目 录
第章 绪 1
11单片机作息时间控制系统设计目意义 1
12 方案拟 1
13 整体设计方框图 2
第二章 模块电路设计 3
21 单片机核心控制模块 3
22 键盘模块 5
23实时时钟模块 6
24 数存储模块 9
25 温度传感器模块 15
26 红外模块 17
27 电机模块 20
28 显示模块 23
29 外围驱动模块 25
第三章 系统软件设计 27
31 系统实现工作流程 27
32 系统流程图 27
结体会 31
参考材料： 32
附录1：元器件表 33
附录2：总电路原理图 34
第章 绪
11单片机作息时间控制系统设计目意义
着计算机技术开展控制系统中广泛应设备型化智化开展作高新技术单片机体积功强价格低廉灵活等优势显示出强生命力进入21世纪开发推出单片机公司种高性单片机芯片市场异常活泼新技术断采更加单片机种类性应领域断扩提高功耗低超高型低钱功完整国越越受户重视广泛
设计具铃前环境温度显示教室灯光播送校门开关动控制等功作息时间控制系统时该系统调式万年历采SG12864液晶具良菜单式机界面更系统增色少利PCF8563实时时钟芯片计时进行年历计算SG12864前日期星期时间出进行时间计算分加时规定作息时间拟果相等进行相应控制动作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存储模块外围驱动模块九局部组成系统扩展16矩阵键铃时间调整时间校正现代机关企业特学校求时间加控制时铃播放播送保证学工作正常运行设计实现功学校机关企业带方便整体性性化强性高实现时间控制智化
12 方案拟
作息时间控制系统设计方案实现流技术种：
〔1〕编程逻辑器件〔CPLDFPGA〕实现设计中实现功相说拟复杂必须FPGA实现FPGA价格相较贵系统设计拟困难
〔2〕PLC实现PLC实封装起单片机里面设监控程序IO端口进行光电隔离样PLC性稳定容易需简单外围电路实现该系统功PLC拟昂贵样会钱增高失市场竞争
〔3〕555定时器产生时钟脉数字芯片〔74LS14〕实现实现设计需量数字芯片系统稳定性降生产难度加钱会增加
〔4〕应单片充控器加适量外围实现功单片机价格廉价性稳定应外围器件相较少提高系统稳定性单片机控制简易开发工具简单容易批量生产
拟终选择第〔4〕种方案实施
13 整体设计方框图
第二章 模块电路设计
21 单片机核心控制模块
核心器件选择
单片机设计核心器件单片机选择决定该设计稳定性目前单片机市场种类繁千种型号单片机选择应遵循满足性条件选择功耗资源少价格低货源充足现流单片机种类类：
①PIC单片机： MICROCHIP公司产品突出特点体积功耗低精简指令集抗干扰性性高较强模拟接口代码保密性局部芯片兼容FLASH程序存储器芯片
②EMC单片机：台湾义隆公司产品局部PIC 8位单片机兼容相兼容产品资源相PIC价格廉价系列选抗干扰较差
③ATMEL单片机（51单片机）：ATMEL公司8位单片机AT89AT90两系列AT89系列8位Flash单片机8051系列单片机相兼容静态时钟模式AT90系列单片机增强RISC结构全静态工作方式载线编程Flash单片机AVR单片机
④PHLIPIS 51PLC系列单片机（51单片机）：PHILIPS公司单片机基80C51核单片机嵌入掉电检测模拟片RC振荡器等功51LPC高集成度低钱低功耗应设计中满足方面性求
⑤HOLTEK单片机：台湾盛扬半导体单片机价格廉价种类较抗干扰较差适消费类产品
⑥TI公司单片机（51单片机）：德州仪器提供TMS370MSP430两系列通单片机TMS370系列单片机8位CMOS单片机具种存储模式种外围接口模式适复杂实时控制场合MSP430系列单片机种超低功耗功集成度较高16位低功耗单片机特适求功耗低场合
决定选ATMEL公司AT89S51单片机AT89S51ATMEL公司生产低功耗高性高性价CMOS 8位单片机片含4K bytes系统编程Flash读程序存储器器件采ATMEL公司高密度非易失性存储技术生产兼容标准8051指令系统引脚集Flash程序存储器线编程〔ISP〕传统方法进行编程通8位微处理器单片芯片中AT89S51含128×8字节部RAM32编程IO口线216位定时计数器6中断源全双工串行UART通道已满足系统控制需求
模块电路设计
单片机运行需满足条件首先必需提供电源时钟振荡源复位十二时钟周期构成机器周期里方便计算选取晶振频率12M HZ晶振晶振产生信号拟弱电容选取范围30PF里选取C1C222PF单片机复位端持续两机器周期高电时产生复位复位电路参数需根晶振决定单片机控制系统般求达电复位电容电阻选择定求通计算出元件参数单片机系统参数验值里选取R2 100ΩR1 10KC3取10UF单片机P0口结构特殊性需加拉电阻里选取阻值10K电阻耐压值选择须选择75V行
模块电路图
图21示
图21 单片机核心控制模块电路图
22 键盘模块
键盘电路选择
键盘种选择：种利键盘LED芯片〔HD7279HD8279MAX7219等〕种直接利单片机IO口搭建键盘电路
采键盘LED芯片具编程简单抗干扰力强稳定性功强等特点钱拟高占额外功耗空间通常键盘读取求较高场合
普通键盘电路电路简单钱低等特点抗干扰力较前者弱键盘电路结构分直接型矩阵型直接型具编程电路简单等特点占IO口拟适需少量键盘场合矩阵型具电路编程复杂等特点占IO口少拟适应求键盘拟场合
设计显示电路采LCD显示键盘读取求太高采取键盘芯片充分利功点浪费单片机IO口拟紧张决定采普通矩阵键盘
模块电路设计
设计中数字键09左右确定取消键十六键刚8IO口组成4*4矩阵键盘矩阵键盘搭建拟简单需遵循行列相交搭建行必需行列添加拉电阻拉电阻选取需遵循拉电流单片机灌电流行里选取10K电阻充拉电阻
模块电路图
图22示
图22 键盘模块电路
23实时时钟模块
核心器件选择
单片机部利定时器进行计时实现功利部定时器进行计时会产生计时精确增加CPU负担编程难度掉电重启时间会全部初始化采实时时钟芯片实时时钟芯片种类繁里选PCF8563实时时钟芯片
PCF8563 低功耗CMOS 实时时钟／日历芯片提供编程时钟输出中断输出掉电检测器址数通I2C 总线接口串行传递总线速度400Kbitss次读写数嵌字址存放器会动产生增量编程时钟输出刚红外发射提供载波信号
特性：
1〕低工作电流：典型值025μA〔VDD30VTamb25℃时〕
2〕 世纪标志
3〕 工作电压范围：10～55
4〕 低休眠电流典型值025μA（VDD30VTamb25℃）
5〕400KHz I2C 总线接口〔VDD18～55V 时〕
6〕 编程时钟输出频率：32768KHz1024Hz32Hz1Hz
7〕 报警定时器
8〕 掉电检测器
9〕部集成振荡器电容
10〕 片电源复位功
11〕I2C 总线址：读0A3H写0A2H
12〕 开漏中断引脚
PCF8563 16 ８位存放器：动增量址存放器置32768KHz 振荡器〔带部集成电容〕分频器〔实时时钟RTC 提供源时钟〕编程时钟输出定时器报警器掉电检测器400KHz I2C总线接口
16 存放器设计成寻址8 位行存放器位前两存放器〔存址00H01H〕控制存放器状态存放器存址02H～08H 时钟计数器〔秒~年计数器〕址09H～0CH 报警存放器〔定义报警条件〕址0DH 控制CLKOUT 脚输出频率址0EH 0FH 分定时器控制存放器定时器存放器秒分钟时日月年分钟报警时报警日报警存放器编码格式BCD星期星期报警存放器BCD 格式编码
RTC 存放器读时计数器容锁存传送条件禁止时钟／日历芯片错读
报警存放器MSB〔AEAlarm Enable 报警位〕清0时相应报警条件效样报警分钟星期范围产生次设置报警标志位AF〔控制／状态存放器2位3〕产生中断AF 软件
8位倒计数器〔址0FH〕定时器控制存放器〔址0EH〕控制定时器控制存放器设定定时器频率〔4096641160Hz〕设定定时器效效定时器软件设置8 位二进制数倒计数次倒计数结束定时器设置标志位TF定时器标志位TF 软件TF 产生中断〔INT〕倒计数周期产生脉作中断信号TITP控制中断产生条件读定时器时返回前倒计数数值
