毕业设计（论文）基于单片机的智能数字闹钟

1、（20 08 届）届） 本科生毕业本科生毕业设计说明书（论文）设计说明书（论文） 基于单片机的智能数字闹钟 系系部：部： 计计算机科学与技算机科学与技术术 专专 业业： ： 计计算机科学与技算机科学与技术术 学学 生生 姓姓 名：名： 班班 级级： ： 数数库库 3 学号学号 指指导导教教师师姓名：姓名： 职职称称 教授教授 职职称称 助教助教 最最终评终评定成定成绩绩 2008 年 6 月 长沙学院本科生毕业设计（论文） 基于单片机的智能数字闹钟 系 （部）：计算机科学与技术 专 业：计算机科学与技术 学 号： 2004021414 学 生 姓名： 指 导 教师： 教 授 斌 助 教 200

2、 8 年 6 月 长沙学院毕业设计(论文) 摘 要 基于单片机的智能数字闹钟主要由 89c516rd+单片机控制。本毕业设计通过单片 机校园电子打铃系统的应用来实现其全部功能。采用带字库的 128*64lcd 液晶显示， 显示年、月、日、时、分、秒，星期，温度，系统操作显示菜单。能重新设定时间参 数, 支持每天 32 段打铃设置，每段铃声时间可调, 支持掉电时钟运行，可在掉电 30 天情况下时钟仍然精确运行;支持液晶菜单显示，打铃时显示打铃名称;支持按周、按 日重复打铃设置，每个打铃支持周六、周日停止功能;支持键盘输入功能，有多级菜 单;支持计算机串口数据载入功能 ;内置国标 2312 汉字库

3、，支持简体中文 16 点阵汉 字显示;打铃采用继电器和内部蜂鸣器，可兼容目前人工打铃的大部分设备。 该基于单片机的智能数字闹钟是由单片机最小系统及扩展 lcd 显示电路,语音电 路,电源电路，打铃系统电路，isp 下载电路，4*4 矩阵键盘电路组成。使用单片机 c 语言进行编程，实现其设计的各项功能。本报告主要介绍了数字闹钟的软、硬件部分 及在设计调试过程中遇到的问题及解决方案。 关键词：单片机, 智能数字闹钟, 校园电子打铃系统 长沙学院毕业设计(论文) abstract the intelligent digital alarm clock based on scm is mainly c

4、ontrolled by the 89 c516rd + scm.this graduation project achieves its full functionality through the campus e-scm application of a bell system. the year, month, day, hours, minutes and seconds, weeks, festivals and temperature are displayed trough the use of the 128*64 lcd liquid- crystal display wi

5、th font, and the system operation could show the menu. it could re-set the time parameters, to support a 32 bell set every day, with an adjustable ring tones. also it supports for power-off clock operation, which means the clock is still running without any errors under the circumstances that the po

6、wer-off has lasted for 30 days.it supports the lcd menu display by showing a bell name when a bell rings. it supports a repeated bell set in week or in day, with each bell supporting a stop of function on saturdays and sundays. it supports the keyboard inputing function, and has a multilevel menu. i

7、t supports the computer serial data load functions, so it can set up various paragraphs of ringtones. it could support a simplified chinese characters 16 dot matrix display with the hanzi ku-gb 2312 set in it. a bell adopts relays and internal buzzer, and most of the current equipment is compatible

8、in it. the intelligent digital alarm clock based on scm is formed by the smallest scm system and the expansion lcd display circuit, voice circuit, power circuit, a bell system circuit, isp download circuit, 4 * 4 matrix keyboard circuit. using the scm c language to programme to achieve the various f

9、unctions of the design. the report mainly introduces the hardware and software of the digital alarm clock and the problems encountered in the process of the design and their solutions. keywords: single-chip microcomputer, intelligent digital alarm clock, bell system 长沙学院毕业设计(论文) 目 录 第 1 章 前言.1 1.1 前

