基于单片机的自动打铃器的设计毕业设计Word格式.docx
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单片机也被称为微控制器(Microcontroller),是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成到复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
1.1单片机设计的目的和意义
科技的进步需要技术不断的提升。
一块大而复杂的模拟电路花费了您巨大的精力,繁多的元器件增加了您的成本。
而现在,只需要一块几厘米见方的单片机,写入简单的程序,就可以使您以前的电路简单很多。
相信您在使用并掌握了单片机技术后,不管在您今后开发或是工作上,一定会带来意想不到的惊喜。
在单片机应用中,可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域,提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。
近年来,单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术。
1.2单片机发展现状和前景展望
1.2.1课题发展现状
一块大而复杂的模拟电路花费了工程师们巨大的精力,繁多的元器件增加了劳动的成本。
而现在,只需要一块几厘米见方的单片机,写入简单的程序,就可以使以前的电路简单很多。
单片机技术的出现,不管在开发或是工作上,都为我们带来了意想不到的惊喜。
1946年第一台电子计算机诞生至今,只有50年的时间,依靠微电子技术和半导体技术的进步,从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路,现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管,使得计算机体积更小,功能更强。
特别是近20年时间里,计算机技术获得飞速的发展,计算机在工农业,科研,教育,国防和航空航天领域获得了广泛的应用,计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。
单片机诞生于20世纪70年代,像Fairchid公司研制的F8单片微型计算机。
所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(CenterProcessingUnit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上,构成一个最小的计算机系统,而现代的单片机则加上了中断单元,定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路,使得单片机的功能越来越强大,应用更广泛。
20世纪70年代,微电子技术正处于发展阶段,集成电路属于中规模发展时期,各种新材料新工艺尚未成熟,单片机仍处在初级的发展阶段,元件集成规模还比较小,功能比较简单,一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上,像Farichild公司就属于这一类型,它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。
类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。
1.2.2课题前景展望
中国试用单片机的历史只有短短的30年,在初始的短短的五年时间里发展极为迅速。
1986年在上海召开了全国首届单片机开发与交流会,很多地区还成立了单片机微型计算机应用协会,那是全国形成的第一次高潮。
单片机为我们改变了什么?
纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机。
以前没有单片机时,这些东西也能做,但是只能使用复杂的模拟电路,然而这样做出来的产品不仅体积大,而且成本高,并且由于长期使用,元器件不断老化,控制的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后,我们就将控制这些东西变为智能化了,我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路,核心部分只是由人为的写入程序来完成。
这样产品的体积变小了,成本也降低了,长期使用也不会担心精度达不到了。
所以,它的魔力不仅是在现在,在将来将会有更多的人来接受它、使用它。
据统计,我国的单片机年容量已达3亿片,且每年以大约20%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机,并不断地辐射向内地。
所以,学习单片机在我国是有着广阔前景的。
1.3Protel99SE概述
Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电路原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到Protel99系列(网络上可下载到它的测试板),是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内PROTEL软件较易买到,有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础。
1.3.1Protel99SE的组成
Protel99SE主要由原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成。
(1)原理图设计系统
这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器,主要用于原理图的设计。
它可以为印制电路板设计提供网络表。
该编辑器除了具有强大的原理图编辑功能以外,其分层组织设计功能、设计同步器、丰富的电气设计检验功能及强大而完善的打印输出功能,使用户可以轻松完成所需的设计任务。
(2)印制电路板设计系统
它是一个功能强大的印制电路板设计编辑器,具有非常专业的交互式布线及元件布局的特点,用于印制电路板(PCB)的设计并最终产生PCB文件,直接关系到印制电路板的生产。
Protel99SE的印制电路板设计系统可以进行多达32层信号层、16层内部电源/接地层的布线设计,交互式的元件布置工具极大地减少了印制板设计的时间。
同时它还包含一个具有专业水准的PCB信号完整性分析工具、功能强大的打印管理系统、一个先进的PCB三维视图预览工具。
此外,Protel99SE还包含一个功能强大的基于SPICE3f5的模/数混合信号仿真器,使设计者可以方便地在设计中对一组混合信号进行仿真分析。
同时,它还提供了一个高效、通用的可编程逻辑器件设计工具。
1.3.2Protel99SE的应用
原理图设计
(1)新建设计数据库文件
在WINDOWS95/98或NT界面下双击Protel99图标,点击File(文件)中new项,新建设计数据库。
在Browse选项中选取需要存储的文件夹,然后点击OK即可建立自己的设计数据库。
a设计组(DesignTeam)
我们可以先在DesignTeam中设定设计小组成员,Protel99可在一个设计组中进行协同设计,所有设计数据库和设计组特性都由设计组控制。
定义组成员和设置他们的访问权限都在设计管理器中进行,确定其网络类型和网络专家独立性不需要求助于网络管理员。
无限制数量的设计组成员能同时访问相同的设计数据库。
每个组成员都能看到什么文件当前是打开的以及谁在编辑,并能锁定文件以防止意外重写。
访问设计数据库可以通过建立设计组成员和指定其权限来控制。
设计组成员建立在成员文件夹中。
在成员文件夹中单击右键就会弹出浮动菜单,选择新成员。
为保证设计安全,为管理组成员设置一个口令。
这样如果没有注册名字和口令就不能打开设计数据库。
提示:
成员和成员权限只能由管理员建立。
b回收站(RecycleBin)
相当于Windows中的回收站,所有在设计数据库中删除的文件,均保存在回收站中,可以找回由于误造作而删除的文件。
c设计管理器(document.)
