【正文】 2 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 單片機芯片的選擇方案和論證方案一：采用 89C51 芯片作為硬件核心，89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器，采用 Flash ROM，內(nèi)部具有 4KB ROM 存儲空間，能于 3V 的超低壓工作，而且與 MCS51 系列單片機完全兼容，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，89C51 是一種高效微控制器，51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備在線編程（ISP）技術(shù)，當(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插可能對芯片造成一定的損壞,目前該型號芯片已經(jīng)停產(chǎn)。方案二：采用 AT89S52 單片機，AT89S52 單片機是 ATMEL 生產(chǎn)的單片機，是新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。內(nèi)部集成看門狗電路。AT89S52 單片機內(nèi)部有 8KB 的程序 Flash 存儲器。由于我們設(shè)計的萬年歷燒寫文件大概在 7KB 左右 ，而 AT89S52 單片機的程序 Flash 為 8KB，不用再外接程序存儲器了。經(jīng)過綜合比較最終選擇方案二，即選擇 AT89S52 作為主控制器。 顯示模塊的選擇方案和論證方案一：LCD12864 液晶是一種具有 8 位并行接口方式的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。可以顯示 1616 點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。萬年歷要求顯示年月日、時分秒、星期、和農(nóng)歷。LCD12864 液晶可以完成設(shè)計的要求 。方案二： 系統(tǒng)采用 LED 顯示。LED 應(yīng)用可分為兩大類：一是 LED 單管應(yīng)用，包括背光源LED，紅外線 LED 等；另外就是 LED 顯示屏，目前，中國在 LED 基礎(chǔ)材料制造方面與國際還存在著一定的差距，但就 LED 顯示屏而言，中國的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)水平基本與國際同步。LED 顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點。采用 LED，但不能顯示文字，性價比不是很高，操作起來比較液晶顯示來說略顯繁瑣，所以也不用此種作為顯示。經(jīng)過綜合比較最終選擇方案一，即選擇 LCD12864 液晶顯示屏。 時鐘芯片的選擇方案和論證方案一：采用單片機定時。單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、PC 機外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。直接采用單片機定時計數(shù)器提供秒信號，計數(shù)的脈沖由外部提供，定時的脈沖由外部晶振提供，定時加 1 的周期為一個機器周期；定時時間與初值和晶振頻率有關(guān)。使用程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒計數(shù)。采用此種方案減少芯片的使用，節(jié)約成本，但程序復(fù)雜度較高。方案二：采用 DS1302 時鐘芯片。DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM 的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為 ～。采用雙電源供電（主電源和備用電源） ，可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302 用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。采用三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM 數(shù)據(jù)。DS1302 內(nèi)部有一個 318 的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。采用 DS1302 只需要寫出驅(qū)動程序，調(diào)用程序讀出寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的變換就可以輸出萬年歷的數(shù)據(jù)。經(jīng)過綜合比較最終選擇方案二，即采用 DS1302 時鐘芯片。 溫度傳感器的選擇方案和論證方案一：采用熱敏電阻作為溫度傳感器。熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化。熱敏電阻的主要特點是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大 10～100 倍以上；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于 315℃（目前最高可達(dá)到2022℃）低溫器件適用于273℃～55℃；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在 ～100kΩ 間任意選擇；易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載能力強。由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨特的性能，所以在應(yīng)用方面它不僅可以作為測量元件（如測量溫度、流量、液位等） ，還可以作為控制元件（如熱敏開關(guān)、限流器）和電路補償元件。熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學(xué)、宇航等各個領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊。 使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個電阻變化的分壓值，并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。此設(shè)計方案需用 A/D 轉(zhuǎn)換電路，增加硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴(yán)格線性的，會產(chǎn)生較大的測量誤差。方案二：采用 DS18B20 溫度傳感器。在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場合時 DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的 DS18B20 溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得 DS18B20 更受歡迎。對于我們普通的電子愛好者來說，DS18B20 的優(yōu)勢更是我們學(xué)習(xí)單片機技術(shù)和開發(fā)溫度相關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。這是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。DS18B20 數(shù)字溫度計提供 9 位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20 或從 DS18B20 送出，因此從單片機到 DS18B20 僅需一條線連接即可。它可在 1 秒鐘(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字經(jīng)過綜合比較最終選擇方案二，即采用采用 DS18B20 溫度傳感器。 電路設(shè)計最終方案確定最終選擇單片機 AT89S52 作為主控制器；選擇 LCD12864 型液晶作為顯示模塊，此模塊可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能；選擇采用 DS1302 時鐘芯片,使程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒，即農(nóng)歷陽歷時間的顯示。