多功能电子保姆机的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)

多功能电子保姆机的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

借助微处理器的定时器 /计数器可实现电子保姆机功能。 然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟日历芯片，以精确时间。 另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 第三章 基于单片机的电子保姆机硬件设计 在比较了以上的三 种实现方案之后，考虑单片机货源充足、价格低廉，可软硬件结合使用，能够较方便的实现系统的多功能性，故采用单片机作为本设计的硬件基础。 电子保姆机包括时钟日历芯片电路、显示电路、按键电路、供电电源、闹铃电路、继电器控制电路等几部分。 另外，本设计要求该电子保姆机能够采集环境温度，所以还需要温度采集电路 【 3】。 硬件电路框图参照图。 该系统使用 ATmega128 单片机作为核心，通过读取时钟日历芯片 DS1302 和温度传感器 DS18B20 的数据，继电器定时控制家用电器工作，完成此电子保姆机的主要功能—— 时钟 /日历、 环境温度采集以及家用电器定时工作等。 使用比较通用的 4 位 8 段共阳 LED 数码管，做 4 位显示，分别显示时间、日期、年 200X，以及环境温度值 【 4】。 A T m e g a 1 2 8温 度 传 感 器D S 1 8 B 2 0继 电 器+ 5 V 电 源L E D 显 示键 盘时 钟 日 历 芯 片D S 1 3 0 2家 用 电 器+ 3 V 电 源温 度 报 警 电路闹 铃 电 路 图 多功能电子保姆机硬件系统框图 键盘是为了完成时钟 /日历的校对和日历 /温度的显示功能。 继电器作为家用电器定时开关，控制家用电器工作。 此电子保姆机还具有闹铃功能，所以设计有闹铃电路，进行声音响铃。 整个电路使用了两种电源， +5V 电源将为整个电路供电。 而 +3V 电源仅作为 DS1302的备用电源。 当 +5V 电源被切断后， DS1302 启用 +3V 电源，可以保持 DS1302 继续工作。 当 +5V 电源恢复供电， LED 依旧显示当前时间，而不会因为断电使系统复位到初始化时间，避免了重新校时的麻烦。 具体电路图请参见附录 A。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 单片机的选择 AVR 单片机简介 所谓单片机，是指用一个芯片组成的微机系统。 片内包括了 CPU,程序存储器、数据存储器、定时器 /计数器及各种 I/O 口。 AVR 单片机是 ATMEL 公司 1997 年推出的全新配置精简指令集（ RISC）单片机系列。 片内程序存储器采用 Flash 存储，可反复编程修改上千次，便于新产品开发； 程序高度保密，避免非法窃取；速度快，大多数指令只用 1 个晶振周期，而 MCS51 单片机单周期指令也需 12 个晶振周期；能采用 C 语言编程，从而高效快速的开发目标产品。 本设计选用 ATMEGA128 ， ATMEGA128 为基于 AVR RISC 结构的 8位低功耗 CMOS 微处理器。 ATMEGA128 特点 （ 1） 高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器； （ 2） I/O 和封装 – 53 个可编程的 I/O脚； – 64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装； （ 3） 工作电压 ： ～ （ ATmega128）； （ 4） 速度等级 ： 0～ 16 MHz（ ATmega128）； （ 5） 32个工作寄存器； （ 6） 16根地址线 PA PC ； （ 7） 8根数据线 PA。 ATmega128的引脚配置如图 ： 图 Atmega128 芯片引脚图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 各引脚说明如下： VCC：数字电路的电源； GND：地； 端口 A(PA7PA0)：端口 A为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲 器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使 能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时 端口 A为三态，端口 A也可以用做 其他不同的特殊功能。 端口 B(PB7PB0)：端口 B为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲 器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使 能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 B为三态。 端口 C(PC7..PC0)：端口 C 为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出 缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电 阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发 生时端口 C为三态。 端口 D(PD7PD0)：端口 D 为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓 冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻 使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 D 为三态。 端口 E(PE7PE0)：端口 E为 8位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲 器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使 能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 E为三态。 端口 F(PF7PF0)：端口 F 为 ADC 的模拟输入引脚。 如果不作为 ADC 的模拟输入，端口 F 可以作为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱 动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外 部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 F 为三态。 如果使能了 JTAG 接口，则复位 发生时引脚 PF7(TDI)、 PF5(TMS) 和 PF4(TCK) 的上拉电阻使能。 端口 F 也可以作为 JTAG 接口。 端口 G(PG4PG0)：端口 G为 5位双向 I/O 口，并 具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲 器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使 能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。 