家用电器多路定时控制器系统的设计

学院毕业设计（论文）题目家用电器多路定时控制器系统的设计信息与管理学院电气系二○○九届电气工程及其自动化专业姓名:LI学号:05DQ035指导教师PAGEIV摘要为了减少种类繁多的家用电器或办公电子设备的控制装置的数量，便于集中控制，方便实用人员的操作，这就需要一种功能更全的控制器。以单片机AT89S51为核心的多路定时控制器，可以对多路家用电器进行定时开关控制，实现一个控制器可以控制多路用电设备，同时还具有时钟校准、时间显示、报警等功能，为以后实现网络控制的数字家庭提供一些基础。本文通过按键调整当前时间并设定定时时间，再通过DS1307显示当前时间，设定定时时间后，LED显示倒计时，当定时时间到时，断开继电器并发出报警。此定时器的特点具有：操作简单，功能实用；应用范围广，可同时控制多个电器；电子式定时时间精确，定时时间长。关键词：单片机;时钟芯片;定时器 AbstractInordertoreducetypemanydomesticelectricappliancesorworkelectronicinstallationcontroldevicequantity,isadvantageousforthecommoncontrol,facilitatesthepracticalpersonnel'soperation,thisneedsonekindoffunctionentirecontroller.TakemonolithicintegratedcircuitAT89S51asthecoremulti-channelfixedtimecontrollers,maycarryonthetimecut-outcontroltothemulti-channeldomesticelectricappliances,realizesacontrollertobepossibletocontrolthemulti-channelcurrentcollector,meanwhilehastheclockcalibration,thetimedemonstrated,reportstothepoliceandsoonthefunctions,willrealizethenetworkcontroldigitalfamilyforlatertoprovidesomefoundations.Thisarticleandestablishesfixedtimethetimethroughthepressedkeyadjustmentcurrenttime,againthroughDS1307demonstratedthecurrenttime,afterthehypothesisfixedtime,LEDdemonstratesthecountdown,whenfixedtimethetimeattheappointedtime,separatestherelayandsendsoutreportstothepolice.Thistimercharacteristichas:Operatessimply,thefunctionispractical;Theapplicationscopeisbroad,maysimultaneouslycontrolmanyelectricappliances;Theelectronicformulatimeisfixedtimeprecise,thetimeisfixedtimelong.Keyword：Monolithicintegratedcircuit;Clockchip;Timer目录摘要………….IAbstract…………….…….II前言…………………...……..V第1章绪论……………11.1设计要求………………11.2设计思路………………11.3硬件电路设计框图……………………2第2章单片机应用系统的硬件设计………………32.1单片机的选择…………32.2.时钟电路设计…………62.3复位电路设计…………62.4单片机最小应用系统…………………72.5LED显示电路设计与器件选择………92.5.1LED显示器的选择………………92.5.2LED段驱动芯片的选择………102.5.3LED位驱动芯片的选择………112.5.4LED驱动电路与单片机的连接………………122.6蜂鸣器电路的设计…………………132.7键盘电路设计与器件选择…………142.8串行接口RTC芯片DS1307及应用…………………162.8.1DS1307时钟芯片的引脚功能…………………162.8.2DS1307时钟格式和地址分配…………………DS1307的内部寄存器与RAM地址分配…时钟和日历格式…………DS1307芯片品与单片机的连接…………DS1307操作时序…………202.9控制输出电路的设计212.10本章小结22第3章单片机应用系统的软件设计……..………24结论…………………….25附录…………………….26致谢……………………35参考文献……………..36前言“定时器”总的来说有两种类型。其一是基于模拟技术的传统产品，这种定时器功能简单，尽管曾被广泛应用过，但已进入淘汰之列。另一种就是基于数字技术的新一代产品，这种产品功能强，是前者的换代之物。然而，此类产品大多是较大型的设备，真正实用、携带方便、功能齐全的“大路”商品则就不多见了。随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能，小则可以用于家电控制，甚至能够用来做儿童电子玩具。