10、言 .1 1.2 需求分析 .2 第 2 章 方案设计 .4 2.1 设计功能 .4 2.1.1 指标.4 2.1.2 开发技术.4 2.2 实现功能方法 .4 第 3 章 硬件设计.6 3.1 89c516rd+介绍 .6 3.1.1 89c51 内部结构简介.6 3.1.2 89c51 的引脚功能.7 3.2 外部接口设备介绍 .8 3.2.1 矩阵式键盘.8 3.2.2 矩阵式键盘的结构与工作原理： .9 3.2.3 矩阵式键盘的按键识别方法 .10 3.2.4 smg12864g2-zk 液晶显示模块概述 .10 3.3 电路设计 .12 3.3.1.db-9 型串行接口 rs-232

11、c 电路图如下：.12 3.3.2.电源电路 .13 3.3.3.打铃系统电路 .14 3.3.4.整个系统电路 .14 3.3.5 pcb 电路板.15 3.4 电路图中硬件介绍 .16 3.4.1 继电器 .16 3.4.2 max232 .17 3.4.3 ds18b20 .17 3.4.4 ds1302 .18 第 4 章 软件设计.21 4.1 开发工具介绍 .21 4.1.1 protel 99 se.21 4.1.2 keil uvision3 .24 长沙学院毕业设计(论文) 4.2 软件设计 .26 4.2.1 程序流程图 .26 4.2.2 4*4 矩阵键盘.29 4.2.

12、3 ds1302 时钟芯片.30 4.2.4 ds18b20 温度传感器.32 4.2.5 128*64 带字库液晶显示模块.33 第 5 章 系统的组装与调试.38 5.1 硬件的组装与调试 .38 5.2 软件调试 .39 5.2.1 使用工具的熟悉 .39 5.2.2 软件编程 .39 第 6 章 使用说明.41 6.1 概述 .41 6.2 技术指标 .41 6.3 操作指南 .41 6.3.1 系统初始化 .42 6.3.2 输入当时时间,日期 .42 6.3.3 预置输入闹铃时间 .42 6.3.4 对打铃重复控制 .42 结 论.43 致 谢.44 参考文献.45 附录 1.-

13、46 - 附录 2.- 47 - 附录 3.- 48 - 长沙学院毕业设计(论文) 1 第 1 章 前言 1.1 前言 随着科学技术的日益进步,单片机的应用越来越广泛,它在生活中所扮演的角色也 越来越重要,给我们带来了太多的方便,可以说我们的生活渐渐离不开它了。很多领域 都在这方面下功夫,主要是要利用它的优越性和便捷性更好地为人类服务:像家用电器 领域,办公自动化领域,智能产品领域,测控系统,智能接口,商业营销领域,工业自动化,汽 车电子与航空航天电子系统。单片机的应用意义绝对不限于它的功能以及所带来的经 济效益上,更重要的意义在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法, 从前必须由

14、模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能,现在已能使用单片机通过软 件方法实现了,这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术,称之为微控制技术,这 标志着一种全新概念的建立,随着单片机广泛应用的推广普及,微控制技术必将不断发 展,日益完善,更加充实。 本次毕业设计的目的就是让我在理论学习的基础上，通过完成一个涉及单片机资 源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使我不但能够将课堂学习 的理论知识与实际联系结合起来，而且能够对电子电路，电子元器件，印制电路板等 方面的知识进一步加深理解，同时在软件编程，排版调试，焊接技术，相关仪器设备 的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，为今后能

15、够独立进行某些单片机应用系 统的开发设计工作打下一定的基础。 本项目通过对 89c51 单片机的运用，基于单片机的智能数字闹钟实现一个单片机 校园电子打铃系统的应用。能够对时间进行设置、保存、修改，并有通过软件与其通 信设置每天 32 段打铃。 单片机在实际应用中多为单主系统，即一个应用系统中只使用一片单片机。单机 有大量的应用领域,如单片机构成的各种工业控制系统,自适应控制系统,数据采集系 统之类的测控系统;用单片机组成测量,控制用的智能仪表,实现仪表的数字化,智能化,多 功能化,综合化,柔性化,采用单片机编程技术修正误差,线性化处理等1。 矩阵式键盘的按键识别方法 确定矩阵式键盘上何键被按

