基于MCS51單片機的萬年歷設計

1、黃石理工學院 畢業(yè)設計論文 題 目：基于 mcs-51 的萬年歷設計 院 系： 專 業(yè)： 姓 名： 指導老師： 摘摘 要要 本設計是一個基于 mcs-51 單片機實現(xiàn)的萬年歷。 本文首先描述系統(tǒng)硬件工作原理，并附以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖加以說明，著重介紹了 本系統(tǒng)所應用的各硬件接口技術(shù)和各個接口模塊的功能及工作過程,其次，詳細闡述 了程序的各個模塊和實現(xiàn)方法。本設計以數(shù)字集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)，at89c51 單片 機技術(shù)為核心。本文編寫的主導思想是軟、硬件相結(jié)合，以硬件為基礎(chǔ)，來進行各 功能模塊的編寫。 本系統(tǒng)以單片機的 c 語言進行軟件設計，為了便于擴展和更改，軟件的設計采 用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設計的邏

2、輯關(guān)系更加簡潔明了。系統(tǒng)通過字符型液晶顯示數(shù) 據(jù)，所以具有人性化的操作和直觀的顯示效果?？梢燥@示時間、公歷日期、星期， 并有鬧鈴、語音報時及檢測溫度的功能。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 單片機； 液晶模塊 ；語音報時；溫度傳感器； abstract the design is a based on the mcs-51 perpetual calendar. this article first describes the system hardware principle of work,and attaches by the system structure diagram performs to

3、explain,emphatically introduced this system applies various hardware connection technology and each interface module function and the workprocess, next, it is elaborated the procedure of each module and how they realized. this design is based on the digital ic, and the core of at89c51 mcu technique.

4、 this article writed with the guiding of software and hardware unifies, take the hardware as thefoundation, writing each programme for each functions module. this systems software design whth the mcu c language, in order to be advantageous for theexpansion and change, the software design uses the de

5、sign of modularization, so that the logical of the programmer become clear and it is easy to understand .this system use the character lcd to show the data，so it has the humanize operation and the intuitionistic show effect. it can show the time, gregorian calendar, week, bell, pronunciation of time

6、 and the temperature examination. the keyword：mcu; lcd module; the pronunciation of time; temperature sensor. 目目 錄錄 摘摘 要要.i abstract.ii 第第 1 1 章章 緒論緒論.1 第第 2 2 章章 方案論證方案論證.3 2.1 功能要求.3 2.2 方案確定.3 第第 3 3 章章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計.6 3.1 電源部分的設計.6 3.1.1 變壓器式直流穩(wěn)壓電源.6 3.1.2 開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源.7 3.1.3 開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的設計.7 3.2 主電路

7、的設計.8 3.2.1 主要芯片的選擇.8 3.2.2 主電路原理分析.9 3.3 單片機外圍芯片簡介.10 3.3.1 1602lcd 顯示模塊.10 3.3.2 溫度傳感器 ds18b20.13 3.3.3 語音芯片 isd1420.16 第第 4 4 章章 程序設計程序設計.19 4.1 總體設計.19 4.2 主程序的設計.20 4.3 int1 中斷服務程序.22 4.4 各功能模塊的設計.22 4.4.1 顯示子程序.22 4.4.2 日歷、時間校正子程序.23 4.4.3 定時處理子程序.23 4.4.4 溫度檢測及處理子程序.25 4.4.5 語音報時子程序.27 4.4.6

8、延時子程序.28 第第 5 5 章章 調(diào)試及性能分析調(diào)試及性能分析.29 5.1 軟件調(diào)試.29 5.2 硬件調(diào)試.29 5.3 性能分析.30 結(jié)束語結(jié)束語.31 致謝致謝.32 附錄一附錄一 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖.33 附錄二附錄二 系統(tǒng)的系統(tǒng)的 pcb 圖和元件安裝圖圖和元件安裝圖.34 附錄三附錄三 程序清單程序清單.35 主要參考文獻主要參考文獻.54 第第 1 1 章章 緒論緒論 1.11.1 單片機的發(fā)展概況單片機的發(fā)展概況 單片機一詞最初源于“single chip microcomputer”,它忠實地反映了早期單片機 的形態(tài)和本質(zhì)。隨后按照面向?qū)ο?，突出控制功能，在片?nèi)集成

9、了許多外圍叫路及 外設接口，突破了傳統(tǒng)意義的計算機結(jié)構(gòu)，發(fā)展成 microcontroller 的體系結(jié)構(gòu)，目前 國外已普遍稱之為微控制器 mcu（micro controller unit） 。鑒于它完全作為嵌入式 微控制器。由于國內(nèi)對單片機一詞已約定成俗，因此仍沿用至今。但對“單片機” 一詞的理解，不應現(xiàn)限于“single chip microcomputer”，而應接軌于國際上對單片機 的標準稱呼“micro controller unit”（mcu） 。 單片機的發(fā)展大致可分為四個階段： 第一階段：單片機探索階段。以 intel 公司 mcs-48，motorola 公司 6801 為

10、代 表，屬低檔型 8 位機。 第二階段：單片機完善階段。以 intel 公司 mcs-51，motorola 公司 68hc05 為 代表，屬高檔型 8 位機。此階段，8 位單片機體系進一步完善，特別是 mcs-51 系列 單片機在世界和我國得到了廣泛的應用，奠定了它在單片機領(lǐng)域的經(jīng)典地位，形成 了事實上的 8 位單片機標準結(jié)構(gòu)。 第三階段：8 位機和 16 位機爭艷階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。此 階段 intel 公司推出了 16 位的 mcs-96 系列單片機，世界其他芯片制造商也紛紛推出 了性能優(yōu)異的 16 位單片機，但由于價格不菲，其應用面受到一定的限制。相反 mcs-51