它功能强大，体积小，重量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有各自的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，本文介绍了一种多路定时控制器的设计，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器实现对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准和设定多点开、关的时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，为以后数字化家庭的诞生提供了可能，便于实现家用电器的网络控制。鉴此，设计了一种基于单片机的多路定时控制器PAGE37第1章绪论单片机应用系统是指以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，能实现某些功能的应用系统。它由硬件部分和软件部分组成。因此，单片机应用系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分。为保证系统的可靠性工作，在软、硬件的设计中，还要考虑系统的抗干扰能力，即设计过程还包括系统的抗干扰设计。设计要求要求设计一个家庭定时控制器系统，控制相应的家用器具，如电灯、电视、录音机、热水器，空调，电饭煲等。要求控制准确，时间误差小，主要考虑如何实现精确定时，及定时长度问题。1.2设计思路根据设计要求，初步确定设计方案如下：选择DS1307芯片作为系统的时钟/日历，当前时间从DS1307芯片中读出。其中SDA接P1.0引脚，SCL接P1.1引脚。系统显示采用4位LED数码管。LED数码管的段码输入由P0产生、位码输入由P2产生。时间调整与定时时间的输入通过接入键盘电路实现。设计4个按键，分别定义为：SET键（时间调整设置位）：其功能是当该键按下时，进入时间调整功能。ALM键（定时时间设置键）：其功能是当该键按下时，进入定时时间输入功能。+1键：其功能是当该键按下时，被调整位加一。RET键：其功能是当该键按下时，指向下一个要调整的位。按键的接入方式：SET键：通过P3口INT1引脚接入，中断工作方式。ALM键：通过P3口INT0引脚接入，中断工作方式。+1键：通过P3口P3.5引脚接入，查询工作方式。RET键：通过P3口P3.4引脚接入，查询工作方式。报警声响用蜂鸣器产生，蜂鸣器接入P1口的P1.7脚。6)外部电器电源的通断用继电器来完成，继电器触点的断开与接通，通过P1口的某些引脚控制。1.3硬件电路设计框图根据设计要求与设计思路，硬件电路设计框图如图1.1所示。硬件电路结构由7个部分：按键输入电路、时钟与复位电路、蜂鸣器电路、LED显示器及驱动电路、继电器电路、电源电路和时钟/日历电路组成。按键按键输入电路时钟电路复位电路蜂鸣器电路单片机LED显示器驱动电路继电器电路RTCDS13078位LED显示器图1.1硬件电路设计框图第2章单片机应用系统的硬件设计一个单片机应用系统的硬件设计包括两个部分内容：一是单片机系统的扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。存储器扩展指EPROM、EEPROM和RAM的扩展。接口扩展是指8255、8155、8279以及其他功能器件的扩展。二是各功能模块的设计，如信号测量模块，信号控制功能模块，人机对话功能模块，通信功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D，D/A，键盘，显示器，打印机等外围设备。2.1单片机的选择根据初步设计方案的分析，设计这样一个简单的应用程序，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，如图2.1所示，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并通过软件设置节电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适合不同产品的需求。 图2.1AT89S51引脚配置图AT89S51各引脚功能：VCC：AT89S51电源正端输入，接+5V。VSS:电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一30PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp：EA为英文“ExternalAccess”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET。当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文“AddressLatchEnable”的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。PSEN：此为“ProgramStoreEnable”的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位漏级开路双向I/O口，P0.0表示位0，P0.1表示位1，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁存成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一个完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当作一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR，外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。