【正文】 e Design of the Hardware Abstract With the accelerated pace of life, the demand for nannies is greatly increasing in our society . If a intelligent nanny machine is designed,it will bring more convenience for people39。 論文介紹了保姆機(jī)的研究背景，通過(guò)對(duì) 555 時(shí)基電路設(shè)計(jì)方案、 FPGA 設(shè)計(jì)方案以及單片機(jī) 設(shè)計(jì)方案的比較，確定了單片機(jī)設(shè)計(jì)方案。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書畢業(yè)論文 題 目： 多功能電子保姆機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) — 硬件設(shè)計(jì) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） I 多功能電子保姆機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) — 硬件部分 摘 要 隨著生活節(jié)奏的加快，家庭對(duì)保姆的需求越來(lái)越多，若設(shè)計(jì)出一款智能保姆機(jī)，將極大地方便人們的生活。不僅能控制家用電器定時(shí)工作，還附加時(shí)間、鬧鈴、環(huán)境溫度顯示等功能。 該電子保姆機(jī)可以應(yīng)用于生活和工作中，也可通過(guò)改裝，提高性能，增加新功能，從而給人們的生活和工作帶來(lái)更多的方便。 多功能電子保姆機(jī) 研究 的 背景 和意義 20 世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展 。然而遇到重大事情的時(shí)候，一旦忘記時(shí)間，就會(huì)給自己或他人造成很大麻煩。想知道時(shí)間， 手表當(dāng)然是一個(gè) 很 好的選擇，但是， 在忙碌當(dāng)中，我們還需要一個(gè)“助理” 及時(shí)的給我們提醒時(shí)間。 廣泛 應(yīng) 用于個(gè)人家庭 ， 車站 ， 碼頭辦公室等公共場(chǎng)所 ， 成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 2 另外，溫度實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)應(yīng)用同樣越來(lái)越廣泛，比如空調(diào)遙控器上當(dāng)前室溫的顯示、熱水器溫度的顯示等等。擁有時(shí)間精確、體積小、界面友好、可擴(kuò)展性能強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于生活和工作當(dāng)中。 FPGA 在結(jié)構(gòu)上由邏輯功能塊排列為陣列，并由可編程的內(nèi)部連線連接這些功能塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能。 正因?yàn)?FPGA 在設(shè)計(jì)過(guò)程中方便、快捷，而且 FPGA 技術(shù)功能強(qiáng)大，能夠應(yīng)用其制作諸如基代碼發(fā)生器、數(shù)字頻率計(jì)、電子琴、電梯控制器、自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)、多功能波形發(fā)生器、步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)等。 成本較低， 外加電阻、電容等元件 就 可以構(gòu)成多諧振蕩器 、 單穩(wěn)電路 、 施密特觸發(fā)器等 ， 常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等 領(lǐng)域 。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 9 J un 2 0 0 8 S he e t o f F i l e : H : \常亮 \常亮畢業(yè)設(shè)計(jì) \電路圖 \ 5 55 定時(shí)器 .d db D ra w n B y:RD IS7T H R6T R IG2GND1C V o l t5R4VCC8Q35 55C CRV C CV 012 圖 基于５５５的秒脈沖發(fā)生器 采用 555 定時(shí)器設(shè)計(jì)電子保姆機(jī)，成本低，容易實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)具有如下特點(diǎn) ： （ 1）有優(yōu)異的性能價(jià)格比； （ 2）集成度高、體積小、有很高的可靠性； （ 3）控制功能強(qiáng)； （ 4）低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品； （ 5）外部總線增加了 I2C、 SPI 等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)； （ 6）單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。這種用軟件代替硬件的控制技術(shù)，是對(duì)生產(chǎn)控制技術(shù)的一次革命。另外很多功能不同的單片機(jī)是兼容的，這就更便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多功能性。硬件電路框圖參照?qǐng)D 。繼電器作為家用電器定時(shí)開關(guān)，控制家用電器工作。當(dāng) +5V 電源被切斷后， DS1302 啟用 +3V 電源，可以保持 DS1302 繼續(xù)工作。片內(nèi)包括了 CPU,程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器及各種 I/O 口。 ATMEGA128 特點(diǎn) （ 1） 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器； （ 2） I/O 和封裝 – 53 個(gè)可編程的 I/O腳； – 64 引腳 TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝； （ 3） 工作電壓 ： ～ （ ATmega128）； （ 4） 速度等級(jí) ： 0～ 16 MHz（ ATmega128）； （ 5） 32個(gè)工作寄存器； （ 6） 16根地址線 PA PC ； （ 7） 8根數(shù)據(jù)線 PA。