智能打鈴系統(tǒng)

1、智 能 打 鈴 系 統(tǒng)引言本設(shè)計(jì)采用STC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘芯片DS1307及128x64LCD的控制，系統(tǒng)由STC單片機(jī)控制部分和時(shí)鐘芯片及液晶顯示部分組成。該系統(tǒng)由單片機(jī)作為主控機(jī)控制各個(gè)模塊的運(yùn)行，報(bào)時(shí)、定時(shí)準(zhǔn)確并能夠在LCD上清晰的顯示萬(wàn)年歷、溫度。除此以外，該系統(tǒng)還能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，包括程序下載、串口調(diào)試等。從實(shí)際運(yùn)行情況看，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、LCD顯示清晰直觀、報(bào)時(shí)準(zhǔn)確、編程靈活、功能齊全，比較理想的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。第一章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求（1）基本要求：顯示時(shí)鐘、溫度及作息時(shí)間表，具備調(diào)時(shí)，調(diào)日期及定時(shí)鬧鈴功能。（2）發(fā)揮部分：用LCD顯示，課間

2、播放音樂，可以現(xiàn)場(chǎng)修改打鈴時(shí)間設(shè)置。1.2 總體設(shè)計(jì)思路題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)智能打鈴系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的功能為定時(shí)鬧鈴，課間播放音樂，并能顯示作息時(shí)間表。設(shè)計(jì)中為了提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，控制部分我們采用STC單片機(jī)完成，顯示部分由單片機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)128 X64的LCD，時(shí)間由時(shí)鐘芯片精確定時(shí) 。1.3 系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)總方框圖如圖1.1所示。利用STC單片機(jī)的p3口做時(shí)鐘芯片和溫度傳感器的控制信號(hào)，p1口做4X4矩陣鍵盤的行列選信號(hào)，使用P0口的8個(gè)輸出信號(hào)做液晶的控制信號(hào)點(diǎn)亮LCD。STC單片機(jī)主控部分LCD顯示時(shí)鐘芯片控制部分系統(tǒng)電源部分鍵盤控制圖1.1 系統(tǒng)組成方框圖1.4方案論證與比較1

3、.41 控制部分設(shè)計(jì)方案論證與選擇方案一、采用AT89S51單片機(jī)配以4*4矩陣式鍵盤控制，如圖1.2所示，用AT89S52的并行口P1接4×4矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作輸入線，以P1.4P1.7作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個(gè)按鍵的“0F”序號(hào)。  把“單片機(jī)系統(tǒng)“區(qū)域中的P3.0P3.7端口用8芯排線連接到“4X4行列式鍵盤”區(qū)域中的C1C4R1R4端口上；“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0/AD0P0.7/AD7端口用8芯排線連接到“四路靜態(tài)數(shù)碼顯示模塊”區(qū)域中的任一個(gè)ah端口上；要求：P0.0/AD0對(duì)應(yīng)著a，P0.1/AD1對(duì)應(yīng)著b，P0.7/AD7對(duì)應(yīng)著h。圖 1.

4、2方案一控制部分示意圖用該方案將會(huì)使得最終做成的產(chǎn)品缺乏穩(wěn)定性，數(shù)碼管顯示不夠直觀。需要的外圍電路及芯片多，且PCB布局和布線不方便。方案二、采用STC單片機(jī)控制和液晶顯示，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和美觀。硬件連線流程圖如下圖1.3所示，詳細(xì)電路圖見單元電路設(shè)計(jì)中控制部分。利用STC單片機(jī)的p3口做時(shí)鐘芯片和溫度傳感器的控制信號(hào)，p1口做4X4矩陣鍵盤的行列選信號(hào)，P0口點(diǎn)亮LCD。此方案利用1k位串行EEPROM儲(chǔ)存器93C46存儲(chǔ)LCD顯示數(shù)據(jù)，顯示部分不需要格外的芯片，形成的電路簡(jiǎn)單，PCB的布局和布線也較容易和美觀。 圖1.3方案二控制部分示意圖1.4.2 顯示部分設(shè)計(jì)方案論證與選擇方案一、