11、系列單片機，由于其性能價格比高，卻得到了廣泛的應用，并吸引了世界許 多知名制造廠商，竟相使用以 80c51 為內(nèi)核，擴展部分測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、 接口技術(shù)、a/d、d/a 和看門狗等功能部件，推出了許多與 80c51 兼容的 8 位單片 機。強化了微控制器的特征，進一步鞏固和發(fā)展了 8 位單片機的主流地位。 第四階段：微控制器全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和 應用，世界各大電氣、半導體廠商普遍投入，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能 力的 8 位/16 位/32 位通用型單片機以及小型廉價的專用型單片機，百花齊放，全面 發(fā)展，單片機已進入一個可廣泛選擇和全面發(fā)展的應用時代

12、。 1.21.2 mcs-51mcs-51 系列單片機系列單片機 mcs-51 系列單片機最初是 hmos 制造工藝，其芯片根據(jù)片內(nèi) rom 結(jié)構(gòu)可分為 8031（片內(nèi)無 rom） ，8051（片內(nèi)有 4kb 掩膜 rom） ，8751（片內(nèi)有 4kb eprom） ， 統(tǒng)稱為 51 系列單片機。其后又有增強型 52 系列，包括 8032、8052、8752 等。 hmos 工藝的缺點是功耗較大，隨著 cmos 工藝的發(fā)展，inter 公司生產(chǎn)了 chmos 工藝的 80c51 芯片，大大降低了功耗，并引入了低功耗管理模式，使低功 耗具在可控性。chmos 工藝的 80c51 芯片，根據(jù)片內(nèi)

13、rom 結(jié)構(gòu)，也有 80c31、80c51、87c51 三種類型，引腳與 51 系列兼容，指令相同。 隨后，intel 公司將 80c51 內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給世界許多著 名 ic 制造廠商，如 philips、nec、atmel、amd、dallas、siemens、fujutsu、oki、華邦、lg 等。在保 持與 80c51 單片機兼容的基礎(chǔ)上，這些公司融入了自身的優(yōu)勢，擴展了針對滿足不 同測控對象要求的外圍電路。這樣，80c51 單片機就變成了眾多芯片制造廠商支持 的大家族，成了事實上的標準 mcu 芯片。 1.31.3 單片機的應用單片機的應用 目前，單片機已滲透到我

14、們工作、生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒 有單片機的蹤跡了。導彈的飛行裝置靠的是單片機，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信及傳輸，工業(yè)自 動化控制，智能 ic 卡系統(tǒng)及各類家用電器的控制都離不開單片機。單片機的特點是 體積小，在其增加一些外圍電路之后，就能成為一個完整的應用系統(tǒng)。例如，我們 日常生活中所用的數(shù)字電子秤，其內(nèi)部就有一塊單片機芯片，再加上傳感器、液晶 屏和一些附加電路，就形成了一個完整的應用系統(tǒng)。由此可見，單片機的可擴展性 是不錯的，應用也相當靈活。 單片機應用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟效益。更重要的意義 在于，單片機的應用從根本上改變了應用系統(tǒng)傳統(tǒng)的設計思想和設計方法。以前采 用硬

15、件電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)。這種以軟件取 代硬件的技術(shù)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，還簡化了硬件的設計；不僅縮小了系統(tǒng) 的體積，還降低了成本。 現(xiàn)代電子、電器產(chǎn)品及設備的智能化水平不斷提高，在人機界面設計上不但有 了文字標識、發(fā)光管指示、顯像屏顯示等視覺表達，而且還有各種聽覺表達，如最 簡單的“滴滴、嘟嘟”訊響聲、稍豐富些的音樂聲，甚至用人的語言直接對用戶“說話” 等。用簡單的數(shù)碼語音集成電路可以實現(xiàn)一句或多句語句的播放，如掩模芯片中的 “歡迎光臨”、 “有電危險、請勿靠近”等，還有如 isd 系列、apr9600（ivs1560）等 芯片可由開發(fā)人員或用戶任意錄制、播

16、放需要的一段或幾段語音等。在聽覺表達中 最復雜的就是語音的組合，它是將用戶預存的多段語音按指定順序連續(xù)播放，將字 或詞匯組合成一句話、甚至一段話播放出來，從而實現(xiàn)最準確、定量的語義表達， 例如“嘟，現(xiàn)在溫度 37.5 度，溫度偏高”、 “現(xiàn)在時間五點二十五分三十三秒”等。 傳統(tǒng)語音組合電路的設計十分復雜，開發(fā)工具十分昂貴，語音錄制及軟件編制 工作量巨大，而且組合出來的語音效果也不甚理想，尤其在投資不大的產(chǎn)品、系統(tǒng) 中最為突出，從而制約了這一技術(shù)的應用和發(fā)展。只在近幾年來，模擬存儲語音技 術(shù)的 isd 芯片及其廉價的開發(fā)編輯工具問世后，情況才大為改觀?，F(xiàn)在已有專業(yè)公 司開發(fā)出通用 isd 語音組

17、合模塊，用戶只需要在 isd 語音芯片中分段錄入要求的詞 匯，即可方便地用單片機控制輸出這些詞匯的任意組合成句、成段，詞匯的語音容 量從 20 秒至 480 秒甚至更長，以至可以容納所有的中文漢字發(fā)音。 在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常要用到溫度的檢測及控制，傳統(tǒng)的測溫元件有熱 電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應的溫度，需 要比較多的外部硬件支持，硬件電路復雜，軟件調(diào)試復雜，制作成本高。美國達拉 斯（dallas）半導體公司生產(chǎn)的新型ds18b20溫度檢測器件, 它是單片結(jié)構(gòu),無需 外加a/ d 即可輸出數(shù)字量, 通訊采用單線制, 同時該通訊線還可兼作電源線,即具有 寄生

