电子万年历的仿真与设计方案.docx
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电子万年历的仿真与设计方案
电子万年历的仿真与设计方案
一、方案论证
1、技术可行性
随着国内超大规模集成电路的出现,微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。
集成技术的最新发展之一是将CPU和外围芯片,如程序存储器、数据存储器、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片之中,制成单片计算机(Single-ChipMicrocomputer)。
而近年来推出的一些高档单片机还包括有许多特殊功能单元,如A/D、D/A转换器、调制解调器、通信控制器、锁相环、DMA、浮点运算单元、PWM控制输出单元、PWM输出时的死区可编程控制功能等。
因此,只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统,如工业流水线控制系统、作为家用电器的主控制器、分布式控制系统的终端节点或作为其主控制节点起中继的作用、数据采集系统、自动测试系统等。
单片机的出现,并在各技术领域中得到如此迅猛的发展,与单片机构成计算机应用系统所形成的下述特点有关:
(1)单片机构成的应用系统有较大的可靠性。
这些可靠性的获得除了依靠单片机芯片本身的高可靠性以及应用有最少的联接外,还可以方便地采用软、硬件技术。
(2)系统扩展、系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统,应用系统有较高的软、硬件利用系数。
(3)由于构成的应用系统是一个计算机系统,相当多的测、控功能由软件实现,故具有柔性特征,不须改变硬件系统就能适当地改变系统功能。
(4)有优异的性能、价格比。
2、单片机的选择
方案一:
采用传统的AT89C52作为电机的控制核心。
单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。
方案二:
采用FTC10F04单片机,还带有非易失性Flash程序存储器。
它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片,市场应用最多。
其主要特点如下:
8KBFlashROM,可以擦除1000次以上,数据保存10年。
由于本系统对CPU运算速度要求很高,需要执行很复杂的运算,方案一成本比较低,适合做设计,方案二运算速度高,性能好,所以两种方案都有可取之处。
选用方案一作为主方案,方案二作为备用方案。
3、时钟模块的选择
方案一:
用单片机的定时器产生1S的时基信号,然后用程序来实现时钟的时、分、秒计时,同时用程序来产生年、月、日。
该方案优点是减少使用外设芯片;缺点是用单片机模拟时钟,使编程量增大,且用定时器产生时基信号,精度不高。
方案二:
使用时钟芯片DS12C887。
优点是8位数据线并行控制,控制简单;自带有锂电池,外部掉电时,其内部时间信息还能够保持10年之久。
缺点是并行控制,占用太多的IO口,且价格很高,不适合一般的电子制作。
方案三:
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作为数据暂存区,工作电压2.5V-5.5V范围内,2.5V时耗电小于300Ma。
仅使用3个IO口,占用最少的单片机资源;其内部功能强大。
更重要的是其价格便宜,具有非常高的性价比。
缺点是串行通信,控制比较复杂。
综上,由于本设计对时间要求较精准,且具闰年计算功能,因此本设计选择方案三,采用时钟芯片DS1302。
4、显示模块的选择
方案一:
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用动态扫描法与单片机相连接时,占用的单片机口线少,但所需要的数码管数量太多,焊接困难极易出错,所以不采用LED数码管作为显示。
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,对于显示文字比较合适,如果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,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多。
本设计所需显示较多且需要文字,又基于设计要求,所以在本次设计中采用方案三,使用LCD1602液晶显示屏。
5、温度检测模块的选择
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,此设计方案需要A/D转换电路,增加了硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格性的,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,降低了硬件成本,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。
根据上述论述,本设计采用方案二,选择数字式温度传感器DS18B20。
6、设置模块的选择
在对日期、温度和闹钟进行切换,对日期和时间进行调节校准过程中,系统需要产生激励电流,因此需要用按键。
方案一:
使用独立式键盘。
独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
独立式按键电路配置灵活,软件结构简单。
方案二:
使用矩阵式键盘。
矩阵式键盘是由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上,行线、列线分别连接到按键开关的两端。
其特点是简单且不增加成本,这种键盘适合按键数量较多的场合。
根据以上的论述,因本系统需要的按键不多,日期加加减,月数加减,年数加减,分数加减,时数加减,设置切换键,要求简单,只需要四个按键即可满足要求。
所以采用方案一独立式键盘。
7、闹钟模块
此模块采用无源蜂鸣器实现,只要编写相应的程序即可实现发出不同频率的声音。
8、最终方案决定
综上各方案所述,对此次设计的方案选定:
