【正文】 和簡化電路的設(shè)計(jì)， PHILIPS 開發(fā)了一種用于內(nèi)部 IC 控制的簡單的雙向兩線串行總線 I2C。 I2C 總線支持任何一種 IC 制造工藝，并且 PHILIPS 和其他廠商提供了種類非常豐富的 I2C 兼容芯片。作為一個(gè)專利的控制總線， I2C 已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 1. I2C 總線 特點(diǎn)及 工作原理 I2C 總線（ Inter Integrated Circuit Bus）：是 Philips 公司推出的串行總線標(biāo)準(zhǔn)（為二線制）。總線上擴(kuò)展的外圍器件及外設(shè)接口通過總線尋址，是具備總線仲裁和高低速設(shè)備同步等功能的高性能多主機(jī)總線。 I2C 總線 特點(diǎn)：組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，芯片管腳的數(shù)量少，無需片選信號，價(jià)格低。允許若干兼容器件共享總線，應(yīng)用比較廣泛?？偩€的長度可達(dá) ，傳送速度可達(dá) 400kbps，標(biāo)準(zhǔn)速率為 100kbps。支持多個(gè)組件。支持多主控器件（某時(shí)刻只能有一個(gè)主控器件）。 I2C 總線上所有設(shè)備的 SDA, SCL 引腳必須 外接上拉電阻。 所有掛接在 I2C 總線上的器件和接口電路都應(yīng)具有 I2C 總線接口，且所有的 SDA/SCL 同名端相連?？偩€上所有器件要依靠 SDA 發(fā)送的地址信號尋址，不需要片選線。 2. I2C 總線工作原理 典型的 I2C 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 36 所示。 I2C 總線上可掛接多個(gè)器件，其中每個(gè)器件都支持 I2C 總線通信協(xié)議。 I2C 協(xié)議規(guī)定了 SCL 和 SDA 信號有占用或釋放兩種狀態(tài)。如果一個(gè)期間占用總線，就通過 SCL 輸?shù)碗娖綄⑵淅?；如果期間釋放總線，則將自己的 SCL和 SDA 信號線變成輸入高阻狀態(tài)，使總線上出現(xiàn)高電平。為了此狀態(tài)下 總線上電平確定，必須在總線上外接上拉電阻。當(dāng)其他主機(jī)檢測到總線為高 電平時(shí)，則總線處于空閑狀態(tài)，方可占用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此， 設(shè)計(jì) I2C 總線時(shí) ， SCL 和 SDA 的上拉電阻必須存在。 圖 36 典型的 I2C 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 17 24C02 簡介 1． 24C02特性 ? 與 400KHz I2C總線兼容 。 ? 。 ? 低功耗 CMOS技術(shù) 。 ? 1,000,000編程 /擦除周期 。 ? 可保存數(shù)據(jù) 100年 。 ? 8 腳 DIP SOIC或 TSSOP封裝 。 ? 溫 度范圍 ： 商業(yè)級工業(yè)級和汽車級 。 2. 24C02的引腳分配及功能 24C02是一個(gè) 2K位串行 CMOS EEPROM， 內(nèi)部含有 256個(gè) 8位字節(jié)， CATALYST公司的先進(jìn) CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗， 24C02有一個(gè) 16字節(jié)頁寫緩沖器，該器件通過 I2C總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。 24C02的外部引腳封裝如圖 37所示。 圖 37 24C02引腳分配圖 24C02的各個(gè)引腳功能如表 31所示。 表 31 24C02各引腳功能 引腳序號 引腳名稱 功能 1 A0 從機(jī)地址配置信號 1 2 A1 從機(jī)地址配置信號 2 3 A2 從機(jī)地址配置信號 3 4 GND 接地 5 SDA I2C數(shù)據(jù)線 6 SCL I2C時(shí)鐘線 7 WP 寫保護(hù)引腳，高電平有效 8 VCC 電源輸入 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 18 24C02 的硬件電路設(shè)計(jì) 本時(shí)鐘控制的設(shè)計(jì)中，定時(shí)功能用到了存儲芯片 24C02，根據(jù)其各引腳功能，就可以很容易繪制出 24C02芯片與 PIC16F72的連接電路，如圖 38所示。 RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN24RA3/AN3/VREF5RA4/T0CKI6RA5/AN4/SS7RB0/INT21RB122RB223RB324RB425RB526RB6/PGC27RB7/PGD28RC0/T1OSO/T1CKI11RC1/T1OSI12RC2/CCP113RC3/SCK/SCL14RC4/SDI/SDA15RC5/SDO16RC617RC718VSS8VSS19MCLR/VPP1OSC1/CLKI9OSC2/CLKO10VDD20U1PIC16F72I/SOVCC5E01E12E23GND4SDA5SCL6WC7VCC8U224C02R12 R10 圖 38 PIC16F72與 24C02芯片的硬件電路 圖 38中 PIC16F72與 24C02通過標(biāo)準(zhǔn)的 I2C接口相連， R10和 R12為 I2C總線的上拉電阻。WP接地是寫保護(hù)失效便于寫入數(shù)據(jù)。 E0、 E E2也接地是 24C02的從機(jī)地址為 0b1010000。 LED 顯示電路設(shè)計(jì) 就時(shí)鐘而言，通常可采用 LCD 顯示或 LED 顯示。