分立式生活环境表的研究与制作-毕业设计.doc
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分立式生活环境表的研究与制作
前言
由于直流稳压电源的应用在越来越多翎羽起着不可分割的作用,做为电子设计中的常用设备之一,直流稳压电源应用领域已经十分的广泛了。
它的分类主要有四类:
第一类稳压二极管稳压电路,这种稳压电路中利用硅稳压二极管的稳压特性,实现直流工作电压的稳压输出。
这种直流稳压电路的稳压特性一半,往往只用于稳定局部的直流电压。
在整机电源电路中一般不用。
第二类串联调整管稳压电路,这种稳压电路利用了三极管集电极与发射极之间阻抗随基极电流大小变化而变化的特性,进行直流输出电压的自动调整,实现直流输出电压的稳定。
在这种稳压电路中的三极管(调整管)一直处于导通状态。
第三类开关型稳压电路,这是一种高性能的直流稳压电路,稳压原理比较复杂,在这种电路中的三极管(开关管)处于导通、截止两种状态的转换中,即工作在开关状态,所以开关型稳压电路由此得名。
第四类三端集成稳压电路,这是一种集成电路的稳压电路,其功能是稳定直流输出电压。
这种集成电路只有三根引脚,使用很方便,在许多场合都有着广泛应用。
传统的直流稳压电源功能简单,难于控制,可靠性低,干扰大,精度低且体积大,复杂度高。
而基于单片机控制的直流稳压电源则能较好地解决以上传统稳压电源的不足。
其良好的性价比更能为人们所接受,具有一定的设计价值。
1设计任务
本研究要求设计的分立式生活环境表不仅能显示时间、星期、公历日期信息,还能显示农历信息(因为在我们国家,很多节日都是定在农历的,如年初一、七夕、八月十五等)以及实现整点报时和实时温度显示等功能。
在这个分立式生活环境表设计系统中,还具有时间可调功能,比如我们想知道某一年的某一天的农历时间,我们可以调到相应的公历日,则农历就会根据公历日期被系统自动转换过来,再显示相应的农历信息。
2方案与论证
2.1单片机芯片的选择方案与论证
方案一:
采用89C51芯片作为硬件核心,采用FlashROM,内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二:
采用AT89S52,片内ROM全都采用FlashROM;能以3V的超底压工作;同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,同样具有89C51的功能,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成损坏。
所以选择采用AT89S52作为主控制系统。
2.2显示模块的选择方案和论证
方案一:
采用LED数码管动态扫描,虽然LED数码管价格适中,对于显示数字也比较合适,然而需要显示多位数字和字母时,编程就会变得很复杂,而且占用的单片机口线多。
方案二:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示.
方案三:
采用LCD液晶显示屏,LCD液晶显示屏尽管价格比较贵,但它的显示功能强大,可显示大量字符,显示多样,清晰可见,,需要的接口线少。
所以采用LCD液晶显示屏作为显示。
2.3时钟芯片的选择方案和论证
方案一:
直接采用单片机定时计数器提供秒信号,使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。
采用此种方案虽然减少芯片的使用,节约成本,但是,实现的时间误差较大。
方案二:
采用DS1302时钟芯片实现时钟,DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片,可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数,而且精度高,位的RAM做为数据暂存区,工作电压2.5V~5.5V范围内,2.5V时耗电小于300nA.