脚CLKOUT 输出编程方波CLKOUT 频率存放器〔址0DH参见表21〕决定方波频率CLKOUT 输出32768KHz（ 缺省值）1024321Hz 方波CLKOUT开漏输出脚通电时效效时高阻抗
表21 PCF8563存放器结构
址
存放器名称
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
00H
控制状态存放器1
TEST
0
STOP
0
TTESTC
0
0
0
01H
控制状态存放器2
0
0
0
TITP
AF
TF
AIE
TIE
02H
秒存放器
VL
00～59 BCD码格式数
03H
分存放器
00～59 BCD码格式数
04H
时存放器
00～23 BCD码格式数
05H
日存放器
00～31 BCD码格式数
06H
星期存放器
00～06 BCD码格式数
07H
月世纪存放器
C
00～12 BCD码格式数
08H
年存放器
00～99 BCD码格式数
09H
分钟报警存放器
AE
00～59 BCD码格式数
0AH
时钟报警存放器
AE
00～23 BCD码格式数
0BH
日报警存放器
AE
00～31 BCD码格式数
0CH
星期报警存放器
AE
00～06 BCD码格式数
0DH
CLKOUT频率存放器
FE
－
－
－
－
－
FD1
FD0
0EH
定时控制存放器
TE
TD1
TD0
0FH
定时器倒计时数值存放器
定时器倒数计数数值
模块电路设计
模块电路拟简单需注意方实时时钟芯片般装备电池保证断电时继续计时需考虑断电时电流反灌损坏电源问题断电状态进入电电压瞬时升会造成电池寿命缩短电源间需加二极缓电容二极选取须考虑正整流电流反电压里选取4148缓电容选取0047F晶振必须选取32768KHZ晶振间须串联耦合电容耦合电容须35P里先取18P
模块电路图
图23示
图23 实时时钟模块电路
24 数存储模块
核心器件选择
模块设计增加线调整作息时间更适应现实生活中需数存储芯片采非掉电易失串行EEPROM芯片进行存储
串行EEPROM中较典型ATMEL公司AT24CXX系列该公司生产AT93CXX系列较著名半导体厂家包括Microchip国家半导体厂家等AT93CXX系列EEPROM产品
AT24CXX系列串行电改写编程读存储器EEPROM10种型号中典型型号AT24C01A02040816等5种存储容量分102420484096819216384位1282565121 0242048字节系列般低电压低功耗工业商业途组成优化系统信息存取采2线串行接口里24C02结构特点系列拟类似
AT24C02址线A0～A2串行时钟引脚SDA串行时钟输入引脚SCL写保护引脚WP等引脚明显引脚较少组成应系统减少布线提高性
引脚功意义：
① VCC引脚电源+5V
② GND引脚线
③ SCL引脚串行时钟输入端时钟正跳升时时钟写入EEPROM时钟负跳降时数EEPROM中读出
④ SDA引脚串行数IO端输入输出串行数引脚漏极开路埠组成线〞结构
⑤ A0A1A2引脚芯片址引脚型号时意义接固定电
⑥ WP引脚写保护端端提供硬件数保护WP接时允许芯片执行般读写操作WP接VCC时芯片实施写保护
存组织：型号存组织样关键原存容量存差异AT24CXX系列EEPROM典型型号存组织
AT24C01A：部含128字节需7位址部字节进行寻址
AT24C02：部含256字节需8位址部字节进行读写
起始状态：SCL高电时SDA高电变低电处起始状态起始状态应处命令前
停止状态：SCL处高电时SDA低电变高电处停止状态执行完读序列信号停止命令EEPROM置低功耗备方式（Standby Mode）
应答信号：应答信号接受资料器件发出EEPROM接受完写入资料会SDA发〞0〞应答信号反单片机接受完EEPROM资料单片机应SDA发ACK信号ACK信号第9时钟周期时出现
备方式（Standby Mode）：AT24C01A02040816具备方式保证没读写操作时芯片处低功耗状态面两种情况中EEPROM会进入备方式：第芯片通电时候第二接停止位完成部操作
AT24C01等5种典型EEPROM进入起始状态需8位器件址字〞启动存进行读写操作写操作中字节写〞页面写〞两种写入方法读操作中现行址读〞机读序读〞种具特点读出方法面分介绍器件寻址写操作读操作
① 器件寻址：谓器件寻址（Device Addressing）8位器件址字（Device Address Word）选择存芯片逻辑电路中AT24CXX系列5种芯片种AT24C01A02040816中果器件址字相拟结果致读芯片选中面器件寻址程意义加说明
② 芯片操作址
表22 器件址字
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
1
0
A2
A1
A0
RW
存EEPROM芯片寻址器件址字表22示4种方式分应1K2K4K8K16K位EEPROM芯片
表22中出：器件址字含3局部第局部高4位称EEPROM AT24C01A02040816标识第二局部称硬布线址标识3位第三局部低位读写操作选择位
第局部：器件标识器件址字高4位4位容恒〞1010〞标识EEPROM器件AT24C01A02040816
第二局部：硬布线址器件址字高4位相接低3位硬布线址3位2种符号：Ai（i0～2）Pj（j0～2）中Ai表示外部硬布线址位
AT24C10A02两种1K2K位EEPROM芯片硬布线址A2A1A0〞应时A2A1A0〞容必须EEPROM芯片A2A1A0硬布线情况逻辑连接情况相拟果样芯片选中否选中AT24C0102真正址字址
第三局部：读写选择位器件址字低位RW表示RW1时执行读操作RW0时执行写操作
EEPROM芯片选中时输出0〞果EEPROM芯片没选中回备方式选中芯片输入输出情况视写入读出容定
③ 写操作：AT24C01A020408165种EEPROM芯片写操作2种：种字节写种页面写
字节写：种写方式执行1字节写入字节写程图写入程分外部写部写两局部分说明：
起始状态中首先写入8位器件址EEPROM芯片会产生0〞信号ACK输出作应答接着写入8位字址接受字址EEPROM芯片产生0〞应答信号ACK写入8位资料接受资料芯片产生0〞信号ACK作应答止完成字节写程应SDA端产生停止状态外部写程
程中控制EEPROM单片机应EEPROMSCLSDA端送入恰信号然字节写程结束时单片机应停止状态结束写程时EEPROM进入部定时写周期便接受数写入存储单元中EEPROM部写周期中输入屏蔽时响应外部信号直写周期完成部写程部写程约需10ms时间部写程处停止状态次起始状态间
页面写： 种写入方式执行含假设干字节1页面写入AT24C01A021页面含8字节页面写开头局部字节写样起始状态首先写入8位器件址EEPROM答0〞信号ACK写入8位字址芯片应答0〞信号ACK写入8位资料
页面写程字节写区芯片接受第8位资料产生应答信号ACK单片机连续EEPROM芯片发送1页面资料AT24C01A02发送1页面8字节〔连第8位资料〕AT24C040816发送1页面16字节〔连第8位资料〕然发字节等芯片应答信号ACK
连续芯片发送1页面资料字址低3～4位EEPROM芯片部实现加1字址高位变保持页面行址页面写字节写两者样分外部写部写程
应答查询：应答查询单片机EEPROM种状态种检测单片机查询EEPROM应答0〞信号ACK输出说明部定时写周期结束写入新容单片机通发送起始状态器件址进行应答查询器件址选择芯片检测芯片送出SDA状态知道否应答
④读操作：读操作启动写操作类样需图示器件址字写操信号时执行读操作
读操3种方式现行址读机读序读面分说明工作程
