【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Trans Ideal+ 3 硬件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的 萬(wàn)年歷系統(tǒng)以單片機(jī)為主控芯片， 通過(guò)讀寫(xiě)日歷時(shí)鐘芯片和溫度芯片來(lái)實(shí)時(shí)的改變當(dāng)前時(shí)間和溫度，并通過(guò) LED 顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)輔助以鍵盤(pán)來(lái)調(diào)節(jié)顯示時(shí)間和定時(shí)時(shí)間，并帶有蜂鳴器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)鬧鐘即打開(kāi)。 硬件的結(jié)構(gòu)和可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性 ，所以合理的安排電路能提高電子產(chǎn)品的性能，但 任何電子產(chǎn)品都必須有一個(gè) 可靠的 電源為其提供能量才能工作，本設(shè)計(jì)先 介紹 電源部分，再 介紹 功能 電路 。 電源的設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品的最基本模塊，大部分電子產(chǎn)品都是用的直流電源，將 220V 的交流電轉(zhuǎn)化為直流電也是我們必行的，電源的穩(wěn)定性也直接影響著電子產(chǎn)品的性能， 現(xiàn)在常用的直流穩(wěn)壓電源有變壓器式和開(kāi)關(guān)式電源兩種。 變壓器式直 流穩(wěn)壓源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成， 如圖 31 所示， 交流電 先經(jīng)電源變壓器變換成所須等級(jí)的交流電壓，而后經(jīng)整流電路將之整流成直流電，這時(shí)的直流電脈動(dòng)量很大，經(jīng)濾波電路以減小其脈動(dòng)量，最后經(jīng)穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，從而得出符合要求的電壓。變壓器式直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易，但體積較大，效率也較低，過(guò)負(fù)載能力也差。 圖 31 變壓器式直流穩(wěn)壓電源 開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源（ Switching Power Supply），它是指起電壓調(diào)整功能的器件始終以開(kāi)關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。 50Hz 單相交流 220V 電壓或三相交流 220V380V 電壓 經(jīng) EMI 防電磁干擾電源濾波器，直接整流濾波， 11 然后再將濾波后的直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)赫或數(shù)百千赫的高頻方波或準(zhǔn)方波電壓，通過(guò)高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。通過(guò)取樣、比較、放大及控制、驅(qū)動(dòng)電路，控 制變換器中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓。 開(kāi)關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍 寬 、電路形式靈活多樣等諸多優(yōu)點(diǎn) ，但成本高， 因而本設(shè)計(jì)采用 變壓器式電源。 主電路設(shè)計(jì) 主電路的功能是完成年、月、日、星期、時(shí)、分、秒之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行控制并讀取溫度轉(zhuǎn)換后的值， 再送往 LED 顯示，并且接受鍵盤(pán)操作 ，對(duì)日期和時(shí)間進(jìn)行校正， 同時(shí) 還要判斷定時(shí)時(shí)間是否到， 定時(shí)到時(shí)鬧鈴打開(kāi)。 主電路原理圖如圖 32 所示，顯示部分用 P0 口做為輸出數(shù)據(jù)接到 LED 數(shù)碼管 a 到 h，并接 8 個(gè)上拉電阻做為各段 的驅(qū)動(dòng)。 