2.2时钟电路设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路图如下：图2.2时钟电路AT89S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。2.3复位电路设计单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位。上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在REST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到REST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以REST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。电路图如下：图2.3复位电路上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。2.4单片机最小应用系统用AT89S51芯片构成最小应用系统时，如图2.4所示，只需将单片机接上时钟电路和复位电路即可。图2.4单片机最小应用系统其应用特点是：（1）受集成度所限，只能用于小型控制单元。（2）有可供用户使用的大量的I/O口线。因无外部寄存器扩展，这时EA接高电平，P0、P1、P2、P3都可作为用户I/O口使用。（3）因仅有芯片内部的存储器，故存储器的容量有限。（4）应用系统的开发具有特殊性，P1、P2口的应用于开发环境差别较大，由于它的应用程序量不大，外电路简单，所以采用模拟开发手段较好。（5）AT89S51的应用软件要依靠半导体掩膜技术置入，因此比较适用于在大批量生产的应用系统中采用2.5LED显示电路设计与器件选择单片机应用系统中，通常都需要进行人-机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。显示器、键盘电路就是用来完成人-机对话活动的人-机通道。LED显示器的驱动是一个非常重要的问题，由系统硬件设计框图可知，显示电路由LED显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示电路，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能够正常工作。如果驱动能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。因此，在实际使用中必须接入LED驱动电路。数码管是由8个发光二极管构成的显示器件。在数码管中，若将二极管的阳极连在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极连在一起，称为共阴极数码管。本文用到的4个数码管均是共阴极的。当发光二极管导通时，它就会发光。每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。将单片机的I/O口控制相应的芯片与数码管的a-g相连，高电平的位对应的发光二极管亮，这样，由I/O口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字符。例如：当I/O口控制芯片输出的代码是00111111时，数码管显示的字符为0。这样形成的显示字符的代码称为显示代码或段选码。LED显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，因此在选择LED驱动器时一定要先确定显示方式。若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流匹配即可。而且只须考虑段的驱动，因为共阳极接+5V，而共阴极接地，所以位的驱动不需要考虑。动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和位选共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。2.5.1LED显示器的选择在应用系统中，由于设计要求不同，生产厂家就生产了位数、尺寸、型号不同的LED显示器供选择。在本设计中，选择4位一体的时钟型LED显示器，简称“4-LED”，如图2.5所示。用“：”前的2位显示“分”的十位和个位，用“：”后的2位显示“秒”的十位和个位。图2.54-LED显示器引脚4-LED显示器引脚如图所示，是一个共阴极接法的4位时钟型LED显示器。其中a、b、c、d、e、f、g为4位LED各段的公共引出端。D1、D2、D3、D4分别是每一个的共阴极输出端，dp是小数点引出端。4位一体时钟型LED显示器的内部结构是由4个单独的LED和一个“:”LED组成，每个LED的段输出引脚在内部并联后，引出到器件的外部。对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部接在一起，所以是用动态扫描方式。2.5.2LED段驱动芯片的选择LED的段驱动电路有很多种，在本设计中，可以选择BCD-7段译码/驱动器作为段驱动电路。这类芯片的型号有74LS47、74LS48、74LS247、74LS248等，该类芯片具有译码、驱动的功能。即在输入端输入要显示字形的BCD码，在输出端可以得到具有一定驱动能力的7段显示字形码。图2.674LS48芯片引脚图7给出了74LS48的引脚图和结构原理图。引脚图中大写字母A、B、C、D为BCD码的输入端，小写字母a、b、c、d、e、f、g为字形码输出端，LT测试输入端，RBI为消隐输入，RBO为消隐输出。