【文章內容簡介】 借助微處理器的定時器 /計數(shù)器可實現(xiàn)電子保姆機功能。然而系統(tǒng)時鐘誤差較大，電子鐘的積累誤差也可能較大，所以可以通過誤差修正軟件加以修正，或者在設計中加入高精度時鐘日歷芯片，以精確時間。另外很多功能不同的單片機是兼容的，這就更便于實現(xiàn)產品的多功能性。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 6 第三章 基于單片機的電子保姆機硬件設計 在比較了以上的三 種實現(xiàn)方案之后，考慮單片機貨源充足、價格低廉，可軟硬件結合使用，能夠較方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能性，故采用單片機作為本設計的硬件基礎。 電子保姆機包括時鐘日歷芯片電路、顯示電路、按鍵電路、供電電源、鬧鈴電路、繼電器控制電路等幾部分。另外，本設計要求該電子保姆機能夠采集環(huán)境溫度，所以還需要溫度采集電路 【 3】 。硬件電路框圖參照圖 。 該系統(tǒng)使用 ATmega128 單片機作為核心，通過讀取時鐘日歷芯片 DS1302 和溫度傳感器 DS18B20 的數(shù)據(jù)，繼電器定時控制家用電器工作，完成此電子保姆機的主要功能—— 時鐘 /日歷、 環(huán)境溫度采集以及家用電器定時工作等。使用比較通用的 4 位 8 段共陽 LED 數(shù)碼管，做 4 位顯示，分別顯示時間、日期、年 200X，以及環(huán)境溫度值 【 4】 。 A T m e g a 1 2 8溫 度 傳 感 器D S 1 8 B 2 0繼 電 器+ 5 V 電 源L E D 顯 示鍵 盤時 鐘 日 歷 芯 片D S 1 3 0 2家 用 電 器+ 3 V 電 源溫 度 報 警 電路鬧 鈴 電 路 圖 多功能電子保姆機硬件系統(tǒng)框圖 鍵盤是為了完成時鐘 /日歷的校對和日歷 /溫度的顯示功能。繼電器作為家用電器定時開關，控制家用電器工作。此電子保姆機還具有鬧鈴功能，所以設計有鬧鈴電路，進行聲音響鈴。 整個電路使用了兩種電源， +5V 電源將為整個電路供電。而 +3V 電源僅作為 DS1302的備用電源。當 +5V 電源被切斷后， DS1302 啟用 +3V 電源，可以保持 DS1302 繼續(xù)工作。當 +5V 電源恢復供電， LED 依舊顯示當前時間，而不會因為斷電使系統(tǒng)復位到初始化時間，避免了重新校時的麻煩。 具體電路圖請參見附錄 A。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 單片機的選擇 AVR 單片機簡介 所謂單片機，是指用一個芯片組成的微機系統(tǒng)。片內包括了 CPU,程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時器 /計數(shù)器及各種 I/O 口。 AVR 單片機是 ATMEL 公司 1997 年推出的全新配置精簡指令集（ RISC）單片機系列。片內程序存儲器采用 Flash 存儲，可反復編程修改上千次，便于新產品開發(fā)； 程序高度保密，避免非法竊??；速度快，大多數(shù)指令只用 1 個晶振周期，而 MCS51 單片機單周期指令也需 12 個晶振周期；能采用 C 語言編程，從而高效快速的開發(fā)目標產品。本設計選用 ATMEGA128 ， ATMEGA128 為基于 AVR RISC 結構的 8位低功耗 CMOS 微處理器。 ATMEGA128 特點 （ 1） 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器； （ 2） I/O 和封裝 – 53 個可編程的 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 ： 0～ 16 MHz（ ATmega128）； （ 5） 32個工作寄存器； （ 6） 16根地址線 PA PC ； （ 7） 8根數(shù)據(jù)線 PA。 ATmega128的引腳配置如圖 ： 圖 Atmega128 芯片引腳圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 各引腳說明如下： VCC：數(shù)字電路的電源； GND：地； 端口 A(PA7PA0)：端口 A為 8位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖 器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使 能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時 端口 A為三態(tài)，端口 A也可以用做 其他不同的特殊功能。 端口 B(PB7PB0)：端口 B為 8位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖 器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使 能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 B為三態(tài)。 端口 C(PC7..PC0)：端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出 緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電 阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā) 生時端口 C為三態(tài)。 端口 D(PD7PD0)：端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩 沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻 使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 D 為三態(tài)。 端口 E(PE7PE0)：端口 E為 8位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖 器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使 能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 E為三態(tài)。 端口 F(PF7PF0)：端口 F 為 ADC 的模擬輸入引腳。如果不作為 ADC 的模擬輸入，端口 F 可以作為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅 動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外 部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 F 為三態(tài)。如果使能了 JTAG 接口，則復位 發(fā)生時引腳 PF7(TDI)、 PF5(TMS) 和 PF4(TCK) 的上拉電阻使能。端口 F 也可以作為 JTAG 接口。 端口 G(PG4PG0)：端口 G為 5位雙向 I/O 口，并 具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖 器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使 能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 G為三態(tài)。