智能电子万年历的设计 汪文木.docx

智能电子万年历的设计电子与信息工程系电子信息科学与技术118732008014 汪文木指导老师周瑛【摘 要】本系统以单片机AT89S52作为控制核心来设计智能电子万年历的硬件结构和软件结构。该系统以AT89S52单片机为控制器；以串行时钟日历芯片DS1302记录时间和用LCD1602来显示数值，可以显示年、月、日、时、分、秒，并且可以进行时间调整；此外增加了整点报时功能，人体红外感测功能，温湿度感测显示功能，让本万年历显得更加的智能，更加的实用。【关键词】单片机AT89S52 ； ISD1402语音芯片；时钟芯片DS1302 ； LCD1602显示1. 前言1. 1课题研究的背景随着电子技术的不断更新，从古代的观太阳、测水漏、摆钟到现在的电子钟，人类不断 研究，不断创新，电子应用领域的扩展，电子产品的运用在现代生活中起着不可忽视的重要 作用。该电子万年历可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，而且时钟芯片DS1302的使 用寿命长，误差小。采用LCD1602来进行直观的数值显示，可以显示年、月、日、时、分、 秒、温度和湿度等信息，还具有时间校准、整点报时、人体红外感应等功能。该电路采用 AT89S52单片机作为核心，功耗小，能在3V的低压工作，电压可选用3-6V电压供电。1.2课题的研究目的与意义21世纪是电子技术高速发展的时代，而单片机在电子技术高速发展的时代扮演者极为 重要的角色。电子万年历的开发与研究在信息化的今天不仅有它的实用性，还具有广泛性， 因为它适用在学校、机关、企业、部队等单位礼堂、训练场地、教学室、公共场地等场合， 可以说遍及人们生活的每一个角落，所以电子万年历的开发与研究是社会所需，具有广阔的 市场。1.3课题解决、实现的主要内容本课题所研究的电子万年历是基于单片机AT89S52的一个具体应用，主要实现的主要内 容包括以下几个方面：(1) 选用单片机AT89S52作为该系统的控制核心。(2) 在硬件设计时，尽量做到简单实用、易于实现，使系统电路尽量简单。(3) 根据硬件的设计结构电路图，在覆铜板上实现完成器件的焊接。(4) 软件设计时，尽量做到程序简单，调试方便。2. 智能电子万年历的总体方案设计图1智能电子万年历的总体方框图智能电子万年历系统框图如图1-1所示。该系统主要由电源模块、DS1302时钟模块、温 湿度感应模块、红外感应模块、显示输出模块、语音播报模块等组成。工作流程大致为：电 源模块提供4-6v的恒流电压，通过单片机AS89S52的控制实现显示年、月、日、时、分、 秒、当前温度、湿度并利用语音模块实现整点报时以及人体的红外感测表示。3. 各模块电路的设计3.1主控模块的电路设计3.1.1 单片机 AT89S52AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系 统可编程Flsah存储器。(T2) P1.0C fT2 EX) P1.1 匚 P1.2C P1.3L P1 一4 匚 (MOSI) P1.5L (MISO) P1.6IZ (SCK) P1.7C RSTIZ (RXD) P3.0 匚 fDCD) P3.1 匚 (INTO) P3.2 匚 (1RTT) P3.3 匚 fTO) P3.4 匚 (T1) P3.5 匚 (WR) P3.6 匚 (RD) P3.7L X7AL2 匚 XTAL1 匚 GND匚1402393384A 375366357348S 33&321031112 go1229132814271526162517241Q23222021 VCC PD.O (AQD) PQ.1 知1) PD.2 (A02)13 PQ.3 (AD3J P0.4 (A04) PD.5 (AD5J PQ.6 (ADB) PQ.7 (AD7) DtVPP AL&FRUS PSEN P2.7 (A15) P2.6 (A14) P2.5 (A13) P2.4 (A12) P2.3 (A11) P2.2 (A10) P2.1烟 P2.0倾图2 AT89S52单片机的引脚图AT89S52主要功能列举如下：1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）3、内部程序存储器（ROM）为8KB4、内部数据存储器（RAM）为256字节5、32个可编程I/O 口线6、8个中断向量源7、三个16位定时器/计数器8、三级加密程序存储器9、全双工UART串行通道3.1.2电路设计原理图图3主控系统电路原理图Pll2ENjP134P145P15P153P173P3C10P3111P3212P331314P3515P3«IfiPLAeT17XIISX219RSTgP10.T2PODPll T2EXP12peaP13M3P14PMP15PD5P15PC'SP17P07RXDP20TXDPllINTOP22IKT1P23TOP24T1P25WRP26RDP27GNDX2VCCXIEAVPALEPRESETPSEN振荡电路：18,19分别为单片机芯片的反向放大器的输入端和输出端，在保证供给正常 3-6的电压值时，在这两脚接上一个12M的晶振就可以使其工作，这个晶振就像单片机的心 脏一样。在两脚与地之间加入一个30PF的电容可以使系统更稳重，避免噪声而死机。