多功能电子保姆机的设计与实现毕业论文(47页).doc
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1、-多功能电子保姆机的设计与实现毕业论文-第 40 页毕业设计说明书毕业论文题 目:多功能电子保姆机的设计与实现硬件设计多功能电子保姆机的设计与实现硬件部分摘 要随着生活节奏的加快,家庭对保姆的需求越来越多,若设计出一款智能保姆机,将极大地方便人们的生活。目前市场上销售的保姆机多为机械式,且功能单一,只能进行家用电器通断电的定时控制。 本文利用电子技术设计的保姆机具有多功能性。不仅能控制家用电器定时工作,还附加时间、闹铃、环境温度显示等功能。论文介绍了保姆机的研究背景,通过对555时基电路设计方案、FPGA设计方案以及单片机设计方案的比较,确定了单片机设计方案。本设计以Atmega128单片机为
2、核心,通过继电器控制家用电器定时工作,利用DS1302实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能,同时利用DS18B20温度传感器测量环境温度,并通过4位LED数码管进行时间和温度的显示。本设计完成了电子保姆机硬件和软件的设计,并在开发板上对部分功能进行了调试,实现了电子保姆机的基本功能。该电子保姆机可以应用于生活和工作中,也可通过改装,提高性能,增加新功能,从而给人们的生活和工作带来更多的方便。关键词:保姆机;单片机;温度传感器;继电器Multi-functional electronic nanny Machine Design andImplementation The Design of
3、 the HardwareAbstractWith the accelerated pace of life, the demand for nannies is greatly increasing in our society . If a intelligent nanny machine is designed,it will bring more convenience forpeoples life.At present, the nanny machine which is on the sale in the market is almost mechanical, has a
4、 single function, and controls household appliancescan according to the setting time only through the power. This paper introduces the research backgroud of the nanny machine and uses the SCM design scheme through comparing 555 design scheme,FPGA design scheme and SCM design scheme. In this paper, t
5、he nanny machine ,which is designed through using electron technology,has many functions .It not only can control the Household appliances from time to time, but also can display time,temperature and so on .This design completes the hardware and software of the electronic nanny Machine , debugges a
6、part of functions on the board and realizes the basic function of the electronic nanny Machine.The design uses Atmega128 as a core,controls home appliances from time to time through the work of the relay, completes the basic function of clock / calendar through using the DS1302 real-time clock,measu
7、res ambient temperature by using temperature sensor DS18B20, and uses four LED digital tube for displaying . The machine can be applied to the life and work, can also be modified to improve performance,and can be added new functions so that it brings more convenience to the peoples life and work.Key
8、 Word: nanny machine;single-ship;temperature sensor;relay;目录摘 要I第一章 引 言11.1 多功能电子保姆机研究的背景和意义11.2 电子保姆机的功能2第二章 电子保姆机设计方案分析32.1 FPGA设计方案32.2 NE555时基电路设计方案32.3 单片机设计方案4第三章 基于单片机的电子保姆机硬件设计63.1 单片机的选择73.1.1 AVR单片机简介73.1.2 ATMEGA128特点73.2 时钟日历芯片DS130293.2.1 DS1302简介93.2.2 DS1302引脚说明103.2.3 DS1302控制字和读写时序说