18、電源模式。它具有體積小、精度易保證、無需標定等特點,特別適合與單片機合 用構(gòu)成智能溫度檢測及控制系統(tǒng)。 本設計將以上三種優(yōu)異性能的集成芯片相結(jié)合，以at89c51為控制器，以 ds18b20為溫度檢測器，以isd1420為語音輸出，組成多功能萬年歷系統(tǒng)。具有功能 多、實用性強等特點。 第第 2 2 章章 方案論證方案論證 2.1 功能要求功能要求 1、能顯示年、月、日、星期、時、分、秒。 2、能對時間進行手動修正。 3、采用 24 小時制，能自動處理潤年。 4、使用 16x2lcd 顯示器顯示時間參數(shù)，除了星期使用字母外，其它的時間參 數(shù)使用數(shù)字。 5、上電后，電子鐘顯示“2007-04-20

19、 fri” “12-00-00” 即第一行顯示年、月、日、星期，第二行顯示時、分秒。 6、定時功能：可設置定時時間，當定時時間到時，蜂鳴器發(fā)出報警聲音。 2.2 方案確定方案確定 按照系統(tǒng)設計功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由主控模塊、顯示模塊、鍵盤接 口模塊、電源模塊 5 個模組成。另外再擴充兩個模塊語音模塊、溫度檢測模塊， 分別完成語音報時和瘟度檢測的功能。 方案一：方案一：如圖 2-1 所示，系統(tǒng)以單片機為主控制器。通過單片機內(nèi)的定時器， 得出一秒的時間，再根據(jù)秒、分、時、日、月、年之間的進制關(guān)系，完成基本的時 鐘功能，再通過 lcd 液晶顯示模塊顯示出來。溫度檢測部分由熱敏電阻將溫度轉(zhuǎn)換

20、成模擬量的電壓信號，經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量，再通過單片機把 溫度值傳給 lcd 液晶顯示模塊顯示出來。語音報時時，單片機將當前的時鐘的語音 信息（數(shù)字量）經(jīng) d/a 轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換成模擬量，再進行功率放大，通過揚聲器 發(fā)聲，完成報時功能。 方案二：方案二：如圖 2-2 所示，系統(tǒng)以單片機為主控制器。時鐘功能的實現(xiàn)方法是由 單片機外部的秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生秒脈沖，以外部中斷的形式傳給單片機，單片機再 按照秒、分、時、日、月、年之間的進制關(guān)系，完成基本的時鐘任務，再通過 lcd 液晶顯示模塊顯示出來。溫度檢測部分采用成品的數(shù)字溫度傳感器，它將溫度直接 cpu 單片機 a/d 轉(zhuǎn)換

21、 d/a 轉(zhuǎn)換功率放大揚聲器 鍵 盤電 源 熱敏電阻 圖 2-1 方案一結(jié)構(gòu)圖 lcd 顯示模 塊 轉(zhuǎn)換成單片機能識別的數(shù)字量信號，通過接口電路傳給單片機，單片機把溫度值傳 給 lcd 液晶顯示模塊顯示出來。語音報時部分采用專用的語音處理芯片，在報時時， 單片機將當前的時鐘信息，轉(zhuǎn)換成對應的語音地址，再傳給語音芯片，由語音芯片 完成發(fā)音任務。 以上的兩種方案都能完成系統(tǒng)設計所要求的功能，都以單片機為主控制器。鍵 盤和顯示部分也一樣。所不同的是秒信號產(chǎn)生、溫度測量和語音處理電路。下面就 對這兩種方案進行比較。 秒信號的產(chǎn)生秒信號的產(chǎn)生 方案一中，秒信號的產(chǎn)生是通過對單片機的機器周期進行計數(shù) 得到

22、的。單片機的機器周期由單片機外接的晶振周期(時鐘周期)確定，它們之間的關(guān) 系是： 晶振周期=12機器周期 如果外接的晶振頻率為 12mhz，則機器周期為 1us。要得到一秒，就要對機器 周期計數(shù) 1000000 次。晶振頻率的精度直接影響著秒信號的精度。方案二中，秒信 號的產(chǎn)生是用專用的秒脈發(fā)生器產(chǎn)生的，它具有各種補償措施，以保證頻率的穩(wěn)定。 所以方案二的時鐘和日歷精度高于方案一。 溫度測量溫度測量 在方案一中，采用熱敏電阻檢測溫度，其原理是熱敏電阻的阻值隨 溫度的變化而變化，從而改變電路的電壓或電流，這樣就得出與溫度有對就關(guān)系的 電壓或電流信號，再經(jīng)計算，就可得出被測量的溫度。由于電壓量或電

23、流量都是模 擬量，易受外界的干擾，并且熱敏元件存在非線性的問題，這都將影響溫度的測量 精度，還給計算帶來了麻煩。方案二采用成品的集成測溫模塊，具有體積小、抗干 擾能力強、調(diào)試方便或不用調(diào)試、易于實現(xiàn)群測等優(yōu)點。而且直接輸出數(shù)字量的溫 度值。在簡化了測量電路的同時又保證了測量精度。 語音處理語音處理 在方案一中，先把要發(fā)的音全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存儲在存儲器中， 放音時，再把它們轉(zhuǎn)換成模擬量去驅(qū)動揚聲器發(fā)音。采用這種方法時，需要大量的 存儲。假設語音的平均頻率為 1.5khz，由采樣定理(采樣頻率2被采樣信號的最高 頻率)知，采樣頻率至少為 3khz，那么將 1 秒鐘的 1.5khz 的音頻信號轉(zhuǎn)換