表给出了74LS48BCD-7段译码/驱动器的输入与输出信号的对应关系。在使用时，将该芯片的输入端引脚A、B、C、D与单片机的P0口连接，该芯片的输出端7个引脚，与LED显示器的7个段码引脚相连接。74LS48的作用是接受来自单片机的BCD码型的输入信号，经过译码和放大后，输出7段字形码到LED显示器，完成对BCD码到7段字形码的译码和驱动的功能。表2.174LS48BCD-7段译码器输入/输出端信号对照表输入端电平输出端电平显示字形输入端电平输出端电平显示字形DCBAgfedcbaDCBAgfedcba0000011111100101110110150001000011010110111110160010101101120111000011170011100111131000111111180100110011041001110111192.5.3LED位驱动芯片的选择LED的位驱动较常用的芯片有ULN2003A和ULN2803。前者是具有7个达林顿电路的集成芯片，后者是具有8个达林顿电路的集成芯片。此种芯片集电极可以收集最大达500mA的电流，耐压为30V，能驱动常规的LED显示器。图2.7是ULN2803芯片的引脚图和电路原理图。2803芯片的电路原理和2003完全相同，只是在结构上2803比2003多一路驱动器。图2.7ULN2803芯片引脚图图中的IN1～IN8引脚是输入端，OUT1～OUT8引脚是输出端。在本设计中选用ULN2803作为位驱动电路，将该芯片的输入端引脚IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6、IN7与单片机的P2连接，该芯片的输出端引脚OUT1、OUT2、OUT3、OU4与LED显示器的4个位码引脚D1～D4相连接。ULN2803的作用是接受来自单片机的位码输入信号，经过反相放大后输出，送到LED显示器的位码引脚，完成对位码信号的反向和驱动的功能。2.5.4LED驱动电路与单片机的连接可以采用单片机的P0口作为与LED的输出接口，即P0口的低四位作为LED的段码输出信号，P2口的低四位作为LED位码的输出控制信号。硬件电路连接如图9所示。R1是上拉电阻，作用是保证LED可靠导通与截止，可以选择8脚排电阻（7×100Ω）。图2.84-LED显示器接口电路原理该电路的工作原理是：当P0口的低四位输出段码信号的BCD码后，通过74LS48芯片的译码和驱动作用，在其输出端输出具有一定驱动能力的七段字形码，由于4-LED的段码输入引脚是并联在一起的，所以每一位LED的段码输入引脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位LED被点亮，必须靠位码信号控制。P2口的低4位输出位码信号，经ULN2803A反向后接到LED的位码控制端，因此P2口的位码信号在每一时刻只有一位是“1”，其他位全为“0”，然后按时间顺序改变输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位LED被点亮，达到动态显示的目的。2.6蜂鸣器电路的设计设计要求定时时间到时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器（HA）工作时约需10mA的驱动电流，并设计一个相应的驱动及控制电路。电路设计如图所示，蜂鸣器（HA）作为三极管VT1的集电极负载，当VT1导通时，蜂鸣器发出鸣叫声音，VT1截止时，蜂鸣器不发声。R3是限流电阻。图2.9蜂鸣器电路原理图蜂鸣器电路与单片机的接口：VT1的基极接到单片机P1口的P1.7引脚，P1.7引脚作为输出口使用。当P1.7=0时，VT1导通，使蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣音。当P1.7=1时，VT1截止，蜂鸣器的两引脚间的直流电压接近于0V，蜂鸣器不发生。蜂鸣器有长声和短声两种，可以根据需要进行选择。本设计选择短声蜂鸣器，蜂鸣器报警时间的长短，通过软件编程控制，请参看主程序设计2.7键盘电路设计与器件选择按键是一组常开的按键开关,每个按键都被赋予一个代码,称为键码.按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文在软件中采用了相应的软件程序来消除抖动。当发现有键按下时，延时10-20ms再查询是否有键按下，若没有键按下，说明上次查询结果为干扰或抖动；若仍有键按下。则说明闭合键已稳定。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用得最多的是非编码键盘。键盘结构可以分为独立式键盘和行列式键盘（矩阵式）两类。在本设计中需要4个按键，因此选择独立式键盘。如图2.10所示，电路由按键和4个电阻组成，按键分别命名为SET、ALM、+1和RET键，按键可以采用轻触开关，电阻可以采用5脚排电阻（4×1kΩ）。图2.10键盘接口电路原理图如图2.10所示，将键盘直接于单片机的P3.3、P3.2引脚通过两个按键SET、ALM接入两个外部中断的请求信号INT1、INT0；P3.5、P3.4引脚作为I/O口使用，通过两个按键+1、RET接入两个输入信号。4个按键功能的设计思路如下：eq\o\ac(○,1)当SET键被按下时，在单片机的INT1引脚产生一个低电平触发中断请求信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT1中断服务程序入口地址，执行INT1的中断服务程序。设计INT1的中断服务程序的功能是调整当前时间。即当电子时钟的时间有误差时，需要随时对它进行调整，使用SET键与+1键、RET键配合来完成这一功能。