9、明103.2.4 DS1302片内寄存器123.3环境温度传感器选择133.3.1常用温度传感器比较133.3.2 DS18B20简介143.3.3 DS18B20内部结构153.4电子保姆机硬件电路设计173.4.1时钟电路设计173.4.2环境温度采集电路设计173.4.3显示电路173.4.4按键电路设计193.4.5闹铃电路设计203.4.6继电器控制电路设计213.4.7温度报警电路设计22第四章 电子保姆机软件设计234.1 主程序设计234.2 子程序设计234.2.1 实时时钟日历子程序设计234.2.2 环境温度采集子程序设计244.2.3 显示子程序设计274.2.4 闹铃
10、控制子程序设计284.2.5 继电器子程序设计28第五章 系统调试295.1 硬件调试295.1.1 单片机基础电路调试295.1.2 显示电路调试305.1.3 DS1302电路调试335.1.4 继电器控制电路调试335.1.5 DS18B20电路调试335.1.6 温度报警电路调试345.2 软件调试34结 论35参考文献36附录 A程序37附录B多功能电子保姆机硬件电路图49致谢50第一章 引 言随着生活节奏地加快,社会对于保姆的需求量越来越大,若利用电子技术设计出一款电子化、数字化、智能人性化的多功能电子保姆机,将被广泛应用于生活和工作当中。1.1 多功能电子保姆机研究的背景和意义2
11、0世纪末,电子技术获得了飞速的发展。在其推动下,现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域,有力的推动和提高了社会生产力的发展与信息化程度,同时也使现代电子产品性能进一步提升,产品更新换代的节奏也越来越快。 保姆机对人们来说越发的珍贵,工作的忙碌性和繁杂容易使人忘记当前的时间,工作后的疲劳性,使人变得懒惰,回到家中什么都想要做好的如热水洗澡、吃香喷喷的饭菜等。这样电子保姆机就发挥了很大的作用,例如:例如经常出差或偶尔出门,这时一回到家就想洗热水澡,如果一直开着热水器会不停地加热,即不安全又费电,若有了多功能电子保姆机,就可以按照要求定时控制家用电器。然而遇到重大事情的时候,一旦忘记时间,就会给自己
12、或他人造成很大麻烦。平时我们要求上班准时,约会或召开会议必然要提及时间;火车要准点到达,航班要准点起飞;工业生产中,很多环节都需要用时间来确定工序替换时刻。所以说能随时准确的知道时间并利用时间,是我们生活和工作中必不可少的。保姆机的核心是数字化的电子时钟。想知道时间,手表当然是一个很好的选择,但是,在忙碌当中,我们还需要一个“助理” 及时的给我们提醒时间。所以,计时器最好能够拥有一个定时系统,随时提醒容易忘记时间的人。 最早能够定时、报时的时钟属于机械式钟表,但这种时钟受到机械结构、动力和体积的限制,在功能、性能以及造价上都没办法与电子保姆机相比【1】。 电子保姆机是通过电子钟采用电子电路实现
13、对时、分、秒进行数字显示的计时装置,通过继电器控制家用电器。广泛应用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。另外,温度实时显示系统应用同样越来越广泛,比如空调遥控器上当前室温的显示、热水器温度的显示
14、等等。医药卫生、工农业生产上也有很多场合需要测量环境温度。如果能够在电子保姆机上附加温度采集、时钟日历的显示、闹铃功能功能,将使电子保姆机的应用更加广泛。1.2 电子保姆机的功能电子保姆机是利用电子时钟精确计时定时的特点,继电器控制电器定时开关,以达到无人看管却能自动看护的“保姆”装置。拥有时间精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点,可广泛应用于生活和工作当中。本设计电子保姆机所实现主要功能为:(1)家用电器定时开关,控制家用电器;(2)具有时间显示,24小时制;(3)具有年、月、日显示;(4)具有闹铃功能;(5)具有环境温度采集和显示功能;(6)掉电后无需重新设置时间和日期;(7)温度报
15、警。第二章 电子保姆机设计方案分析电子保姆机是通过扩展电子钟的功能而形成的,其核心就是数字化的电子钟、通过读取电子钟的时间和设定时间相比较,继电器控制家用电器定时工作。电子保姆机既可以通过纯硬件实现,也可以通过软硬件结合实现,其实现方案有多种,但通常有以下几种形式:2.1 FPGA设计方案现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA),是20世纪70年代发展起来的一种可编程逻辑器件,是目前数字系统设计的主要硬件基础。FPGA在结构上由逻辑功能块排列为阵列,并由可编程的内部连线连接这些功能块,来实现一定的逻辑功能。可编程逻辑器件的设计过程是利用EDA开发
16、软件和编程工具对器件进行开发的过程。由于EDA技术拥有系统的模拟和仿真功能,可读性、可重复性、可测性非常好,所以利用EDA开发FPGA是目前比较流行的方式。当然,有时根据需要,也会应用MAX+plus开发集成环境进行设计【2】。正因为FPGA在设计过程中方便、快捷,而且FPGA技术功能强大,能够应用其制作诸如基代码发生器、数字频率计、电子琴、电梯控制器、自动售货机控制系统、多功能波形发生器、步进电机定位控制系统等。2.2 NE555时基电路设计方案555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路,因输入端设计有三个5K的电阻而得名。目前,流行的产品主