复位发生时端口 G为三态。 在 ATmega103 兼 容模式下，端口 G 只能作为外部存储器的所存信号以及 32 kHz 振荡器的输入，并且在 复位时这些引脚初始化为 PG0 = 1， PG1 = 1 以及 PG2 = 0。 PG3 和 PG4 是振荡器引脚。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 RESET：复位输入引脚。 超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。 低于此时间的脉 冲不能保证可靠复位。 XTAL1：反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。 XTAL2：反向振荡器放大器的输出。 AVCC： AVCC为端口 F以及 ADC转换器的电源，需要与 VCC相连接，即使没有使用 ADC也应 该如此。 使用 ADC 时应该通过一个低通滤波器与 VCC连接。 AREF： AREF为 ADC的模拟基准输入引脚。 PEN： PEN是 SPI串行下载的使能引脚。 在上电复位时保持 PEN为低电平将使件进入 SPI 串行下载模式。 在正常工作过程中 PEN 引脚没有其他功能。 时钟日历芯片 DS1302 常用的实时时钟芯片有 DS1288 DS121 DS164 DS1302。 每种芯片的主要时钟功能基本相同，只是在引脚数量、备用电池的安装方式、计时精度和扩展功能等方面略有不同。 DS12887 与 DS1216 芯片都有内嵌式锂电池作为备用电池； X1203 引脚少，没有嵌入式锂电池，跟 DS1302 芯片功能相似，只是相比较之下， X1203 与 ATmega128搭配使用时占用 I/O 口较多。 DS1643 为带有全功能实时时钟的 8K 8 非易失性 SRAM，集成了非易失性 SRAM、实时时钟、晶振、电源掉电控制电路和锂电池电源， BCD 码表示的年、月、日、星期、时、分、秒，带闰年 补偿。 同样， DS1643 拥有 28 只管脚，硬件连接起来占用微处理器 I/O 口较多，不方便系统功能拓展和维护。 故而从性价比和货源上考虑， DS1302 芯片读写靠时序控制且具有写保护位，抗干扰效果好， 故本设计采用实时时钟日历芯片 DS1302。 DS1302 简介 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟 日历 芯片，附加 31 字节静态 RAM，采用 SPI 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和 RAM 数据。 实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月 小于 31 天时 可以自动调整，且具有闰年补偿功能。 工作电压宽达 ～。 采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后 备 电源进行涓细电流充电的能力。 有主电源和备份电源双引脚，而且备份电源可由大容量电容（＞ 1F）来替代。 需要强调的是， DS1302 需要使用 的晶振 【 5】。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 DS1302 引脚说明 DS1302 引脚图参照图。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 9 Jun 20 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c um e nt s a n d S e tt i ng s \ A d m i ni st r a t or \桌面 \常亮毕业设计 \电路图 \多功能电子时钟毕业设计电路图 .ddbD r a w n B y :V C C 11X12X23G N D4V C C 2 8S C L K 7I / O 6R S T 5D S 13 02 图 芯片引脚图 其的引脚功能参照表。 表 DS1302 引脚功能说明 引脚号 名称 功能 1 VCC1 备份电源输入 2 X1 晶振输入 3 X2 晶振输出 4 GND 地 5 RST 复位 6 I/O 数据输入 /输出 7 SCLK 串行时钟 8 VCC2 主电源输入 DS1302 控制字和读写时序说明 在编程过程中要注意 DS1302 的读写时序。 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。 要想与 DS1302 通信，首先要先了解 DS1302 的控制字。 DS1302 的控制字如 表 表 DS1302 控制字（即地址及命令字节） BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT 3 BIT 2 BIT 1 BIT 0 1 RAM A4 A3 A2 A1 A0 RD CK WR 控制字的作用是设定 DS1302 的工作方式、传送字节数等。 每次数据的传输都是由控制字开始。 控制字各位的含义和作用如下： 1. BIT7： 控制字的最高有效位 ， 必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入到 DS1302 中。 2. BIT 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； 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 3. BIT 5 至 BIT 1（ A4～ A0）： 用 A4～ A0 表示，定义片内寄存器和 RAM 的地址。 定义如下： 当 BIT 6 位 =0 时，定义时钟和其他寄存器的地址。 A4～ A0=0～ 6，顺序为秒、分、时、日、月、星期、年的寄存器。 当 A4～ A0=7，为芯片写保护寄存器地址。 当 A4～A0=8，为慢速充电参数选择寄存器。 当 A4～ A0=31，为时钟多字节方式选择寄存器。 当 BIT 6=1 时，定义 RAM 的地址， A4～ A0=0～ 30，对应各子地址的 RAM，地址31 对应的是 RAM 多字节方式选择寄存器。 4. BIT 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。 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，数据输入从最低位（ 0 位）开始。 同样，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，读出的数据也是从最低位到最高位。 R S TR S TS C L KI / OS C L KI / OR / WR / WA 0A 0A 1 A 2 A 3 A 4 R / C 1A 1 A 2 A 3 A 4 R / C 1D 0D 0D 1 D 2D 3 D 4 D 5 D 6 D 7D 1 D 2 D 3 D 4D 5D 6 D 7单 字 节 读单 字 节 写 图 DS1302 数据读写时序 DS1302 的数据读写方式有两种，一种是单字节操作方式，一种是多字节操作方式。 每次仅写入或读出一个 字节数据称为单字节操作，每次对时钟 /日历的 8 字。