24、成數(shù)字量， 在未經(jīng)任何壓縮處理的情況下，至少要 3k 個存儲單元才能存儲下來。對于 mcs-51 單片機來說，必須外擴展存儲器，不僅增加了成本，更重要的是增加了單片機的負 擔，單片需要不停把那么的數(shù)據(jù)傳給 d/a 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，再驅(qū)動揚聲器發(fā)音，這 就有可能導致單片機不能按時完成其他任務。方案二采用專用語音處理芯片，它集 cpu 單片機 lcd 顯示模塊 鍵 盤 數(shù)字溫度傳感器 秒脈沖發(fā)生器 專用語音處理芯片揚聲器 電 源 圖 2-2 方案二結(jié)構(gòu)圖 成錄音和放音功能，只須外接幾個電容、電阻和按鍵就可以組成一個錄放系統(tǒng)。和 單片機相連時，只須單片機把所發(fā)音的地址傳給語音芯片，語間芯片就可完成發(fā)

25、音 任務。在發(fā)音的過程中，單片機可以做其他的任務。不僅提高了語音電路的可靠性， 還大大減少了語音電路對單片機的占用率。 由以上的比較知，在實現(xiàn)相同功能的情況下，方案二比方案一明顯地具有優(yōu)越 性單片機外圍元件少、電路簡單、精度高、可靠性高、體積小等諸多優(yōu)點。鑒 于此，本設計采用方案二。 第第 3 3 章章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計 由于本萬年歷系統(tǒng)以單片機為主控芯片，故須對其編定相應的軟件程序。 硬件是軟件的載體，硬件的結(jié)構(gòu)和可靠性直接影響著整個系統(tǒng)的可靠性。任何電子 產(chǎn)品都必須有一個電源為其提供能量才能工作，故本設計先從電源部分開始，再進 行功能部分的設計。 3.1 電源部分的設計電源部分的設

26、計 穩(wěn)壓電源的功能是把來自電網(wǎng)的 220v 交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧?、穩(wěn)定的直流電壓， 為其他電路提供能源。它的設計在保證滿足負載所須能量的同時，還要根據(jù)負載的 特性及其對電源的要求（如穩(wěn)壓范圍、紋波系數(shù)等） ，進行設計。必要時還要有過流、 過壓、欠壓、過負載保護措施。 現(xiàn)在常用的直流穩(wěn)壓電源有變壓器式和開關(guān)式電源兩種。 3.1.1 變壓器式直流穩(wěn)壓電源變壓器式直流穩(wěn)壓電源 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)壓電路四個部分組 成，如圖 3-1 所示。市電先經(jīng)電源變壓器變換成所須等級的交流電壓，而后經(jīng)整流電 路將之整流成直流電，這時的直流電脈動量很大，經(jīng)濾波電路以減小其脈動量，最

27、 后經(jīng)穩(wěn)壓電路進行穩(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)簡單，設計容易，但它的體積較大，效率也較低，過 負載能力也差。 + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 + u1 u2 u3 ui u0 _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 _ u1 u2 u3 ui u0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 圖 3-1 變壓器式直流穩(wěn)壓電源的組成框圖及整流與穩(wěn)壓過程 （b）整流與穩(wěn)壓過程 （a）穩(wěn)壓電源的組成框圖 3.1.2 開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源 開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源簡稱開關(guān)電源（switching power supply），它是指起電壓調(diào) 整功

28、能的器件始終以開關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。圖 3-2 所示為輸入輸出隔離 的開關(guān)電源原理框圖。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，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方波電壓，通過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。通過取樣、比較、放大及 控制、驅(qū)動電路，控制變換器中功率開關(guān)管的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓。 開關(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。因而本設計采用開關(guān)電源。 3.1.3 開

29、關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的設計開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的設計 由于萬年歷系統(tǒng)都采用集成電路，只需+5 單電源供電，功耗低。故設計的開關(guān) 電源比較簡單，如圖 3-3 所示。 圖 3-3 開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源原理圖 1t 1 l1 l2 s1 1vt 2 13001 1vt 1 8050 1d5 1n4148 1d6 1n4837 1z d1 5.1v 1r2 1m 1r5 4.7k 1r3 680 1r4 62k 1c2 22uf 1c3 470uf 5v 1d2 in4007 1d4 in4007 1d1 in4007 1d3 in4007 1r1 1 1c1 472 1r6 1.5k1r7 10 1r9 3

30、30 1r8 1.5k le d 這個電源是自激振蕩的反激式開關(guān)電源。220v 交流輸入，一端經(jīng)過一個開關(guān)， 另一端經(jīng)過一個 1 電阻 1r1 后，進入由 4 個二極管 1d1-1d4 組成的電橋，進行整流。 emi 濾波器 整 流 濾 波 變 換 電 路 高頻 變壓 器 整 流 濾 波 控 制 電 路 取樣 比較 放大 交流輸 入 直流輸 出 圖 3-2 開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源原理框圖 電阻 1r1 用來做保護的，如果后面出現(xiàn)故障等導致過流，那么這個電阻將被燒斷， 從而避免引起更大的故障。右邊的電阻 1r4 構(gòu)成一個高壓吸收電路，當開關(guān)管 1vt2 關(guān)斷時，負責吸收線圈上的感應電壓，從而防止高壓