所以采用DS1302提供时钟。
2.4温度传感器的选择方案与论证
方案一:
使用热敏电阻作为传感器,用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压,利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性,采集这两个电阻变化的分压值,并进行A/D转换。
。
此设计方案需用A/D转换电路,增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的,会产生较大的测量误差。
方案二:
采用数字式温度传感器DS18B20,此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,可以去除A/D模块,降低硬件成本,简化系统电路。
另外,数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
所以采用数字式温度传感器DS18B20测量温度。
2.5路设计最终方案决定
综上各方案所述,对此次作品的方案选定:
采用AT89S52作为主控制系统;DS1302提供时钟;数字式温度传感器;LCD液晶显示屏作为显示模块。
3系统硬件设计
3.1系统总框图
本系统以集成芯片为主,以C语言为开发语言,通过对硬件进行软件编程实现所需要的功能。
系统的总框图如图3.1-1所示,以下的内容就是根据总框图逐步实现的。
峰鸣器闹铃模块
键盘输入电路
AT89S52
主控模块
DS1302时钟模块
DS18B20温度模块
显示电路
图3.1-1系统总框图
系统总框图说明:
DS1302时钟模块可以输出其当前日期及时间
键盘输入电路可以调整日期,时间及整体的转换
DS18B20温度模块可以测量当前室内的温度
峰鸣器闹铃模块可以做整点报时
3.2原理图设计
3.2.1AT89S52模块
目前,在我国比较流行的就是美国ATMEL公司的89C51它是一种带FlashROM的单片机,事实上,89C51目前正在用89S52代替。
本系统是以AT89S52作为主控芯片。
AT89S52采用40Pin封装的双列直接DIP结构,图5.1-1是它们的引脚配置,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
时钟有两种方式,一种是片内时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。
另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。
·输入输出(I/O)引脚:
Pin32-Pin39为P0.0-P0.7输入输出脚,Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚,Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚,这些输入输出脚的功能阐述如下:
P0口(32脚~39脚):
是双向8位三态I/O口。
P1口(1脚~8脚):
是8位准双向I/O口。
由于这种借口输出没有高阻状态,输入也不能锁存,故不是真正的双向I/O口。
P1口能驱动(吸收或输出电流)4个TTL负载。
P2口(21脚~28脚):
是8位准双向I/O口。
访问外部存储器时,它可以作为高8位地址总线送出高8位地址。
P2可以驱动(吸收或输出电流)4个TTL负载。
P3口(10脚~17脚):
是8位准双向I/O口。
P3口的8条线都定义有第二功能,如表3.2.1-1所列。
表3.2.1-1P3口的第二功能表
引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行口输入端)
P3.1
TXD(串行口输出端)
P3.2
INT0(外部中断0请求输入端,低电平有效)
P3.3
INT1(外部中断0请求输入端,低电平有效)
P3.4
T0(定时器/计数器0的技数脉冲输入端)
P3.5
T1(定时器/计数器0的技数脉冲输入端)
P3.6
WR(片外数据存储器写选通信号输出端,低电平有效)
P3.7
RD(片外数据存储器写选通信号输出端,低电平有效)
3.2.2DS1302时钟模块
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。
现用DS1302的引脚图及引脚功能表来描述其结构功能。
18
27
36
45
VCC2VCC1
X1SCLK
X2I/O
图3.2.2-1DS1302的引脚图
表3.2.2-1引脚功能表
引脚号
引脚名称
功能
1
Vcc2
主电源引脚
2,3
X1,X2
振荡源,外接32.768KHz晶振
4
RST
接地
5
GND
复位/片选端
6
I/O
串行数据输入/输出端(双向)
7
SCLK
串行时钟输入端
8
Vcc1
备用电源
工作原理:
工作原理:
时钟芯片主要由寄存器、控制寄存器、振荡器、实时时钟以及RAM组成。
为了对任何数据传送进行初始化,需要将RST置为高电平且将具有地址和控制信息的8位数据(控制字节)装入移位寄存器。
数据在SCLK的上升沿串行输入,前8位指定访问地址,命令字装入移位寄存器后,在之后的时钟周期,读操作时输出数据,写操作时输入数据。
时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8(8位地址加8位数据),在多字节突发模式方式下为8加最多可达248的数据。
DS1302的电路设计图如图3.2.2-2所示。
图3.2.2-2DS1302电路设计图
3.2.3DS18B02模块
首先,DS18B02的性能如下:
◆单线接口:
仅需一根口线与MCU连接进行通信。
◆多个DS18B20可以并联在惟一的3线上,实现多点组网功能。
◆无需外围元件
◆可通过数据线供电,电压范围为3.0~5.5V。
◆零待机功耗。
◆测温范围:
-55~125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
◆通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
◆用户可自设定非易失性的报警上下限值。
◆支持多点组网功能,多个DS18B20能联在惟一的三线上,实现多点测温。
◆报警搜索命令可识别哪片DS1820超温度限。
◆负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
其次,DS18B02的内部结构示意图如图3.2.3-1所示。
64位ROM
和
单线接口
存储器与控制逻辑
I/O
高
速
缓
存
温度传感器
低温触发器
高温触发器
C
8位CRC发生器
VDD
图3.2.3-1DS18B02内部结构示意图
DS18B20的测温原理:
DS18B20的测温原理如图所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数。
减法计数器1
低温系数振荡器
预置
温度寄存器
高温度系数振荡器
减法计数器2
减到0
斜率累加器
计数比较器
预置
减到0
停
图3.2.3-2DS18B20测温原理图
DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源;另一种是寄生电源供电方式。
3.2.4显示模块
LCD1602可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。
LCD1602的引脚如图3.2.4-1所示。
图3.2.4-1LCD1602的引脚图
4软件设计
4.1程序流程图
F0=1?
X=X-Y
X=X-Y
农历日=
Y-X+1
农历年、月、日数据标准化
子程序出口
农历日=X+1
X=Y
X>Y?
农历月
=闰月?