所有Protel99设计文件都被储存在唯一的综合设计数据库中,并显示在唯一的综合设计编辑窗口。
在Protel99中与设计的接口叫设计管理器。
使用设计管理器,可以进行对设计文件的管理编辑、设置设计组的访问权限和监视对设计文件的访问。
组织设计文件过去组织和管理40个或更多的原理图、PCB、Gerber、Drill、BOM和DRC文件,要花费几天的时间,而Protel99把设计文件全部储存在唯一的设计数据库。
在设计数据库内组织按分层结构文件夹建立的文件显示在右边的个人安全系统设计数据库有一文件夹叫设计文件,这个文件夹中是主设计文件(原理图和PCB),还有许多的子文件夹,包括了PCB装配文件、报告和仿真分析。
这里对在设计数据库中创建文件夹的分层深度没有限制。
设计数据库对存储Protel设计文件没有限制你能输入任何类型的设计文件进入数据库,如在MSWord书写的报告、在MSExcel准备的费用清单和AutoCAD中制的机械图。
简单双击设计数据库里的文件图标,在适当的编辑器打开文件,被更新的文件自动地保存到设计数据库。
MSWord和Excel文件可以在设计管理器中直接编辑。
在文件夹上单击右键会显示浮动菜单,然后选择在设计数据库新建文件。
在综合设计数据库中用Protel99的设计管理器管理设计文件是非常轻松的。
设计管理器的工作就象MSWindows的文件管理器一样,可用它来导航和组织设计数据库里文件。
使用设计管理器在设计数据库创建分层结构的文件夹,使用标准文件操作命令来组织这些文件夹内设计文件。
设计管理器的心脏就是左边的导航面板。
面板显示的树状结构是大家熟悉的Protel软件特性。
在Protel99中,这个树不仅仅显示的是一个原理图方案各文件间的逻辑关系,它也显示了在设计数据库中文件的物理结构。
在导航树中活跃的文件夹是PCB装配文件夹。
如同Windows文件管理器,设计管理器在右边显示这个文件夹的内容。
设计管理器与Windows文件管理器的不同之处是在右边还显示已经打开的文件。
打开文件只要在导航树中单击所要编辑的文件名,或者双击右边文件夹中的图标。
在设计数据库中打开的各个文件用卡片分隔显示在同一个设计编辑窗口,使得非常容易知道当前工作到哪里,特别在大的设计中。
要一起观察不同的文件可以将设计编辑窗口拆分为多区域。
(2)打开和管理设计数据库
Protel99包括许多设计例子,我们下面可以举例说明。
选择文件打开菜单\DesignExplorer99\Example\folder,点击photoplotter.ddb文件,左侧窗口呈现树状结构。
点”+”呈现下一层子目录或文件,点”-”将关闭此文件夹.点Photohead.pcb文件,PCB版图将出现,点Photohead.prj,原理图管理文件将被打开.关闭文件,可以用鼠标右键,选择Close.也可以用CTRL+F4来关闭。
(3)观看多个设计文档
打开Photoplotte.ddb设计数据库,点”+”找到Electronics和Photohead文件夹,打开PhotoheadPartslist设计窗口,用同样方法打开Photohead.pcb文件和Photohead.prj文件.在PhotoheadPartsList窗口下击鼠标右键,选择”SplitHorizontal"
菜单,界面将被水平分割。
在Photohead.prj设计窗口下点右键,选SplitVertical菜单。
界面将被垂直分割.可以用鼠标调整分割窗口的大小。
要想分割更多的窗口,可重复上述操作。
按Ctrl+Tab可循环切换打开的设计文件,按Shift+Tab可在导航板和设计窗口中有效文件夹的内容间切换。
1.3.3电路板的设计步骤
一般而言,设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤。
(1)电路原理图的设计
电路原理图的设计主要是Protel99SE的原理图设计系统来绘制一张电路原理图。
在这一过程中,要充分利用Protel99SE所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能,来实现我们的目的,即得到一张正确精美的电路原理图。
(2)产生网络表
网络表是电路原理图设计(SCH)与印制电路板设计(PCB)之间的一座桥梁,它是电路板自动的灵魂。
网络表可以从电路与阿里通中获得,也可以从印制电路板中提取出来。
(3)印制电路板的设计
印制电路板的设计主要是针对Protel99SE的另外一个重要的部分PCB而言的,在这个过程中,我们借助Protel99SE提供的强大功能实现电路板的版面设计,完成高难度的等工作。
原理图的设计流程图如下图所示:
图一原理图设计流程
第二章单元模块的设计
2.1电源模块
数字集成芯片功耗低,所需电压低,需要一个专门的模块来获得合适的工作电压。
此模块为系统提供合适的、稳定的直流电压。
其基本原理图如图二所示。
其中二极管D11—D14为整流二极管,J2为三端稳压集成芯片7805,它将电压稳定在+5V
0.002V。
图中的电容用来滤除电源纹波。
这是单片机中很常见的电源。
图二电源电路原理图
2.2单片机最小系统模块
单片机最小系统模块由单片机、晶振、复位电路三个基本部分组成。
其中89S52单片机为是自动打铃器的核心控制器,由它来完成所有数据的处理及监测功能;
晶振为系统提供基准脉冲,这里,我们使用的是频率为12M的晶振;