31、加到開關(guān)管 1vt2 上而導致?lián)舸?1vt2 為開關(guān)管(其型號為 mje13001)，耐壓 400v，集電極最大電流 0.2a，最大集電 極功耗為 10w，用來控制原邊繞組與電源之間的通、斷。當原邊繞組不停的通斷時， 就會在開關(guān)變壓器中形成變化的磁場，從而在次級繞組中產(chǎn)生感應電壓。左端的 1r2 為啟動電阻，給開關(guān)管提供啟動用的基極電流。 1r7 為電流取樣電阻，電流經(jīng) 取樣后變成電壓(其值約為 10*ie(1vt2)，這電壓經(jīng) 1r5 后，加至三極管 1vt1 的基極 上。當取樣電壓大約大于 1.4v，即開關(guān)管電流大于 0.14a 時，三極管 1vt1 導通， 從而將開關(guān)管 1vt2 的基

32、極電壓拉低，集電極電流減小，這樣就限制了開關(guān)管的電流， 防止電流過大而燒毀(其實這是一個恒流結(jié)構(gòu)，將開關(guān)管的最大電流限制在 140ma 左 右)。變壓器左下方的繞組(取樣繞組)的感應電壓經(jīng)整流二極管 1d5 整流，電容 1c2 濾波后形成取樣電壓。取樣電壓超過穩(wěn)壓二極管 1zd1 的穩(wěn)壓值后，穩(wěn)壓二極管 1zd1 被擊穿，使 1vt1 迅速導通，從而將開關(guān) 1vt2 的基極電位拉低，這將導致開 關(guān)管斷開或者推遲開關(guān)的導通，從而控制了能量輸入到變壓器中，也就控制了輸出 電壓的升高，實現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出的功能。電阻 1r3 跟串聯(lián)的電容 1c1，則是正反饋支 路，從取樣繞組中取出感應電壓，加到開關(guān)管的基

33、極上，以維持振蕩。 變壓器次級繞組，經(jīng)二極管 1d6 整流，220uf 電容濾波后輸出 5v 的電壓。因為開 關(guān)電源的工作頻率較高，普通整流二極管是不行的，要采用快速回復二極管，例如 肖特基二極管等。同樣因為頻率高的原因，變壓器也必須使用高頻開關(guān)變壓器，鐵 心一般為高頻鐵氧體磁芯，具有高的電阻率，以減小渦流。 led 為電源指示燈，1r8 用于對 led 進行限流。由于當電源工作于輕載時，開 關(guān)頻率較高，效率就不理想，為了防止過多的消耗發(fā)生在開關(guān)管上，應防止頻率過 分升高，具體的做法是在輸出端加一固定電阻充當負載，即圖中的 1r9，其值的大 小一般按不小于滿負載的 10%考濾。 3.2 主電路

34、的設計主電路的設計 主電路的功能是完成年、月、日、星期、時、分、秒之間的轉(zhuǎn)換，對溫度傳感 器進行控制并讀取溫度轉(zhuǎn)換后的值，再送往液晶顯示屏 lcd 顯示，還要判斷定時時 間是否到時，并且接受鍵盤操作，對日期和時間進行校正，以及對定時器進行設定 和語音報時。 3.2.1 主要芯片的選擇主要芯片的選擇 主控芯片由單片機完成。目前市場上的單片機種類很多，如 intel 公司生產(chǎn)的 80c51 系列，atmel 公司生產(chǎn)的 at89 系列，microchip 公司生產(chǎn)的 pic 系列等等。 他們各有其優(yōu)點及缺點。其中 atmel 公司生產(chǎn)的 at89 系列單片機最為流行，它具 有 flash rom，

35、擦寫方便，價格便宜。因此選用 at89c51 為主控芯片。 顯示模塊采用 216 的 lcd 屏 1602。1602lcd 能顯示 2 行，每行 16 個字符， 顯示直觀、功耗小，有較高的性價比。 溫度傳感器采用美國達拉斯（dallas）生產(chǎn)的可編程的 ds18b20 溫度傳感器。 它直接輸出數(shù)字量的溫度值，精度高，測溫分辨率可達 0.0625。一線制總線，接 口方便，體積小等諸多優(yōu)點。 語音芯片選用美國信息存儲器件公司推出的 isd420 語音芯片。isd1420 芯片的 外圍元件簡單，僅需少量阻容元件、麥克風即可組成一個完整的錄放系統(tǒng)。isd1420 可以以字為單位來儲存聲音信息，以少量的

36、語音信息，通過語音的組合，可形成多 種語句。isd1420 采用模擬信息存儲技術(shù)，重放音質(zhì)好，接口靈活方便，同樣具有 優(yōu)越的性價比。 3.2.2 主電路原理分析主電路原理分析 萬年歷系統(tǒng)的原理圖如圖 3-4 所示。在圖 3-4 中 1602 液晶顯屏將要顯示的內(nèi)容 顯示出來。at89c51 完成年、月、日、星期、時、分、秒之間的轉(zhuǎn)換，集成芯片 2u4 通過 at89c51 的中斷 1 向 at89c51 提供精確的秒脈沖信號，以完成時鐘和日 歷任務。在這里采用外部中斷提供秒脈沖信號，其目的有二：1、提高時鐘的精度。 2、在本系統(tǒng)中采用了一個 ds18b20 的數(shù)字溫度傳器，它是單總線型的，數(shù)據(jù)

37、的傳 輸有嚴格的時間要求。它測量一次，再加這一次讀寫操作，大約需要 900 毫秒，如 果采用單片機內(nèi)部定時器(12mhz 晶振時，最大定時時間為 65.536 毫秒)，就會在溫 度讀寫期間發(fā)生定時器中斷，這樣就會破壞 ds18b20 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序，從而導致數(shù) 據(jù)傳輸錯誤。采用外部中斷的方式提供秒信號時，每秒只中斷 1 次，在某次中斷到 下一次中斷期間，已完成了數(shù)據(jù)的傳輸，這樣就保證了 ds18b20 數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。 通過 ta89c51 的 p0 口與 1602 液晶顯示屏進行命令和數(shù)據(jù)的傳輸。在 p0 口中 接有上拉電阻 2r1，這是因為 p0 口為非準向 i/o 口，其內(nèi)部輸出三極管

