课程设计（论文）-基于单片机的作息时间控制系统

1、本科学生学年论文论文题目：基于单片机的作息时间控制系统学 院：电子工程学院年 级：2021级专 业：电子信息工程姓 名：学 号：指导教师：2011年 4 月 6摘 要本设计是一个具有打铃、当前环境温度显示、教室灯光、播送、校门开关的自动控制等功能的作息时间控制系统。同时该系统也是一可调式万年历，采用SG12864液晶具有良好的菜单式人机界面更使本系统增色不少。它利用PCF8563实时时钟芯片计时，进行年历计算，并用SG12864将当前日期、星期、时间出来；由单片机核心控制模块、键盘模块、电机模块、实时时钟模块、红外模块、液晶显示模块、温度传感器模块、数据存储模块、外围驱动模块九局部组成，系统扩

2、展16个矩阵按键用于打铃时间调整及时间校正。关键字作息时间控制；SG12864液晶；PCF8563实时时钟芯片Abstract This design is a dozen bell, the current environmental temperature display, classroom lamplight, radio, school switch functions such as automatic control schedules control system. At the same time, this system is also a adjustable calen

3、dar, using SG12864 LCD with good menu type human-computer interface more make the system graces many. It used PCF8563 real-time clock chip, calendar, clock SG12864 calculated by the current date, week, time out; The core of microcomputer control module, keyboard module, motor module, real-time clock

4、 module, infrared module, LCD module, the temperature sensor module, data storage module, peripheral driver modules nine parts, system extension 16 matrix buttons for time and time to adjust the bell calibration.KeywordsSchedules control; SG12864 LCD ; PCF8563 real-time clock chip目 录 TOC o 1-3 h z u

5、 HYPERLINK l _Toc289882784 摘 要 PAGEREF _Toc289882784 h I HYPERLINK l _Toc289882785 Abstract PAGEREF _Toc289882785 h II HYPERLINK l _Toc289882786 第一章 引言 PAGEREF _Toc289882786 h 1 HYPERLINK l _Toc289882787 单片机作息时间控制系统设计的目的和意义 PAGEREF _Toc289882787 h 1 HYPERLINK l _Toc289882788 实施方案 PAGEREF _Toc2898827

6、88 h 1 HYPERLINK l _Toc289882789 第二章 系统的总体目标 PAGEREF _Toc289882789 h 2 HYPERLINK l _Toc289882790 整体设计方框图 PAGEREF _Toc289882790 h 2 HYPERLINK l _Toc289882791 系统实现工作流程 PAGEREF _Toc289882791 h 2 HYPERLINK l _Toc289882792 第三章 模块电路设计 PAGEREF _Toc289882792 h 4 HYPERLINK l _Toc289882793 单片机核心控制模块 PAGEREF _

7、Toc289882793 h 4 HYPERLINK l _Toc289882794 键盘模块 PAGEREF _Toc289882794 h 5 HYPERLINK l _Toc289882795 实时时钟模块 PAGEREF _Toc289882795 h 6 HYPERLINK l _Toc289882796 数据存储模块 PAGEREF _Toc289882796 h 8 HYPERLINK l _Toc289882797 温度传感器模块 PAGEREF _Toc289882797 h 9 HYPERLINK l _Toc289882798 红外模块 PAGEREF _Toc28988

8、2798 h 10 HYPERLINK l _Toc289882799 电机模块 PAGEREF _Toc289882799 h 12 HYPERLINK l _Toc289882800 显示模块 PAGEREF _Toc289882800 h 13 HYPERLINK l _Toc289882801 外围驱动模块 PAGEREF _Toc289882801 h 14 HYPERLINK l _Toc289882802 结 论 PAGEREF _Toc289882802 h 15 HYPERLINK l _Toc289882803 参考文献 PAGEREF _Toc289882803 h 16

9、 HYPERLINK l _Toc289882804 附录：整体电路图 PAGEREF _Toc289882804 h 17 HYPERLINK l _Toc289882805 致 谢 PAGEREF _Toc289882805 h 18第一章 引言随着计算机技术的开展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化开展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出了很强的生命力。进入21世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活泼，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。因其功耗低，超高型，低本钱，功能

10、完整，在国内越来越受到用户的重视和广泛使用。实施方案就是应用单片充当主控器来再加上适量的外围实现此功能，且单片机价格廉价，性能稳定。应用的外围器件相对较少，这就提高了系统的稳定性，且单片机控制简易，开发工具简单，很容易大批量生产。第二章 系统的总体目标 2.1整体设计方框图图1-1整体方块图2.2系统实现工作流程本系统采用PCF8563计时并产生日期、星期、时间数据，当单片机上电复位时，首先初始化单片机内部资源，开中断、初始化定时器和全局变量、设置外部中断触发方式，然后对PCF8563进行初始化让其在精确计时模式下运行并在每一分钟产生一个中断信号，接下来就由单片机对PCF8563产生的日期、时

