电子挂历说明书.docx

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电子挂历说明书

电子挂历系统硬件设计

摘要

电子挂历作为装饰品，可以装点、美化我们的生活。

随着电子技术和计算机技术的发展，社会的进步，传统的挂历也该由技术含量高的新型挂历所替代。

设计一款电子挂历，安放于教室、实验室、办公室、宿舍等不同场合，不仅能满足一般的年、月、日、时、分、秒和环境温湿度显示，而且有CO气体检测及适合学校的教学周次显示，作息时间提醒功能。

为学校师生学习生活带来方便。

本电子挂历以AT89S52为核心，日历芯片采用PCF8563，温湿度芯片采用SHT71，时间显示选择LCD12864，闹铃报警选用蜂鸣器。

温湿度检测在很多现代科技领域中成为一项重要技术，鉴于此，对基于单片机的温湿度计系统进行了相关研究。

通过单片机控制来实现对周围环境的温湿度进行测量。

系统以AT89S52单片机为基础，通过数字式传感器对温度和湿度进行检测；利用单片机之间的通信功能，将所采集到的温湿度值在LCD中显示出来。

一个主控微处理器实现对多个子系统的监测和管理，对各传感器所采集到的数据进行实时处理。

由于温度、湿度传感器的输出特性都呈一定的非线性，则所采集的温湿度值都要进行修正。

其中实时时钟采用PCF8563可实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能。

温湿度检测模块由SHT71集成温湿度传感器对现场环境温湿度进行实时检测。

人机接口模块由键盘和LCD12864液晶组成，可实现题目要求的时间显示、闹钟设置、环境温度测量等功能。

报警模块由报警蜂鸣器可实现闹铃控制。

关键字：

AT89S52，PCF8563，SHT71,LCD12864,TGS2442

ElectronicCalendarSystemHardwareDesign

abstract

Asaadornment,Electroniccalendarcandecorateandbeautifyourlives.Withtheelectronictechnologyandcomputertechnologydevelopment,andsocialprogress,thetraditionalcalendarisalsoneedbereplacedofthenewcalendarwhichhasthehightechnicalcontent.Thedesignofaelectroniccalendar,whichisplacedinclassrooms,laboratories,offices,dormitoriesandotherondifferentoccasions.Notonlytodisplaythenormalyear,themonth,theday,thehour,theminute,thesecondandtheenvironment’stemperatureandhumidity,butalsotodisplayCOgasdetectionandteachingtimeshowscheduleremindersforschool.Itbringconveniencetolifefortheteachersandstudents.

ThiselectronicsclocktaketheAT89S52ascore,thecalendarchipadoptsPCF8563,thetemperaturechipusesSHT71,thetimedisplaychoicesLCD12864,andalarmselectsbuzzer.

Detectionoftemperatureandhumidityinmanyareasofmodernscienceandtechnologytobecomeanimportanttechnology,inviewofthis,ThethermometerandhygrometersystemwhichisbasedonSCMhasbeenrelatedresearch.Thesingle-chipmicrocomputercontrolsystemisachievedthroughthesurroundingenvironmentoftemperatureandhumiditymeasurements.MCUsystemisbasedonAT89S52SCM,anddetectthetemperatureandhumiditywiththedigitaltemperatureandhumidity.Atlast,itwilldisplaythetemperatureandhumiditywhichiscollectedbymicrocontroller.

Thedesignofamicroprocessorcontrolsystemtoachievemultiplesubsystemsmonitoringandmanagementofthesensorstocollectreal-timedataprocessing.Astemperature,humiditysensorshavealloftheoutputofcertainnonlinear,theacquisitionvalueofthetemperatureandhumiditymustbeamended.

Inwhich,usePCF8563astheclockchipcanrealizedisplayoftheyear,themonthandtheday,thehour,theminuteandthesecondinformation,anditcanrealizethealarmclockfunction.Thetemperatureandhumidityexaminationmodulecarriesonthereal-timeexaminationbythePCF8563integrationsensor.Theman-machineinterfacemoduleiscomposedbythekeyboardandtheLCD12864,whichcanthedisplayofthetime,thealarmclockestablishment,thetemperatureofsurveyandsoon,whichistitlerequest.Alarmmodulecanberealizedbythealarmbuzzeralarmcontrol.

