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1、 目 录第一章 绪论11.1单片机作息时间控制系统设计的目的和意义11.2 方案比较11.3 整体设计方框图2第二章 模块电路设计32.1 单片机核心控制模块32.2 键盘模块52.3实时时钟模块62.4 数据存储模块92.5 温度传感器模块152.6 红外模块172.7 电机模块202.8 显示模块232.9 外围驱动模块25第三章 系统软件设计273.1 系统实现工作流程273.2 系统流程图27结论与体会31主要参考材料：32附录1：元器件表33附录2：总电路原理图34第一章 绪论1.1单片机作息时间控制系统设计的目的和意义随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、
2、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出了很强的生命力。进入21世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。因其功耗低，超高型，低成本，功能完整，在国内越来越受到用户的重视和广泛使用。本设计是一个具有打铃、当前环境温度显示、教室灯光、广播、校门开关的自动控制等功能的作息时间控制系统。同时该系统也是一可调式万年历，采用SG12864液晶具有良好的菜单式人机界面更使本系统增色不少。它利用PCF8563实时时钟芯片计时，进行年历计算，并用SG12864将当
3、前日期、星期、时间出来；在进行时间计算，分每加一时，都与规定的作息时间比较，如果相等则进行相应的控制或动作。由单片机核心控制模块、键盘模块、电机模块、实时时钟模块、红外模块、液晶显示模块、温度传感器模块、数据存储模块、外围驱动模块九部分组成，系统扩展16个矩阵按键用于打铃时间调整及时间校正。现代机关企业，特别是学校要求对时间加以控制，要按时打铃及播放广播，以保证学习与工作的正常运行。本设计实现了这些功能，给学校及其他机关企业带来方便，整体性好，人性化强、可靠性高，实现了对时间控制的智能化。1.2 方案比较作息时间控制系统的设计有很多方案可以实现，其主流技术主要有以下几种：（1）用可编程逻辑器件
4、（如CPLD、FPGA）来实现，而在本设计中如要实现功能相对来说比较复杂，必须得用到FPGA来实现，而FPGA的价格相对较贵，且系统设计比较困难。（2）用PLC来实现，PLC其实就是一被封装起来的单片机，里面设有监控程序，并对I/O端口进行了光电隔离。这样一来使得PLC性能稳定且容易使用，且只需简单外围电路就可以实现该系统功能，但PLC比较昂贵，这样会使成本增高而失去市场竞争。（3）就是用555定时器产生时钟脉冲和数字芯片（如74LS14）来实现，但要来实现本设计需要大量的数字芯片，使得系统稳定性下降，生产难度加大，而且成本会增加。（4）就是应用单片充当主控器来再加上适量的外围实现此功能，且单
5、片机价格便宜，性能稳定。应用的外围器件相对较少，这就提高了系统的稳定性，且单片机控制简易，开发工具简单，很容易大批量生产。经过以上比较，最终我们选择第（4）种方案来实施。1.3 整体设计方框图第二章 模块电路设计2.1 单片机核心控制模块2.1.1核心器件的选择单片机是本设计的核心器件，因此单片机的选择决定了该设计的稳定和性能，目前单片机市场种类繁多，有几千种不同型号，单片机的选择应遵循在能满足性能条件下尽可能的选择功耗小资源少价格低，而且货源充足的。现在主流单片机种类有以下几类：PIC单片机： 是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有
6、较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。 EMC单片机：是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC 8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。 ATMEL单片机(51单片机)：ATMEL公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机。 PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)：PHILIPS公司的单片机是基于80C51
7、内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。 HOLTEK单片机：台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。 TI公司单片机(51单片机)：德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合。最后我们决定选用ATMEL公司的AT89S51单片机，AT89S
8、51是ATMEL公司生产的低功耗，高性能、高性价比的CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，AT89S51含有1288字节内部RAM、32个可编程I/O口线、2个16位定时/计数器、6个中断源和全双工串行UART通道，已能满足系统控制需求。2.1.2模块电路设计单片机运行需要满足几个条件，首先必需提供电源，还时钟振荡源，还有复位。由于十二个时钟周期构成一个机器周期，在