11、间数据进行读取，将读取到的数据和存储器E2PROM中的数据进行比拟，判断当前日期是否是在假期内，如果在假期内那就关掉外部中断0，也就屏蔽掉教室灯光、打铃和播送。然后就进入主循环，在循环内首先对窗口计数字节进行判断，然后根据相应的窗口计数值进行相应窗口的显示如时间界面、主菜单界面、时间调整界面、打铃设置界面，接下来对校门控制标志位进行判定，如果控制标志位为1那么启动电机，当电机转动的弧长到达预设值，那么关闭电机，同时置电机状态标志位表示校门已经是翻开状态，并启动定时器0，当定时器计时到达15S时那么又启动电机，但此次电机为反转也就是校门开始关闭。校门的控制标志位的修改那么是由外部中断1来控制的，

12、当有人或物体靠近校门时，人或物体就会挡住红外发射管发射的载波，红外接收管就会产生一低电平，从而引发单片机的外部中断1，从而置位控制标志位，从而启动电机就到达校门自动开关的效果，而当有人或物体经过到校门的翻开只需要微秒级的时间，已远远能满足控制需求。而本设计中的温度传感器模块那么是，使用数字接口芯片DS18B20单片机可以直接向其读取温度数据，再经转换就能实现温度的实时显示，且DS18B20的精度可达。第三章 模块电路设计A单片机类型我们决定选用ATMEL公司的AT89S51单片机，AT89S51是ATMEL公司生产的低功耗，高性能、高性价比的CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统

13、编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程ISP也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，AT89S51含有1288字节内部RAM、32个可编程I/O口线、2个16位定时/计数器、6个中断源和全双工串行UART通道，已能满足系统控制需求。B模块电路设计单片机运行需要满足几个条件，首先必需提供电源，还时钟振荡源，还有复位。由于十二个时钟周期构成一个机器周期，在这里为方便计算我们选取晶振频率为12M HZ的晶振，因为晶振产生的信号比拟弱，电容选取范围只能是小于30PF，在这里

14、我们选取C1、C2为22PF。当单片机的复位端持续为两个机器周期高电平时产生复位，因此复位电路的参数需要根据晶振来决定，单片机控制系统一般都要求到达上电复位，因此这就对电容和电阻的选择有一定的要求，这可以通过计算来得出元件参数，但单片机最小系统的参数有一个经验值，在这里我们选用取R2 100、R1 10K，C3取10UF。由于单片机的P0口结构的特殊性，需加上拉电阻，这里我们选取阻值为10K的电阻，而耐压值的选择我们那么只须选择大于7.5V就行了。图3-1单片机核心控制模块电路A键盘电路我们选择使用普通的键盘电路，有电路简单，本钱低等特点，但其抗干扰能力较前者弱。而键盘电路结构又分为直接型和矩

15、阵型，直接型具有编程、电路简单等特点，但占用的I/O口比拟多，适用于只需少量键盘的场合。矩阵型具有电路、编程复杂等特点，但占用I/O口少，比拟适应于要求键盘比拟多的场合。而本设计的显示电路是采用的LCD显示，且对键盘读取要求也不是太高，采取键盘芯片不能充分利用其功能，有点浪费。且单片机I/O口比拟紧张，所以决定采用普通矩阵键盘。在本设计中有用到数字键0-9，且还有上、下、左、右、确定、取消键。一共十六个键，刚好可用8个I/O口组成4*4矩阵键盘。而矩阵键盘的搭建比拟简单，只需遵循行列相交搭建就行，而必需在行或列添加上拉电阻，而上拉电阻的选取就只需遵循上拉电流小于单片机最大灌电流就行，在这里我们

16、选取10K的电阻来充当上拉电阻。C模块电路图图3-2键盘电路A核心器件选择在单片机内部，可以利用定时器进行计时，也可以实现功能，但利用内部定时器进行计时会产生计时不精确，且增加了CPU的负担和编程的难度，再就是掉电重启后时间会全部被初始化。因此我们采用实时时钟芯片，实时时钟芯片的种类繁多。在这里我们选用PCF8563实时时钟芯片。PCF8563 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，内嵌的字地址存放器会自动产生增量，可编程时钟输出刚好可以为红外发