5、采用兩個(gè)四位七段數(shù)碼管顯示，控制簡(jiǎn)單易行，所占體積較小，但需要額外的驅(qū)動(dòng)或擴(kuò)展芯片，整體結(jié)構(gòu)不夠直觀大方。方案二、使用128X64LCD顯示，感覺美觀大方，顯示清晰明了，所需的元件也較少。綜上所述，LCD電路簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，又能很好完成驅(qū)動(dòng)作用，選擇方案二。1.4.3 時(shí)鐘芯片部分設(shè)計(jì)方案論證與選擇方案一、采用DS12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，與DS1307相比DS12887內(nèi)置了晶體振蕩器和電池，所需外圍電路較少，但DS12887的體積較大，要占用PCB較多的空間；方案二、使用DS1307，雖然要外置晶體振蕩器和電池，但體積空間較小，已足夠滿足系統(tǒng)所需的時(shí)鐘顯示功能，并且編程比DS12887簡(jiǎn)單；

6、綜上所述，用DS1307只需很少的外圍電路就可構(gòu)成一個(gè)完整的時(shí)間顯示系統(tǒng),因此選方案二。第二章 單元電路設(shè)計(jì)2.1 控制部分電路圖1.4 控制部分電路示意圖控制部分主要是由單片機(jī)最小系統(tǒng)組成。采用了1片STC單片機(jī)，配以一些相應(yīng)的電阻電容等構(gòu)成的外圍電路。把STC單片機(jī)的p3口做時(shí)鐘芯片和溫度傳感器的控制信號(hào)，p1口做4X4矩陣鍵盤的行列選信號(hào)，使用P0口的8個(gè)輸出信號(hào)做液晶的控制信號(hào)點(diǎn)亮LCD。此方案利用1k位串行EEPROM儲(chǔ)存器93C46存儲(chǔ)LCD顯示數(shù)據(jù)，顯示部分不需要格外的芯片，形成的電路簡(jiǎn)單，讀取及顯示速度都得到了很大的提升。2.2 顯示部分電路圖1.5 LCD顯示部分電路圖液晶模

7、塊與微處理器MCU的接口電路有兩種方式：一是直接訪問方式，將STC單片機(jī)數(shù)據(jù)口P0直接與液晶模塊的數(shù)據(jù)口連接；二是采用間接控制方式，MPU通過I/O并行接口， 模擬液晶模塊的時(shí)序，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的控制。從實(shí)時(shí)性考慮，本文采用第一種方式。2.3 時(shí)鐘芯片部分時(shí)鐘芯片是美國(guó)公司生產(chǎn)的總線接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片?？梢元?dú)立于工作，它不受晶振和電容等的影響，并且計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，月積累誤差一般小于秒。此芯片還具有掉電時(shí)鐘保護(hù)功能，可自動(dòng)切換到后備電源供電。同時(shí)還具有閏年自動(dòng)調(diào)整功能，可以產(chǎn)生秒、分、時(shí)、日、月、年等數(shù)據(jù)，并將其保存在具有掉電保護(hù)功能的時(shí)間寄存器內(nèi)，以便根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行讀出或?qū)懭?。由于STC單片

8、機(jī)沒有總線接口，因此，要驅(qū)動(dòng)，就必須采用單主機(jī)方式下的總線虛擬技術(shù)。在此方式下，以單片機(jī)為主節(jié)點(diǎn)（主器件），主器件永遠(yuǎn)占有總線而不出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)，且可以用兩根口線來(lái)虛擬總線接口?？偩€上的主器件（單片機(jī)）可在時(shí)鐘線（）上產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，在數(shù)據(jù)線（）上產(chǎn)生尋址信號(hào)、開始條件、停止條件以及建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骷?。任何被選中的器件都將被主器件看成是從器件。在這里，作為總線的從器件?？偩€為同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線，其內(nèi)部為雙向傳輸電路，端口輸出為開漏結(jié)構(gòu)，因此，需加上拉電阻。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片與STC單片機(jī)連接如圖1.6所示。圖1.6實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片與STC連接圖2.4 溫度傳感器部分溫度傳感器我們使用的是DS1820 單線

9、數(shù)字溫度計(jì)，DS1820數(shù)字溫度計(jì)以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值。 DS1820通過一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS1820之間僅需一條連接線（加上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無(wú)需外部電源。 因?yàn)槊總€(gè)DS1820都有一個(gè)獨(dú)特的片序列號(hào)，所以多只DS1820可以同時(shí)連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。這一特性在HVAC環(huán)境控制、探測(cè)建筑物、儀器或機(jī)器的溫度以及過程監(jiān)測(cè)和控制等方面非常有用。DS1820依靠一個(gè)單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立 ROM操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面