16、下介绍一种“行扫描法” 。 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，介绍 过程如下。1.判断键盘中有无键按下 将全部行线 y0-y3 置低电平，然后检测列线的 状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平 长沙学院毕业设计(论文) 2 线与 4 根行线相交叉的 4 个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 2.判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其 方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在 确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则

17、该列 线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键2。 lcd 的工作原理和结构 对于液晶显示屏，它通常包括玻璃基板、ito(indium tin oxide)膜、配向膜、 偏光板等制成的夹板，上下共有两层。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽， 上下玻璃基板配向为 90 度。上下夹层中放置液晶，液晶将按照沟槽方向配向。整体 看起来，液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列。当玻璃基板加入电场时，液晶分子 配列产生变化，变成竖立状态。当液晶分子竖立时光线无法通过，结果在显示屏上出 现黑色。液晶显示器(lcd)将根据电压的有无，控制液晶分子配列方向，使面板达到 显示效果。 对 lcd 的分类，有各

18、种分类方法。通常可按照其显示方式分为段式、点字符式、 点阵式等。除了黑白显示外，还有多灰度和彩色显示等3。 1.2 需求分析 整个方案采用的成本较低，32 段打铃设置可适应目前的学校制度并有一定的扩 展性，采用继电器控制可减少学校的重复投资，同时将节省学校以前在打铃人工上的 支出，本方案如可将成本控制在 150 元以内将会有很大的市场空间。 目前大部分小学、幼儿园尤其是乡村、山区的学校打铃仍然是采用人工方式，计 时一般采用普通时钟，占用人工、打铃时间不精确，本方案采用低成本设计，功能实 用，有一定的市场推广价值。 方案中采用了可升级的单片机作为主控单元，采用了专用的时钟芯片作为时间处 理，准确

19、度高、功耗极低，同时采用了超级电容作为后备电源，充电时间可以控制在 几秒内，掉电工作可达 1 个多月，且寿命极长，打铃时间可支持单机独立工作及 pc 机设置 2 种模式，整个方案在可用性、耐久性及可维护性上有很大的技术特点。 本方案采用的技术较全面、设计工作量较大，使用技术比较全面，对于设计人员 在单片机系统设计上的技术要求较全面，通过设计可以提升设计人员在单片机应用领 域的综合素质。 本项目通过对 89c51 单片机的运用，基于单片机的智能数字闹钟实现一个单片机 校园电子打铃系统的应用。能够对时间进行设置、保存、修改，并有通过软件与其通 信设置每天 32 段打铃。 长沙学院毕业设计(论文)

20、3 采用 128*64 液晶显示,能正确显示日期,时间,空气温度等信息。当时间达到设定 的闹时,继电器就会打铃,铃声持续 10 秒钟后,自动停止。锋鸣器也会响起,用来提示 整个校园打铃系统是否正常,液晶显示相关提示信息,整个系统支持键盘输入和软件通 信的方式对时间和闹时进行设定。操作方便,界面友好。菜单设计比较合理,人机对话 友好。 长沙学院毕业设计(论文) 4 第 2 章 方案设计 2.12.1 设计功能 2.1.1 指标 采用 mc5-51 系列单片机制作支持校园打铃的时钟控制器。 指标： 支持每天 32 段打铃设置，每段铃声时间可调。 支持掉电时钟运行，可在掉电 30 天情况下时钟仍然精

21、确运行。 支持液晶菜单显示，打铃时显示打铃名称。 支持按周、按日重复打铃设置，每个打铃支持周六、周日停止功能。 支持键盘输入功能，有多级菜单。 内置国标 2312 汉字库，支持简体中文 16 点阵汉字显示。 打铃采用继电器和内部蜂鸣器，可兼容目前人工打铃的大部分设备。 2.1.2 开发技术 本次设计采用了多种单片机技术： 中文点阵液晶显示技术。 i2c 总线及 eprom 数据存储技术。 单片机与 pc 机串行通讯技术。 单片机系统数据分配及结构存储技术。 单片机系统多级菜单控制技术。 单片机系统低功耗设计技术。 单片机系统键盘及 io 控制技术。 2.22.2 实现功能方法 本系统采用的单片