復(fù)位發(fā)生時(shí) 端口 A為三態(tài)，端口 A也可以用做 其他不同的特殊功能。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 B為三態(tài)。復(fù)位發(fā) 生時(shí)端口 C為三態(tài)。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 D 為三態(tài)。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 E為三態(tài)。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外 部電路拉低時(shí)將輸出電流。 端口 G(PG4PG0)：端口 G為 5位雙向 I/O 口，并 具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。在 ATmega103 兼 容模式下，端口 G 只能作為外部存儲(chǔ)器的所存信號(hào)以及 32 kHz 振蕩器的輸入，并且在 復(fù)位時(shí)這些引腳初始化為 PG0 = 1， PG1 = 1 以及 PG2 = 0。低于此時(shí)間的脈 沖不能保證可靠復(fù)位。使用 ADC 時(shí)應(yīng)該通過(guò)一個(gè)低通濾波器與 VCC連接。在正常工作過(guò)程中 PEN 引腳沒(méi)有其他功能。 DS1643 為帶有全功能實(shí)時(shí)時(shí)鐘的 8K 8 非易失性 SRAM，集成了非易失性 SRAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、晶振、電源掉電控制電路和鋰電池電源， BCD 碼表示的年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，帶閏年 補(bǔ)償。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月 小于 31 天時(shí) 可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。需要強(qiáng)調(diào)的是， DS1302 需要使用 的晶振 【 5】 。 DS1302 是 SPI 總線驅(qū)動(dòng)方式。每次數(shù)據(jù)的傳輸都是由控制字開始。 A4～ A0=0～ 6，順序?yàn)槊搿⒎?、時(shí)、日、月、星期、年的寄存器。 當(dāng) BIT 6=1 時(shí)，定義 RAM 的地址， A4～ A0=0～ 30，對(duì)應(yīng)各子地址的 RAM，地址31 對(duì)應(yīng)的是 RAM 多字節(jié)方式選擇寄存器。同樣，在緊跟 8 位的控制字指令后的下一個(gè) SCLK 脈沖的下降沿，讀出 DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。但是，當(dāng)以多字節(jié)方式寫 RAM時(shí)，不必寫所有 31 字節(jié)。在開始 8 個(gè)時(shí)鐘周期把命令字（具有地址和控制信息的 8 位數(shù)據(jù)）裝入移位寄存器內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 12 之后，另外的時(shí)鐘在讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)，在寫操作時(shí)輸入數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿變化。 多字節(jié)操作方式與其類似，只是后面跟的字節(jié)數(shù) 不止一個(gè)。 小時(shí)寄存器（ 85H、 84H）的位 7 用于定義 DS1302 是運(yùn)行于 12 小時(shí)模式 還是 24小時(shí)模式。當(dāng)該位置為 1 時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止， DS1302 處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位置為 0 時(shí)，時(shí)鐘開始運(yùn)行。 當(dāng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 13 WP 位為 1 時(shí)，寫保護(hù)位防止對(duì)任一寄存器的寫操作。寄存器的 BIT4～ BIT7（ TCS）決定是否具備充電性能 ：僅在編碼為 1010 的條件下才具備充電性能，其他編碼組合不允許充電。其中編碼 RS=01 為 2 KΩ，RS=10 為 4 KΩ， RS=11 為 8 KΩ，而 RS=00 將不允許進(jìn)行充電。寄存器和 RAM 的操作通過(guò)命令字節(jié)的 BIT6 加以區(qū)別。 環(huán)境溫度傳感 器選擇 常用溫度傳感器比較 在日常生活中和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常要用到溫度檢測(cè)及控制，傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻，而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度碼值，需要較多的硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試也比較麻煩，制作成本高。 ℃； 電源范圍寬： +4～ +30V。 通過(guò)編程， DS18B20 可以實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位溫度讀數(shù)，信息經(jīng)過(guò)單線接口送入 DS18B20或 從 DS18B20 送出，因此從單片機(jī)到 DS18B20 僅需要連接一條線。通過(guò)編程，用戶還以自行設(shè)定告警上下限溫度，告警尋找命令可以識(shí)別和尋址那些溫度超出預(yù)設(shè)告警界限的器件。