复位电路：在第9端加入一个复位电路，该复位电路主要通过一个按键手动来实现，比 如在程序运行时如若死机、死循环、程序“跑飞”等情况都可以通过该按键来实现复位。该 复位电路如上图所示，由电阻和极性电容组成，因为RST是高电平有效，当人为的按下按 钮后，电路导通，VCC的+5v电压就会加到RST端，由于人的动作再快，通常也要达到10 毫秒以上，这完全能够满足复位时间，而电压的回落是随着电容的不断充电而降落，由图的 电路图可知电容的充电时间为：T=2.3*R*C=2.3*10(-6)*10*(3)=0.23S保证系统能够可靠地复 位。按键电路：按键电路由三个轻触开关组成，一个键用来实现所要设置对象的移位设置， 一个键用来实现加设置，一个键用来实现减设置，分别与单片机的30、16、17引脚相连。3.2时钟模块的电路设计3.2.1 DS1302电路模块DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路， 它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。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。DS1302内部有一个31 X8的用于临时性存放数据的RAM 寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源其引脚及其功能结双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。构如下图：VCC1SCLKGNDRST图4.DS1302封装图3.2时钟模块的电路设计原理图图5时钟模块电路原理图该时钟电路由时钟芯片DS1302、备用电池、晶振等几部分组成，在正常提供3V以上的电压时，在X1和X2这两脚接上一个32.768M的晶振就可以使其工作，这个晶振就像 时钟芯片的心脏一样。在两脚与地之间加入一个22PF的电容可以使系统更稳重，避免噪声 而死机。7,6,5引脚接单片机的13,14,15引脚，其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源， 在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的 较大者供电。当 Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1 时，DS1302由Vcc1供电。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动 所有的数据传送，如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。SCLK为时钟输入端。3.3温湿度模块3.3. 1 DHT11温湿度模块DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它 应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越 的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。3.4红外传感模块3.4.1 74HC04 模块74HC04模块是高速的硅栅CMOS器件并兼容低功耗肖特基的TTL ( LSTTL )。 74HC04是内含6组相同的反相器。即1A输入高电平，1Y输出低电平，其中1A 6A输 入端，1Y 6Y输出端。图6 74hc04引脚图图7 74hc04逻辑图3.4. 2红外传感模块的电路设计原理图R1710074HCO4GND图8红外模块电路原理图该在提供正常工作电压时，D3是红外发射器，D4是红外接收器，当D3发射出的红外信 号被反射到被D4接收时，1A（ 1）端就输入高电平，1Y（2）就输出低电平，而第二端 又与单片机的串行通信输出端（第31端，简称TXD）相连，从而使红外感应模块被单片 机所控制，达到所要实现的特定功能。3.5显示模块的设计3.5.1 LCD1602 模块图9 LCD1602模块实物图LCD1602模块是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。 1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示 一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的 作用，正因为如此所以他不能显示图形，其具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超 薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。LCD1602模块引脚功能表2-2：符号名称功能1Vss接地0V2VDD电路电源5V+10%3VEE液晶驱动电压保证VDD-VEE=4.5s5V电压差4RS寄存器选择信号压数据寄存器L:指令寄存器5R/W读/写信号H:读L：写6E片选信号下降沿触发，锁存数据7-14DB0-DB7数据线数据传输15 16BLA-BLK空脚或背灯电源体现背光功能3.5. 