22、机为 sst 公司生产的 89c516rd+。89c51 是 51 系列单片机中的 常用 cpu，作为单片机应用项目中常用的电子元件，价格低廉，功能强大，体积小， 性能稳定。广泛应用于家用电器及玩具，智能测试设备，机电一体化产品，自动测控 系统，计算机控制及通信技术。 长沙学院毕业设计(论文) 5 液晶显示采用目前广泛使用 128*64 的带字库的液晶显示器 smg12864,时间控制 采用外置 ds1302 时钟芯片。温度控制采用独立的数温度集成电路 ds18b20，键盘采 用标准的 4*4 矩阵键盘.存储芯片用用 24lc08,设计了 isp 下载线电路,电源电路等。 整个系统用 c 进行

23、编程,使用软件 keil uvision3 进行调试,最后完成烧制过程. 整个系统完成经过如下几个步骤:首先在网上进行了大量的搜索工具,获得了大量的资 源,在图书馆也查阅了相关的书籍,因为刚刚接触单片机,感觉十分困惑.然后对电路原 理图进行设计,利用 protel 99 se 软件完成 pcb 的设计,然后联系厂家,生成出符合要 求的电路板.然后购买器材,进行焊接工作.然后进行编程,最后调试成功,烧制完毕。 长沙学院毕业设计(论文) 6 第 3 章 硬件设计硬件设计 3.1 89c516rd+介绍 本系统采用的单片机为 atmel 公司生产的 89c516rd+。89c51 是 51 系列单片

24、机中 的常用 cpu，作为单片机应用项目中常用的电子元件，价格低廉，功能强大，体积小， 性能稳定。广泛应用于家用电器及玩具，智能测试设备，机电一体化产品，自动测控 系统，计算机控制及通信技术。 3.1.1 89c51 内部结构简介 89c51 是 8 位的单片机，cpu,rom,ram,串行接口，并行 i/o 接口，定时/计数器， 中断系统几大单元以及数据总线，地址总线和控制总线组成。内部结构如图 3.1 所示。 图 3.1 89c51 内部结构 中央处理器：89c51 是 8 位数据宽度的处理器，它能处理 8 位二进制数或代码。 主要由算逻单元，控制单元和特殊寄存器组成。 长沙学院毕业设计(

25、论文) 7 存储器：89c51 采用哈佛结构，即 rom 和 ram 分开。它有 4096 个 8 位 rom 存储单 元，256 个 ram 单元，其中低 128 个为用户单元，高 128 个为特殊寄存器单元。 定时/计数器：89c51 有 2 个 16 位的定时/计数器，实现内部定时和外部计数，也 可产生中断，作为扩展中断源。 并行输入输出口：89c51 共有 4 个 8 位的双向并行 i/o 口，为 p0，p1，p2，p3。 其中 p3 口可作为第二功能扩展口。 全双工串行口：89c51 内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数 据传送，它既可用于异步通信，也可用作同步通信。

26、中断系统：89c51 有 2 个外部中断源，2 个定时/计数中断和 1 个串口中断。具有 2 级的中断优先级。 时钟电路：89c51 内部有最高频率达 24mhz 的时钟电路，可以外接晶振和电容作 为整个单片机运行的时钟脉冲。也可接外部时钟源作为工作时钟。 3.1.2 89c51 的引脚功能 89c51 引脚如图 3.2 所示。 图 3.2 89c51 引脚 电源引脚： vcc：电源端，正电源接 4.05.0v 电压，正常工作电压为5v。 vss：接地端。 外接晶振或外部晶振器引脚： 长沙学院毕业设计(论文) 8 xtal1：时钟 xtal1 脚，片内振荡电路的输入端。 xtal2：时钟 xt