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳；當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 DS18B20 在工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值，其各位定義如表 所示。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 16 表 配置寄存器與分辨率關(guān) 系表 R0 R1 溫度計(jì)分辨率 /bit 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 232221202 12 22 32 4S S S S S 262524M S B L S BM S BL S B低 位 字 節(jié) ：高 位 字 節(jié) ： 圖 DS18B20 溫度值格式表 這是 12 位分辨率的情況，如果配置為低分辨率，則其中無(wú)意義位為“ 0”。如果溫度測(cè)量的結(jié)果高于 TH 或低于 TL，那么器件內(nèi)告警標(biāo)志將置位，每次溫度測(cè)量都會(huì)更新此標(biāo)志位。 如圖 ， ATmega128 單片機(jī) PB0 直接接 DS1302 的 RST 端，上電后， ATmega128的 PB0 引腳復(fù)位低電平有效。 環(huán)境溫度采集電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中使用 DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度采集和轉(zhuǎn)化。它使用了 8 段LED發(fā)光二極管 ,其中 7個(gè)用于顯示字符 ,1 個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn) ,故通常稱之為 7段 (也有稱內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 18 作 8 段 )發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端相連。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 19 軟件接口方法 :它是以軟件查表代替硬件譯碼 ,不但省去了譯碼器 ,而且還能顯示更多的字符。因此只能利用人眼對(duì)視覺(jué)的殘留效應(yīng) ,采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法 ,逐個(gè)地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管 ,每位顯示 1ms 左右，使人看起來(lái)就好象在同時(shí)顯示不同 的字符一樣。 靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示 ,就是在同一時(shí)刻只顯示 1 種字符 ,或者說(shuō)被顯示的字符在同一時(shí)刻是穩(wěn)定不變的。 本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示。 abfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CCabfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CCabfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CCabfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CC5 . 1 K 5 . 1 K 5 . 1 K 5 . 1 KPE0PE1PE2PE3V C C123456781 61 51 41 31 21 11 095 1 0P A 0P A 1P A 2P A 3P A 4P A 5P A 6P A 75 1 0 * 8 圖 顯示面板 LED 分布圖 按鍵電路設(shè)計(jì) 矩陣式按鍵鍵盤使用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，也稱行列式鍵內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 20 盤，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，其結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 根據(jù)按鍵按下的次數(shù)依次校對(duì)分、時(shí)、日、月、年。 設(shè)定鬧鐘時(shí)間和電器開關(guān)時(shí)間、報(bào)警溫度。 Key22：確認(rèn)鍵。 Key24：減 1 按鍵。鬧鈴電路如圖 。繼電器控制電路如圖 由于 AVR的 I/O 不能提供大的驅(qū)動(dòng)電流，因此在外圍硬件電路中要考慮使用功率驅(qū)動(dòng)電路。匯編語(yǔ)言與機(jī)器指令一一對(duì)應(yīng)所以用匯編語(yǔ)言編寫的程序在單片機(jī)里運(yùn)行起來(lái)效率較高。初始年為“ 20xx”，初始月、日為“ 0504”。因?yàn)樵诖型ㄐ艜r(shí)對(duì)時(shí)序要求比較高，所以 在通信過(guò)程中最好保證傳輸?shù)倪B續(xù)性，不要允許中斷。 在進(jìn)行寫操作時(shí)，需要先解除寫保護(hù)寄存器的“禁止”狀態(tài)。 主機(jī)操作單線器件 DS18B20 必須遵循下面的順序。單線器件 DS18B20 檢測(cè)到該上升沿后，延時(shí) 15～ 60μ s，通過(guò)拉低總線60～ 240μ s 來(lái)產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。如表 。 Skip Rom （跳過(guò) ROM） CCH 此命令用于單掛接總線系統(tǒng)時(shí)，可以無(wú)需提供 64 位 ROM 序列號(hào)皆可運(yùn)行內(nèi)存操作命令。 3. 內(nèi)存操作命令 在成功執(zhí) 行了 ROM 操作命令之后，才可以使用內(nèi)存操作命令。主機(jī)可以隨時(shí)發(fā)起復(fù)位脈沖以停止此操作。如果在此命令后主機(jī)產(chǎn)生讀時(shí)隙，那么只要器件在進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換就會(huì)輸出 0，轉(zhuǎn)換完成后再輸