智能化电子系统设计报告正文(带温显示的多功能数字钟).doc
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1、目录1前言12 总体方案设计22.1方案比较22.2方案论证和方案选择33 硬件接口设计43.1各硬件功能介绍及电路设计43.1.1 DS18B20温度传感器43.1.2串口通信电路43.1.3按键电路53.1.4 LED显示电路63.1.5 单片机STC89C5263.1.6 IIC的存储电路73.2电路参数的计算及元器件的选择83.3特殊器件的介绍83.3.1 DS18B20芯片介绍83.3.2 STC89C52单片机介绍93.3.3 24C02存储器介绍104 软件设计124.1软件设计原理及设计所用工具124.2 软件设计流程图124.3 keilc与protel简介135 系统调试1
2、45.1 系统硬件调试145.2 系统软件调试146 系统功能、指标参数157 结论188 总结与体会199参考文献20附录一21附录二241前言本次课程设计是为了锻炼我们的动手能力,加强对硬件电路的设计、制作能力,巩固以往所学的模电、数电等电路理论知识,从实践操作中,掌握电子产品的常规设计开发流程,提升对电子产品系统规划的整体认知,由实验室课题制作的理解转化为公司化产品开发流程的实际操作。本设计为带温度的数字钟,在日常生产生活中应用广泛,作为基础性功能产品,带温度的数字钟在农业大棚、工业流水线、环境监测设备、仓储等方面发挥着重要作用,国外带温度检测报警的智能化系统具备相当先进的发展水平,我国
3、的同类系统也在飞速发展中,并逐渐深入各行各业,渗透到各种产品体系中,为电子工业发展提供重要助力。现在是一个知识爆炸的新时代,在这快速发展的年代,时间对人们来说是越来越宝贵,在快节奏的生活时,人们往往忘记了时间,一旦遇到重要的事情而忘记了时间,这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的,人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器,可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能,将其时间数据经单片机输出,利用显示器显示出来。通过键盘可以
4、进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器,由于电子钟,石英表,石英钟都采用了石英晶振技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便,不需要经常调校。数字式电子钟用集成电路计时和译码,代替了传统时钟的“机械式传动”装置,用 LED 数码管或液晶显示器代替传统的指针式显示器,减小了计时误差,这种表具有时,分,秒显示时间的功能,还可以进行时和分的校对,具有简单、方便的校时功能。近年来,随着科技的发展和社会的进步,人们对计时器的要求也越来越高,多功能计时器不论在性能还是在样式上都发生了质的变化,为人们的生活带来便利。2 总体方案设计2
5、.1方案比较方案一:图2.1 基于LCD的设计框图该方案是用LCD进行显示的,内部包括了时钟电路,电源电路,温度检测等,核心是单片机,运用keilc进行编程。报警电路用的是二极管代替的,按键设置能够自由的设计门限值。方案二:图2.2基于LED的设计框图方案二运用的LED灯作为显示部分,其他的和方案一相同。2.2方案论证和方案选择LED是发光二极管属于二极管的一种,lcd是液晶显示屏,两者相差太多.但是用LED的点阵也能组成显示器,适用于户外大屏幕显示,分辨率较低。LED显示器与LCD显示器相比,LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面,都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1:10,而且
6、更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现,能提供宽达160的视角,可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息,也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号,多幅显示屏还可以进行联网播出。有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍,在强光下也可以照看不误,并且适应零下40度的低温。利用LED技术,可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器,拥有广泛的应用前景。所以综合考虑,我们选择用基于LED的方案一更为合适。设计直接用单片机编程,用硬件电路搭建方便,通过STC89C52单片机编写程序,将预定功能一一实现。这样可以大大简化系统结构,降低材料的成本。提高系统的先
7、进性和可靠性,能实现控制器的系统编程。3 硬件接口设计3.1各硬件功能介绍及电路设计3.1.1 DS18B20温度传感器DS18B20的核心功能是它的直接读数字的温度传感器,温度传感器的精度为用户的可编程的9,10,12位,分别为0.5,0.25,0.125和0.0625度增量递增,在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20上电后保持低电耗的默认状态。图3.1 温度传感器电路图3.1.2串口通信电路RS232串口通信通过CPU发送控制信号控制RS232的发送和接受。串口的工作方式有:方式0 (00):同步移位寄存器方式(用于扩展I/O)方式1(01):8位异步收发,波特率可变(由定时器控制
8、)方式2(10):9位异步收发,波特率为Fosc/64或Fosc/32方式3(11):9位异步收发,波特率可变(由定时器控制)RS-232下载电路主要有串口和MAX232构成。J1_1为串口接口,一端连接MAX232,另一端通过串口线和电脑连接。J1为下载接口,通过杜邦线可以与单片机的TXD和RXD相连接。图3.2 串口通信电路3.1.3按键电路键盘分为编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现,并产生键编码号或键值的称为编码键盘,如计算机键盘。而靠软件编程来识别的键盘称为非编码键盘,在单片机组成的各种系统中,用得较多的是非编码键盘。非编码键盘又分为独立键盘和行列式键盘。在