27、al2 脚，片内振荡电路的输出端。 输入输出端口引脚： p0 口：双向数据传输口。当 89c51 外接存储器时，作为分时复用端口，需要地 址锁存器，89c51 从 p0 口分时传输数据或者存储器低 8 位地址。 p1 口：双向数据传输口。 p2 口：双向数据传输口。外接存贮器时传输存储器高 8 位地址。 p3 口：双向数据传输口。当3 口用做第二功能口时，各引脚含义如下： p3.0：串行数据接受口； p3.1：串行数据发送口； p3.2：外部中断 0 信号输入； p3.3：外部中断 1 信号输入； p3.4：计数器 0 外部输入； p3.5：计数器 1 外部输入； p3.6：外部 ram 读选

28、通； p3.7：外部 ram 写选通； rst：单片机内部复位信号输入端。 ale/error!error!：地址锁存。 error!error!：外部程序存储器读选通信号。 error!error!/vpp：访问内部或外部程序存储器选通信号。 3.2 外部接口设备介绍 本系统用到的外部接口设备包括：44 列矩阵式键盘,db-9 型串行接口 rs- 232c,ds130 时钟芯片, ds18b20 温度传感器。电源电路,存储芯片 24c08,128*64lcd 液晶显示器。 3.2.1 矩阵式键盘 单片机的键盘有很多种，其中使用最多的有独立式键盘和矩阵式键盘，前者较简 单，后者则用于多按键的场

29、合。本系统采用 44 列矩阵式键盘。 其具体功能所对应键如图 3.3 所示。 长沙学院毕业设计(论文) 9 图 3.3 键盘对应功能 3.2.2 矩阵式键盘的结构与工作原理： 在键盘中按键数量较多时，为了减少 i/o 口的占用，通常将按键排列成矩阵形式， 如图 3.4 所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通 过一个按键加以连接。这样，一个端口（如 p1 口）就可以构成 4*4=16 个按键，比之 直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线 就可以构成 20 键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9 键） 。 图 3.4 键盘与 89

30、c51 引脚接法 由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线 通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的 i/o 口作为输出端，而列线所接的 i/o 长沙学院毕业设计(论文) 10 口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。 行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的 状态就可得知是否有键按下了。具体的识别及编程方法如下所述。 3.2.3 矩阵式键盘的按键识别方法 确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法” 。 行扫描法 行扫描法又称为逐

31、行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别 方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。 判断键盘中有无键按下 将全部行线 y0-y3 置低电平，然后检测列线的状态。只 要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与 4 根 行线相交叉的 4 个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。 其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。 在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该 列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 下面给出

32、一个具体的例子： 图仍如上所示。8031 单片机的 p1 口用作键盘 i/o 口，键盘的列线接到 p1 口的 低 4 位，键盘的行线接到 p1 口的高 4 位。列线 p1.0-p1.3 分别接有 4 个上拉电阻到 正电源+5v，并把列线 p1.0-p1.3 设置为输入线，行线 p1.4-p.17 设置为输出线。4 根行线和 4 根列线形成 16 个相交点。检测当前是否有键被按下。检测的方法是 p1.4-p1.7 输出全“0” ，读取 p1.0-p1.3 的状态，若 p1.0-p1.3 为全“1” ，则无键闭 合，否则有键闭合。去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的 检测判断。

33、若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描 4。p1.4-p1.7 按下述 4 种组合依次输出： p1.7 1 1 1 0 p1.6 1 1 0 1 p1.5 1 0 1 1 p1.4 0 1 1 1 3.2.4 smg12864g2-zk 液晶显示模块概述 液晶显示模块是 12864 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形， 内置国标 gb2312 码简体中文字库（16x16 点阵） 、128 个字符（8x16 点阵）及 64x256 点阵显示 ram（gdram） 。可与 cpu 直接接口，提供两种界面来连接微处理机： 长沙学院毕业设计(论文) 11 8-位并

34、行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等5。 3.2.4.1 模块引脚说明 液晶液晶模块引脚说明如表 3.5 所示。 表 3.5 液晶模块引脚说明 3.2.4.2 显示资料 ram（ddram） 显示资料 ram 提供 642 个位元组的空间，最多可以控制 4 行 16 字（64 个字） 的中文字型显示，当写入显示资料 ram 时，可以分别显示 cgrom、hcgrom 与 cgram 的字型；st7920a 可以显示三种字型 ，分别是半宽的 hcgrom 字型、cgram 字型及 中文 cgrom 字型 ，三种字型的选择，由在 ddram 中写入的编码选择，在 00