對于一般的段式 LCD，需要專門的驅(qū)動(dòng)電路，而且 LCD 顯示的可視性較差；對于具有驅(qū)動(dòng)電路和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點(diǎn)陣），一般采用并行接口，對微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外， PIC16F72 本身沒有專門的液晶驅(qū)動(dòng)接口。 LED 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長， 可靠性高，而且顯示亮度高，價(jià)格便宜，市場上也有專門的時(shí)鐘顯示組合 LED。故本設(shè)計(jì)中應(yīng)用 4 位 8 段共陰 LED 實(shí)現(xiàn)顯示部分 。 LED 顯示分動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。 LED 動(dòng)態(tài)顯示方式 動(dòng)態(tài)顯示方式的硬件電路簡單。設(shè)計(jì)上如果處理不當(dāng)，易造成亮度低，閃爍問題。因此合理的設(shè)計(jì)既應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)電路易實(shí)現(xiàn)，又要保證圖像穩(wěn)定，無閃爍。動(dòng)態(tài)顯 示采用多路復(fù)用技術(shù)的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式， 利用動(dòng)態(tài)掃描顯示使我們看到一幅穩(wěn)定畫面的實(shí)質(zhì)是利用了人眼的暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)間的長短，發(fā)光 的亮度 。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 19 LED 靜態(tài)顯示方式 靜態(tài)顯示 ，是由微型計(jì)算機(jī)一次輸出顯示模型后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次發(fā)送新的顯示模型為止。 正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示的數(shù)碼管的亮度度較高。 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)程序簡單，且 CPU占用率低，但每個(gè) LED數(shù)碼管需要一個(gè)鎖存器來鎖存每一個(gè)顯示位的筆段代碼，硬件開銷大，僅適合顯示位數(shù)較少的場合。 為了在顯示部分節(jié)省單片機(jī) I/O口，故采用動(dòng) 態(tài)顯示方式。 由于本單片機(jī)的引腳有限，故采用 74HC4094芯片驅(qū)動(dòng) LED做顯示部分。 74HC4094是帶輸出鎖存和三態(tài)控制的串入 /并出高速轉(zhuǎn)換器，具有使用簡單、功耗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。 電 路圖參見圖 39。 RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN24RA3/AN3/VREF5RA4/T0CKI6RA5/AN4/SS7RB0/INT21RB122RB223RB324RB425RB526RB6/PGC27RB7/PGD28RC0/T1OSO/T1CKI11RC1/T1OSI12RC2/CCP113RC3/SCK/SCL14RC4/SDI/SDA15RC5/SDO16RC617RC718VSS8VSS19MCLR/VPP1OSC1/CLKI9OSC2/CLKO10VDD20U1PIC16F72I/SOSTB1SI2CLK3Q14Q25Q36Q47GND8QS9Q39。S10Q811Q712Q613Q514OE15VCC16U5M74HC4094M1RR9R11R13R14R15R16R17R18VCC5C5Q5Q4A11B7C4D2E1F10G5DP3dig112dig29dig38dig46LCDSMR20R21RA4 RA5Q3Q2R3R19RA2 RA3DIG1 DIG2 DIG3 DIG4DIG1DIG2DIG3DIG4 圖 39 LED顯示電路圖 鍵盤掃描 電路設(shè)計(jì) 根據(jù)功能需要，本時(shí)鐘需要設(shè)置以下功能鍵： 調(diào)節(jié)時(shí)鐘顯示，調(diào)節(jié)定時(shí)時(shí)間，加 1 操作鍵，減 1 操作鍵。 按照鍵盤與 CPU 的連接方式可分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤是各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵占用一個(gè) I/O 口線，每根 I/O 口線上的按鍵不會(huì)影響其他 I/O 口上按鍵工作狀態(tài)。獨(dú)立式鍵盤電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一根 I/O 口，在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O 口線浪費(fèi)較大，且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。矩陣式鍵盤適合按鍵較多時(shí)使常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 20 用。由于本設(shè)計(jì)的電子 鐘最多需要 4 個(gè)按鍵，若采用矩陣式鍵盤時(shí)會(huì)有按鍵浪費(fèi)，故采用 的是獨(dú)立式鍵盤。