38、的集電極沒 有上拉電阻，是開路的，若不外接上拉電阻 2r1，就會造成 p0 口不能輸出高電平。 p2.5 用于控制傳送給 lcd 的是命令還是要顯示的內(nèi)容。p2.5 為高電平表示傳送的是 p1.0 1 p1.1 2 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst /vpp 9 rxd/p3.0 10 txd/p3.1 11 int0/p3.2 12 int1/p3.3 13 t0/p3.4 14 t1/p3.5 15 wr/p3.6 16 rd/p3.7 17 p1.2 3 xtal 1 18 xtal 2 19 vss 20 ale /prog 30 p2.1

39、22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 p2.0 21 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 at89c51 2u1 2r1 a103 2sw1 減減 減 2sw3 減1減 2sw2 減1減 2sw4 減減 減 2r2 4.7k 2c1 22uf 5v 2y1 12mh z 2c3 30p 2c2 30p vcc 3 dq 2 gnd 1 ds18b20 2u5 ds18b20 vcc 3 ou

40、t 2 gnd 1 2u4 1s spk1 5v db0 db1 db2 db3 db4 db5 db6 db7 db0 db1 db2 db3 db4 db5 db6 db7 rs r/w r/w e 5v 5v 5v 5v 5v 2vt 1 8050 2r4 2 dq dq sw2 sw3 sw4 a2 a3 a4 a5 a6 a7 eom eom play sw2 sw3 sw4 2r3 1k led le d sw1 sw1 vss 1 vdd 2 vc 3 rs 4 r/w 5 e 6 db0 7 db1 8 db2 9 db3 10 db4 11 db5 12 db6 13 db7

41、 14 le d+ 15 le d- 16 1602 2u3 a0 1 a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 nc 7 nc 8 a6 9 a7 10 nc 11 gndd 12 gnda 13 sp+ 14 sp- 15 vcca 16 m ic 17 m ic re f 18 agc 19 anain 20 anaout 21 nc 22 pl ayl 23 pl aye 24 recl ed 25 xclk 26 rec 27 vccd 28 2u2 isd1420 a0 a1 a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 play rs e 圖 3-4 主電路原理圖 要顯

42、示的內(nèi)容，p2.5 為低電平表示傳送的是控制命令。p2.6 用于控制 lcd 的讀和寫 操作。高電平為讀操作，低電平為寫操作。p2.7 為使能控制，控制 lcd 是否接受操 作。高電平時允許讀操作，由高電平變?yōu)榈碗娖降倪^程中，允許寫操作。 溫度傳感器 ds18b20 用單總線接在 at89c51 的 p2.4 口上,按單總線協(xié)議進行數(shù) 據(jù)傳輸。 at89c51 的 p1 口與語音芯片 isd1420 的地址線 a0-a7 相連，用以控制發(fā)哪個 音。isd1420 的與（25 腳）at89c51 的 p3.2 口(外部中斷 0)相連，用來告recled 訴 at89c51 放音結(jié)束，可以啟動下一

43、次放音。啟動放音采用邊沿觸發(fā)方式， isd1420 的(24 腳)與 at89c51 的 p3.1 口相連，用以啟動放音。playe 鍵盤電路采用四個鍵，分別接到 at89c51 的 p2.0-p2.3 口上。 sw1 為功能鍵，用于控制當前校正的是哪部分，在正常顯示的情況下連續(xù)按它， 會在正常顯示年月日星期時分正常顯示之間循環(huán)變換。在定時調(diào)整 時按它，會在時分定時開關(guān)控制位定時提示音選擇正常顯示之間變換。 （在 此狀態(tài)下，連續(xù)按 sw1 不循環(huán)變換） 。 sw2、sw3 分別為“加 1” 、 “減 1”鍵。在校正狀態(tài)下，每按一下 sw2 或 sw3 相應的部分就會加 1 或減 1。若在正常顯

44、示狀態(tài)下，按下 sw2，就會顯示定時顯示 狀態(tài)。若在進入定時顯示狀態(tài)開始，大約在兩秒內(nèi)若按下了功能鍵 sw1，則會轉(zhuǎn)到 定時器的設定狀態(tài)，否則就返回正常顯示狀態(tài)。 2r2、2c1 構(gòu)成 at89c51 的復位電路。at89c51 復位的條件是使其復位端(9 腳) 保持高電平大于兩個機器周期。在剛通電的時候，電源電壓通過 2r2 向 2c1 充電， 在 2r2 兩端形成電壓，使單片機的復位端為高電平，只要使 2r2 2c1 的時間常數(shù) 大于兩個機器周期，就可使 at89c51 復位，一般 2r2 取 1k、2c1 取 22uf?？紤] 到開關(guān)穩(wěn)壓電源的瞬態(tài)響應時間稍長，2r2 取 4.7k。 2c

45、2、2c3、2y1 和 at89c51 單片機內(nèi)的高增益反相放大器，構(gòu)成時鐘脈沖電路。 時鐘脈沖的頻率取決于晶振 2y1 的振蕩頻率，最高可達 24mhz，在此選 12mhz。2c2、2c3 主要起頻率微調(diào)和穩(wěn)定作用，一般可取 1030pf。 3.3 單片機外圍芯片簡介單片機外圍芯片簡介 3.3.1 1602lcd 顯示模塊顯示模塊 1602lcd 顯示模塊是一種字符型液晶顯示模塊，是一種專門用于顯示字母、數(shù) 字、符號等點陣式 lcd，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 顯示容量為 162 個字符； 芯片工作電壓為 1.4-5.5v； 工作電流為 2.0ma（5.0v）； 模塊最佳工作電壓為 5.0v； 字