现行址读： 次读写操完成芯片部字址计数器会加1产生现行址没执行读写操作现行址会EEPROM芯片保持接电期间直保存旦器件址选中EEPROM芯片RW1芯片应答信号ACK读出现行址资料送出现行址资料输出时单片机位位接受接收单片机EEPROM发应答信号ACK0〞电应保证发出停止状态信号结束现行址读操作现行址读会产生址循环覆盖现象写操循环覆盖写操中址循环覆盖现行页面字节写入行写入覆盖页面第字节现行址读操中址循环覆盖页面字节读出行读出覆盖第页面第字节
机读： 机读现行址读区机读会执行伪写入程字址装入EEPROM芯片中然执行读出显然机读2步骤 第执行伪写入——字址送入EEPROM选择需读字节第二执行读出——根字址读出应容
EEPROM芯片接收器件址字址时芯片产生应答信号ACK单片机必须产生起始状态执行现行址读时单片机发出器件址令RW1EEPROM应答器件址行输出读数资料读出时单片机执行位位接收接收完毕单片机发0〞应答信号ACK必须产生停止状态结束机读程 应该注意机读第二步骤执行现行址读第步骤时芯片接收字址现行址送入字址
序读： 序读现行址读机读进行启动现行址读机读区：序读读出批资料单片机产生停止状态结束读操作现行址读机读读出资料单片机产生停止状态结束读操作
执行序读时首先执行现行读机读关程读出第资料单片机输出0〞应答信号ACK芯片接收应答信号ACK会字址进行计数加1串行输出应字节字址计数达存址极限时字址会产生覆盖序读继续进行单片机产生0〞应答信号ACK接收资料马产生停止状态会结束序读操作
模块电路设计
模块电路简单须三址端写保护接
模块电路图
图24示
图24 数存储模块电路
25 温度传感器模块
核心器件选择
Dallas 半导体公司数字化温度传感器DS1820世界第片支持 线总线〞接口温度传感器现场温度直接线总线〞数字方式传输提高系统抗干扰性适合恶劣环境现场温度测量：环境控制设备程控制测温类消费电子产品等前代产品新产品支持3V～55V电压范围系统设计更灵活方便
DS18B20测量温度范围 55℃～+125℃10℃～+85℃范围精度±05℃DS18B20程序设定9～12位分辨率户设定报警温度存储EEPROM中掉电然保存
DS18B20部结构四局部组成：64位光刻ROM温度传感器非挥发温度报警触发器THTL配置存放器DS18B20脚排列：DQ数字信号输入输出端GND电源VDD外接供电电源输入端〔寄生电源接线方式时接〕
光刻ROM中64位序列号出厂前光刻作该DS18B20址序列码64位光刻ROM排列：开始8位〔28H〕产品类型标号接着48位该DS18B20身序列号8位前面56位循环冗余校验码〔CRCX8+X5+X4+1〕光刻ROM作DS18B20相样实现根总线挂接DS18B20目
DS18B20中温度传感器完成温度测量12位转化例16位符号扩展二进制补码读数形式提供00625℃LSB形式表达中S符号位
LS Byte
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
23
22
21
20
21
22
23
24
MS Byte
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
S
S
S
S
26
25
24
12位转化12位数存储18B20两8特RAM中二进制中前面5位符号位果测温度05位0测数值00625实际温度果温度05位1测数值需取反加100625实际温度
例+125℃数字输出07D0H+250625℃数字输出0191H250625℃数字输出FF6FH55℃数字输出FC90H关系表23示
表23 温度数字输出关系
温度
数输出〔二进制〕
数输出〔十六进制〕
+125℃
0000 0111 1101 0000
07D0h
+85℃
0000 0101 0101 0000
0550h
+250625℃
0000 0001 1001 0001
0191h
+10125℃
0000 0000 1010 0010
00A2h
+05℃
0000 0000 0000 1000
0008h
0℃
0000 0000 0000 0000
0000h
05℃
1111 1111 1111 1000
FFF8h
10125℃
1111 1111 0101 1110
FF5Eh
250625℃
1111 1110 0110 1111
FE6Fh
55℃
1111 1100 1001 0000
FC90h
DS18B20温度传感器部存储器包括高速暂存RAM非易失性电擦E2RAM者存放高温度低温度触发器THTL结构存放器
暂存存储器包含8连续字节前两字节测温度信息第字节容温度低八位第二字节温度高八位第三第四字节THTL易失性拷贝第五字节结构存放器易失性拷贝三字节容次电复位时刷新第六七八字节部计算第九字节冗余检验字节
该字节位意义：
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
低五位直1 TM测试模式位设置DS18B20工作模式测试模式DS18B20出厂时该位设置0户改动R1R0设置分辨率表示：〔DS18B20出厂时设置12位〕
分辨率设置表24示：
表24 分辨率设置
R1
R0
分辨率
温度转换时间
0
0
9位
9375ms
0
1
10位
1875ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
根DS18B20通讯协议机控制DS18B20完成温度转换必须三步骤：次读写前DS18B20进行复位复位成功发送条ROM指令发送RAM指令样DS18B20进行预定操作复位求CPU数线拉500微秒然释放DS18B20收信号等16～60微秒左右发出60～240微秒存低脉CPU收信号表示复位成功
模块电路设计
模块接口电路简单里电路进行讲解
模块电路图
图25示
图25 温度传感器模块电路
26 红外模块
核心元件选择
红外通信利950nm红外波段红外线作传递信息媒体通信信道发送端采脉时调制〔PPM〕方式二进制数字信号调制成某频率脉序列驱动红外发射光脉形式发送出接收端接收光脉转换成电信号放滤波等处理送解调电路进行解调复原二进制数字信号输出
红外发送器电路包括脉振荡器驱动Q1Q2红外发射Q3等局部中脉振荡器产生38kHz脉序列作载波信号红外发射Q3外发射950nm红外光束
红外发送器工作原理：串行数单片机串行输出端DATA送出驱动Q1数位0〞Q1导通通Q2调制成38kHz载波信号利红外发射Q3光脉形式外发送数位1〞Q1截止红外发射Q3发射红外光假设传送波特率设1200bps数位0〞应32载波脉调制信号时序图26示
图26 调制信号时序图
红外接收电路选专红外接收模块该接收模块三端元件单电源+5V电源具功耗低抗干扰力强输入灵敏度高波长〔950nm外〕红外光敏感特点部结构框图图27示
图27 红外接收模块部结构框图
接收模块工作原理：首先通红外光敏元件接收载波频率38kHz脉调制红外光信号转化电信号前置放器动增益控制电路进行放处理然通带通滤波器进行滤波滤波信号解调电路进行解调输出级电路进行反放输出
保证红外接收模块接收准确性求发送端载波信号频率应接38kHz设计脉振荡器时选精密元件保证电源电压稳定发送数位0少应14载波脉求传送波特率超2400bps
模块电路设计
红外发射二极额定电流550mA里选取限流电阻R10 470ΩPCF8563产生信号拟微弱须加拉电阻里选取R8 10K拉电阻减少噪声影响基极载波信号间加抗干扰电阻R9阻值1K接收处增加输出信号强度减少噪声影响输出端加拉电阻R11阻值10K设计利单片机中断做出时响应里输出需加反器然送入单片达控制功里采74LS04
模块电路图
图28示
图28 红外模块电路
27 电机模块
核心器件选择
电机分直流电机步进电机步进电机力矩便精准控制
步进电动机励磁方式分全步励磁半步励磁中全步励磁1相励磁2相励磁分半步励磁称12相励磁图步进电动机控制等效电路适应控制ABAB励磁信号控制步进电动机转动输出脉信号步进电动机走步序断送出脉信号步进电动机连续转动