用 P3 口的低 3 位接譯碼器的A0,A1,A2 端，用 , 分別接譯碼器的使能端，通過(guò)控制 P3 口來(lái)控制 LED 的動(dòng)態(tài)掃描。單片機(jī)的 18和 19引腳接 12MHZ 的晶振，并接兩個(gè) 22PF 的電容同時(shí)接地，單片機(jī)復(fù)位端接一極性電容并連接到電源處，在極性電容的負(fù)極接一 10K 的電阻，并連接至地做為放電用。本設(shè)計(jì)用到四個(gè)獨(dú)立式鍵盤(pán)分別接到P1 口的低 4 位，用 P1 口的 , 接日歷時(shí)鐘的使能端和時(shí)鐘端及數(shù)據(jù)輸入輸出口，并在日歷時(shí)鐘上接一 的晶振，并接兩個(gè) 22PF 的電容終端和地相連，用 接溫度芯片的 DQ 引腳，作為溫度數(shù)據(jù)或命令的讀寫(xiě)，用單片機(jī)的 接揚(yáng)聲器，作為發(fā)音電路，各芯片的電源部分分別接到有開(kāi)關(guān)式電源產(chǎn)生的＋ 5V 電源上，芯片的接地端都接在公共地上，在這里接電源部分就不再一一詳述，讀者注意一下就行了。 設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示，輪流掃描各個(gè) LED 使之顯示相應(yīng)的數(shù)型碼，當(dāng)掃描頻率大于人眼所能識(shí)別的頻率時(shí)就看不到閃爍現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)顯示的亮度不如靜態(tài)顯示，但靜態(tài)顯示占用的 I/O 口資源較多，往往用移位寄存器 74LS164 等來(lái)擴(kuò)充其 I/O口不足的情況，當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)，這樣勢(shì)必增 加硬件開(kāi)銷(xiāo)，增大成本，不利于開(kāi)闊市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)的突出之處在于硬件電路簡(jiǎn)單，大大減少了硬件開(kāi)銷(xiāo)，這樣又勢(shì)必增加了軟件開(kāi)發(fā)的難度，但降低了成本有利于市場(chǎng)的開(kāi)闊。 12 本設(shè)計(jì)也存在的缺點(diǎn)是顯示亮度較靜態(tài)低，增加亮度方法是在 P0 口的各口分別加一放大倍數(shù)較小的三極管和一限流電阻來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 的各段，這樣就增加了 本設(shè)計(jì)沒(méi)有增加這一模塊，望讀者加以注意。 13 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程 序。其任務(wù)是在整體設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定程序結(jié)構(gòu)，分配內(nèi) RAM 資源，劃分功能模塊，然后進(jìn)行主程序和各模塊程序的設(shè)計(jì)，最后連接起來(lái)成為一個(gè)完整 應(yīng)用 程序 ，與硬件相結(jié)合完成相應(yīng)功能。 主程序設(shè)計(jì) 主程序才用模塊化設(shè)計(jì)，流程圖如圖 41 所示。 從上面主程序看出，主程序的組成是通過(guò)分別調(diào)用各子程序組成總體系統(tǒng)功能，能很直觀的看出主程序所要完成的功能，首先是初始化各模塊，之后調(diào)用鍵盤(pán)完成時(shí)間的調(diào)整，調(diào)用日歷子程序完成日歷時(shí)鐘的初始化和時(shí)間數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，調(diào)用溫度子程序完成溫度芯片的初始化和讀寫(xiě)，調(diào)用鬧鐘子程序 當(dāng)時(shí)間達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí)鬧鈴打開(kāi)，一分鐘后自動(dòng)關(guān)閉，調(diào)用顯示子程序顯示數(shù)據(jù)，最后又轉(zhuǎn)到鍵盤(pán)程序來(lái)回循環(huán)。 