1602LCD 主要技术参数 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 引脚功能说明 1602LCD 采用标准的 14 脚 无背光 或 16 脚 带背光 接口 各引 脚接口说明如表 1 所示 表 1 引脚接口说明表 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS 电源地 9D2 数据 2VDD 电源正极 10D3 数据 3VL 液晶显示偏压 11D4 数据 4RS 数据 命令选择 12D5 数据 5R W 读 写选择 13D6 数据 6E 使能信号 14D7 数据 7D0 数据 15BLA 背光源正极 8D1 数据 16BLK 背光源负极 20 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 VL 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地时对比度最 高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存器 第 5 脚 R W 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 R W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 R W 为高电平时可 以读忙信号 当 RS 为高电平 R W 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 脚 背光源正极 第 16 脚 背光源负极 21 6 系统调试和分析 6 1 时间显示 第一行分别为年 月 日 星期 星期一 Mon 星期二 Tue 星期三 Wed 星期 四 Thu 星期五 Fri 星期六 Sat 星期天 Sun 第二行为时 分 秒 温度 如图 12 所示 图 12 时间显示 6 2 精确度 利用秒表的精确记时与实时时钟的时间相比较 结果相差无几 计时精确度调试测 量如表 2 所示 表 2 计时精确度调试测量 测试次数 12345 秒表 s300 09623 12901 321280 461570 03 实时时钟 s 30062390112801570 6 3 调整时间 按下 调时键 进入调时状态 光标闪烁 此时按 设时加键 或 设时减键 进 行时加或时减 再按 调时键 依次循环 直至调时结束 如图 13 所示 图 13 时间调整光标闪烁显示 6 4 计时器 按下 计时键 打开计时器 此时按 计时开始 暂停键 进行开始或暂停计时器 再次按下 计时键 退出计时器 如图 14 所示 22 图 14 秒表计时 6 5 设置闹钟 按下 设置闹钟键 进入设闹钟状态 光标闪烁 此时按 设时加键 或 设时减 键 进行时加或时减 再按 设置闹钟键 依次循环 直至设置闹钟结束 如图 15 所 示 图 15 设置闹钟光标闪烁显示 6 6 复位 在 DS1302 副电源掉电 或多次乱按键盘造成系统出错时 按下 复位键 将 2012 04 30 Mon 00 00 01 写入 DS130