1相励磁法：瞬间线圈导通消耗电力精确度良转矩振动较送励磁信号走18度假设欲1相励磁法控制步进电动机正转励磁序图假设励磁信号反传送步进电动机反转
励磁序： A→B→C→D→A 〔表示〕
STEP
A
B
C
D
1
1
0
0
0
2
0
1
0
0
3
0
0
1
0
4
0
0
0
1
2相励磁法：瞬间会二线圈时导通转矩振动目前励磁方式送励磁信号走18度假设2相励磁法控制步进电动机正转励磁序图假设励磁信号反传送步进电动机反转
励磁序： AB→BC→CD→DA→AB 〔表示〕
STEP
A
B
C
D
1
1
1
0
0
2
0
1
1
0
3
0
0
1
1
4
1
0
0
1
12相励磁法：1相2相轮流交导通分辨率提高运转滑送励磁信号走9度广泛采假设1相励磁法控制步进电动机正转励磁序图假设励磁信号反传送步进电动机反转
励磁序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 〔表示〕
STEP
A
B
C
D
1
1
0
0
0
2
1
1
0
0
3
0
0
1
0
4
0
1
1
0
5
0
0
1
0
6
0
0
1
1
7
0
0
0
1
8
1
0
0
1
电动机负载转矩速度成反速度愈快负载转矩愈速度快极限时步进电动机运转走步程序必须延时段时间
模块电路设计
刚单片机IO口法驱动步进电机需加驱动芯片里选择ULN2003ULN2003耐高压电流NPN达林顿恰满足驱动需求输出端串联电阻减少噪声干扰里电阻取20Ω
273 模块电路图
图29示
图29 电机模块电路
28 显示模块
核心器件选择
机界面更加谐丰富里采128*64LCD显示器
设计采置控制器带字库图形点阵液晶显示模块点阵数128×64行驱动器列驱动器128×64 全点阵液晶显示器组成完成图形显示显示8×4 （16×16 点阵）汉字
技术参数性：
1〕电源VDD +5V 模块带10V 负压LCD 驱动电压
2〕显示容128（列） 64（行）点
3〕全屏幕点阵
4〕七种指令
5〕CPU 接口采8 位数总线行输入输出8 条控制线
6〕占空164
7〕工作温度10 +55 存储温度20 +60
模块硬件构成说明（结构框图图210示）
图210 128*64LCD显示器结构框图
图210中IC1IC2 列驱动器IC1 控制模块右半屏IC2 控制模块左半屏 IC3 行驱动器IC1IC2IC3 含功器件解器件利LCD 模块编程
1〕指令存放器（IR）
IR 存放指令码数存放器数相应DI0 时E 信号降作指令码写入IR
2〕数存放器（DR）
DR 存放数指令存放器存放指令相应DI1 时降作图形显示数写入DRE 信号高电作DR 读DB7～DB0 数总线DR DDRAM 间数传输模块部动执行
3〕忙标志BF
BF 标志提供部工作情况BF1 表示模块部操作时模块接受外部指令数BF0 时模块准备状态时接受外部指令数利STATUS READ 指令BF 读数总线检验模块工作状态
4〕显示控制触发器DFF
模块屏幕显示开关控制DFF1开显示DDRAM 容显示屏幕DFF0关显示
DDF 状态指令DISPLAY ONOFF RST 信号控制
5〕XY 址计数器
XY 址计数器9 位计数器高3 位X 址计数器低6 位Y 址计数器XY 址计数器实际作DDRAM 址指针X址计数器DDRAM 页指针Y址计数器DDRAM Y 址指针
X 址计数器没记数功指令设置
Y 址计数器具循环记数功显示数写入 Y 址动加1 Y址指针0 63
6〕显示数RAM DDRAM
DDRAM存储图形显示数数1表示显示选择数0表示显示非选择
7〕Z 址计数器
Z 址计数器6 位计数器计数器具备循环记数功显示行扫描步行扫描完成址计数器动加1指行扫描数RST 复位Z 址计数器0
Z 址计数器指令DISPLAY START LINE 预置显示屏幕起始行指令控制DDRAM 数行开始显示屏幕第行模块DDRAM 64 行屏幕循环滚动显示64 行
核心电路设计
SG12864置数字芯片控制器直接单片机IO口进行接里作介绍
模块电路图
图211示
图211 显示模块电路
29 外围驱动模块
模块电路设计
模块电路控制铃教室灯光课铃灯光220V交流电驱动单片机强干扰设计时必需考滤电气隔离问题里采光电耦合器进行电气隔离继电器达弱电控制强电目
刚单片机IO口法驱动光电耦合器单片机引脚信号进行放里采三极8550进行放提高抗噪力保护三极需三极基极加电阻里取10K发射极需加限流电阻取值1K更保护元器件电源端滤波电容取值01uF
继电器线圈具储作断电时电磁感应会产生高反电热两端需加回路消反电势里直流电路需线圈两端加续流二极里三极进行驱动取限流电阻R19100前偏置电阻R171K偏置电阻10K
模块电路图
图212示
图212 外围驱动模块电路
第三章 系统软件设计
31 系统实现工作流程
系统采PCF8563计时产生日期星期时间数单片机电复位时首先初始化单片机部资源开中断初始化定时器全局变量设置外部中断触发方式然PCF8563进行初始化精确计时模式运行分钟产生中断信号接单片机PCF8563产生日期时间数进行读取读取数存储器E2PROM中数进行拟判断前日期否假期果假期关掉外部中断0屏蔽掉教室灯光铃播送然进入循环循环首先窗口计数字节进行判断然根相应窗口计数值进行相应窗口显示〔时间界面菜单界面时间调整界面铃设置界面〕接校门控制标志位进行判定果控制标志位1启动电机电机转动弧长达预设值关闭电机时置电机状态标志位〔表示校门已翻开状态〕启动定时器0定时器计时达15S时启动电机次电机反转〔校门开始关闭〕校门控制标志位修改外部中断1控制物体校门时物体会挡住红外发射发射载波红外接收会产生低电引发单片机外部中断1置位控制标志位启动电机达校门动开关效果物体校门翻开需微秒级时间已远远满足控制需求设计中温度传感器模块数字接口芯片DS18B20单片机直接读取温度数转换实现温度实时显示DS18B20精度达00625℃
32 系统流程图
程序流程图
图31示
图31 程序流程图
外部中断0流程图
图32示
图32 外部中断0流程图
外部中断1流程图
图33示
图33 外部中断1流程图
结体会
两月毕业设计张老师指导利完成次毕业设计
毕业设计教育环节中重环检验三年知识水次卓成效检查综合提高三年学专业知识效总结
毕业设计初饱满热情投入工作中积极询问指导老师虚心学请教认真查阅图书资料手册次毕业设计中学许珍贵验锻炼独立思考独立分析独立解决问题力时深刻感许知识甚解通毕业设计已学知识回忆稳固学知识实践中验证理知识实践理相结合
次设计中感觉指导老师重指导老师帮助没领会问题够时帮助解决
通次设计前没认真消化吸收触类旁通彼科知识没效掌握遇问题知手现指导老师帮助解决月设计中综合力提高
参考材料：
[1]： 胡汉单片机原理接口技术北京清华学出版社1996
[2]： 徐爱均智化仪表原理设计北京航空学出版社1996
[3] 公茂法单片机机接口实力集北京航空学出版社1998
[4] 李青单片机原理接口技术北京航空学出版社1998
[5] 邬宽明单片机外围器件实手册北京航空学出版社1998
[6] 先锋工作室编著单片机程序设计实例北京清华学出版社2002
[7] 汤毅刚彭喜元孟升卫刘兆庆MCS51单片机子程序设计哈尔滨工业学出版社2003
[8] 陈明荧8051单片机课程设计实训教材北京清华学出版社2003
[9] 肖玲妮袁增贵Protel99SE印刷电路板设计教程北京清华学出版社2003
[10] 刘守义单片机应技术西安电子科技学出版社2004
[11] 立民单片机应系统设计北京航空航天学出版社2000
[12] AT24C02中英文资料2003
附录1：元器件表
附录2：总电路原理图
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目 录