初始化部分主要有初始化定時(shí)器部分和和一些寄存器、標(biāo)志位、初始化時(shí)間等 對(duì)定時(shí)器 T0 初始化時(shí)，首先置初值，CPU 開(kāi)中斷，定時(shí)器 T0 開(kāi)中斷，并且開(kāi)始計(jì)數(shù)，而對(duì)定時(shí)器 T1 初始化時(shí)，首先置初值，定時(shí)器 T1 關(guān)中斷，并且停止計(jì)數(shù)，只有收到命令時(shí)才能產(chǎn)結(jié)束 圖 41 主程序流程圖 開(kāi)始 調(diào)鬧鐘子程序 調(diào)顯示子程序 調(diào)溫度子程序 調(diào)日歷子程序 初始化時(shí)間 寄存器初始化 初始化 T0 并開(kāi)中斷 標(biāo)志位初始化 初始化 T1 并關(guān)中斷 調(diào)鍵盤(pán)子程序 14 生中斷。 寄存器的初始化主要是初始化執(zhí)行程序時(shí)用到的部分 RAM 空間，防止程序執(zhí)行時(shí)帶來(lái)混亂。 標(biāo)志位初始化是對(duì)時(shí)間調(diào)整時(shí)判斷是調(diào)分還是調(diào)時(shí)等而專(zhuān)設(shè)的位標(biāo)志，初始化過(guò)程中標(biāo) 志位全部置 0，即開(kāi)始時(shí)是處于顯示狀態(tài)，而不是調(diào)整狀態(tài)，這一點(diǎn)在程序中相當(dāng)明了。 初始化時(shí)間是開(kāi)機(jī)時(shí)顯示的時(shí)間，并通過(guò)調(diào)用日歷時(shí)鐘的寫(xiě)程序來(lái)完成時(shí)間的置初值。 多功能鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是完成本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，當(dāng)有鍵按下時(shí)，調(diào)用 10ms 延時(shí)程序，再判斷是否有鍵按下無(wú)則返回，若有先調(diào)用顯示程序再判斷是否松開(kāi)，否則再轉(zhuǎn)到顯示程序，這樣避免了在按鍵松開(kāi)之前能正常顯示。其中 K1 鍵功能最多，通過(guò)判斷 K1 鍵按下的次數(shù)來(lái)判斷是調(diào)時(shí)間還是定時(shí)，并對(duì)對(duì)應(yīng)的位置閃爍。本鍵盤(pán)深度為 9 級(jí)，即連續(xù)按下 K1 鍵 10 次時(shí)則返回到原來(lái)界面。當(dāng)判斷鍵值為 1 時(shí)則為調(diào)秒狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的秒低位閃爍，為 2 時(shí)為調(diào)分狀態(tài)并分閃爍，為 3 時(shí)為調(diào)時(shí)狀態(tài)并時(shí)閃爍，為 4 時(shí)為調(diào)日狀態(tài)并日閃爍，為 5 時(shí)為調(diào)月?tīng)顟B(tài)并月閃爍，為 6 時(shí)為調(diào)年?duì)顟B(tài)并年閃爍，為 7 時(shí)為調(diào)星期狀態(tài)并星期閃爍，為 8 時(shí)為定時(shí)器設(shè)定分狀態(tài)并分閃爍，為 9 時(shí)為定時(shí)器設(shè)定時(shí)狀態(tài)并時(shí)閃爍。 K2 為加 1 鍵， K3 為減 1 鍵， K4 為總返回鍵，即在調(diào)時(shí)見(jiàn)時(shí)不用只有按下K1 鍵值為 10 才返回，而通過(guò)按下 K4 鍵即可返回。鍵盤(pán)子程序流程圖如圖 42所示。 在鍵盤(pán)子程序中當(dāng)判斷鍵值為 1～ 7 時(shí)是對(duì)時(shí)間秒、分、時(shí)、日 、月、年、星期調(diào)整原理和調(diào)秒相同，當(dāng)判斷鍵值為 9 時(shí)是定時(shí)器分和時(shí)調(diào)整，此時(shí)秒顯示 0，分和時(shí)顯示為當(dāng)前定時(shí)值，但是沒(méi)有送 DS1302 這點(diǎn)和前不同，由于鍵盤(pán)流程圖非常復(fù)雜，在此省略了調(diào)分時(shí)等，望讀者注意加以區(qū)別。 15 N 開(kāi)始 有鍵按下？ 延時(shí) 10ms K2 按下？ K3 按下？ K4 按下？ K1 按下？ 調(diào)顯示 K1 為 0？ 鍵值加 1 Y 調(diào)顯示 有鍵按下？ 鍵值清 0 標(biāo)志位清 0 返回回 N N N Y N Y N 下頁(yè) 1 Y Y Y 下頁(yè) 3 16 溫度子程序 由于 DS18B20 采用的是單總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的雙向傳輸，而對(duì) AT89S51 單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來(lái)模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì) DS18B20 芯片的訪問(wèn)。