9、这里为方便计算我们选取晶振频率为12M HZ的晶振，因为晶振产生的信号比较弱，电容选取范围只能是小于30PF，在这里我们选取C1、C2为22PF。当单片机的复位端持续为两个机器周期高电平时产生复位，因此复位电路的参数需要根据晶振来决定，单片机控制系统一般都要求达到上电复位，因此这就对电容和电阻的选择有一定的要求，这可以通过计算来得出元件参数，但单片机最小系统的参数有一个经验值，在这里我们选用取R2 100、R1 10K，C3取10UF。由于单片机的P0口结构的特殊性，需加上拉电阻，这里我们选取阻值为10K的电阻，而耐压值的选择我们则只须选择大于7.5V就行了。2.1.3 模块电路图 如图2.1
10、所示图2.1 单片机核心控制模块电路图2.2 键盘模块2.2.1 键盘电路选择键盘可以有几种选择：一种是利用键盘LED芯片（如HD7279、HD8279、MAX7219等），一种则是直接利用单片机I/O口搭建键盘电路。采用键盘LED芯片，具有编程简单，抗干扰能力强、稳定性好、功能强大等特点，但其成本比较高，而且占用额外的功耗和空间，通常用在对键盘读取要求较高的场合。而普通的键盘电路，则有电路简单，成本低等特点，但其抗干扰能力较前者弱。而键盘电路结构又分为直接型和矩阵型，直接型具有编程、电路简单等特点，但占用的I/O口比较多，适用于只需少量键盘的场合。矩阵型具有电路、编程复杂等特点，但占用I/O
11、口少，比较适应于要求键盘比较多的场合。而本设计的显示电路是采用的LCD显示，且对键盘读取要求也不是太高，采取键盘芯片不能充分利用其功能，有点浪费。且单片机I/O口比较紧张，所以决定采用普通矩阵键盘。2.2.2 模块电路设计在本设计中有用到数字键0-9，且还有上、下、左、右、确定、取消键。一共十六个键，刚好可用8个I/O口组成4*4矩阵键盘。而矩阵键盘的搭建比较简单，只需遵循行列相交搭建就行，而必需在行或列添加上拉电阻，而上拉电阻的选取就只需遵循上拉电流小于单片机最大灌电流就行，在这里我们选取10K的电阻来充当上拉电阻。2.2.3 模块电路图 如图2.2所示图2.2 键盘模块电路2.3实时时钟模
12、块2.3.1核心器件选择在单片机内部，可以利用定时器进行计时，也可以实现功能，但利用内部定时器进行计时会产生计时不精确，且增加了CPU的负担和编程的难度，再就是掉电重启后时间会全部被初始化。因此我们采用实时时钟芯片，实时时钟芯片的种类繁多。在这里我们选用PCF8563实时时钟芯片。PCF8563 是低功耗的CMOS 实时时钟日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C 总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量，可编程时钟输出刚好可以为红外发射管提供载波信号。其主要特性为：1）低工作电流：典
13、型值为0.25A（VDD=3.0V，Tamb=25时）。2） 世纪标志3） 大工作电压范围：1.05.54） 低休眠电流；典型值为0.25A(VDD=3.0V,Tamb=25)5）400KHz 的I2C 总线接口（VDD=1.85.5V 时）。6） 可编程时钟输出频率为：32.768KHz，1024Hz，32Hz，1Hz。7） 报警和定时器。8） 掉电检测器。9）内部集成的振荡器电容。10） 片内电源复位功能。11）I2C 总线从地址：读，0A3H；写，0A2H。12） 开漏中断引脚。PCF8563 有16 个位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768KHz 的振荡器（带有一个
14、内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC 提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHz I2C总线接口。所有16 个寄存器设计成可寻址的8 位并行寄存器，但不是所有位都有用。前两个寄存器（内存地址00H，01H）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H08H 用于时钟计数器（秒年计数器），地址09H0CH 用于报警寄存器（定义报警条件），地址0DH 控制CLKOUT 管脚的输出频率，地址0EH 和0FH 分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器，编码格式为BCD，星期和星期报警
15、寄存器不以BCD 格式编码。当一个RTC 寄存器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟日历芯片的错读。一个或多个报警寄存器MSB（AE=Alarm Enable 报警使能位）清0时，相应的报警条件有效，这样，一个报警将在每分钟至每星期范围内产生一次。设置报警标志位AF（控制状态寄存器2的位3）用于产生中断，AF 只可以用软件清除。8位的倒计数器（地址0FH）由定时器控制寄存器（地址0EH）控制，定时器控制寄存器用于设定定时器的频率（4096，64，1，或1/60Hz），以及设定定时器有效或无效。定时器从软件设置的8 位二进制数倒计数，每次倒计数结束，定时器设置标志位TF，定时器标志位TF 只可以用软件清除，TF 用于产生一个中断（/INT），每个倒计数周期产生一个脉冲作为中断信号。TI/TP控制中断产生的条件。当读定时器时，返回当前倒计数的数值。管脚CLKOUT 可以输出可编程的方波。CLKOUT 频率寄存器（地址0DH；参见表2.1）决定方波的频率，CLKOUT 可以输出32.768KHz( 缺省值)，1024，32，1Hz 的方波。CLKOUT为开漏输出管脚，通电时有效，无效时为高阻抗。表2.1 PCF8563寄存器结