46、符尺寸為 36.581（wh）mm 1602lcd 顯示模塊對外部接口有 16 個引腳。各引腳的功能如表 3-3-1 所示 表 3-3-1 1602lcd 顯示模塊引腳功能 引腳號符號功能 1vss接地 2vdd+5v 3vcclcd 驅(qū)動電源 需隨溫的變化而調(diào)整 4rs寄存器選擇信號 h：數(shù)據(jù)寄存器 l：指令寄存器 5r/w讀寫控制 h：讀數(shù)據(jù) l：寫數(shù)據(jù) 6e 允許信號端 上升沿：鎖存選擇信號 下降沿：讀/寫數(shù)數(shù)或指 令 714db0db7數(shù)據(jù)輸入/輸出總線 1516 led+ led- 背光燈電源 1602lcd 顯示模塊的寄存器選擇（rs） 、讀/寫（r/w）與操作之間的關(guān)系如表 3-

47、3-2 所示 表 3-3-2 1602lcd 的 e、rs、r/w 與操作之間的關(guān)系 rsr/we操作 00寫指令碼 01讀忙信號和地址計數(shù)器 10寫數(shù)據(jù) 11讀數(shù)據(jù) 1602lcd 顯示模塊的讀寫操作時序分別如圖 3-5、圖 3-6 所示。 圖 3-5 1602lcd 讀操作時序 圖 3-6 1602lcd 寫操作時序 1602lcd 顯示模塊的指令系統(tǒng)如表 3-3-3 所示。 表 3-3-3 1602lcd 指令系統(tǒng) 指 令 碼 序 號 指 令 rsr/wdb7db6db5 db 4 bd3db2 db 1 db 0 指 令 說 明 執(zhí)行周期 （最大） f=250khz 1清屏000000

48、0001清屏 置 ac 為零1.64ms 2返回000000001* 光標返回（ac=0） ， 顯示回原位。ddr 內(nèi)容不變 40us 3 輸入方式設 置 00000001j/ds 設置光標及顯示移動 方向。確定是移到顯 示還是移動光標 40us 4 顯示開關(guān)控 制 0000001dcb 顯示 on/off 為 d， 光標 on/off 為 c， 光標閃爍為 b 40us 5 光標或顯示 移 000001s/cr/l* 光標和顯示的移動不 影響 ddram 的內(nèi)容 40us 6功能設置00001dlnf* 接口數(shù)據(jù)位 dl，顯 示行數(shù) n 及字形 f 40us 7 cgram 地 址設置 00

49、01acg 設置 cgram 地址， 設置后 ddram 數(shù)據(jù) 可發(fā)送或接收 40us 8 ddram 地 址設置 001add 設置 ddram 地址， 設置后 ddram 數(shù)據(jù) 可發(fā)送或接收 40us 9 讀忙信號 （bf）及地 址計數(shù)據(jù) 01bfac 讀 bf，判斷內(nèi)部操 作是否下在進行，讀 ac 1us 10寫數(shù)據(jù)10寫數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)到 cg 或 ddram 40us 11讀數(shù)據(jù)11讀數(shù)據(jù) 從 cg 或 ddram 中 讀數(shù)據(jù) 40us 備 注 i/d=1 增量方式；i/d=0 減量方式 s=1 顯示移位，s=0 光標移位 d=1 顯示打開，d=0 顯示關(guān)閉 c=1 光標打開，c=0 光

50、標關(guān)閉 b=1 光標閃爍，b=0 光標停止閃爍 s/c=1 顯示移位，s/c=0 光標移位 r/l=1 右移，r/l=0 左移 dl=1 8 位數(shù)據(jù)接口，dl=0 4 位數(shù)據(jù)接口 n=1 2 行顯示，n=0 1 行顯示 f=1 5*10 點字符，f=0 5*7 點字符 bf=1 內(nèi)部操作“忙”，bf=0 可接受命令 acg：cgram 地址 add：ddram 地址對應為光標地址 ac：地址計數(shù)器，用于 ddram 和 cgram ddram：顯示數(shù)據(jù) ram cgram：字符生成 ram rs：寄存器選擇 r/w：讀/寫 3.3.2 溫度傳感器溫度傳感器 ds18b20 ds18b20 數(shù)字

51、溫度計是 dallas 公司生產(chǎn)的 1wire，即單總線器件，具有線 路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通 信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。 1、ds18b20 產(chǎn)品的特點產(chǎn)品的特點 只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。 在 ds18b20 中的每個器件上都有獨一無二的序列號。 實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。 測量溫度范圍在55到125之間。 數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 內(nèi)部有溫度上、下限報警設置。 2、ds18b20 的引腳介紹的引腳介紹 ds18b20 的封裝及引腳排列見圖 3-7， 其引腳功能描述見表 3-

52、3-4。 表 3-3-4ds18b20 的引腳功能描述 序 號 名稱引腳功能描述 1gnd接地 2dq數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。漏極開路。當被用著在寄生電源下，也可以 向器件提供電源。 3vdd可選擇的 vdd 引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 ds18b20 to-90 封裝底視圖 ds18b20 8 腳 soic 封裝 圖 3-7 ds18b20 的封裝及引腳排 列圖 ds18b20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-8 所示，主要由 4 部分組成：64 位 rom、溫度敏感 元件、非易失性溫度報警觸發(fā)器 th 和 tl、配置寄存器。rom 中的 64 位序列號是 出廠前被光刻好的，它可以看作是該 d