KEYWORDS:

AT89S52，PCF8563，SHT71，LCD12864l，TGS2442.

目录

摘要I

abstractII

1绪论1

1.1课题的现状及发展趋势1

1.2课题的意义1

1.3课题的目的1

2设计要求与方案论证2

2.1　设计要求2

2.1.1基本要求2

2.1.2创新要求2

2.2系统总体设计2

2.2.1系统功能要求2

2.2.2系统工作过程2

2.2.3系统总体设计框图2

2.3方案论证与选择3

2.3.1总体方案与论证选择3

2.3.2时钟模块方案与论证选择4

2.3.3显示模块方案和论证选择5

2.3.4温湿度传感器的选择方案与论证5

2.3.5有害气体检测模块方案与论证选择6

2.3.6按键模块方案与论证选择6

3系统的硬件设计与实现7

3.1系统硬件概述7

3.2主要单元电路的设计7

3.2.1单片机主控制模块的设计7

3.2.2时钟接口电路模块的设计10

3.2.3温湿度采集模块的设计12

3.2.4CO气体检测模块电路设计13

3.2.5液晶显示电路设计14

3.2.6蜂鸣器电路接口设计21

3.2.7按键电路接口设计21

3.2.8看门狗电路设计22

3.2.9外形设计23

4软件设计25

4.1程序流程框图25

4.2PCF8563实时时间子程序25

4.3计算教学周次子程序27

4.4SHT71温湿度子程序27

4.5TGS2442气体检测子程序29

4.6作息时间提醒子程序30

4.7按键子程序及时间调整程序31

4.8LCD显示子程序34

5软件简介36

5.2Proteldxp简介36

5.2Keil简介36

总结38

致谢40

参考文献41

附录一：

地址分配表42

附录二：

系统电路图44

附录三：

系统电路PCB图45

附录三：

系统电路3D模拟图46

附录三：

12864程序清单和程序47

1绪论

1.1课题的现状及发展趋势

电子日历，自从它从被发明的那天起，进成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在讲究效率的年代，电子日历更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。

然而随着时间的推移，人们不仅对于电子日历精度的要求越来越高，而且对于电子日历功能的要求也越来越多，电子日历已不仅仅是一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其他的功能。

诸如闹钟功能、日历显示功能、温度测量功能、湿度测量功能、电压测量功能、过欠压报警功能等。

钟表的数字化给人们的生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。

诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。

可以说，设计多功能电子日历的意义已不只在于电子日历本身，更大的意义在于多功能电子日历在许多实时控制系统中的应用。

因此，研究实用电子挂历及其扩展应用，有着非常现实的意义，具有很大的实用价值。

1.2课题的意义

电子挂历作为一款时尚、美观、大方的家居饰品已经走进我们的生活。

随着电子技术和计算机的飞速发展，传统的挂历已经悄然而去。

设计一款电子挂历，安放于教室、实验室、办公室、宿舍等不同场合，不仅仅能满足一般的年、月、日、时、分、秒和环境温度的显示，而且有适合学校的教学周次显示、作息时间的提醒等等。

通过设计，锻炼我们对微型计算机控制系统的综合设计与调试能力，掌握流行的单片机软件编程与调试技能，使我们通过设计具备一定的科研能力。

1.3课题的目的

实用电子挂历是一个时间控制系统，既能作为一般的时间显示器，也可作为一个定时控制器，驱动负载或显示信息，同时可以根据需要扩展其功能。

在此项目的设计研究过程中需综合运用所学的模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理与应用、EDA等课程的知识，掌握实用电子日历的设计、组装与调试方法，利用现代的EDA、单片机等新电子技术以及现代的设计手段，锻炼了机械电子专业学生微星计算机控制系统的综合设计与调试能力，学习电子线路设计软件，学习单片机系统硬件的设计、制作与调试，系统地培养了综合设计、操作调试、故障处理的能力，达到综合素质以及创新能力的提高，使学生通过设计具备一定的科研能力。