17、射管提供载波信号。PCF8563 有16 个位存放器：一个可自动增量的地址存放器，一个内置32.768KHz 的振荡器带有一个内部集成的电容，一个分频器用于给实时时钟RTC 提供源时钟，一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHz I2C总线接口。所有16 个存放器设计成可寻址的8 位并行存放器，但不是所有位都有用。前两个存放器内存地址00H，01H用于控制存放器和状态存放器，内存地址02H08H 用于时钟计数器秒年计数器，地址09H0CH 用于报警存放器定义报警条件，地址0DH 控制CLKOUT 管脚的输出频率，地址0EH 和0FH 分别用于定时器控制存放器和

18、定时器存放器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警存放器，编码格式为BCD，星期和星期报警存放器不以BCD 格式编码。当一个RTC 存放器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下， 可以禁止对时钟日历芯片的错读。一个或多个报警存放器MSBAE=Alarm Enable 报警使能位清时，相应的报警条件有效，这样，一个报警将在每分钟至每星期范围内产生一次。设置报警标志位AF控制状态存放器的位用于产生中断，AF 只可以用软件去除。位的倒计数器地址0FH由定时器控制存放器地址0EH控制，定时器控制存放器用于设定定时器的频率4096，64，1，或1/60Hz，以及设定定时器有

19、效或无效。定时器从软件设置的8 位二进制数倒计数，每次倒计数结束，定时器设置标志位TF，定时器标志位TF 只可以用软件去除，TF 用于产生一个中断/INT，每个倒计数周期产生一个脉冲作为中断信号。TI/TP控制中断产生的条件。当读定时器时，返回当前倒计数的数值。管脚CLKOUT 可以输出可编程的方波。CLKOUT 频率存放器地址0DH；参见表23决定方波的频率，CLKOUT 可以输出32.768KHz( 缺省值)，1024，32，1Hz 的方波。CLKOUT为开漏输出管脚，通电时有效，无效时为高阻抗。表3-1 PCF8563存放器结构地址存放器名称D7D6D5D4D3D2D1D000H控制/状

20、态存放器1TEST0STOP0TTESTC00001H控制/状态存放器2000TI/TPAFTFAIETIE02H秒存放器VL0059 BCD码格式数03H分存放器-0059 BCD码格式数04H时存放器-0023 BCD码格式数05H日存放器-0031 BCD码格式数06H星期存放器-0006 BCD码格式数07H月/世纪存放器C0012 BCD码格式数08H年存放器0099 BCD码格式数09H分钟报警存放器AE0059 BCD码格式数0AH时钟报警存放器AE0023 BCD码格式数0BH日报警存放器AE0031 BCD码格式数0CH星期报警存放器AE0006 BCD码格式数0DHCLKO

21、UT频率存放器FEFD1FD00EH定时控制存放器TE-TD1TD00FH定时器倒计时数值存放器定时器倒数计数数值本模块电路比拟简单，只需注意一个地方，那就是实时时钟芯片一般装有后备电池，以保证当断电时仍继续计时，这就需要考虑一个当断电时电流反灌而损坏电源的问题，还有就是当从断电状态进入上电电压的瞬时上升会造成电池寿命的缩短，因此我们在电源和地之间需加一二极管和缓冲电容，二极管的选取只须考虑最大正向整流电流和最大反向电压，在这里们选取4148，而缓冲电容那么选取。而晶振必须选取32.768KHZ，在晶振和地之间须串联一耦合电容，耦合电容只须小于35P就可以了，在这里我们先取18P。图3-3时钟

22、模块电路3.4数据存储模块本模块的设计是为了增加在线调整作息时间，以更适应现实生活中的需要。而数据存储芯片，我们采用非掉电易失的串行EEPROM芯片进行存储。串行EEPROM中，较为典型的有ATMEL公司的AT24CXX系列以及该公司生产的AT93CXX系列，较为著名的半导体厂家，包括Microchip，国家半导体厂家等，都有AT93CXX系列EEPROM产品。 AT24CXX系列的串行电可改写及可编程只读存储器EEPROM有10种型号，其中典型的型号有AT24C01A/02/04/08/16等5种，它们的存储容量分别是1024/2048/4096/8192/16384位，也就是128/256

23、/512/1 024/2048字节。这个系列一般用于低电压，低功耗的工业和商业用途，并且可以组成优化的系统。信息存取采用2线串行接口。这里我们就24C02的结构特点，其它系列比拟类似。 AT24C02有地址线A0A2，串行时钟引脚SDA，串行时钟输入引脚SCL，写保护引脚WP等引脚。很明显，其引脚较少，对组成的应用系统可以减少布线，提高可靠性。 本模块电路简单，只须将三地址端和写保护接地就可以了。图3-4存储模块电路A核心器件选择Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线接口的温度传感器。现场温度直接以“一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性