第章 绪 1
11单片机作息时间控制系统设计目意义 1
12 方案拟 1
13 整体设计方框图 2
第二章 模块电路设计 3
21 单片机核心控制模块 3
22 键盘模块 5
23实时时钟模块 6
24 数存储模块 9
25 温度传感器模块 15
26 红外模块 17
27 电机模块 20
28 显示模块 23
29 外围驱动模块 25
第三章 系统软件设计 27
31 系统实现工作流程 27
32 系统流程图 27
结体会 31
参考材料： 32
附录1：元器件表 33
附录2：总电路原理图 34
第章 绪
11单片机作息时间控制系统设计目意义
着计算机技术开展控制系统中广泛应设备型化智化开展作高新技术单片机体积功强价格低廉灵活等优势显示出强生命力进入21世纪开发推出单片机公司种高性单片机芯片市场异常活泼新技术断采更加单片机种类性应领域断扩提高功耗低超高型低钱功完整国越越受户重视广泛
设计具铃前环境温度显示教室灯光播送校门开关动控制等功作息时间控制系统时该系统调式万年历采SG12864液晶具良菜单式机界面更系统增色少利PCF8563实时时钟芯片计时进行年历计算SG12864前日期星期时间出进行时间计算分加时规定作息时间拟果相等进行相应控制动作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存储模块外围驱动模块九局部组成系统扩展16矩阵键铃时间调整时间校正现代机关企业特学校求时间加控制时铃播放播送保证学工作正常运行设计实现功学校机关企业带方便整体性性化强性高实现时间控制智化
12 方案拟
作息时间控制系统设计方案实现流技术种：
〔1〕编程逻辑器件〔CPLDFPGA〕实现设计中实现功相说拟复杂必须FPGA实现FPGA价格相较贵系统设计拟困难
〔2〕PLC实现PLC实封装起单片机里面设监控程序IO端口进行光电隔离样PLC性稳定容易需简单外围电路实现该系统功PLC拟昂贵样会钱增高失市场竞争
〔3〕555定时器产生时钟脉数字芯片〔74LS14〕实现实现设计需量数字芯片系统稳定性降生产难度加钱会增加
〔4〕应单片充控器加适量外围实现功单片机价格廉价性稳定应外围器件相较少提高系统稳定性单片机控制简易开发工具简单容易批量生产
拟终选择第〔4〕种方案实施
13 整体设计方框图
第二章 模块电路设计
21 单片机核心控制模块
核心器件选择
单片机设计核心器件单片机选择决定该设计稳定性目前单片机市场种类繁千种型号单片机选择应遵循满足性条件选择功耗资源少价格低货源充足现流单片机种类类：
①PIC单片机： MICROCHIP公司产品突出特点体积功耗低精简指令集抗干扰性性高较强模拟接口代码保密性局部芯片兼容FLASH程序存储器芯片
②EMC单片机：台湾义隆公司产品局部PIC 8位单片机兼容相兼容产品资源相PIC价格廉价系列选抗干扰较差
③ATMEL单片机（51单片机）：ATMEL公司8位单片机AT89AT90两系列AT89系列8位Flash单片机8051系列单片机相兼容静态时钟模式AT90系列单片机增强RISC结构全静态工作方式载线编程Flash单片机AVR单片机
④PHLIPIS 51PLC系列单片机（51单片机）：PHILIPS公司单片机基80C51核单片机嵌入掉电检测模拟片RC振荡器等功51LPC高集成度低钱低功耗应设计中满足方面性求
⑤HOLTEK单片机：台湾盛扬半导体单片机价格廉价种类较抗干扰较差适消费类产品
⑥TI公司单片机（51单片机）：德州仪器提供TMS370MSP430两系列通单片机TMS370系列单片机8位CMOS单片机具种存储模式种外围接口模式适复杂实时控制场合MSP430系列单片机种超低功耗功集成度较高16位低功耗单片机特适求功耗低场合
决定选ATMEL公司AT89S51单片机AT89S51ATMEL公司生产低功耗高性高性价CMOS 8位单片机片含4K bytes系统编程Flash读程序存储器器件采ATMEL公司高密度非易失性存储技术生产兼容标准8051指令系统引脚集Flash程序存储器线编程〔ISP〕传统方法进行编程通8位微处理器单片芯片中AT89S51含128×8字节部RAM32编程IO口线216位定时计数器6中断源全双工串行UART通道已满足系统控制需求
模块电路设计
单片机运行需满足条件首先必需提供电源时钟振荡源复位十二时钟周期构成机器周期里方便计算选取晶振频率12M HZ晶振晶振产生信号拟弱电容选取范围30PF里选取C1C222PF单片机复位端持续两机器周期高电时产生复位复位电路参数需根晶振决定单片机控制系统般求达电复位电容电阻选择定求通计算出元件参数单片机系统参数验值里选取R2 100ΩR1 10KC3取10UF单片机P0口结构特殊性需加拉电阻里选取阻值10K电阻耐压值选择须选择75V行
模块电路图
图21示
图21 单片机核心控制模块电路图
22 键盘模块
键盘电路选择
键盘种选择：种利键盘LED芯片〔HD7279HD8279MAX7219等〕种直接利单片机IO口搭建键盘电路
采键盘LED芯片具编程简单抗干扰力强稳定性功强等特点钱拟高占额外功耗空间通常键盘读取求较高场合
普通键盘电路电路简单钱低等特点抗干扰力较前者弱键盘电路结构分直接型矩阵型直接型具编程电路简单等特点占IO口拟适需少量键盘场合矩阵型具电路编程复杂等特点占IO口少拟适应求键盘拟场合
设计显示电路采LCD显示键盘读取求太高采取键盘芯片充分利功点浪费单片机IO口拟紧张决定采普通矩阵键盘
模块电路设计
设计中数字键09左右确定取消键十六键刚8IO口组成4*4矩阵键盘矩阵键盘搭建拟简单需遵循行列相交搭建行必需行列添加拉电阻拉电阻选取需遵循拉电流单片机灌电流行里选取10K电阻充拉电阻
模块电路图
图22示
图22 键盘模块电路
23实时时钟模块
核心器件选择
单片机部利定时器进行计时实现功利部定时器进行计时会产生计时精确增加CPU负担编程难度掉电重启时间会全部初始化采实时时钟芯片实时时钟芯片种类繁里选PCF8563实时时钟芯片
PCF8563 低功耗CMOS 实时时钟／日历芯片提供编程时钟输出中断输出掉电检测器址数通I2C 总线接口串行传递总线速度400Kbitss次读写数嵌字址存放器会动产生增量编程时钟输出刚红外发射提供载波信号
特性：
1〕低工作电流：典型值025μA〔VDD30VTamb25℃时〕
2〕 世纪标志
3〕 工作电压范围：10～55
4〕 低休眠电流典型值025μA（VDD30VTamb25℃）
5〕400KHz I2C 总线接口〔VDD18～55V 时〕
6〕 编程时钟输出频率：32768KHz1024Hz32Hz1Hz
7〕 报警定时器
8〕 掉电检测器
9〕部集成振荡器电容
10〕 片电源复位功
11〕I2C 总线址：读0A3H写0A2H
12〕 开漏中断引脚
PCF8563 16 ８位存放器：动增量址存放器置32768KHz 振荡器〔带部集成电容〕分频器〔实时时钟RTC 提供源时钟〕编程时钟输出定时器报警器掉电检测器400KHz I2C总线接口
16 存放器设计成寻址8 位行存放器位前两存放器〔存址00H01H〕控制存放器状态存放器存址02H～08H 时钟计数器〔秒~年计数器〕址09H～0CH 报警存放器〔定义报警条件〕址0DH 控制CLKOUT 脚输出频率址0EH 0FH 分定时器控制存放器定时器存放器秒分钟时日月年分钟报警时报警日报警存放器编码格式BCD星期星期报警存放器BCD 格式编码
RTC 存放器读时计数器容锁存传送条件禁止时钟／日历芯片错读
报警存放器MSB〔AEAlarm Enable 报警位〕清0时相应报警条件效样报警分钟星期范围产生次设置报警标志位AF〔控制／状态存放器2位3〕产生中断AF 软件
8位倒计数器〔址0FH〕定时器控制存放器〔址0EH〕控制定时器控制存放器设定定时器频率〔4096641160Hz〕设定定时器效效定时器软件设置8 位二进制数倒计数次倒计数结束定时器设置标志位TF定时器标志位TF 软件TF 产生中断〔INT〕倒计数周期产生脉作中断信号TITP控制中断产生条件读定时器时返回前倒计数数值