10、5個(gè)ROM操作命令之一：1）讀ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳過ROM，5）報(bào)警搜索。這些命令對(duì)每個(gè)器件的激光ROM部分進(jìn)行操作，在單線總線上掛有多個(gè)器件時(shí)，可以區(qū)分出單個(gè)器件，同時(shí)可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號(hào)的器件。成功執(zhí)行完一條ROM操作序列后，即可進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作，控制器可以提供6條存儲(chǔ)器和控制操作指令中的任一條。 一條控制操作命令指示DS1820完成一次溫度測(cè)量。測(cè)量結(jié)果放在DS1820的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL各由一個(gè)EEPROM字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對(duì)DS1820使用報(bào)警搜索命令，這些寄

11、存器可以做為一般用途的用戶存儲(chǔ)器使用?？梢杂靡粭l存儲(chǔ)器操作命令對(duì)TH和TL進(jìn)行寫入，對(duì)這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進(jìn)行讀寫。 圖1.7溫度傳感器控制電路2.5 存儲(chǔ)部分存儲(chǔ)部分采用Microchip公司出品的型號(hào)為93C46串行EEPROM存儲(chǔ)模塊，該模塊存儲(chǔ)容量為1K，用于存儲(chǔ)打鈴時(shí)間表。我們把存儲(chǔ)空間按字節(jié)分配，每字節(jié)為一個(gè)基本單元，首字節(jié)單元內(nèi)容為時(shí)間表總個(gè)數(shù)，用來(lái)進(jìn)行時(shí)間表的排序及查找運(yùn)算；從第二字節(jié)單元開始，每三個(gè)字節(jié)單元為一個(gè)表格元素，其中每字節(jié)單元包含一個(gè)時(shí)間表的具體內(nèi)容，并按順序排列分別存放“小時(shí)”、“分鐘”、“課時(shí)長(zhǎng)度”；每個(gè)表格元素按時(shí)

12、間先后排列，以方便遍歷時(shí)間表。Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4時(shí)間表總個(gè)數(shù)小時(shí)分鐘課時(shí)長(zhǎng)度小時(shí)3字節(jié)為一個(gè)表格元素存儲(chǔ)時(shí)，編號(hào)從1開始，每個(gè)記錄的首字節(jié)地址為：編號(hào)×32，地址0存放記錄總。如以下公式3.5.1所示：第N個(gè)表格元素首地址 = N × 3 2< 式 3.5.1 >由此可知，當(dāng)要操作第N條打鈴記錄單元的方法如圖1.8所示：讀編碼N算出第N個(gè)表格元素首地址add分鐘地址小時(shí)地址時(shí)長(zhǎng)地址add+1add+2add+1圖1.8 操作第N條打鈴記錄單元示意圖2.6 電源部分本設(shè)計(jì)用到的電源主要為+5V 穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電

13、路和穩(wěn)壓電路組成，如圖1.9所示 圖1 . 9 電源方框及波形圖a 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。b 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負(fù)載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。圖2.0中電路提供+5V的電源；主要用于STC單片機(jī)、LCD顯示、鍵盤; 圖2.0電源部分2.7 揚(yáng)聲器控制電路在該智能打鈴系統(tǒng)中，我們用的是交流蜂鳴器，由于一般I/O口的驅(qū)動(dòng)能力有限，在此我們采用了三極管9013來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，其硬件原理

14、圖如圖2.1所示。Beep與P3.7口相連，當(dāng)Beep輸出高電平是蜂鳴器不響，而Beep輸出低電平時(shí)蜂鳴器發(fā)出響聲。我們只要控制Beep輸出高低電平的時(shí)間和變化頻率，就可以讓蜂鳴器發(fā)出悅耳的音樂了。 圖2.1揚(yáng)聲器原理圖2.8 鍵盤控制部分矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個(gè)交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個(gè)數(shù)是4×4個(gè)。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口的利用率。先從P1口的高四位輸出低電平，低四位輸出高電平，從P1口的低四位讀取鍵盤狀態(tài)。再?gòu)腜1口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，