2设计要求与方案论证

2.1设计要求

2.1.1基本要求

（1）具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能；

（2）时间与阳历能够自动关联；

（3）具有温度计功能；

（4）具备年、月、日、星期、时、分、秒的调整功能；

2.1.2创新要求

（1）为了满足我们在学校的日常需要，本系统作息时间提醒的功能；

（2）为了满足我们在学期中有一个合理的教学安排，本系统具有教学周次显示；

（3）本系统具有湿度检测及显示；

（4）有害气体的检测以及报警功能；

2.2系统总体设计

2.2.1系统功能要求

本系统是一款安放于教室、实验室、办公室、宿舍等不同场合，不仅仅能满足一般的年、月、日、时、分、秒和环境温度的显示，而且有适合学校的教学周次显示、作息时间的提醒、周围环境湿度的显示及CO气体检测报警等功能，本设计采用LCD作为显示屏，可以使显示界面更加美观，除此以外，系统中加入了看门狗电路，使该系统有较好的抗干扰能力，按键方面，本系统提供了五键式设计，使操作更加的简单方便[13]。

本系统可以在-55～+125℃范围内工作，完全可以胜任我们日常生活工作中的要求。

它的温度测量范围为：

-55～+125℃；湿度测量范围为：

0～100%RH；当CO气体浓度达到90ppm时，蜂鸣器进行声报警。

本系统教学周次设定了最高达55周，所以也可以当做年周次显示。

由于所选用的器件基本都是都是低功耗元器件，而且要求的工作电压都为5V，所以本系统采用4节5号AAA电池供电。

这样就使得系统的可移动性大大增强，使其可以很方便的放在任何位置，包括没有电源插座的地方。

2.2.2系统工作过程

系统上电自检后，实时实现小时、分钟、秒以及日历的显示和教学周次等指示信息的显示，通过按键可实现校对时间、教学周次设定和显示，按键初定五个，分别为：

a）调整，当此键按下后进入年、月、日等的调整状态；

b）加一，当调整键按下后对调整目标进行加一调整；

c）减一、当调整键按下后对调整目标进行减一调整；

d）确定、当调整完后按此键退出调整;e）背光，当光线比较暗时按此键可使LCD背光灯亮。

当上课或下课时间到时，单片机通过蜂鸣器来实现声报警。

2.2.3系统总体设计框图

根据题目设计要求，要求实现时间和教学周次的显示及温度、湿度设定等功能。

针对此要求，本系统由以下几个模块构成，系统总体设计框图如图2-1所示：

图2-1系统总体设计框图

2.3方案论证与选择

2.3.1总体方案与论证选择

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1～2部单片机，电子挂历也是如此。

方案一:

纯硬件电路系统

各功能采用分离的硬件电路模块实现。

用时序逻辑电路实现时钟功能，用555定时器实现闹钟的设定。

但这种实现方法可靠性差、控制精度低，灵活性小、线路复杂、安装调试不方便，而且不方便实现对系统的扩展。

方案二:

用可编程逻辑器件（PLD）实现

这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。

但是这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想，无法很好的完成扩展功能的要求。

而且，系统的灵活性不够。

方案三:

采用AT89S52单片机作为系统的控制核心

时钟功能采用单片集成的时钟芯片PCF8563来实现，可以使用液晶显示时间、日历及闹铃提示信息，有着智能化的人机界面。

由于使用了单片机，整个系统可编程，系统的灵活性大大增加了。

另外，本方案可以方便的实现其他功能的扩展。

方案四:

PIC系列

采用PIC单片机采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。

这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。

我们应选何种型号呢？

首先，我们来弄清两个概念：

集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。

采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯·诺伊曼结构。

它的指令丰富，功能较强，控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。

不过，RISC单片机在今后的几年迅速完善，使其佼佼者在控制关系复杂的场合也毫不逊色了。

MCS-51/52是INTEL公司的两大系列，其中8051是最早最典型的产品，成为单片机学习的代表。

经过以上的比较论证，选用方案三来完成项目设计的要求。

2.3.2时钟模块方案论证与选择

方案一：

基本门电路搭建

用基本门电路来实现时钟发生器，电路结构复杂，故障系数大，不易调试。

方案二：

由单片机实现时钟功能

单片机内部具有定时器，可方便实现定时功能。

通过计算可知，使定时器每25ms产生一次中断，当产生40次中断后秒单元将加一，以此类推，从而实现时、分、秒的走时，并加以显示。

但由于系统晶振误差、温漂、中断响应时间的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来的误差，决定它不能用来作为时钟的时间基准。