eq\o\ac(○,2)当ALM键被按下时，在单片机的INT0引脚产生一个低电平触发中断信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT0中断服务程序的入口地址，执行INT0的中断服务程序。INT0的中断服务程序的功能是输入定时时间。即当需要电子时钟进行定时服务时，可以通过该键的功能来输入定时时间，使用ALM键与+1键、RET键配合来完成这一功能。eq\o\ac(○,3)+1调整健功能：分别对时间值的分十位、分个位、秒的十位、秒的个位进行+1调整，即该键每按下一次，对应的时间调整位+1。eq\o\ac(○,4)RET确认键功能：确认，即对+1调整位进行确认，该键按下时，说明被调整位的值已经确定，转去调整下一位。2.8串行接口RTC芯片DS1307及应用DS1307串行实时时钟芯片，是一种具有I2C总线接口的外围器件，该芯片内部具有BCD码时钟/日历和56个自己的非易失性SRAM的数据存储器；两线串行接口和频率可变的单方波输出；自动的掉电保护和开关循环等功能。由于它具有可编程、低功耗、体积较小和引脚少的特点，特别适用于单片机应用系统中。2.8.1DS1307时钟芯片的引脚功能DS1307的封装方式有8引脚DIP和16引脚SOIC方式，8引脚DIP封装方式如图2.11所示。图2.11DS1307引脚图图2.12DS1307内部结构各引脚功能如下：Vcc，GND：直流电源接入引脚。Vbat：电池接入端，电池电压必须在2.0V和3.5V之间，能使DS1307再没有电源的情况下工作十年。SCL：时钟信号输入端，使数据在串行接口的传送同步进行，需外接上拉电阻。SDA：串行数据输入/输出的引脚，需外接上拉电阻。SQW/OUT：频率可变的方波输出端，有4种频率信号：1Hz，4kHz，8kHz和32kHz可以选择。SQW/OUT引脚需要外部上拉电阻。X1，X2：外接晶振引脚，与标准32kHz晶振相连，可以修正时钟的精确性。2.8.2DS1307时钟格式和地址分配DS1307的内部寄存器与RAM地址分配DS1307的内部有存储器RAM与RTC时间寄存器两部分组成，地址分配如图2.13所示。RTC时间寄存器的地址从00H到07H。RAM有56个字节，地址从08H到3FH。在多字节数据存取时，地址指针自动加一，当地址指针指到RAM最后一位3FH时，自动循环到00H地址。使用时，只要在程序中规定好第一个字节地址及读写字节数，读写N个字节与一个字节一样方便。名称秒分小时星期日月年控制寄存器存储器RAM……RAM地址00H01H02H03H04H05H06H07H08H3FH图2.13 地址分配时钟和日历格式时间和日期都以BCD码形式分别存放在7个寄存器中，通过读这些相应的寄存器字节可以得到时钟和日期的信息。通过写入相应寄存器字节可以设置时间和日期。1）秒寄存器（地址00H）。最高位CH（bit7）是时钟工作控制位，CH=0，晶振工作，当CH=1时，晶振停止工作。其他7位是“秒”的时间值，bit6～bit4三位是“秒”的个位数。数的范围：00H～59H。最初上电时，寄存器的状态没有被定义。因此，在初始化时，首先将CH=0时振荡器工作。2）分寄存器（地址01H）。最高位bit=0，其他7位的含义与秒寄存器相同。3）小时寄存器（地址02H）。DS1307可以选择12小时或24小时两种工作模式：小时寄存器的最高位bit=0，第6位（12/24）小时模式选择位。若12/24位为1，选择12小时模式。在12小时模式时，第5位是AM/PM设置位，高电平时为PM，第4位是小时的十数位；当12/24位为0时，DS1307工作在24小时模式。在24小时模式下，第5位和第4位是小时的十数位，低4位是小时的个位数。4）星期寄存器（地址03H）只使用了后3位表示星期值。5）控制寄存器（地址07H）。控制寄存器的功能是设置SQW/OUT引脚的输出方式以及输出方波的频率。控制寄存器由8位组成，其中有4位的设置如下：SQWE：SQW/OUT引脚输出方波控制位，当SQWE=1时，SQW/OUT引脚的输出固定频率方波，方波频率决定于RS1、RS0位的值。当SQWE=0时，SQW/OUT引脚的输出由OUT位控制。当输出方波的频率为1Hz时，时钟寄存器的值在方波下降沿时被更新。OUT：当方波输出无效时，控制SQW/OUT引脚的输出。如果SQWE=0，当OUT=1时，SQW/OUT引脚输出高电平，当OUT=0时，SQW/OUT引脚输出低电平。RS1、RS0：当方波输出有效时，这两位的值控制方波输出频率。表列出了输出方波的频率。表2.2SQW/OUT引脚输出方波的频率与RS1、RS0的对应关系RS1RS0输出方波的频率001Hz014.096kHz108.192kHz1132.768kHzDS1307芯片品与单片机的连接DS1307芯片于单片机的接口如图2.14所示，P1.0与SDA端连接，P1.1与SCL端连接，并接有3个上拉电阻。SQW/OUT接P1.2，设置读时钟的间隔时间。Vbat端接备用电池，X1、X2接32.768kHz的晶体振荡器。SDA与SCL接点构成串行数据总线，在串行数据总线上还可以连接更多的串行接口的外围设备。DS1307支持全双工、I2C总线和数据传送协议。图2.14DS1307与单片机的连接DS1307操作时序DS1307的操作时序是由起始信号START、停止信号STOP、器件寻址、读/写操作、应答信号ACK和非应答信号NACK等组成，可以概括的归纳为以下几个步骤：1）发送起始信号START。2）发送DS1307的读/写命令字。3）发送DS1307的读/写地址。4）执行读写数据操作。5）接受或发送应答信号。6）发送停止信号STOP。1.器件地址格式与读写命令器件地址字含有2个部分。第一部分是高7位，它们称为DS1307标识。