脚CLKOUT 输出编程方波CLKOUT 频率存放器〔址0DH参见表21〕决定方波频率CLKOUT 输出32768KHz（ 缺省值）1024321Hz 方波CLKOUT开漏输出脚通电时效效时高阻抗
表21 PCF8563存放器结构
址
存放器名称
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
00H
控制状态存放器1
TEST
0
STOP
0
TTESTC
0
0
0
01H
控制状态存放器2
0
0
0
TITP
AF
TF
AIE
TIE
02H
秒存放器
VL
00～59 BCD码格式数
03H
分存放器
00～59 BCD码格式数
04H
时存放器
00～23 BCD码格式数
05H
日存放器
00～31 BCD码格式数
06H
星期存放器
00～06 BCD码格式数
07H
月世纪存放器
C
00～12 BCD码格式数
08H
年存放器
00～99 BCD码格式数
09H
分钟报警存放器
AE
00～59 BCD码格式数
0AH
时钟报警存放器
AE
00～23 BCD码格式数
0BH
日报警存放器
AE
00～31 BCD码格式数
0CH
星期报警存放器
AE
00～06 BCD码格式数
0DH
CLKOUT频率存放器
FE
－
－
－
－
－
FD1
FD0
0EH
定时控制存放器
TE
TD1
TD0
0FH
定时器倒计时数值存放器
定时器倒数计数数值
模块电路设计
模块电路拟简单需注意方实时时钟芯片般装备电池保证断电时继续计时需考虑断电时电流反灌损坏电源问题断电状态进入电电压瞬时升会造成电池寿命缩短电源间需加二极缓电容二极选取须考虑正整流电流反电压里选取4148缓电容选取0047F晶振必须选取32768KHZ晶振间须串联耦合电容耦合电容须35P里先取18P
模块电路图
图23示
图23 实时时钟模块电路
24 数存储模块
核心器件选择
模块设计增加线调整作息时间更适应现实生活中需数存储芯片采非掉电易失串行EEPROM芯片进行存储
串行EEPROM中较典型ATMEL公司AT24CXX系列该公司生产AT93CXX系列较著名半导体厂家包括Microchip国家半导体厂家等AT93CXX系列EEPROM产品
AT24CXX系列串行电改写编程读存储器EEPROM10种型号中典型型号AT24C01A02040816等5种存储容量分102420484096819216384位1282565121 0242048字节系列般低电压低功耗工业商业途组成优化系统信息存取采2线串行接口里24C02结构特点系列拟类似
AT24C02址线A0～A2串行时钟引脚SDA串行时钟输入引脚SCL写保护引脚WP等引脚明显引脚较少组成应系统减少布线提高性
引脚功意义：
① VCC引脚电源+5V
② GND引脚线
③ SCL引脚串行时钟输入端时钟正跳升时时钟写入EEPROM时钟负跳降时数EEPROM中读出
④ SDA引脚串行数IO端输入输出串行数引脚漏极开路埠组成线〞结构
⑤ A0A1A2引脚芯片址引脚型号时意义接固定电
⑥ WP引脚写保护端端提供硬件数保护WP接时允许芯片执行般读写操作WP接VCC时芯片实施写保护
存组织：型号存组织样关键原存容量存差异AT24CXX系列EEPROM典型型号存组织
AT24C01A：部含128字节需7位址部字节进行寻址
AT24C02：部含256字节需8位址部字节进行读写
起始状态：SCL高电时SDA高电变低电处起始状态起始状态应处命令前
停止状态：SCL处高电时SDA低电变高电处停止状态执行完读序列信号停止命令EEPROM置低功耗备方式（Standby Mode）
应答信号：应答信号接受资料器件发出EEPROM接受完写入资料会SDA发〞0〞应答信号反单片机接受完EEPROM资料单片机应SDA发ACK信号ACK信号第9时钟周期时出现
备方式（Standby Mode）：AT24C01A02040816具备方式保证没读写操作时芯片处低功耗状态面两种情况中EEPROM会进入备方式：第芯片通电时候第二接停止位完成部操作
AT24C01等5种典型EEPROM进入起始状态需8位器件址字〞启动存进行读写操作写操作中字节写〞页面写〞两种写入方法读操作中现行址读〞机读序读〞种具特点读出方法面分介绍器件寻址写操作读操作
① 器件寻址：谓器件寻址（Device Addressing）8位器件址字（Device Address Word）选择存芯片逻辑电路中AT24CXX系列5种芯片种AT24C01A02040816中果器件址字相拟结果致读芯片选中面器件寻址程意义加说明
② 芯片操作址
表22 器件址字
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
1
0
A2
A1
A0
RW
存EEPROM芯片寻址器件址字表22示4种方式分应1K2K4K8K16K位EEPROM芯片
表22中出：器件址字含3局部第局部高4位称EEPROM AT24C01A02040816标识第二局部称硬布线址标识3位第三局部低位读写操作选择位
第局部：器件标识器件址字高4位4位容恒〞1010〞标识EEPROM器件AT24C01A02040816
第二局部：硬布线址器件址字高4位相接低3位硬布线址3位2种符号：Ai（i0～2）Pj（j0～2）中Ai表示外部硬布线址位
AT24C10A02两种1K2K位EEPROM芯片硬布线址A2A1A0〞应时A2A1A0〞容必须EEPROM芯片A2A1A0硬布线情况逻辑连接情况相拟果样芯片选中否选中AT24C0102真正址字址
第三局部：读写选择位器件址字低位RW表示RW1时执行读操作RW0时执行写操作
EEPROM芯片选中时输出0〞果EEPROM芯片没选中回备方式选中芯片输入输出情况视写入读出容定
③ 写操作：AT24C01A020408165种EEPROM芯片写操作2种：种字节写种页面写
字节写：种写方式执行1字节写入字节写程图写入程分外部写部写两局部分说明：
起始状态中首先写入8位器件址EEPROM芯片会产生0〞信号ACK输出作应答接着写入8位字址接受字址EEPROM芯片产生0〞应答信号ACK写入8位资料接受资料芯片产生0〞信号ACK作应答止完成字节写程应SDA端产生停止状态外部写程
程中控制EEPROM单片机应EEPROMSCLSDA端送入恰信号然字节写程结束时单片机应停止状态结束写程时EEPROM进入部定时写周期便接受数写入存储单元中EEPROM部写周期中输入屏蔽时响应外部信号直写周期完成部写程部写程约需10ms时间部写程处停止状态次起始状态间
页面写： 种写入方式执行含假设干字节1页面写入AT24C01A021页面含8字节页面写开头局部字节写样起始状态首先写入8位器件址EEPROM答0〞信号ACK写入8位字址芯片应答0〞信号ACK写入8位资料
页面写程字节写区芯片接受第8位资料产生应答信号ACK单片机连续EEPROM芯片发送1页面资料AT24C01A02发送1页面8字节〔连第8位资料〕AT24C040816发送1页面16字节〔连第8位资料〕然发字节等芯片应答信号ACK
连续芯片发送1页面资料字址低3～4位EEPROM芯片部实现加1字址高位变保持页面行址页面写字节写两者样分外部写部写程
应答查询：应答查询单片机EEPROM种状态种检测单片机查询EEPROM应答0〞信号ACK输出说明部定时写周期结束写入新容单片机通发送起始状态器件址进行应答查询器件址选择芯片检测芯片送出SDA状态知道否应答
④读操作：读操作启动写操作类样需图示器件址字写操信号时执行读操作
读操3种方式现行址读机读序读面分说明工作程