15、從P1口的高四位讀取鍵盤狀態(tài)。將兩次讀取結(jié)果組合起來(lái)就可以得到當(dāng)前按鍵的特征編碼。使用上述方法我們得到16個(gè)鍵的特征編碼。舉例說(shuō)明如何得到按鍵的特征編碼：假設(shè)“1”鍵被按下，找其按鍵的特征編碼。從P1口的高四位輸出低電平，即P1.4P1.7為輸出口。低四位輸出高電平，即P1.0P1.3為輸入口。讀P1口的低四位狀態(tài)為“ 1101”，其值為“0DH”。再?gòu)腜1口的高四位輸出高電平，即P1.4P1.7為輸入口。低四位輸出低電平，即P10P13為輸出口，讀P1口的高四位狀態(tài)為“1110”，其值為“E0H”。將兩次讀出的P0口狀態(tài)值進(jìn)行邏輯或運(yùn)算就得到其按鍵的特征編碼為“EDH”。用同樣的方法可以得到

16、其它15個(gè)按鍵的特征編碼。矩陣鍵盤電路如圖2.2所示。 圖2.2鍵盤控制原理圖2.9 串口調(diào)試部分 圖2.3串口調(diào)試原理圖第三章 軟件設(shè)計(jì)本作品使用keilc系列軟件作為編程器件，它是以WINDOWS為設(shè)計(jì)平臺(tái)，在使用時(shí)先在txt、word或keilc軟件環(huán)境下編輯程序，然后保存程序、建立新項(xiàng)目、設(shè)置項(xiàng)目，接著編譯程序，最后調(diào)試和執(zhí)行這樣一步步來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真。3.1 單元程序流程方框圖3.1.1 系統(tǒng)工作總流程圖如圖2. 4所示： 圖2.4總程序流程圖3.1.2 存儲(chǔ)模塊程序流程圖如圖2. 5所示圖2.5存儲(chǔ)模塊程序流程圖3.2 程序設(shè)計(jì)3.2.1 MUC軟件設(shè)計(jì)MCU程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示

17、： 圖2.6 MCU程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖3.2.2 PC-Link客戶端軟件設(shè)計(jì)PC-Link控制端系統(tǒng)初始界面：PC系統(tǒng)與MUC系統(tǒng)成功對(duì)接界面：PC-Link從MCU系統(tǒng)成功讀出數(shù)據(jù)界面：MUC數(shù)據(jù)讀取完畢界面：添加打鈴時(shí)間表窗體界面：刪除一條記錄提示界面：打開時(shí)間表文件界面：保存時(shí)間表文件界面：從PC-Link下載時(shí)間表文件到MCU界面：下載成功界面：第四章 系統(tǒng)測(cè)試4.1 測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表2.6所示。表2.6 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序 號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備 注1DF-1731SC直流穩(wěn)壓電源1寧波中策電子有限公司2BT3C-B頻率特性測(cè)試儀1南京無(wú)線電儀器廠3GDS-820C數(shù)字存儲(chǔ)示

18、波器1江蘇揚(yáng)中電子儀器廠4GFG-8216A函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1江蘇揚(yáng)中電子儀器廠6DF1071高頻信號(hào)發(fā)生器（帶調(diào)制信號(hào)）1上海愛使電子儀器廠7UNI-T數(shù)字萬(wàn)用表1優(yōu)德利UNIT-T有限公司8SP-1500A型系列等精度頻率計(jì)數(shù)器1南京勝普電子有限公司4.2程序仿真測(cè)試測(cè)試平臺(tái)：windeow 2003 sever測(cè)試軟件：keil C 6.02硬件配置：CPU：PM747內(nèi)存：256MB硬盤：40GB測(cè)試方案：利用keil C 6.02 中的Debug 進(jìn)行仿真，觀察P0,P1,P2,P3口的高低電平變化，從而得出結(jié)論。4.3 結(jié)果分析根據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果可見，該系統(tǒng)比較滿意的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。第五章 結(jié)論從實(shí)際運(yùn)行情況看，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、LCD顯示清晰直觀、報(bào)時(shí)準(zhǔn)確、編程靈活、功能齊全，比較理想的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。除此以外，該系統(tǒng)還能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，包括程序下載、串口調(diào)試等。參考文獻(xiàn)1黃智偉主編，王彥，陳文光，朱衛(wèi)華等編著.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2005年第1版2 康華光主編，電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2000.7.3. 單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航/求是科技編 北京：人民郵電出版社，2004.5作者信息：韋瑞錦 電氣工程學(xué)院電子043班 聯(lián)系電話：13