农历月减1
F0取反
取农历月天数Y
农历年=公历年减1,数据表地址减3,定位到前一年,取农历信息
转换数据到HEX格式,方便运算
根据公历年,定位数据表的地址
从数据表中取得春节的公历日期,并通过计算公历日和春节离元旦的天数算出公历日离春节的天数,记为X
公历日在春节以后
子程序入口
农历年=公历年,取农历月信息
农历月加1,闰月标志F0=0(非闰月)
农历月=12,闰月标志F0=(非闰月)
F0取反
农历月加1
F0=1?
农历月
=闰月?
取农历月
天数Y
否是
是
图4.1-1公农历转换程序流程图
4.2DS18B02程序设计方案
本设计采用电源供电方式,设计电路如图4.2-1所示。
图4.2-1DS18B20电路设计图
通过单线总线端口访问DS18B20的协议如下:
◆初始化DS18B20(发复位脉冲)
◆发ROM功能操作命令
◆发存储器操作命令
◆处理数据
第一,初始化DS18B20
初始化函数时序如下图所示,如图中虚线所示,单片机接收到低电平脉冲说明复位成功,否则需重新进行复位操作。
15~60μs480μs
400~960μs60~240μs
t0t1t2t3t4
图4.2-2初始化时序图
第二,ROM操作命令
一旦总线控制器探测到一个存在脉冲,就可以发出以下5个ROM命令中的任一个。
◆ReadROM[33H]
该命令允许总线控制器读到DS18B20的8位系列编码、惟一的序列和8位CRC码。
◆WriteSchratchpad[4EH]
该命令向DS18B20的暂存器TH和TL中写入数据。
◆SkipROM[0CCH]
该命令允许总线控制器不用提供64位ROM编码就使用存储器操作命令4)ReadScrachped[0BEH]
该命令读取暂存器的内容。
ConvertT[48H]
该命令启动一次温度转换而无需其它数据。
。
◆写时间隙
当主机t0时刻把总线从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候,写时间隙开始。
>60μs>60μs
15μs15~60μs>1μs>15μs45μs>1μs
t0t1t0t1
图4.2-3DS18B20写0和写1时序图
◆读时间隙
当主机t0时刻把总线从逻辑高电平拉到逻辑低电平时,总线只需保持低电平1~4μs,之后在t1时刻将总线拉高产生读时间隙,读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效,t2距t015μs。
读位时序见图14。
>60μs
15μs>1μs
t0t1t2t3
图4.2-4DS18B20读位时序图
◆数据处理
数据处理思路是先取高速暂存器RAM中温度信息的底字节LSB,将LSB右移4位,再取高速暂存器RAM中温度信息的高字节MSB,将MSB左移4位,接着将LSB和MSB两个字节相或,得到一个整数,再送显示。
4.3整点报时设计
利用AT89S52的内部定时器使其工作计数器模式(MODE1)下,改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶,整点报时电路图设计:
图4.3-1整点报时电路设计图
4.4时间可调设计
思路:
首先判断是否有键按下,如果有则延时一段时间,再判断是否有键按下,其目的是为了消除电路抖动和消除干扰信号。
液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪里显示字符,表3是1602的内部显示地址
.
表4.4-11602的内部显示地址表
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0A
0B
0C
0D
0E
0F
第一行
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
4A
4B
4C
4D
4E
4F
第二行
比如第二行第一个字符的地址是40H,那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢?
这样不行,因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B(40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H)
图4.4-1LCD1602电路设计图
4.5电源模块设计
本设计的稳压电源由变压器、滤波器和集成稳压等环节组成。
220V交流电压经过变压器变成12V,然后通过电容C1的滤波作用后形成12V的直流电源,最后经过LM7805后输出5V的稳压电源,如图17所示。
图4.5-1稳压电源电路设计图
5结束语
本设计以ATMEL公司的AT89S52为主控芯片,配合专用的时钟芯片及软件能稳定地显示当前时间,室内温度及完成公农历转换。
本设计的方案选择与当前主流的设计思想吻合,所用到的模块具有很高的实用性,特别是编程语言选用硬件C为系统的移植提供了很大的方便。
由于硬件设备问题,所以设计的硬件以单片机专用仿真软件ProtuesISIS6.9SP4为开发平台,软件以keil51为开发平台,这为系统的软硬件调试提供了很大方便。
与市面上的大多数万年历以分立元件为主不同,本设计大多使用集成芯片。
集成芯片的稳定性,可靠性及资源利用率都远优于分立元件。
这对系统的长时间稳定工作有决定性的作用。
首先,是解决软件上的设计问题,通过编程实现闹铃可以实现语音整点报时以及实时显示温度可精确到一个小数位。
其次,用贴片芯片代替直插元件,降低系统的设计成本
最后,实现响铃、防御报警、娱乐三种创新功能
附录:
系统原理图
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17
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