在 ATmega103 兼 容模式下，端口 G 只能作為外部存儲器的所存信號以及 32 kHz 振蕩器的輸入，并且在 復位時這些引腳初始化為 PG0 = 1， PG1 = 1 以及 PG2 = 0。 PG3 和 PG4 是振蕩器引腳。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 RESET：復位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。低于此時間的脈 沖不能保證可靠復位。 XTAL1：反向振蕩器放大器及片內時鐘操作電路的輸入。 XTAL2：反向振蕩器放大器的輸出。 AVCC： AVCC為端口 F以及 ADC轉換器的電源，需要與 VCC相連接，即使沒有使用 ADC也應 該如此。使用 ADC 時應該通過一個低通濾波器與 VCC連接。 AREF： AREF為 ADC的模擬基準輸入引腳。 PEN： PEN是 SPI串行下載的使能引腳。在上電復位時保持 PEN為低電平將使件進入 SPI 串行下載模式。在正常工作過程中 PEN 引腳沒有其他功能。 時鐘日歷芯片 DS1302 常用的實時時鐘芯片有 DS1288 DS121 DS164 DS1302。每種芯片的主要時鐘功能基本相同，只是在引腳數(shù)量、備用電池的安裝方式、計時精度和擴展功能等方面略有不同。 DS12887 與 DS1216 芯片都有內嵌式鋰電池作為備用電池； X1203 引腳少，沒有嵌入式鋰電池，跟 DS1302 芯片功能相似，只是相比較之下， X1203 與 ATmega128搭配使用時占用 I/O 口較多。 DS1643 為帶有全功能實時時鐘的 8K 8 非易失性 SRAM，集成了非易失性 SRAM、實時時鐘、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、分、秒，帶閏年 補償。同樣， DS1643 擁有 28 只管腳，硬件連接起來占用微處理器 I/O 口較多，不方便系統(tǒng)功能拓展和維護。故而從性價比和貨源上考慮， DS1302 芯片讀寫靠時序控制且具有寫保護位，抗干擾效果好， 故本設計采用實時時鐘日歷芯片 DS1302。 DS1302 簡介 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘 日歷 芯片，附加 31 字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和 RAM 數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月 小于 31 天時 可以自動調整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達 ～ 。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后 備 電源進行涓細電流充電的能力。 有主電源和備份電源雙引腳，而且備份電源可由大容量電容（＞ 1F）來替代。需要強調的是， DS1302 需要使用 的晶振 【 5】 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 DS1302 引腳說明 DS1302 引腳圖參照圖 。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 9 Jun 20 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c um e nt s a n d S e tt i ng s \ A d m i ni st r a t or \桌面 \常亮畢業(yè)設計 \電路圖 \多功能電子時鐘畢業(yè)設計電路圖 .ddbD r a w n B y :V C C 11X12X23G N D4V C C 2 8S C L K 7I / O 6R S T 5D S 13 02 圖 芯片引腳圖 其的引腳功能參照表 。 表 DS1302 引腳功能說明 引腳號 名稱 功能 1 VCC1 備份電源輸入 2 X1 晶振輸入 3 X2 晶振輸出 4 GND 地 5 RST 復位 6 I/O 數(shù)據(jù)輸入 /輸出 7 SCLK 串行時鐘 8 VCC2 主電源輸入 DS1302 控制字和讀寫時序說明 在編程過程中要注意 DS1302 的讀寫時序。 DS1302 是 SPI 總線驅動方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應寄存器的數(shù)據(jù)。要想與 DS1302 通信，首先要先了解 DS1302 的控制字。 DS1302 的控制字如 表 表 DS1302 控制字（即地址及命令字節(jié)） BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT 3 BIT 2 BIT 1 BIT 0 1 RAM A4 A3 A2 A1 A0 RD CK WR 控制字的作用是設定 DS1302 的工作方式、傳送字節(jié)數(shù)等。每次數(shù)據(jù)的傳輸都是由控制字開始。控制字各位的含義和作用如下： 1. BIT7： 控制字的最高有效位 ， 必須是邏輯 1，如果它為 0，則不能把數(shù)據(jù)寫入到 DS1302 中。 2. BIT 6：如果為 0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為 1 表示存取 RAM 數(shù)據(jù)； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 3. BIT 5 至 BIT 1（ A4～ A0）： 用 A4～ A0 表示，定義片內寄存器和 RAM 的地址。 定義如下： 當 BIT 6 位 =0 時，定義時鐘和其他寄存器的地址。 A4～ A0=0～ 6，順序為秒、分、時、日、月、星期、年的寄存器。當 A4～ A0=7，為芯片寫保護寄存器地址。當 A4～A0=8，為慢速充電參數(shù)選擇寄存器。當 A4～ A0=31，為時鐘多字節(jié)方式選擇寄存器。 當 BIT 6=1 時，定義 RAM 的地址， A4～ A0=0～ 30，對應各子地址的 RAM，地址31 對應的是 RAM 多字節(jié)方式選擇寄存器。 4. BIT 0（最低有效位）：如為 0，表示要進行寫操作，為 1 表示進行讀操作。 控制字總是從最低位開始輸出。在控制字指令輸入后的下一個 SCLK 時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入 DS1302，數(shù)據(jù)輸入從最低位（ 0 位）開始。同樣，在緊跟 8 位的控制字指令后的下一個 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。 R S TR S TS C L KI / OS C L KI / OR / WR / WA 0A 0A 1 A 2 A 3 A 4 R / C 1A 1 A 2 A 3 A 4 R / C 1D 0D 0D 1 D 2D 3 D 4 D 5 D 6 D 7D 1 D 2 D 3 D 4D 5D 6 D 7單 字 節(jié) 讀單 字 節(jié) 寫 圖 DS1302 數(shù)據(jù)讀寫時序 DS1302 的數(shù)據(jù)讀寫方式有兩種，一種是單字節(jié)操作方式，一種是多字節(jié)操作方式。每次僅寫入或讀出一個 字節(jié)數(shù)據(jù)稱為單字節(jié)操作，每次對時鐘 /日歷的 8 字