采用 DS18B20 溫度傳感器，可以對溫度做出比較精確的測量，而且和單片機通訊只要一個 IO，連接方便。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)功能模塊劃分根據(jù)系統(tǒng)功能要求，可大致畫出系統(tǒng)所需硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示：圖 31 系統(tǒng)功能模塊圖主控模塊采用性價比較高的 AT89S52 單片機芯片，在其內(nèi)部燒寫好程序，可通過程序的運行控制測溫模塊進(jìn)行測溫；測溫模塊主要是由 DS18B20 構(gòu)成，將其與所測對象進(jìn)行接觸即可獲取被測對象的溫度數(shù)據(jù)，而所測得的溫度和時鐘芯片測得的實時日歷將通過顯示模塊的液晶顯示器以數(shù)字形式顯示；單片機調(diào)用程序，讀取 DS1302 內(nèi)寄存器，可以得到萬年歷的時間數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序處理就可以輸出在 LCD 上；鍵盤電路可對實時日歷進(jìn)行調(diào)整；蜂鳴器可以在鬧鐘定時中，作為聲音提醒。 各單元模塊功能分析及模塊電路設(shè)計 時鐘模塊 DS1302 的工作原理和單片機的接口:DS1302 為美國 DALLAS 公司的一種實時時鐘芯片，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用 晶振。它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。DS1302 用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)果的分析以及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找有重要意義。在本設(shè)計中，它的實際電路圖如圖 32 所示：圖 32 DS1302 與單片機的連接DS1302 需要外接 的晶振，1 號引腳接主電源 VCC（5V）電源，8 號引腳接備用電池（3V） ，當(dāng)主電源掉電后，備用電源為 DS1302 提供電源，維持 DS1302 內(nèi)數(shù)據(jù)不丟失，這正是時鐘芯片所必須的特性。 溫度模塊傳統(tǒng)的溫度傳感器系統(tǒng)大都采用放大、調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入計算機處理，處理電路復(fù)雜、可靠性相對較差，占用計算機的資源比較多，本設(shè)計測溫模塊采用一線制總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給微處理器，電路簡單，成本低，其電路原理圖如圖 33 所示：圖 33 DS18B20 溫度模塊從圖中可看出，將溫度傳感器的一線制總線通過端口 2 與本設(shè)計主控芯片STC12C5A6S2 的端口標(biāo)號為 DS18B20 的相連即可實現(xiàn)相互之間的通信。設(shè)計中的測溫元件采用的是 DS18B20 測溫元件,DS18B20 是由 DALLAS(達(dá)拉斯)公司生產(chǎn)的一種溫度傳感器。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得 DS18B20 很受歡迎。這是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。DS18B20 數(shù)字溫度計提供 9 位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20 或從DS18B20 送出，因此從單片機到 DS18B20 僅需一條線連接即可。它可在 1 秒鐘(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。 DS18B20 的主要特征：1）DS18B20 的主要特征：? ①全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出； ??? ②先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信； ??? ③最高12位分辨率，℃； ????④12 位分辨率時的最大工作周期為750毫秒； ????⑤ 可選擇寄生工作方式； ????⑥ 檢測溫度范圍為–55℃——+125℃； ????⑦ 內(nèi)置EEPROM，限溫報警功能； ????⑧64 位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接； ????⑨ 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。2）DS18B20芯片其封裝結(jié)構(gòu)如下： 圖 34 DS18B20 芯片封裝圖 由其引腳可看出，其 3 個引腳: GND 為電壓地直接接地；DQ 為單數(shù)據(jù)總線用來與單片機相連接,本系統(tǒng)中 DS 與單片機 接口連接,僅此一個連接就能保證 DS18B20 與單片機之間的數(shù)據(jù)交換；VDD 引腳接電源電壓。 DS18B20 的工作原理DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。DS18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源,分別是：ROM 只讀存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H） ，后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56位的CRC碼（冗余校驗） 。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM， RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8位。第2個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第4個字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復(fù)位時其值將被刷新。第5個字節(jié)則是用戶第3個EEPROM的鏡像。第8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CRC碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。我們在每一次讀溫度之前都必須進(jìn)行復(fù)雜的且精準(zhǔn)時序的處理，因為DS18B20的硬件簡單結(jié)果就會導(dǎo)致軟件的巨大開消。 顯示模塊本設(shè)計顯示模塊主要采用 LCD12864 液晶顯示器，其電路原理圖如下：圖 35 LCD12864 模塊LCD12864 液晶顯示器通過數(shù)據(jù)端口也即端口 7～14 與主控芯片 AT89S52 的 I/O 端口P3 相連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)與指令的傳輸，再通過控制端口 RS、RW、EN 也即端口 4～6 與主控芯片 ， 端口相接實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)目刂?。顯示模塊采用 12864 液晶顯示器可實現(xiàn)對溫度和時間的直接顯示，清晰明了。 獨立鍵盤模塊鍵盤是人與萬年歷實現(xiàn)信息交互的接口，本設(shè)計中，我們采用 3 個獨立鍵盤，電路原理如下圖 39：圖 39 獨立鍵盤當(dāng)按鍵按下，與主控芯片連接的端口被降為低電平，按鍵松開則也升為高電平。按鍵采用的是 Tack Switch 按鈕開關(guān),它具有自動恢復(fù)（彈回）的功能。當(dāng)我們按下按鈕時，其中的接點接通（或切斷） ，放開按鈕后，接點恢復(fù)為切斷（或接通） 。按照尺寸區(qū)分，電子電路或微型計算機所使用的 Tack Swith 可分為 8mm、10mm、12mm 等。雖然 Tack Switch 有 4 個引腳，但實際上，其內(nèi)部只有一對 a 接點，即其中兩個引腳是內(nèi)部相連通的，而另外兩個引腳內(nèi)部也是相連通的。7 個按鍵實現(xiàn)了開機模式選擇，日期調(diào)節(jié)等功能，獨立按鍵的引入使得體現(xiàn)了本設(shè)計的人性化，智能化，功能的強大。 蜂鳴器模塊蜂鳴器模塊是本設(shè)計中體現(xiàn)人機交互的又一大設(shè)計