基于单片机的作息时间控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的作息时间控制系统设计毕业设计论文
基于单片机的作息时间控制系统设计
摘要
随着科学进步的不断发展，各行各业技术的不断改进和更新，在学校时间方面，由于时间多，时间乱等原因，不得不去改善其时间方面的设备。
单片机作息时间控制实现了对时间控制的智能化，摆脱了传统由人来控制时间长短的不便，是现代学校必不可少的设备。
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，本设计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。
本设计实现了的功能，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。
关键词：
单片机，作息时间，时钟芯片
BASEDONSINGLECHIPCOMPUTERSCHEDULESCONTROL
ABSTRACT
Withthecontinuousdevelopmentofscientificprogress,allwalksoflifeistheconstantimprovementandupdatetechnology,intheschooltime,becausetimeismuch,timedisorderlyandotherreasons,havetoimprovethetimeofequipment.Singlechipmicrocomputercontrolrealizetheschedulesoftheintelligentcontroloftime,fromthetraditionalpeopletocontrolthetimelengthbytheinconvenience,isthemodernschoolindispensableequipment.Thisdesignisahasthebellring,thecurrentenvironmenttemperaturedisplay,classroomlight,radio,schoolofautomaticcontrolswitchfunctionschedulescontrolsystem.Atthesametime,thissystemisalsoaadjustablecalendar,thisdesignbysingle-chipmicrocomputercontrolmodule,corekeyboardmodule,motormodule,realtimeclockmodule,infraredmodule,liquidcrystaldisplaymodule,thetemperaturesensormodule,thedatastoragemodule,peripheraldrivermodulesnineparts,systemextension16matrixbuttonforthebellringtimetoadjustandtimecorrection.Thisdesignisrealizedthefunction,toschoolandotherorgansenterprisetobringconvenience,integralsexisgood,humanizationofstrong,highreliability,realizethetimeofintelligentcontrol.
KEYWORDS:
SingleChipComputer，RestTime，ClockChip
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
目 录
前 言
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、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。
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（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）种方案即应用单片机控制系统来实现对它的控制。
第1章单片微型机概述
1.1单片机的简介
1.1.1单片机的发展
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机。
单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。
它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步。
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
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，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
1.1.2单片机的应用
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
1.1.3单片机的特点
单片机的特点：
（1）单片机集成度高，单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。
（2）系统结构简单，使用方便，实现模块化。
（3）单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障。
（4）处理功能强，速度快，控制功能强。
第2章模块电路设计
我所设计的是一个作息时间控制系统，作息时间控制系统用到的单片机芯片是AT89S51芯片，除此之外还包括：
晶振电路和复位电路构成单片机最小应用系统；还有独立式按键电路；实时时钟电路；数据存储电路，温度传感器电路，红外线电路；电机电路；动态显示电路；外部驱动电路等等；总体设计框图如图2-1所示。
图2-1总体设计框图
2.1单片机核心模块设计
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：
（1）PIC单片机。
（2）EMC单片机
（3）ATMEL单片机（51单片机）
（4）PHLIPIS51PLC系列单片机（51单片机）
（5）HOLTEK单片机：
（6）TI公司单片机（51单片机）：
经比较，最后我们决定选用ATMEL公司的AT89S51单片机，AT89S51是ATMEL公司生产的低功耗，高性能、高性价比的CMOS8位单片机，片内含4Kbytes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128×8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，在这里为方便计算我们选取晶振频率为12MHZ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R2100Ω、R110K，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。
单片机核心模块电路图如图2-2所示。
图2-2单片机核心模块电路（电源电路，时钟振荡源电路，复位电路）
2.2键盘模块设计
2.2.1键盘电路的选择
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。
键盘模块电路图如图2-3所示。
图2-3键盘模块电路
2.3实时时钟模块设计
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。
PCF8563有16个８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400KHzI2C总线接口。
PCF8563寄存器结构如表2-1所示，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02H～08H用于时钟计数器（秒~年计数器），地址09H～0CH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，星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。
表2-1PCF8563寄存器结构
地址
寄存器名称
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
00H
控制/状态寄存器1
TEST
0
STOP
0
TTESTC
0
0
0
01H
控制/状态寄存器2
0
0
0
TI/TP
AF
TF
AIE
TIE
02H
秒寄存器
VL
00～59BCD码格式数
03H
分寄存器
-
00～59BCD码格式数
04H
时寄存器
-
00～23BCD码格式数
05H
日寄存器
-
00～31BCD码格式数
06H
星期寄存器
-
00～06BCD码格式数
07H
月/世纪寄存器
C
00～12BCD码格式数
08H
年寄存器
00～99BCD码格式数
09H
分钟报警寄存器
AE
00～59BCD码格式数
0AH
时钟报警寄存器
AE
00～23BCD码格式数
0BH
日报警寄存器
AE
00～31BCD码格式数
0CH
星期报警寄存器
AE
00～06BCD码格式数
0DH
CLKOUT频率寄存器
FE
－
－
－
－
－
FD1
FD0
0EH
定时控制寄存器
TE
-
-
-
-
-
TD1
TD0
0FH
定时器倒计时数值寄存器
定时器倒数计数数值
2.3.2模块电路设计
本模块电路比较简单，只需注意一个地方，那就是实时时钟芯片一般装有后备电池，以保证当断电时仍继续计时，这就需要考虑一个当断电时电流反灌而损坏电源的问题，还有就是当从断电状态进入上电电压的瞬时上升会造成电池寿命的缩短，因此我们在电源和地之间需加一二极管和缓冲电容，二极管的选取只须考虑最大正向整流电流和最大反向电压，在这里们选取4148，而缓冲电容则选取0.047F。
而晶振必须选取32.768KHZ，在晶振和地之间须串联一耦合电容，耦合电容只须小于35P就可以了，在这里我们先取18P。
其电路图如图2-4所示。
图2-4实时时钟模块电路
2.4数据存储模块设计
2.4.1核心器件选择
本模块的设计是为了增加在线调整作息时间，以更适应现实生活中的需要。
而数据存储芯片，我们采用非掉电易失的串行EEPROM芯片进行存储。
串行EEPROM中，较为典型的有ATMEL公司的AT24CXX系列以及该公司生产的AT93CXX系列。
AT24CXX系列的串行电可改写及可编程只读存储器EEPROM有10种型号，其中典型的型号有AT24C01A/02/04/08/16等5种。
这个系列一般用于低电压，低功耗的工业和商业用途，并且可以组成优化的系统。
信息存取采用2线串行接口。
这里我们选择AT24C02芯片。
AT24C02有地址线A0～A2，串行时钟引脚SDA，串行时钟输入引脚SCL，写保护引脚WP等引脚。
很明显，其引脚较少，对组成的应用系统可以减少布线，提高可靠性。
2.4.2模块电路设计
本模块电路简单，只须将三地址端和写保护接地就可以了。
其电路图如图2-5所示。
图2-5数据存储模块电路
2.5温度传感器模块设计
2.5.1核心器件选择
allas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过
升级会员 