现行址读： 次读写操完成芯片部字址计数器会加1产生现行址没执行读写操作现行址会EEPROM芯片保持接电期间直保存旦器件址选中EEPROM芯片RW1芯片应答信号ACK读出现行址资料送出现行址资料输出时单片机位位接受接收单片机EEPROM发应答信号ACK0〞电应保证发出停止状态信号结束现行址读操作现行址读会产生址循环覆盖现象写操循环覆盖写操中址循环覆盖现行页面字节写入行写入覆盖页面第字节现行址读操中址循环覆盖页面字节读出行读出覆盖第页面第字节
机读： 机读现行址读区机读会执行伪写入程字址装入EEPROM芯片中然执行读出显然机读2步骤 第执行伪写入——字址送入EEPROM选择需读字节第二执行读出——根字址读出应容
EEPROM芯片接收器件址字址时芯片产生应答信号ACK单片机必须产生起始状态执行现行址读时单片机发出器件址令RW1EEPROM应答器件址行输出读数资料读出时单片机执行位位接收接收完毕单片机发0〞应答信号ACK必须产生停止状态结束机读程 应该注意机读第二步骤执行现行址读第步骤时芯片接收字址现行址送入字址
序读： 序读现行址读机读进行启动现行址读机读区：序读读出批资料单片机产生停止状态结束读操作现行址读机读读出资料单片机产生停止状态结束读操作
执行序读时首先执行现行读机读关程读出第资料单片机输出0〞应答信号ACK芯片接收应答信号ACK会字址进行计数加1串行输出应字节字址计数达存址极限时字址会产生覆盖序读继续进行单片机产生0〞应答信号ACK接收资料马产生停止状态会结束序读操作
模块电路设计
模块电路简单须三址端写保护接
模块电路图
图24示
图24 数存储模块电路
25 温度传感器模块
核心器件选择
Dallas 半导体公司数字化温度传感器DS1820世界第片支持 线总线〞接口温度传感器现场温度直接线总线〞数字方式传输提高系统抗干扰性适合恶劣环境现场温度测量：环境控制设备程控制测温类消费电子产品等前代产品新产品支持3V～55V电压范围系统设计更灵活方便
DS18B20测量温度范围 55℃～+125℃10℃～+85℃范围精度±05℃DS18B20程序设定9～12位分辨率户设定报警温度存储EEPROM中掉电然保存
DS18B20部结构四局部组成：64位光刻ROM温度传感器非挥发温度报警触发器THTL配置存放器DS18B20脚排列：DQ数字信号输入输出端GND电源VDD外接供电电源输入端〔寄生电源接线方式时接〕
光刻ROM中64位序列号出厂前光刻作该DS18B20址序列码64位光刻ROM排列：开始8位〔28H〕产品类型标号接着48位该DS18B20身序列号8位前面56位循环冗余校验码〔CRCX8+X5+X4+1〕光刻ROM作DS18B20相样实现根总线挂接DS18B20目
DS18B20中温度传感器完成温度测量12位转化例16位符号扩展二进制补码读数形式提供00625℃LSB形式表达中S符号位
LS Byte
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
23
22
21
20
21
22
23
24
MS Byte
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
S
S
S
S
26
25
24
12位转化12位数存储18B20两8特RAM中二进制中前面5位符号位果测温度05位0测数值00625实际温度果温度05位1测数值需取反加100625实际温度
例+125℃数字输出07D0H+250625℃数字输出0191H250625℃数字输出FF6FH55℃数字输出FC90H关系表23示
表23 温度数字输出关系
温度
数输出〔二进制〕
数输出〔十六进制〕
+125℃
0000 0111 1101 0000
07D0h
+85℃
0000 0101 0101 0000
0550h
+250625℃
0000 0001 1001 0001
0191h
+10125℃
0000 0000 1010 0010
00A2h
+05℃
0000 0000 0000 1000
0008h
0℃
0000 0000 0000 0000
0000h
05℃
1111 1111 1111 1000
FFF8h
10125℃
1111 1111 0101 1110
FF5Eh
250625℃
1111 1110 0110 1111
FE6Fh
55℃
1111 1100 1001 0000
FC90h
DS18B20温度传感器部存储器包括高速暂存RAM非易失性电擦E2RAM者存放高温度低温度触发器THTL结构存放器
暂存存储器包含8连续字节前两字节测温度信息第字节容温度低八位第二字节温度高八位第三第四字节THTL易失性拷贝第五字节结构存放器易失性拷贝三字节容次电复位时刷新第六七八字节部计算第九字节冗余检验字节
该字节位意义：
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
低五位直1 TM测试模式位设置DS18B20工作模式测试模式DS18B20出厂时该位设置0户改动R1R0设置分辨率表示：〔DS18B20出厂时设置12位〕
分辨率设置表24示：
表24 分辨率设置
R1
R0
分辨率
温度转换时间
0
0
9位
9375ms
0
1
10位
1875ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
根DS18B20通讯协议机控制DS18B20完成温度转换必须三步骤：次读写前DS18B20进行复位复位成功发送条ROM指令发送RAM指令样DS18B20进行预定操作复位求CPU数线拉500微秒然释放DS18B20收信号等16～60微秒左右发出60～240微秒存低脉CPU收信号表示复位成功
模块电路设计
模块接口电路简单里电路进行讲解
模块电路图
图25示
图25 温度传感器模块电路
26 红外模块
核心元件选择
红外通信利950nm红外波段红外线作传递信息媒体通信信道发送端采脉时调制〔PPM〕方式二进制数字信号调制成某频率脉序列驱动红外发射光脉形式发送出接收端接收光脉转换成电信号放滤波等处理送解调电路进行解调复原二进制数字信号输出
红外发送器电路包括脉振荡器驱动Q1Q2红外发射Q3等局部中脉振荡器产生38kHz脉序列作载波信号红外发射Q3外发射950nm红外光束
红外发送器工作原理：串行数单片机串行输出端DATA送出驱动Q1数位0〞Q1导通通Q2调制成38kHz载波信号利红外发射Q3光脉形式外发送数位1〞Q1截止红外发射Q3发射红外光假设传送波特率设1200bps数位0〞应32载波脉调制信号时序图26示
图26 调制信号时序图
红外接收电路选专红外接收模块该接收模块三端元件单电源+5V电源具功耗低抗干扰力强输入灵敏度高波长〔950nm外〕红外光敏感特点部结构框图图27示
图27 红外接收模块部结构框图
接收模块工作原理：首先通红外光敏元件接收载波频率38kHz脉调制红外光信号转化电信号前置放器动增益控制电路进行放处理然通带通滤波器进行滤波滤波信号解调电路进行解调输出级电路进行反放输出
保证红外接收模块接收准确性求发送端载波信号频率应接38kHz设计脉振荡器时选精密元件保证电源电压稳定发送数位0少应14载波脉求传送波特率超2400bps
模块电路设计
红外发射二极额定电流550mA里选取限流电阻R10 470ΩPCF8563产生信号拟微弱须加拉电阻里选取R8 10K拉电阻减少噪声影响基极载波信号间加抗干扰电阻R9阻值1K接收处增加输出信号强度减少噪声影响输出端加拉电阻R11阻值10K设计利单片机中断做出时响应里输出需加反器然送入单片达控制功里采74LS04
模块电路图
图28示
图28 红外模块电路
27 电机模块
核心器件选择
电机分直流电机步进电机步进电机力矩便精准控制
步进电动机励磁方式分全步励磁半步励磁中全步励磁1相励磁2相励磁分半步励磁称12相励磁图步进电动机控制等效电路适应控制ABAB励磁信号控制步进电动机转动输出脉信号步进电动机走步序断送出脉信号步进电动机连续转动