第二部分是最低位，它是读/写操作选择位，并用R/表示。当R/=1时，执行读操作；当R/=0时，执行写操作。2.DS1307工作时有两种工作模式，即DS1307写操作和DS1307读操作1）DS1307写模式串行数据和时钟数据可通过SDA和SCL接受。在接受到每一字节后，发送一个ACK信号表示数据收到。在主机产生开始状态后，第一个接收到的是设备地址与读写命令字节，该字节包括两部分内容：高7位是DS1307设备地址(1101000），最低位是读写操作选择位（R/）。在写操作时，该位R/=0，DS1307接受并译码设备地址后，对主机地址和写位地址确认后，在SDA输出一个确认信号ACK。接下来主机传送一个DS1307寄存器地址，使DS1307设置寄存器地址指针，然后主机开始传送数据字节。DS1307在每个字节收到后，发出确认信号ACK，终止写数据时由主机产生一个STOP信号来实现。2）DS1307读模式在主机传送模式下，数据传送方向将改变。在这个模式下，当串行时钟从SCL引脚输入时，串行数据从DS1307的SDA引脚被送出。第一个字节（设备寻址字节）仍由7位DS1307地址1101000和读写标识位组成。在DS1307读模式时，R/W=1，即DS1307的设备读命令字位D1H。设备寻址完成后，DS1307从寄存器指针所指向的寄存器地址开始传送数据。如果寄存器指针在读模式初始化时没有定义，则所读第一个数据的地址将由寄存器指针的当前值确定。DS1307收到一个NOTACK（没有确认）信号时将结束读操作。2.9控制输出电路的设计外部电路采用继电器控制，继电器的触点控制外部电源的通与断，触点闭合接通电源，触点断开切断电源。三极管VT2电阻R4续流二极管VD1组成的继电器的控制电路。当VT2的基极为低电平时，VT2导通，继电器线圈通电，控制触点闭合；当VT2的基极为高电平时，VT2截止，继电器线圈断电，控制触点断开。从而实现了外部电路控制。控制电路如下图图2.15继电器输出电路图2.10本章小结在定时控制器设计中，选择ATMEL公司生产的型号为AT89S51的单片机。该单片机与MCS-51系列又增加了WTD、ISP等功能，物美价廉，经济实用，并且使用起来更加方便。定时控制器的硬件电路原理图如图2.16所示，与电子时钟比较，多了4个LED数码管，位驱动电路芯片采用8位驱动器的2803芯片，显示器与单片机的接口是通过P0、P2二个并行端口与74LS48、UNL2803相连接组成。用P0口输出段码信号BCD码，P2口输出位码信号值。VT1、R3组成蜂鸣器控制电路。VT4、R6、R7组成DISP小数点驱动电路。由DS1307芯片产生标准时间，通过读DS1307获得。外部电路采用继电器控制，多个继电器并联实现多路家用电器的控制。 图2.16硬件电路原理图第3章单片机应用系统的软件设计定时控制器程序设计包括主程序设计，当前时间调整子程序的设计，定时时间输入子程序设计，LED动态扫描子程序设计，读时钟子程序设计等等。主程序流程图如下图所示：图3.1程序流程图结论基于单片机的家庭定时控制器的设计致力于对多路家用电器进行定时开关控制，实现一个控制器可以控制多路用电设备，同时还具有时钟校准、时间显示、报警等功能。该系统的硬件设计包含以下几个模块：按键输入电路、时钟与复位电路、蜂鸣器电路、LED显示器及驱动电路、继电器电路、时钟/日历电路。此设计通过按键调整当前时间并设定定时时间，并通过DS1307显示当前时间，设定定时时间后，LED显示倒计时，当定时时间到时，断开继电器并发出报警。设计克服了操作复杂，只能控制一个电器，定时时间误差大和定时时间短的缺点。具备了操作简单，可同时控制多个电器，定时时间精确，定时时间长等优点。但同时还存在的问题是，对继电器同时进行既开又关的动作存在一定的困难，可通过进一步的编程进行控制。附录初始化程序ORG 0000H LJMP CHSH ；设置主程序入口 ORG 0003HLJMP INTA ；设置INT0中断服务程序入口ORG 000BHLJMP T0_SEV ；设置T0中断服务程序入口ORG 0013H LJMP INTB ；设置INT1中断服务程序入口ORG 0030HCHSH: MOV SP,#60H ；初始化程序，设置堆栈MOV A,#00H ；A寄存器清0 MOV 0H, A ；存储单元清0 MOV 31H, A MOV 32H, A MOV 33H, A MOV 34H, A MOV 35H, A CLR 26H CLR 27H CLR 28H CLR RS0 ；设置0工作区 CLR RS1 MOV TMOD, #01H ；计数器初始化 MOV TH0, #0ECH MOV TL0, #78H MOV TCON, #10H MOV IE, #8FH ；开中断2.主程序MAIN: MOV 22H, #04H MOV 23H, #08H MOV 25H, #01 MOV 26H, #02 MOV 27H, #05LP2: MOV R1, 22H MOV R2, 23H LCALL OSC_Q ；启动晶振RT: MOV R1, 22HMOV R2, 23HLCALL READ ；读时间 LCALL BCDP26H: JNB 26H, P28H JNB 27H, RTNT: MOV R2, 34H CJNE R2, #0, J34HMOV R2, 35H CJNE R2, #0, J35H ；判断定时时间到否 SETB SDA ；时间到，断开继电器 SETB 28H ；开蜂鸣器，发出报警 CLR SCL CLR 26H SJMP BBJ34H: DEC 34H ；定时时间倒计时 SJMP BBJ35H: DEC 35HMOV 34H, #59SJMP BBP28H: JB 8H, NT1 SJMP RTNT1: JB 27H, SCLH SJMP RTP36H: MOV R2, 36H CJNE R2, #59, J36H CLR 28H SETB SCLMOV 36H, #00H SJMP BBJ36H: INC 36HBB: CLR 27H LJMP RT3.