复位电路使系统回到上电时的状态。
当系统由于各种突发情况而使得结果出错或者死机时,我们可以通过按复位键S1使系统恢复到正常情况。
单片机最小系统如图三所示:
图三单片机最小系统
2.3时钟模块
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,通过简单的串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整,时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线:
(1)RES(复位),
(2)I/O(数据线),(3)SCLK(串行时钟)。
时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
DS1302是由DS1202改进而来,增加了以下的特性:
双电源管脚用于主电源和备份电源供应,Vcc1为可编程涓流充电电源,附加七个字节存储器。
它广泛应用于电话、传真、单片机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
下面将主要的性能指标作一综合:
●实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力,还有闰年调整的能力
●31X8位暂存数据存储RAM
●串行I/O口方式使得管脚数量最少
●宽范围工作电压2.0—5.5V
●工作电流2.0V时,小于300nA
●读/写时钟或RAM数据时,有两种传送方式:
单字节传送和多字节传送字符组方式
●8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装(根据表面装配)
●简单3线接口
●与TTL兼容(Vcc=5V)
●可选工业级温度范围:
-40℃+85℃
●与DS1202兼容
●在DS1202基础上增加的特性
—对Vcc1有可选的涓流充电能力
—双电源管用于主电源和备份电源供应
—备份电源管脚可由电池或大容量电容输入
—附加的7字节暂存存储器:
管脚图如图四所示:
图四DS1302原理图
现将其引脚功能简介如下:
Vcc1为后备电源,VCC2为主电源。
在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1+0.2V时,Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时,DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源,外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线,通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能:
首先,RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器;
其次,RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平,则会终止此次数据传送,I/O引脚变为高阻态。
上电运行时,在Vcc>
2.0V之前,RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端(双向)。
SCLK为时钟输入端。
芯片时钟信息在芯片初次使用时写入即可,电路原理图如图五所示:
图五时钟模块原理图
2.4按键模块
如下图所示,按键电路仅由S11、S12、S13、S14三个按键组成,其一端分别与单片机的P3.1、P3.2、P3.3、P3.4引脚相连,另一端直接接地。
虽然此模块十分简单,但作用很重要。
在单片机自动打铃器时钟开始工作,它可以完成设置打铃时间,按键S11切换到打铃时间1的分调整,按键S12是对打铃时间分钟加时间的设定,按键S13是对打铃时间分减时间的设置,再按下S11按键是切换到打铃时间秒的设置,秒的设置和分的设置相同,按键S14是用来切换打铃时间的设置,当打铃时间1设置完成,按下S14,则切换到打铃时间2的设置……若打铃时间全部设置完成,再按下S11键,显示器切换到时钟模式。
图六按键电路原理图
2.5显示模块
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线。
DS1602原理图如图九所示:
图七显示模块原理图
2.5.1主要技术参数
表1DS1602参数
显示容量
16X2个字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
芯片工作电流
2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95X4.35(WXH)mm
2.5.2引脚功能
表2DS1602管脚功能
引脚编号
符号
引脚功能说明
1
VSS
电源地
2
VCC
电源正极
3
Vo
液晶显示偏压信号
4
RS
数据/命令选择端(H/L)
5
R/W
读/写选择端(H/L)
6
E
使能信号
7
DB0
DATAI/O
8
DB1
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