53、s18b20 的地址序列碼，每個 ds18b20 的 64 位序列號均不相同。64 位激光 rom 從高位到低位依次為 8 位 crc、48 位序列號和 8 位家族代碼（28h）組成。rom 的作用是使每一個 ds18b20 都各不相同，這樣就 可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 ds18b20 的目的。非易失性溫度報警觸發(fā)器 th 和 tl 可通過軟件寫入用戶報警上下限值。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第 5 個字節(jié)。 ds18b20 在工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應精度的數(shù)值，其各位定 義如圖 3-9 所示。其中，tm 為測試模式標志位，出廠時被定入 0，不能改變； r0、r1 為溫度

54、計分辨率設置位，其對應四種分辨率見配置寄存器與分辨率關(guān)系表。 出廠時 r0、r1 置為缺省值：r0=1，r1=1(即 12 位分辨率)，用戶可根據(jù)需要改寫配 置寄存器以獲得合適的分辨率，配置寄存器與分辨率的關(guān)系見表 3-3-5。 表3-3-5 配置寄存器與分辨率關(guān)系 r0r1溫度計分辨率/bit最大轉(zhuǎn)換時間/ms 00993.79 0110187.5 1011375 1112750 3、ds18b20 rom操作指令操作指令 一旦總線主機檢測到從器件的存在，它便可以發(fā)出器件rom操作命令之一。所 有rom操作命令均為8位長。 1) read rom (讀rom)33h ：此命令允許總線主機讀d

55、s18b20的8位產(chǎn)品系列編 碼，唯一的48信序列號，以及8位的crc。此命令只能在總線上僅有一個ds18b20的 情況下使用。如果總線上存在多于一個的從器件，那么當所有從器件企圖同時發(fā)送 圖 3-8 ds18b20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 64 位 rom 和單 總線 接口 高速 緩存 存儲器 存儲器和控制器 8 位 crc 生成器 溫度敏感元件 低溫觸發(fā)器 tl 高溫觸發(fā)器 th 配置寄存器 電 源 檢 測 dq gnd vcc tmr1r011111 msblsb 圖 3-9 配置寄存器定義 時將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象(漏極開路會產(chǎn)生線與的結(jié)果)。 2) match rom (符合rom)55h：此命

56、令后繼以64位的rom數(shù)據(jù)序列，允許總線 主機對多點總線上特定的ds18b20尋址。只有與64位rom序列嚴格相符的ds18b20 才能對后繼的存儲器操作命令作出響應。 3) skip rom (跳過rom)cch：在單點總線系統(tǒng)中，此命令通過允許總線主機 不提供64位rom編碼而直接進行存儲器操作以節(jié)省時間。 4) search rom (搜索rom)f0h：當系統(tǒng)開始工作時，總線主機可能不知道單總 線上的器件個數(shù)或不知道其64位rom編碼。搜索rom命令允許總線控制器用排除法 識別總線上的所有從器件的64位編碼。 5) alarm search (警告搜索)ech：此命令的流程與搜索rom

57、命令相同。但是僅 在最近一次溫度測量出現(xiàn)警告的情況下，ds18b20才對此命令作出響應。 4、ds18b20 ram操作指令操作指令 1)write scratchpad (寫暫存存儲器)4eh：這個命令向ds18b20的暫存器th和tl 中寫入數(shù)據(jù)?？梢栽谌魏螘r刻發(fā)出復信命令來中止寫入。 2)read scratchpad (讀暫存存儲器)beh：這個命令讀取暫相隔器的內(nèi)容。讀取 將從第1個字節(jié)開始，一直進行下去，直到第9(crc)字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字 節(jié)，控制器可以在任何時間發(fā)出復位命令來中止讀取。 3)copy scratchpad (復制暫存存儲器)48h：這個命令把暫存器的內(nèi)

58、容拷貝到 ds18b20的e2rom存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲器里。如果 總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而ds18b20又忙于把暫存器拷貝到 e2rom存儲器，ds18b20就會輸出一個0，如果拷貝結(jié)束的話，ds18b20則輸出1。 如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令之后立即啟動強上拉 ，并最少保持 10ms。 4)convert t(溫度變換)44h：這條命令啟動一次溫度轉(zhuǎn)換而無需其它數(shù)據(jù)。溫 度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行，而后ds18b20保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后 跟著發(fā)出讀時間隙，而ds18b20又忙于做溫度轉(zhuǎn)換的話，ds18b20將在總線上

59、輸出 0，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出1。如果使用寄生電順勢，總線控制器必須在發(fā)出這條 命令后立即啟動強上拉，并保持500ms以上時間。 5)recall e2 ( 重新調(diào)整e2)b8h：這條命令把存儲中e2rom中溫度觸發(fā)器的值重 新調(diào)至暫存存儲器。這種操作在ds18b20上電時自動執(zhí)行，這樣器件一上電暫存器 里馬上就存在有效的數(shù)據(jù)了。若在這條命令發(fā)出之后發(fā)出讀數(shù)據(jù)隙，器件會輸出溫 度轉(zhuǎn)換忙的標識：0為忙，1為準備就緒。 6)read power supply (讀電源)b4h：若把這條命令發(fā)給ds18b20后，發(fā)出讀時 間隙，器件會返回它的電源模式：0為寄生電源，1為外部電源。 5、ds18b2

60、0的數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理 ds18b20的高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如圖3-10所示。當溫度轉(zhuǎn)換 命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以2字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第1、2 個字節(jié)里。單片機可通過單總線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。 溫度 lsb 溫度 msb th 用戶字 節(jié) 1 th 用戶字 節(jié) 2 保 留 配置寄存 器 保 留 保 留 第一字節(jié)第 9 字節(jié) 圖 3-10 高速暫存 ram 結(jié)構(gòu) 圖 cr c a0 1 a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 nc 7 nc 8 a6 9 a7 10 nc 11 gndd 12 gnda 13 sp+ 14