二进制树转换成BCD码子程序BCD: MOV R7, #03 ；二进制数转换成BCD码MOV R1, #40H MOV R0, #2AHBCD1: MOV A, @R0 ANL A, #0F0H SWAP AMOV @R1, A INC R1 MOV A, @R0 ANL A, #0FH MOV @R1,A INC R1 DEC R0 DJNZ R7, BCD1 RET4.调整当前时间子程序INTA: PUSH APUSH BPUSH PSWMOV 31H, #08H ；（31H）=08HMOV 29H, #00H ；（29H）=00HLP0: JB P1.5, NEXT0 ；判断P1.5键，无键按下转NEXT0LCALL DELAY1 ；有键按下，延时1msJB P1.5, LP0 ；判断是否松开，否，再判断LP1: JNB P1.5, LP1 ；是，转LP0INC 29H ；P1.5松开后，（29H）+1MOV 30H, #1HSJMP LO1NEXT0:JBSCL,L1 ；判断SCL键，无键按下转NEXT0LCALL DELAY1 ；有键按下，延时1msJB SCL, NEXT0LD1: JNB SCL, LD1MOV 29H, #0MOV 30H, #1DJNZ 31H, LO1 ；是，（31H）-1SJMP LLLO1: MOV A, 31HCJNE A, #08H, LO2 ；是否时针十位？否，转LO2MOV A, 29HCJNE A, #03H, LA1 ；十位大于3吗？否，转LA1MOV 29H, #D0H ；是的，清零LA1: MOV 40H, 29H；（29H）→(40H)SJMP L1 ；转L1LO2: MOV A, 31HCJNE A, #07H, LO3 ；是否时针个位？否，转LO3MOV A, 40HCJNE A, #2, A1MOV A, 29HCJNE A, #4, LA2MOV 29H, #0SJMP LA2A1: MOV A, 29H CJNE A, #0AH, LA2 ；是大于9？否，转LA2 MOV 29H, #00H ；（29H）清零LA2: MOV 41H, 29H ；（29H）→(41H)SJMP L1 ；转到L1LO3: MOV A, 31HCJNE A, #06H, LO4 ；是分针十位吗？否，转LO4MOV A, 29HCJNE A, #06H, LA3 ；大于6？否，转LA3MOV 29H, #00H ；（29H）清零LA3: MOV 42H, 29H ；（29H）→(42H) SJMP L1 ；转L1LO4: MOV A, 29H CJNE A, #0AH,LA4 ；分针个位大于9？否，转LA4 MOV 29H, #00H ；（29H）清零LA4: MOV 43H, 29H ；（29H）→(43H)L1: MOV A, 31HCJNE A, #04H, LP0 ；（31H）=0返回，否则转LP0LL: MOV A, 40H ANL A, #0FH SWAP AADD A, 41HMOV 32H, AMOV A, 42HANL A, #0FHSWAP AADD A, 43HMOV 33H, APUSH PSWCLR RS0CLR RS1POP PSWPOP PSWPOP BPOP ASETB EX0CLR TR0MOV TH0, #0FFHMOV TL0, #00HSETB TR0SETB ET0MOV R1, 26HMOV R2, 25HMOV R0, 32HLCALL WRITE ；设置时间RETI5.数码管扫描显示子程序T0_SEV: PUSH A ；LED定时扫描程序PUSH PSW ；保护现场SETB RS1 ；RS1、RS2=11HSETB RS0 ；选择3组工作寄存器CLR TR0 ；停止T0定时控制器CLR ET0 ；停止T0中断ETB EA ；关中断MOV R2, #08H ；设置显示器位数MOV R0, #40H ；设置段码首地址MOV R1, #80H ；设置位码首地址GO_ON: MOV A, R2 ；送显示位数到ACJNE A, 31H,NO_FLASH；判断是否闪烁位？否，转移到NO_FLASHDJNZ 30H, FLASH ；是闪烁位，转移到FLASHNO_FLASH: MOV P2, @R1 ；送位码到P2口MOV P0, @R1 ；将段码送到P0口LCALL DELAY1 ；调延时子程序FLASH: INC R0 ；段码地址+1INC R1 ；位码地址+1DJNZ R2, GO_ON ；判断8位都显示完否；没完继续显示下位MOV P2, #00H ；8位都显示完后，关显示器MOV TH0, #0ECCHMOV TL0, #78H ；重置T0计数初值POP PSWPOP A ；恢复现场SETB ET0 ；允许T0中断SETB TR0 ；启动T0开始定时SETB EA ；开中断RETI ；中断返回DELAY1: MOV R3, #02H ；延时1ms子程序AGAIN: MOV R4, #F9HDELAY: DJNZ R3, AGAIN RET6.定时时间输入程序INTB: SETB P1.5SETB SCLCLR EX0CLR EX1SETB EAPUSH APUSH BPUSH PSWMOV 31H, #04H ；（31H）=04HMOV 29H, #00H ；（29H）=00HLP0B:JBP1.5,NEXTB；判断P1.5键，无键按下转NEXT0LCALL DELAY1 ；有键按下，延迟1msJB P1.5, LP0B ；判断是否松开,否，转LP0LP1B:JNBP1.5,LP1B；判断是否松开,否，再判断INC 29H ；P1.5松开后，29H+1MOV 30H, #1HSJMP LO1BNEXTB:JBSCL,L1B；判断SCL键是否按下，否，转NEXT0LCALL DELAY1 ；有键按下，延迟1msJB SCL, NEXTB ；是否松开？