17、要有4种:BJT两个:555,556(含有两个555);CMOS两个:7555,7556(含有两个7555)。555定时器是一种数字与模拟混合型的集成电路,应用广泛。成本较低,外加电阻、电容等元件就可以构成多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等,常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等领域。采用NE555时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号,作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号,可构成电子钟。由555构成的秒脉冲发生器电路见图2.1。输出的脉冲信号V0的频率F为: 式(2.1)可通过调节式2.1中的3个参数,使输出V0的频率为精确的1Hz。图2.1 基于的秒
18、脉冲发生器采用555定时器设计电子保姆机,成本低,容易实现。但是受芯片引脚数量和功能限制,不容易实现电子保姆机的多功能性。2.3 单片机设计方案单片机是微型机的一个主要分支,它在结构上的最大特点使把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言,一块单片机芯片就是一台计算机。单片机具有如下特点:(1)有优异的性能价格比;(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性;(3)控制功能强;(4)低功耗、低电压,便于生产便携式产品;(5)外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了结构;(6)单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范,
19、容易构成各种规模的应用系统。所以单片机的应用非常广泛,在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思路和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术,是对生产控制技术的一次革命。利用单片机的智能性,可方便地实现具有智能的电子保姆机设计。单片机均具有时钟振荡系统,利用系统时钟借助微处理器的定时器/计数器可实现电子保姆机功能。然而系统时钟误差较大,电子钟的积累误差也可能较大,所以可以通过误差修正软件加以修正,或者在设计中加入高
20、精度时钟日历芯片,以精确时间。另外很多功能不同的单片机是兼容的,这就更便于实现产品的多功能性。第三章 基于单片机的电子保姆机硬件设计在比较了以上的三种实现方案之后,考虑单片机货源充足、价格低廉,可软硬件结合使用,能够较方便的实现系统的多功能性,故采用单片机作为本设计的硬件基础。电子保姆机包括时钟日历芯片电路、显示电路、按键电路、供电电源、闹铃电路、继电器控制电路等几部分。另外,本设计要求该电子保姆机能够采集环境温度,所以还需要温度采集电路【3】。硬件电路框图参照图3.1。该系统使用ATmega128单片机作为核心,通过读取时钟日历芯片DS1302和温度传感器DS18B20的数据,继电器定时控制
21、家用电器工作,完成此电子保姆机的主要功能时钟/日历、环境温度采集以及家用电器定时工作等。使用比较通用的4位8段共阳LED数码管,做4位显示,分别显示时间、日期、年200X,以及环境温度值【4】。图3.1多功能电子保姆机硬件系统框图键盘是为了完成时钟/日历的校对和日历/温度的显示功能。继电器作为家用电器定时开关,控制家用电器工作。此电子保姆机还具有闹铃功能,所以设计有闹铃电路,进行声音响铃。整个电路使用了两种电源,+5V电源将为整个电路供电。而+3V电源仅作为DS1302的备用电源。当+5V电源被切断后,DS1302启用+3V电源,可以保持DS1302继续工作。当+5V电源恢复供电,LED依旧显
22、示当前时间,而不会因为断电使系统复位到初始化时间,避免了重新校时的麻烦。具体电路图请参见附录A。3.1 单片机的选择3.1.1 AVR单片机简介所谓单片机,是指用一个芯片组成的微机系统。片内包括了CPU,程序存储器、数据存储器、定时器/计数器及各种I/O口。AVR单片机是ATMEL公司1997年推出的全新配置精简指令集(RISC)单片机系列。片内程序存储器采用Flash存储,可反复编程修改上千次,便于新产品开发;程序高度保密,避免非法窃取;速度快,大多数指令只用1个晶振周期,而MCS-51单片机单周期指令也需12个晶振周期;能采用C语言编程,从而高效快速的开发目标产品。本设计选用ATMEGA1
23、28 ,ATMEGA128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。3.1.2 ATMEGA128特点(1)高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器;(2)I/O 和封装 53 个可编程的I/O脚; 64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装;(3)工作电压:4.55.5V(ATmega128);(4)速度等级:016 MHz(ATmega128);(5)32个工作寄存器;(6)16根地址线 PA PC ;(7)8根数据线PA。ATmega128的引脚配置如图3.2所示:图3.2 Atmega128芯片引脚图各引脚说明如下:VCC:数字电路的电源;GND:地;端口A(PA
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- 多功能 电子 保姆 设计 实现 毕业论文 47
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