方案三：

专用时钟芯片

目前市场上已有很多实时时钟芯片。

如DS12887、DS1302、PCF8563、X1227等，芯片内都集成了时钟/日历功能，给时钟系统设计带来很多方便。

因此计时功能以选专用时钟芯片为宜，时钟模块采用方案三来实现。

PCF8583是飞利浦公司推出的I2C总线接口实时时钟芯片，它可独立于CPU工作，不受CPU主晶振及共电容的影响，且计时准确。

具有4年日历时钟，12或24小时格式，时基可用32.768KHz或50Hz,带可编程的闹钟,定时和中断功能的日历时钟芯片。

芯片具有体积小、硬件连线少、带有256字节的静态RAM等特点。

对于PCF8583在电压监测仪校验装置中的应用，主要是用它的实时时钟计数功能，以及标准脉冲输出功能。

在系统硬件设计时，串行总线接口较并行总线接口较为方便，因此系统设计选用了PHILIPS公司的串行接口总线实时时钟芯片PCF8563作为计时芯片。

2.3.3显示模块方案与论证选择

方案一：

使用多个数码管显示

LED数码管是利用二极管发光显示数字和字母，具有亮度大、接口设计比较容易，价格相对较便宜等优点。

但是由于它工作电流较大、不能显示汉字，显示的信息量有限，若在此题目中应用就会受到很大的限制。

方案二：

采用液晶显示。

液晶特别是具有汉字显示功能的液晶显示器，来实现显示功能，不仅可以实现基本的显示信息，而且可以显示丰富的符号指示信息以及文字指示信息，信息量丰富且直观易懂。

而且液晶显示有功耗低，体积小，重量轻，寿命长，不产生电磁辐射污染等优点。

采用液晶1602，1602字母显示屏，它可以显示2行每行16个英文字符。

12864中文液晶则可以显示128*64点阵。

由于在相同的条件下，液晶12864可以显示的内容比液晶1602显示的多。

因此系统采用方案二，设计选用LCD12864。

2.3.4温湿度传感器的选择方案与论证

1）温度传感器的选择方案与论证

方案一：

传感器+A/D

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。

使用湿敏电阻，利用湿敏电阻阻值随湿度的变化而变化的特性，并进行A/D转换。

此设计方案需要A/D转换电路。

方案二：

数字式传感器芯片

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。

2）湿度传感器的选择方案与论证

方案一：

湿敏电阻

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

方案二：

湿敏电容

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

方案三：

数字式传感器芯片

采用数字式湿度传感器，典型产品为HF3223型。

它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。

该传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

方案四：

数字式温湿度传感器。

采用数字式温湿度传感器，集成温湿度传感器测量精度高，能把温湿度转化成数字，测得的温湿度值的存储在自带RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。

因为本系统要同时测量温度和湿度，如若分别选用温度和湿度传感器，设计和制作中都比较麻烦，因此选用温湿度传感器SHT71测量温湿度。

因此选用方案四。

2.3.5有害气体检测模块方案与论证选择

因本设计主要应用于学校、宿舍、实验室等场合，所以所检测的有害气体主要为CO，应选择CO气体检测传感器，因此设计选择CO气体检测传感器TGS2442。

2.3.6按键模块方案与论证选择

方案一：

采用独立式按键电路

每个键单独占有一根I/O接口线，每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。

但是当按键较多时占用单片机的I/O数目较多。

方案二：

采用阵列式键盘

此类键盘是采用行列扫描方式，当按键较多时可以降低占用单片机的I/O口数目。

由于我们设计的电子钟只有六个按键，选用独立式按键既可以方便的输入信号，又可以在出现问题的情况下更换或维修按键，而且造价也很低廉。

因此我们选用独立式按键。

电路最终方案：

综上个方案所述，对此设计的方案选定：

采用AT89S52作为主控制系统，PCF8563时钟芯片提供时钟，SHT71作为温湿度传感器，TGS2442作为CO检测传感器，LCD12864液晶显示。

3系统的硬件设计与实现

3.1系统硬件概述

本电路是由AT89S52单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V超低压工作；时钟电路由PCF8563提供，它是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片它提供一个可编程时钟输出一个中断输出和掉电检测器所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递最大总线速度为400Kbits/s每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量，工作电压为1.0～5.5V，它采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据；温度的采集由DS18B20构成；显示部份为LCD12864，使用动态扫描显示方式对数字的显示。

3.2主要单元电路的设计

3.2.1单片机主控制模块的设计

AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器