35、00h 0006h 的编码中将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码达成中文字型 的编码（a140d75f） ，各种字型详细编码如下： 显示半宽字型 ：将 8 位元资料写入 ddram 中，范围为 02h7fh 的编码。 显示 cgram 字型：将 16 位元资料写入 ddram 中，总共有 0000h，0002h，0004h，0006h 四种编码。 显示中文字形：将 16 位元资料写入 ddramk ，范围为 a1a1hf7feh 的编码。 3.2.4.3 smg12864g2-zk 参考连接 8051 系列连接方式如图 3.6。 长沙学院毕业设计(论文) 12 图 3.6 8051

36、系列串口方式 8051 系列并口连接方式如图 3.7。 图 3.7 8051 系列并口方式 3.3 电路设计 使用 protel 99 se 画出电路图，生成 pcb 板。 3.3.1.db-9 型串行接口 rs-232c 电路图 长沙学院毕业设计(论文) 13 rs-232 标准串口设计电路图如图 3.8。 图 3.8 rs-232 标准串口设计电路图 程序做完后，把hex文件烧到单片机内，用isp下载线和软件stc_isp通过上图电 路设计，就可以把程序烧到单片机内。 max232在这里起到电平转器的作用,把非平衡的ttl电平信号转变在平衡的ttl电 平信号。ttl电平信号被利用的最多是因

37、为通常数据表示采用二进制规定，+5v等价于 逻辑“1” ，0v等价于逻辑“0” ，这被称做ttl（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统， 这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。ttl电平信号被利用 的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5v等价于逻辑“1” ，0v等价于逻辑 “0” ，这被称做ttl（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的 设备内部各部分之间通信的标准技术 ttl电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计 算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外 ttl电平信号直接与集成电路连接而不需

38、要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路； 再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而ttl接口的操 作恰能满足这个要求。ttl型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行 数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。这是由于可靠性和成本两面的原因。因 为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。 3.3.2.电源电路 长沙学院毕业设计(论文) 14 图 3.9 电源电路 此电路图(如图 3.9)设计，能给系统提供稳定的直流电源，保证系统的正常工作.桥 堆器主要起到防止正负接反，lm7805 稳压的作用。 3.3.3.打铃系统电路 图 3.10 打铃系

39、统电路 打铃系统电路如图 3.10 所示。程序给引脚一个低电平的时候，继电器闭合，开 始打铃。低电平信号 0 通过三极管把电流放大，引起继电器闭合，打铃运行。电路中 的二极管起到续流的作用, 续流二极管,是反向并联在电感线圈两端,为其产生的反向 电动势提供消能回路的整流管，通过二极释放电流。 3.3.4.整个系统电路 长沙学院毕业设计(论文) 15 图 3.11 整个系统电路 矩阵键盘接 p1 口，锋鸣器通过一个三极管把电流放大发音，液晶与单片机接法 在液晶模块有详细介绍。整个系统电路包括 isp 下载电路，电源电路，ds1302 时钟 芯片电路，ds18b20 温度传感器电路,24c08ee

40、prom 存储芯片电路，液晶模块电路，继 电器打铃电路，锋鸣器电路。整个系统电路如图 3.11 所示。 3.3.5 pcb 电路板 pcb 电路板如图 3.12。 长沙学院毕业设计(论文) 16 图 3.12 pcb 电路板 3.43.4 电路图中硬件介绍 3.4.1 继电器 3.4.1.1 继电器的工作原理和特性 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统 （又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较 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。 3.4.1.2 电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电

41、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）吸合。这样吸合、释放，从而 长沙学院毕业设计(论文) 17 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” 。 3.4.2 m

42、ax232 max232 是电压转换芯片，将 ttl 电平转换成可以和电脑串口匹配的电压。 max232 芯片是美信公司专门为电脑的 rs-232 标准串口设计的接口电路,使用+5v 单电 源供电。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生 +12v 和-12v 两个电源，提供给 rs-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通 道。 其中 13 脚（r1in） 、12 脚（r1out） 、11 脚（t1in） 、14 脚（t1out）为第一数据 通道。8

