智能定时闹钟毕业设计Word下载.docx
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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
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。
1.3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SingleChipMicrocomputer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SingleChipMicrocomputer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。
①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。
②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。
③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:
①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。
②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:
CANBUS。
③CMOS化,提供功耗管理功能。
④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。
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
采用多位数码管显示。
采用LCD1602字符液晶显示器显示。
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。
采用方案二1602字符液晶显示器显示。
3.3检测温度部分
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。
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。
输出精度不够高。
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。
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
5原理分析与硬件电路图
5.1DS18B20
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Φ6。
(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。
(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。
5.1.3DS18B20的外形和内部结构
DS18B20的外形及管脚排列如下图所示。
图2DS18B20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。
图3DS18B20实物图图4DS18B20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5DS18B20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;
(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。
5.1.4DS18B20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。
5.2DS1302S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:
1RES复位,2I/O数据线,3SCLK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.
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