否，转LP0LD1B: JNB SCL, LD1BMOV 29H, #0 ；是否松开？否，转LD1，再判断MOV 30H, #1DJNZ 31H, LO1B ；是，（31H）-1SJMP LLBLO1B: MOV A, 30HCJNE A, #04H, LO2BMOV A, 29HCJNE A, #06H, LA1BMOV 29H, #00HLA1B: MOV 44H, 29H ；（29H）→(44H)SJMP L1BLO2B: MOV A, 31HCJNE A, #03H, LO3BMOV A, 29HCJNE A, #0AH, LA2BMOV 29H, #0SJMP LA2BLA2B: MOV 45H, 29H ；（29H）→(45H)SJMP L1BLO3B: MOV A, 31HCJNE A, #02H, LO4B ；是否分针十位？否，转LO4MOV A, 29HCJNE A, #06H, LA3BMOV 29H, #00HLA3B: MOV 46H, 29HSJMP L1BLO4B: MOV A, 29HCJNE A, #0AH, LA4B ；分针个位大于9？否，转LA4 MOV 29H, #00HLA4B: MOV 47H, 29H ；（29H）→(47H)L1B: MOV A, 31HCJNE A, #00H, LP0B ；31H=0返回，否则转LP0LLB: MOV A, 44HMOV B, #10MUL ABADD A, 45HMOV 35H, AMOV A, 46HMOV B, #10MUL ABADD A, 47HMOV 34H, APOP PSWPOP BPOP ACLR TR0MOV TH0, #0FFHMOV TL0, #00HSETB TR0CLR SDARETIEND致谢本学位论文是在张金池教授的悉心指导下完成的，从论文选题到完成论文都浸透了恩师的大量心血和精力，导师渊博的知识、严谨的治学态度和求实精神、忘我的工作作风、学术上的远见和生活上的平易近人，时刻激励着学生，是学生毕生学习的榜样。值此论文完成之际，特向导师致以诚挚的感激和无尽的敬意！在这次设计中，使自己多年来所学的理论知识与实践做到有机结合，进一步深化巩固自己所学的理论知识。当然在设计过程中，还存在不少的问题，其主要上自己对大学四年所学的知识掌握不是十分牢固，这给设计带来一定的困难。更重要的是重新认识了自己，兵书上说，知己知彼，百战不殆，可见一个连自己都不了解的人，将来如何适应社会，大学就如同一个炼钢炉，铁在炉子里面是不断降低碳元素的百分比，当它出炉的时候我们不再称呼它为铁，而是钢。我们在里面也正是剔除杂质，重新认识自己和完善自己的过程，当我们离开校园的时候也是我们出炉的时刻。这个过程是苦的，只要我们坚持下去说不定也会成为特种钢，苏轼也曾说，古之成大事者，不惟有超世之才，亦有坚忍不拔之志。老师在这个过程中充当了炼钢师的角色，发挥着无与伦比的作用。在课题研究中，得到了课题组全体同志的关心和帮助。与他们进行了多次有益的探讨和学术交流，得到了许多启发。对于他们的支持和帮助表示诚挚的谢意！最后，向所有给予我关心和帮助的领导、老师、亲人、同学和朋友再次表示衷心的感谢！！！参考文献[1]胡健等.单片机原理及接口技术实践教程.北京：机械工业出版社.2004[2]韩志军等.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例.北京：机械工业出版社.2005[3]薛永毅等.新型电源电路应用实例.北京:电子工业出版社,2002[4]丁志刚,李刚民编.单片微型计算机原理与应用.北京:电子工业出版社,1990.5[5]林克明,石昭祥.Z8高性能单片微机原理与应用.中国科学技术出版社,1994[6]李朝清.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社,1996[7]何立民.单片机应用文集[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991[8]李建忠.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社,2002[9]范立南．单片机微型计算机控制系统设计[M]．人民邮电出版社[10]付家才.单片机控制工程技术[M]．化学工业出版社.2004[11]刘文涛．单片机应用开发实例[M]．清华大学出版社.2005[12]赵文博．单片机语言程序设计[M]．人民邮电出版社.2005[13]万文略．单片机原理及应用[M]．重庆大学出版社.2004[14]王秀山．单片机基础[M]．北京航空航天大学出版社.2003[15]张洪润．单片机应用技术及教程[M]．清华大学出版社.2001[16]陈忠华.单片机原理及应用技术[M].高等教育出版社.2004[17]刘源．单片机实用教程[M]．北京航空航天大学出版社[18]黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].人民邮电出版社.1998[19]陈杰.传感器与检测技术[M].高等教育出版社.2002[20]郭亨礼.传感器实用电路[M].上海科学技术出版社.1992[21]高晓蓉.传感器技术[M].西南交通大学出版社.2003基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究HYPERLINK"/detail.htm?299