43、 脚（r2in） 、9 脚（r2out） 、10 脚（t2in） 、7 脚（t2out）为第二数据通道。 ttl/cmos 数据从 t1in、t2in 输入转换成 rs-232 数据从 t1out、t2out 送到电脑 dp9 插头；dp9 插头的 rs-232 数据从 r1in、r2in 输入转换成 ttl/cmos 数据后从 r1out、r2out 输出6。 第三部分是供电。15 脚 dng、16 脚 vcc（+5v） 。 3.4.3 ds18b20 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

44、 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 912 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

45、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 长沙学院毕业设计(论文) 18 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

46、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 d

47、s18b20 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。 （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

48、 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

49、 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7。 3.4.4 ds1302 现在流行的串行时钟电路很多，如 ds1302、 ds1307、pcf8485 等。这些电路的 接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本文介绍的实时时钟电路 ds1302 长沙学院毕业设计(论文) 19 是 dallas 公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输， 可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通 32.768khz 晶振。 3.4.4.1 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 r

50、am 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8。 3.4.4.2 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。

51、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

52、，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。 3.4.4.3 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

53、输出。 3.4.4.4 数据输入输出(i/o) 长沙学院毕业设计(论文) 20 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。 3.4.4.5 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

54、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)。 3.4.4.6 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 32.7

55、68khz 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。 ds1302 存在时钟精度不高，易受环境影响，

56、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。 长沙学院毕业设计(论文) 21 第 4 章 软件设计 4.1

57、开发工具介绍 4.1.1 protel 99 se 随着计算机技术的发展，计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛， orcad，protel 等都是人们熟悉的常用 eda 软件。protel 99 se 是 protel 公司推出 的最新版本，应用于电路原理图设计、电路板设计等，他基于 windows 环境，功能强 大，人机界面友好，能让人们在具有最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。 本文将介绍 protel 99 se 在电路设计中的应用，包括电路原理图设计和印刷电路板 设计以及设计过程中遇到的问题和解决方法。电路原理图的设计是整个电路设计的基 础，因此电路原理图要设计好，以免影响后

58、面的设计工作9。 4.1.1.1 电路原理图的设计步骤 电路原理图的设计一般有如下步骤： (1)设置原理图设计环境； (2)放置元件； (3)原理图布线； (4)编辑和调整； (5)检查原理图； (6)生成网络表。 4.1.1.2 印刷电路板设计的步骤 印刷电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路,因此,印刷电路板 设计是电路设计中最重要、最关键的一步。通常，印刷电路板设计的具体步骤如下： (1)规划电路板； (2)设置参数； 长沙学院毕业设计(论文) 22 (3)装入网络表； (4)元器件布局； (5)自动布线； (6)手工调整。 4.1.1.3 电路原理图设计操作方法 电路原理图

59、设计最基本的要求是正确性，其次是布局合理，最后在是正确性和布 局合理的前提下力求美观。 (1)启动原理图设计服务器 进入 protel 99 se，创建一个数据库，执行菜单 file/new 命令，从框中选择原理图服务器（schematic document）图标，双击该图 标，建立原理图设计文档。双击文档图标，进入原理图设计服务器界面。 (2)设置原理图设计环境 执行菜单 design/options 和 tool/preferences，设置 图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。 (3)装入所需的元件库 在设计管理器中选择 browse sch 页面，在 browse 区域中 的下拉框中选择

60、library，然后单击 add/remove 按钮，在弹出的窗口中寻找 protel 99 se 子目录，在该目录中选择 librarysch 路径，在元件库列表中选择所需的元 件库，比如 miscellaneous devices ddb，ti databook 库等，单击 add 按钮，即可 把元件库增加到元件库管理器中。 (4)放置元件 根据实际电路的需要，到元件库中找出所需的元件，然后用元件管 理器的 place 按钮将元件放置在工作平面上，再根据元件之间的走线把元件调整好。 (5)原理图布线 利用 protel 99 se 提供的各种工具、指令进行布线，将工作平 面上的器件用具有电