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。 DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將1 鍵值為1？ 調(diào)顯示 秒閃爍 秒標(biāo)志位置1 K2 按下？ K3 按下？ 秒減1 秒數(shù)據(jù)送 DS1302 秒加1 3 Y N Y Y 鍵值為？ N 。。 。。 。。 圖 42 鍵盤(pán)子程序流程圖 17 主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī) 需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 與 DS18B20 間的任何通迅都要從初始化時(shí)序開(kāi)始， DS18B20 的初始化時(shí)序如圖 43 所示。主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖后，最多在 60us 后要收到應(yīng)答信號(hào)，否則說(shuō)明 DS18B20 不存在或損壞。 DS18B20 的寫(xiě)時(shí)序如圖 44 所示。 DS18B20 的寫(xiě)時(shí)序分為寫(xiě) “0”時(shí)序和寫(xiě) “1”時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)要寫(xiě) “0”時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少 60us，保證 DS18B20 能夠在 15us 到 45us 之間內(nèi)正確地采樣總線上的 “0”電平；當(dāng)要寫(xiě) “1”時(shí)序時(shí)，單總主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖 最小值： 480us 最大值： 960us 主機(jī) 接收最短時(shí)間： 480us 等待15~60us DS18B20 應(yīng)答60~240us Vcc GND 圖 43 DS18B20的初始化時(shí)序 Vcc GND 圖 44 DS18B20 的寫(xiě)時(shí)序 主機(jī)寫(xiě)“ 0”時(shí)間隙 DS18B20 采樣 最小標(biāo)準(zhǔn) 1us 15us 15us 30us 主機(jī)寫(xiě)“ 1”時(shí)間隙 DS18B20 采樣 最小標(biāo)準(zhǔn) 1us 15us 15us 30us Vcc GND 圖 45 DS18B20 的讀時(shí)序 主機(jī)讀“ 0”時(shí)間隙 1us 15us 45us 主機(jī)讀“ 1”時(shí)間隙 1us 15us 主機(jī)采樣 主機(jī)采樣 18 線被拉低之后 ，在 15us 之內(nèi)就要釋放單總線，否則寫(xiě)入的是 “0”，而不是 “1”。 DS18B20 的讀時(shí)序如圖 45 所示。當(dāng)主機(jī)把單總線拉低之后，讀時(shí)間隙開(kāi)始，且最低保持低電平 1us，但在 15us 之內(nèi)必須釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 DS18B20 在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要 60us 才能完成。DS18B20 轉(zhuǎn)換后的溫度值以 2 字節(jié) 16 位補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 2 個(gè)字節(jié)里，高位在前，低位在后。所以讀取溫度時(shí)，要分兩次進(jìn)行。 讀溫度子程序如圖 46 所示。 日歷時(shí)鐘子程計(jì) DS1302 與 CPU 的連接需要三條線，即 SCLK(7)、 I/O(6)、 RST(5) 日歷時(shí)鐘 DS1302 的讀寫(xiě)和溫度芯片 DS118B20 一樣，都需要 初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送 初始化 DS18B20 發(fā)送讀溫度指令 讀溫度 計(jì)算溫度實(shí)際值 顯示溫度 啟動(dòng)下次溫度轉(zhuǎn)換 圖 46 DS18B20讀溫度流程圖 結(jié)束 19 是低位在先。 讀寫(xiě)都是 16 位數(shù)據(jù)高 8 位是地址低 8 位是數(shù)據(jù)，在讀寫(xiě)時(shí)要