1相励磁法：瞬间线圈导通消耗电力精确度良转矩振动较送励磁信号走18度假设欲1相励磁法控制步进电动机正转励磁序图假设励磁信号反传送步进电动机反转
励磁序： A→B→C→D→A 〔表示〕
STEP
A
B
C
D
1
1
0
0
0
2
0
1
0
0
3
0
0
1
0
4
0
0
0
1
2相励磁法：瞬间会二线圈时导通转矩振动目前励磁方式送励磁信号走18度假设2相励磁法控制步进电动机正转励磁序图假设励磁信号反传送步进电动机反转
励磁序： AB→BC→CD→DA→AB 〔表示〕
STEP
A
B
C
D
1
1
1
0
0
2
0
1
1
0
3
0
0
1
1
4
1
0
0
1
12相励磁法：1相2相轮流交导通分辨率提高运转滑送励磁信号走9度广泛采假设1相励磁法控制步进电动机正转励磁序图假设励磁信号反传送步进电动机反转
励磁序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 〔表示〕
STEP
A
B
C
D
1
1
0
0
0
2
1
1
0
0
3
0
0
1
0
4
0
1
1
0
5
0
0
1
0
6
0
0
1
1
7
0
0
0
1
8
1
0
0
1
电动机负载转矩速度成反速度愈快负载转矩愈速度快极限时步进电动机运转走步程序必须延时段时间
模块电路设计
刚单片机IO口法驱动步进电机需加驱动芯片里选择ULN2003ULN2003耐高压电流NPN达林顿恰满足驱动需求输出端串联电阻减少噪声干扰里电阻取20Ω
273 模块电路图
图29示
图29 电机模块电路
28 显示模块
核心器件选择
机界面更加谐丰富里采128*64LCD显示器
设计采置控制器带字库图形点阵液晶显示模块点阵数128×64行驱动器列驱动器128×64 全点阵液晶显示器组成完成图形显示显示8×4 （16×16 点阵）汉字
技术参数性：
1〕电源VDD +5V 模块带10V 负压LCD 驱动电压
2〕显示容128（列） 64（行）点
3〕全屏幕点阵
4〕七种指令
5〕CPU 接口采8 位数总线行输入输出8 条控制线
6〕占空164
7〕工作温度10 +55 存储温度20 +60
模块硬件构成说明（结构框图图210示）
图210 128*64LCD显示器结构框图
图210中IC1IC2 列驱动器IC1 控制模块右半屏IC2 控制模块左半屏 IC3 行驱动器IC1IC2IC3 含功器件解器件利LCD 模块编程
1〕指令存放器（IR）
IR 存放指令码数存放器数相应DI0 时E 信号降作指令码写入IR
2〕数存放器（DR）
DR 存放数指令存放器存放指令相应DI1 时降作图形显示数写入DRE 信号高电作DR 读DB7～DB0 数总线DR DDRAM 间数传输模块部动执行
3〕忙标志BF
BF 标志提供部工作情况BF1 表示模块部操作时模块接受外部指令数BF0 时模块准备状态时接受外部指令数利STATUS READ 指令BF 读数总线检验模块工作状态
4〕显示控制触发器DFF
模块屏幕显示开关控制DFF1开显示DDRAM 容显示屏幕DFF0关显示
DDF 状态指令DISPLAY ONOFF RST 信号控制
5〕XY 址计数器
XY 址计数器9 位计数器高3 位X 址计数器低6 位Y 址计数器XY 址计数器实际作DDRAM 址指针X址计数器DDRAM 页指针Y址计数器DDRAM Y 址指针
X 址计数器没记数功指令设置
Y 址计数器具循环记数功显示数写入 Y 址动加1 Y址指针0 63
6〕显示数RAM DDRAM
DDRAM存储图形显示数数1表示显示选择数0表示显示非选择
7〕Z 址计数器
Z 址计数器6 位计数器计数器具备循环记数功显示行扫描步行扫描完成址计数器动加1指行扫描数RST 复位Z 址计数器0
Z 址计数器指令DISPLAY START LINE 预置显示屏幕起始行指令控制DDRAM 数行开始显示屏幕第行模块DDRAM 64 行屏幕循环滚动显示64 行
核心电路设计
SG12864置数字芯片控制器直接单片机IO口进行接里作介绍
模块电路图
图211示
图211 显示模块电路
29 外围驱动模块
模块电路设计
模块电路控制铃教室灯光课铃灯光220V交流电驱动单片机强干扰设计时必需考滤电气隔离问题里采光电耦合器进行电气隔离继电器达弱电控制强电目
刚单片机IO口法驱动光电耦合器单片机引脚信号进行放里采三极8550进行放提高抗噪力保护三极需三极基极加电阻里取10K发射极需加限流电阻取值1K更保护元器件电源端滤波电容取值01uF
继电器线圈具储作断电时电磁感应会产生高反电热两端需加回路消反电势里直流电路需线圈两端加续流二极里三极进行驱动取限流电阻R19100前偏置电阻R171K偏置电阻10K
模块电路图
图212示
图212 外围驱动模块电路
第三章 系统软件设计
31 系统实现工作流程
系统采PCF8563计时产生日期星期时间数单片机电复位时首先初始化单片机部资源开中断初始化定时器全局变量设置外部中断触发方式然PCF8563进行初始化精确计时模式运行分钟产生中断信号接单片机PCF8563产生日期时间数进行读取读取数存储器E2PROM中数进行拟判断前日期否假期果假期关掉外部中断0屏蔽掉教室灯光铃播送然进入循环循环首先窗口计数字节进行判断然根相应窗口计数值进行相应窗口显示〔时间界面菜单界面时间调整界面铃设置界面〕接校门控制标志位进行判定果控制标志位1启动电机电机转动弧长达预设值关闭电机时置电机状态标志位〔表示校门已翻开状态〕启动定时器0定时器计时达15S时启动电机次电机反转〔校门开始关闭〕校门控制标志位修改外部中断1控制物体校门时物体会挡住红外发射发射载波红外接收会产生低电引发单片机外部中断1置位控制标志位启动电机达校门动开关效果物体校门翻开需微秒级时间已远远满足控制需求设计中温度传感器模块数字接口芯片DS18B20单片机直接读取温度数转换实现温度实时显示DS18B20精度达00625℃
32 系统流程图
程序流程图
图31示
图31 程序流程图
外部中断0流程图
图32示
图32 外部中断0流程图
外部中断1流程图
图33示
图33 外部中断1流程图
结体会
两月毕业设计张老师指导利完成次毕业设计
毕业设计教育环节中重环检验三年知识水次卓成效检查综合提高三年学专业知识效总结
毕业设计初饱满热情投入工作中积极询问指导老师虚心学请教认真查阅图书资料手册次毕业设计中学许珍贵验锻炼独立思考独立分析独立解决问题力时深刻感许知识甚解通毕业设计已学知识回忆稳固学知识实践中验证理知识实践理相结合
次设计中感觉指导老师重指导老师帮助没领会问题够时帮助解决
通次设计前没认真消化吸收触类旁通彼科知识没效掌握遇问题知手现指导老师帮助解决月设计中综合力提高
参考材料：
[1]： 胡汉单片机原理接口技术北京清华学出版社1996
[2]： 徐爱均智化仪表原理设计北京航空学出版社1996
[3] 公茂法单片机机接口实力集北京航空学出版社1998
[4] 李青单片机原理接口技术北京航空学出版社1998
[5] 邬宽明单片机外围器件实手册北京航空学出版社1998
[6] 先锋工作室编著单片机程序设计实例北京清华学出版社2002
[7] 汤毅刚彭喜元孟升卫刘兆庆MCS51单片机子程序设计哈尔滨工业学出版社2003
[8] 陈明荧8051单片机课程设计实训教材北京清华学出版社2003
[9] 肖玲妮袁增贵Protel99SE印刷电路板设计教程北京清华学出版社2003
[10] 刘守义单片机应技术西安电子科技学出版社2004
[11] 立民单片机应系统设计北京航空航天学出版社2000
[12] AT24C02中英文资料2003
附录1：元器件表
附录2：总电路原理图
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