9、本设计中定义了8个按键,其功能如下:S2: 确定 S6:设置当前时间S3:设置闹钟 S7:设置报警温度S4:加 S8:减S5:左移 S9:右移图3.3 按键电路图3.1.4 LED显示电路对于数码显示管单元,我们选用的是七段数码显示管,七段数码显示管有共阴极和共阳极两种,显示器接口按驱动方式可分为静态显示和动态显示两种方式。静态显示的优点是显示稳定,亮度高;缺点是占用硬件电路(如I/O口、驱动器等)多。动态显示的优点是节省硬件电路;缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多,当显示位数较多时,显示器亮度将受到影响。此系统我们采用的是7段共阳数码显示管、动态显示的工作情况。在该电路中,P0口作为8个数
10、码管的使能端,P2口作为8个数码管的数据端,通过动态扫描,让数码管显示我们需要的内容。图3.4 LED显示电路图3.1.5 单片机STC89C52STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory )的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。图3.5 单片机最小系统图在本设计中,单片机是核心,通过软件编程,让单片机控制下面的子模块,从而实现预定功能。P0口用作数码管的使
11、能端,P2口用作数码管的数据端,P1口与P3口的一部分用作按键扫描与24C02的端口。在本设计中还使用了中断。3.1.6 IIC的存储电路I2C串行总线一般有两根信号线,一根是双向的数据线SDA,另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上,各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。IIC总线的特点有:二线制,支持多主控,位速率100 Kbit/s到3.4M kbit/s。连接到相同数量的IIC上面。在本设计中,24C02用于存储闹钟时间与报警温度。图3.6 IIC的电路图3.2电路参数的计算及元器件的选择本次设计用到了的元件有STC89C52单片机,DS1
12、8B20温度传感器,LED数码管,24C02存储器, RS232串口以及各种按钮,电阻,电容。电路的参数在买元件之前预先计算好。3.3特殊器件的介绍3.3.1 DS18B20芯片介绍 DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。DS18B20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。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
13、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。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。图3.7 DS18B20的实物图图3.8 DS18B20内部结构图3.3.2 STC89C52单片机介绍 C52是由宏晶公司推出的新一代高速,低功耗,超强抗干扰的
14、单片机,指令代码完全兼容传统的8051单片机,12个时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。其主要特性如下:与MCS-51 兼容 8K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环 数据保留时间:10年 全静态工作:0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 512内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路图3.9 C52单片机实物图图3.10 C52单片机引脚图3.3.3 24C02存储器介绍24C02是串行E2PROM存储器,是基于I2C-BUS 的存储器件,遵循二线制协议,由于其具有接口方便,体积小,数
15、据掉电不丢失等特点,在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。(1).宽范围的工作电压1.8v5.5v (2).低电压技术:(3).储存器组织结构(4).2线串行接口,完全兼容I2C总线(5).施密特触发输入噪声抑制(6).硬件数据写保护(7).内部与周期(最大5ms)(8).自动递增地址(9).可按照字节写(10).esd保护大于2.5kV (11).高可靠性:擦写寿命:100万次数据保持时间:100年(12).无铅工艺,符合RoHS标准图3.11 24C02引脚图4 软件设计4.1软件设计原理及设计所用工具本次设计利用protel的特点画出原理图和PCB图,并用电气规则检查无误以后,就可
16、以直接买元器件,焊板子。本设计所用的程序设计软件为keil c,在此软件上逐句的写出本设计所要实现的功能的程序代码。4.2 软件设计流程图图4.1 系统软件设计的流程图本设计主要流程:初始化后正常显示时间与温度,同时将存在24C02中的闹钟值、报警温度与当前时间,温度比较,满足条件就报警。同时判断是否有按键按下,如果有按键按下,便实现相应的按键功能,按键结束后返回主程序。如果没有按键按下,直接返回主程序。4.3 keilc与protel简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显
17、的优势,因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构中uVision与Ishell 分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE),可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编
18、译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件 (.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件,以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试,也可由仿真器使用直接对目标板进行调试,也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大
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