鍵盤電路如圖 310 所示。 S1S2S3S4VCC510KR510KR610KR710KR8RB3RB4RB5RB6 圖 310 鍵盤掃描電路 S S S S4 鍵為自動(dòng)復(fù)位按鍵。每次按下后，會(huì)自動(dòng)彈出。單片機(jī)引腳只有在按鍵按下時(shí)為低電平，按鍵彈出后重新恢復(fù)高電平。按鍵功能參見表 32。 表 32 按鍵功能表 按鍵 功能 屬性 S1 調(diào)節(jié)顯示時(shí)間 自動(dòng)復(fù)位 S2 調(diào)節(jié)定時(shí)時(shí)間 自動(dòng)復(fù)位 S3 數(shù)值加一操作 自動(dòng)復(fù)位 S4 數(shù)值減一操作 自動(dòng)復(fù)位 繼電器驅(qū)動(dòng) 電路設(shè)計(jì) 繼電器是一種電子控制器件，它 具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小電流控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 繼電器原理 電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 21 觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸 點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的 “ 常開、常閉 ” 觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為 “ 常開觸點(diǎn) ” ；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為 “ 常閉觸點(diǎn) ” 。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。 繼電器的驅(qū)動(dòng)電路 在家用電器電控中，一般有兩種電路驅(qū)動(dòng)繼電器，分為 :晶體管驅(qū)動(dòng)電路和集成電路2021 驅(qū)動(dòng)。集成電路驅(qū)動(dòng)一般用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)繼電器，在本設(shè)計(jì)中沒必要，故選擇晶體管驅(qū)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)中選擇的是直流（ DC）電壓的繼電器。 晶體管驅(qū)動(dòng)的電路 原理圖，如圖 311 所示。 當(dāng)晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)，必須將晶體管的發(fā)射極接地。當(dāng)輸入高電平時(shí)，晶體管 Q1 飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸點(diǎn)吸合。當(dāng)輸入低電平時(shí)，晶體管 Q1 截止，繼電器線圈斷電，觸點(diǎn)斷開。 電路中各元器件的作用：晶體管 Q1 為控制開關(guān)；電阻 Q1 主要起限流作用，降低晶體管 Q1 功耗；二極管 Q1 反向續(xù)流，抑制浪涌。 RC2VCC12R1D1Q1K1 圖 311 繼電器晶體管驅(qū)動(dòng)電路 本章小結(jié) 本章主要介紹了基于 PIC16F72 單片機(jī)的 時(shí)鐘顯示及控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 、 主系統(tǒng)的供電電路設(shè)計(jì) 、 時(shí)鐘芯片 DS1302 電 路設(shè)計(jì) 、 存儲芯片 24C02電路設(shè)計(jì) 、 LED 顯示電路設(shè)計(jì) 、 鍵盤掃描 電路設(shè)計(jì) 、 繼電器驅(qū)動(dòng) 電路設(shè)計(jì) 等， 確定 了 系統(tǒng)硬件整體實(shí)現(xiàn)方案 。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 22 4. 時(shí)鐘控制器 的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)及流程圖 在進(jìn)行 時(shí)鐘顯示及控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)對象模塊的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在 時(shí)鐘顯示及控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占非常 重要地位。 圖 41 是 時(shí)鐘顯示及控制系統(tǒng) 的總體 軟件設(shè)計(jì) 流程圖，根據(jù)此流程圖設(shè)計(jì)所有模塊，編譯相應(yīng)的軟件。 開 始初 始 化 程 序按 鍵 按 下2 4 C 0 2 子 程序顯 示 時(shí) 間鍵 盤 掃 描 程 序繼 電 器 動(dòng) 作定 時(shí) 時(shí) 間 到D S 1 3 0 2 子 程 序 YNYN 圖 41 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程圖 DS1302 時(shí)鐘讀寫 的軟件設(shè)計(jì) DS1302 的控制字和讀寫時(shí)序說明 在編程過程中要注意 DS1302 的讀寫時(shí)序。 DS1302 是 SPI 總線驅(qū)動(dòng)方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。要想與 DS1302 通信，首先要先了解