采用AT89C52作为主控制系统;DS1302提供时钟;LCD1602液晶显示器作为显示;以DS18B20作为检测温度的传感器;用蜂鸣器实现闹钟响铃。
二、仿真系统硬件设计
1、电路设计框图
AT89C52
主控制模
块
设置模块
DS18B20温度检测
1602液晶显示模块
DS1302时钟模块
闹钟模块
图
(1)总体设计框图
2、单片机控制系统
单片机中央处理系统的方案设计,选用AT89C52单片机作为中央处理器,如图
(2)所示。
该单片机除了拥有MCS-51系列单片机的所有优点外,内部还具有8K的在系统可编程FLASH存储器,低功耗的空闲和掉电模式,极大的降低了电路的功耗,还包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件,其硬件能符合整个控制系统的要求,不需要外接其他存储器芯片和定时器件,方便地构成一个最小系统。
整个系统结构紧凑,抗干扰能力强,性价比高。
3、DS1302时钟电路
时钟电路主要由时钟芯片DS1302、晶振等几部分组成,如下图所示。
DS1302采用3线串行接口,占用引脚少,内部集成了可编程日历时钟,用户可以根据需要通过单片机的控制来自行设置,支持双电源供电,可以使用外部主电源和备用电源,备份电源能够使时钟芯片继续工作。
图(3)DS1302管脚图图(4)DS1302时钟电路
DS1302各引脚的功能为:
8:
Vcc1:
备用电池端;
1:
Vcc2:
5V电源。
当Vcc2>Vcc1+0.2V时,由Vcc2向DS1302供电,当Vcc2 7: SCLK: 串行时钟,输入; 6: I/O: 数据输入输出口; 5: CE/RST: 复位脚; 2、3: X1、X2是外接晶振脚(32.768KHZ的晶振); 4: 地(GND)。 DS1302有关日历、时间的寄存器: 图(5)DS1302有关日历、时间的寄存器 1、秒寄存器(81h、80h)的位7定义为时钟暂停标志(CH)。 当初始上电时该位置为1,时钟振荡器停止,DS1302处于低功耗状态;只有将秒寄器的该位置改写为0时,时钟才能开始运行。 2、小时寄存器(85h、84h)的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。 当为高时,选择12小时模式。 在12小时模式时,位5是,当为1时,表示PM。 在24小时模式时,位5是第二个10小时位 3、控制寄存器(8Fh、8Eh)的位7是写保护位(WP),其它7位均置为0。 在对任何的时钟和RAM的写操作之前,WP位必须为0。 当WP位为1时,写保护位防止对任一寄存器的写操作。 也就是说在电路上电的初始态WP是1,这时是不能改写上面任何一个时间寄存器的,只有首先将WP改写为0,才能进行其它寄存器的写操作。 DS1302读写时序 DS1302是SPI总线驱动方式。 它不仅要向寄存器写入控制字,还需要读取相应寄存器的数据。 DS1302的控制字如图(6): 图(6)DS1302的控制字图 控制字的最高有效位(位7)必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入到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(A4~A0): 指示操作单元的地址; 位0(最低有效位): 如为0,表示要进行写操作,为1表示进行读操作。 读数据: 读数据时在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿,读出DS1302的数据,读出的数据是从最低位到最高位。 写数据: 控制字总是从最低位开始输出。 在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,数据输入也是从最低位(0位)开始。 4、显示电路 1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。 显示电路采用LCD1602液晶显示,如图(7)所示,图中只画出了其相应的接口,3脚用于调节LCD1602的背光,4、5、6为LCD1602的控制口,用于控制其写入或是读出指令,7至14脚为LCD1602的数据口,将数传送到LCD1602中。 图(7)LCD1602显示电路 LCD1602的特性: +5V电压,对比度可调; 内含复位电路; 提供各种控制命令,如: 清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能; 有80字节显示数据存储器DDRAM; 内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM,8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM; 基本操作时序: 读状态: 输入: RS=L,RW=H,E=H;输出: DB0~DB7=状态字; 写指令: 输入: RS=L,RW=L,E=下降沿脉冲,DB0~DB7=指令码;输出: 无。 读数据: 输入: RS=H,RW=H,E=H;输出: DB0~DB7=数据; 写数据: 输入: RS=H,RW=L,E=下降沿脉冲,DB0~DB7=数据;输出: 无。 LCD1602的各种指令不再一一说明。 5、DS18B20温度检测电路 通过1820进行读数据,将读出来的数据进行进制转换,转换后送到12864显示。 工作原理介绍: DS18B20是单总线的数字温度传感器。 其与单片机的接口只需要一根数据线即可。 当然连线简单意味着软件处理上可能要麻烦一点。 DS18B20的内部存储器分为以下几部分ROM: 存放该器件的编码。 前8位为单线系列的编码(DS18B20的编码是19H)后面48位为芯片的唯一序列号。 在出场的时候就已经设置好,用户无法更改。 最后8位是以上56位的CRC码。 RAM: DS18B20的内部暂存器共9个字节。 其中第一个和第二个字节存放转换后的温度值。 第二个和第三个字节分别存放高温和低温告警值。 (可以用RAM指令将其拷贝到EEPROM中)第四个字节为配置寄存器。 第5~7个字节保留。 第9个字节为前8个字节的CRC码。 图(8)DS18B20的温
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