24、。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。DS18B20测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。本模块接口电路简单，在这里不对电路进行讲解了。图3-5温度传感器电路红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用脉时调制PPM方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发

25、送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，复原为二进制数字信号后输出。红外发送器电路包括脉冲振荡器、驱动管Q1和Q2、红外发射管Q3等局部。其中脉冲振荡器用以产生38kHz的脉冲序列作为载波信号；红外发射管Q3用来向外发射950nm的红外光束。红外发送器的工作原理为：串行数据由单片机的串行输出端DATA送出并驱动Q1管，数位“0”使Q1管导通，通过Q2管调制成38kHz的载波信号，并利用红外发射管Q3以光脉冲的形式向外发送。数位“1”使Q1管截止，红外发射管Q3不发射红外光。假设传送的波特率设为1200bps，那么每个数位“0”对应32个载波脉冲调

26、制信号的时序，如图3-6所示。图3-6 调制信号时序图红外接收电路选用专用红外接收模块。该接收模块是一个三端元件，使用单电源+5V电源，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长950nm以外的红外光不敏感的特点，其内部结构框图如图3-7所示。图3-7红外接收模块内部结构框图接收模块的工作原理为：首先，通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前置放大器和自动增益控制电路进行放大处理。然后，通过带通滤波器和进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调。最后，由输出级电路进行反向放大输出。为保证红外接收模块接收的准确性，要求发送端载波信号的频率应尽可

27、能接近38kHz，因此在设计脉冲振荡器时，要选用精密元件并保证电源电压稳定。再有，发送的数位“0至少要对应14个载波脉冲，这就要求传送的波特率不能超过2400bps。红外发射二极管的额定电流为5-50mA在这里我选取限流电阻R10 470，而从PCF8563产生的信号比拟微弱，须加上拉电阻，在这里选取R8 10K的上拉电阻。为减少噪声影响我们在基极和载波信号间加一抗干扰电阻R9，阻值为1K。在接收管处为增加输出信号强度和减少噪声影响，输出端也加一拉电阻R11，阻值为10K，由于本设计是利用单片机中断以做出及时响应，在这里输出需加一反向器然后再送入单片才能到达控制功能，在这里我采用74LS04。

28、图3-8红外模块电路电机分直流电机和步进电机，而步进电机力矩大且便于精准控制，步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。假设每旋转一圈以20个励磁信号来计算，那么每个励磁信号前进18度，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。 步进电动机的励磁方式可分为全步励磁及半步励磁，其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称1-2相励磁。图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。电动机的负载转矩与

29、速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。刚凭单片机的I/O口是无法驱动步进电机的，因此需要加驱动芯片，在这里我们选择ULN2003，ULN2003是耐高压、大电流NPN达林顿管，恰好能满足驱动需求，在输出端串联一小电阻以减少噪声干扰，在这里电阻取20。 图3-9电机模块电路显示可用LED数码管或LCD显示，LCD显示器具有显示丰富、功耗低、低闪烁和低幅射等特点。为使人机界面更加和谐丰富在这里我们采用128*64LCD显示器。本设计采用内置控制器、不带字库的图形点阵液晶显示模块，点阵数为12864。它主要由行驱动器/列驱

30、动器及12864 全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示也可以显示84 个(1616 点阵)汉字。SG12864内置数字芯片控制器，可以直接和单片机I/O口进行对接，在这里不作介绍。图3-10显示模块电路本模块电路是用来控制打铃和教室灯光。而课铃和灯光都是由220V交流电驱动，这对单片机有很强的干扰。因此在设计时必需考滤到电气隔离的问题，在这里我们采用光电耦合器进行电气隔离，再用继电器来到达弱电控制强电的目的。而刚凭单片机的I/O口是无法驱动光电耦合器的，因些要对单片机引脚信号进行放大，在这里我们采用一个三极管8550进行放大，而为了提高抗噪能力和保护三极管需在三极管基极加一电阻，我们这里取10K。在发射极的需加一限流电阻，取值1K，为更好的保护元器件在电源端并上一滤波电容，取值0.1uF。继电器线圈具有储能作用，当断电时由于电磁感应会产生一个很高的反电热，为此两端需加一回路来消除反电势。在这里是直流电路所以只需在线圈两端加一续流二极管。在这里还是用三极管进行驱动，取限流电阻R19为100。前偏置电阻R17为1K，后偏置电阻为10K。图3-11驱动电路结 论经过几周时间的论文设计，在王华老师的指导下，顺利地完成了本次设计。学年论文是教育环节中重要一环，对检验我们两年多来的知识水平是一次卓有效的检查，是综合提高我们两年多所学