2显示模块的电路设计原理图图10显示模块电路原理图在提供正常工作电压值的情况下，通过滑动变阻器的调节，保证VDD-VEE=4.5s5V电压差，使液晶显示驱动，调节背光的强度°RS端与单片机的RS端相连，EN端与单片机的 EN端相连，7-14端与单片机的P00-P07端相连，将单片机所控制的内容传到液晶显示屏来 显示。3.6语音播放模块的设计3.6. 1 ISD1402语音芯片ISD1402为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前 置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。利用该模块，语音和音频 信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入存储器，直接模拟存储允许使用一种单片机固体 电路方法完成其原本语音的再现，不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。3.6 .2语音播放模块的电路设计原理图图11语音模块电路原理图在提供正常工作电压值的情况下，A0-A5作为ISD1402的管脚与单片机的P20-P27 端相连，作为数据传输，23，24引脚作为放音的功能，27引脚作为录音的功能。25 端口作为发光二极管的借口，当红外感应时 LED闪一下。28、26和12、13作为数字、 模拟电路的电源和地的输入端和输出端。14、15接外放的喇叭，当红外感应时，单片 机调用程序，程序调用语音模块，将语音模块中存储的声音播放出来。20、21引脚是模拟信号的输入和输出端，19引脚与电阻、电容组成自动增益电路，对电路起到自动 增益放大作用。3.7电源模块的设计图12电源模块电路原理图根据AT89S52单片机的特性与功能，通常的工作电压值为3.5-5.5V左右，又结合时钟 芯片模块、语音模块、温湿度模块、显示模块、74HC04模块的综合考虑，最后选择整个系 统的电压源为由6v。而在供给时钟芯片的电压为3v。4. 系统软件设计4.1主程序模块主流程图如图4-1所示，主要体现该系统的日期、时间、温湿度的设置与显示以及语音 的播放。4.2 DS1302时钟芯片模块如图4-2所示，对于时钟芯片DS1302，日期时间只需从DS1302各寄存器读出年、月、 日、分、秒、星期，再加处理即可。4.3温湿度模块流程图如图4-3所示，本系统采用DHT11传感器来实现实时扫描，使程序及时响应而 无需顾虑其它程序模块运行情况。4.4语音模块流程图如图4-4所示，本系统采用ISD1402模块，利用该模块的特性与功能，使当人 靠近时，利用所存储的模拟语音播放出来。图4-1主程序流程图图4-2时钟模块程序流程图图4-3温湿度模块程序流程图调用存储在ISD1402的语音模拟信号喇叭发出声音N图4-4语音模块程序流程图5. 硬件制作过程1. 画图：在Protel DXP先画好原理图，然后把原理图导入成PCB图。在PCB图布线排 版时很重要，这关系到元件的位置、线路走势的合理化；这部分内容需要很系统的学习， 因为一个好的PCB布线图直接影响到硬件图线路图的正确、简化美观。2. 制板：把PCB图经过设置以1:1的比例打印到转印纸，然后再转印到铜板，紧接着腐 蚀、打孔卬。转印到铜板后需要用碳素笔把断掉的线路补上。3. 焊接：按照PCB图插上对应元件并注意各元件插法，这点很重要。焊接时只要遵照正 常的步骤以及要求，不要虚焊，不要短路，走线平滑，焊点圆滑等。做到正确完成，并且美 观9-10。6. 总结本系统的设计采用了单片机原理技术U1】模拟电子技术、数字电子技术、C语言软件编 程、电源设计、PROTEL DXP制作电路板、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片 机程序控制的数控恒流源，基本达到了题目要求。在智能电子万年历的设计过程中，我深切体会到实践是理论运用的最好检验。在设计 过程中不断通过查找资料和搜集有关的文献，自学所需的知识。通过本次设计使我所学知识 得到运用，无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高；当然在实践过程中，发现 了自己的不足地方还有很多，无论是在理论知识方面还是在动手能力方面都不完善，经常会 出现这个或那个问题，这将是我以后努力的方向。参考文献1 AT89S52单片机资料介绍.en/f/22298182.html 杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第二版）M.北京：高等教育出版社，2005, 190-271.3 DS1302 芯片资料介绍 5 74HC04 芯片资料介绍.4 DHT11 芯片资料介绍 7 LCD1602 中文资料.8 郝文化，黄炜.Protel DXP电路原理图与PCB设计M.北京：机械工业出版社，2003,23-57, 123-2239 王港元.电子技能基础M.成都：四川大学出版社，2001, 137-158, 230, 237.10 手工焊接的注意事项有哪些.11 魏立峰，王宝兴.单片机原理与应用技术M.北京：北京大学出版社，2007, 21-24.附录I:原理图和PCB图原理图用Protel DXP画图，PCB图是原理图导入排版后先自动布线，再手动调整、覆 铜后得到。A.电路原理图R6R?R8o24 r t tn，gTA3B.电路原理图附录II：实物图