多功能数字钟.docx
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多功能数字钟
HEFEIUNIVERSITY
计算机控制技术课程设计
设计项目多功能数字钟
专业班级08级自动化2班
指导老师储忠
姓 名郑冰环马鑫张锦
完成时间2011年6月24日
一、设计任务书
设计
题目
多功能数字钟的设计
设计
类型
工程设计类
导师姓名
储忠
胡晨曦
主
要
内
容
及
目
标
1、能够显示并设定时间；（通过LCD12864显示）（遥控修改）（存储记忆时间，即断电后存储断电前的时间，再上电后继续计时，不必从初始化时刻计时）
2、具有闹钟功能；（采用MCU内部定时器作为时钟，每次读取时间后与设置时间对比后决定是否闹铃）（闹铃采用凌阳单片机语音报警）
3、能够检测并显示周围环境的温度；（温度传感器DS18B20）
4、能够设定温度的上限和下限值，当周围温度超出设定的温度范围时自动报警。
（每次读取温度后与设置温度报警值对比，满足则报警）
具有
的
设
计
条
件
AT89S52单片机，
4×4矩阵式键盘，
LCD1602显示器
蜂鸣器等。
（AVRmega16--------1
凌阳SPEC061A---1
LCD12864----------1
红外遥控器--------1
红外接收头--------1
DS18B20-----------1
nRF24l01-----------2）
计
划
学
生
数
及
任
务
学生数：
3人
（1）明确课题对程序功能。
（2）把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图。
（3）编制程序，根据流程图精心选择合适的指令和寻址方式来编制源程序
（4）对程序进行汇编，调试和修改，直到程序运行结果正确为止。
提交设计报告书（应包括设计思想、硬件设计电路图、软件设计流程、设计心得，并附设计软件）
计
划
设
计
进
程
（按课程设计周计算）
第一周设计任务：
（1）明确课题对程序功能，运算精度等方面的要求及硬件条件；
（2）把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图；
第二周设计任务：
（3）编制程序，根据流程图精心选择合适的指令来编制源程序；
（4）对程序进行编译，调试和修改，直到程序运行结果正确为止。
二、任务书分析
本设计题目为多功能数字钟，除了要具有数字钟计时、闹铃的功能外，还要具有温度显示与报警的功能。
因此根据要求我们准备采用AVRmega16单片机做主要器件，配备LCD12864、DS18B20、nRF24l01、红外遥控器、红外接收头、凌阳SPEC061A等器件。
其中AVRmega16做时间设定、显示、中断控制等主控制模块；LCD12864做显示；nRF24l01与红外接收头做无线、红外传送接收；红外遥控器通过红外接收器来对时间、温度等进行设置；DS18B20为温度传感器，检测到温度后向AVRmega16发中断请求，然后再显示到显示屏上；凌阳SPEC061A主要做语音模块，对时间、温度和报警、闹铃等进行语音播放。
三、硬件介绍
1、显示模块---LCM12864ZK
我们组使用的是LCM12864ZK，如图所示：
1.1功能特点
1、LCM12864ZK显示内容128x64点阵，点大小0.50x0.50mm2，点间距0.05mm；
2、内带8000GB中文汉字字库液晶显示模块，4位∕8位并行、2线∕3线串行两用接口；
3、显示类型：
STN黄绿模式，6:
00视角，正向显示；STN蓝模式（蓝底白字），6:
00视角，负向显示；FSTN黑白模式（白底黑字，蓝底黑字），6:
00视角，正向显示；
4、工作电压：
3V或5V，不含背光工作电流：
3V/1.2mA、5V/2mA；
5、工作温度：
-20℃~70℃，储存温度：
-30℃~80℃；
6、控制器ST7920，芯片封装COB；
7、LED背光：
黄绿、蓝、白背光。
液晶显示器件与LED相比，具有工作电压低、功耗低、显示信息量大、寿命长等优点。
因此，在移动通信、仪器仪表、电子设备和家用电器等方面有着日益广泛的应用。
LCM12864ZK是北京青云创新科技发展有限公司推出的带中文字库图形的液晶显示模块，其功能较强、控制简单。
1.2模块引脚定义和用户指令
1.2.1引脚定义：
引脚定义见表1：
1.2.2用户指令：
LCM12864ZK的指令集包括基本指令集（RE=0）和扩充指令集（RE=1）两大类，用户可以通过这些命令使模块执行相应的显示或控制功能。
下面简要介绍部分常用的操作命令：
（1）设定DDRAM（DisplayDataRAM）地址：
设定DDRAM地址到地址计数器（AC），第一行AC范围为80H～87H，第二行地址范围为88H～8FH，第三行AC范围为90H～97H，第四行地址范围为98H～9FH。
（2）进入点设定：
在数据的读取与写入时，指定光标的移动方向及显示的位移。
I∕D：
位地址上计数器递增递减选择。
当I∕D=1时，光标右移，DDRAM的位地址计数器+1；当I∕D=0时，光标左移，DDRAM的位地址计数器-1。
S：
显示画面整体位移。
（3）清除显示：
（4）功能设定：
DL=1，为8bMPU控制界面；DL=0，为4bMPU控制界面；RE=1，为扩充指令集；RE=0为基本指令集。
（5）写入资料到RAM：
写入数据到内部RAM，写入后会使AC改变。
（6）读取忙碌标志（BF）和地址计数器：
读取忙碌标志（BF）可以确认内部动作是否完成，同时可以读出地址计数器（AC）的值。
1.3接口方式与时序
LCM12864ZK具有串∕并行多种接口方式，易与各种型号单片机、微处理器连接。
1.3.1并行接口数据传输：
当LCM12864ZK的PSB脚接高电平时（或模块背面S/P的短路电阻在“P”侧），模块将进入并行传输模式。
在并行传输模式下，可由指令位（DLFLAG）来选择8位或4位接口方式，主控制系统将配合“RS”，“RW”，“E”，D0～D7来完成指令∕数据的传送。
在4位传输模式中，每一个8位的指令或数据都将被分为两组：
较高4位（D7～D4）的数据会被放在第一组的D7～D4部分，而较低4位（D3～D0）的数据则会被放在第二组的D7～D4部分，在4位传输模式中，D3～D0界面未使用。
1.3.2串行接口数据传输：
当PSB脚接低电平时（或模块背面S∕P的短路电阻在“S”侧），模块将进入串行接口模式。
在串行模式下将使用2条线作串行数据的传输，主控系统将配合传输同步时钟线（SCLK）和接收串行数据线（SID）来完成串行传输的动作。
当片选CS为高电位时，同步时钟线（SCLK）输入的讯号才会被接收，否则数据传输将被终止，并且将待传输的串行数据计数重设为第一位。
LCM12864ZK还允许同时接人多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。
此时，要利用片选端CS构成3线串行接口方式。
通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，模块片选脚CS可固定接高电平。
LCM12864ZK模块的串行工作时序如下所述：
单片机与液晶模块之间传送1字节的数据共需24个时钟脉冲。
首先传输起始字节，即模块在起始字节需先接收到5个连续的“1”（同步位字符串），此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步，紧接着的2个位字符串分别指定数据传输方向（读或写）位“RW”以及数据寄存器或指令寄存器选择位“RS”，最后的第8位固定为“0”。
在接收到同步位及“RW”和“RS”起始字节后，每个8位指令将被分为2个字节接收，其中较高4位（D7～D4）的指令会被放在第1个字节的高4位，而较低4位（D3～D0）的指令则会被放在第2个字节的高4位，至于相关其他4位则都为0，如此完成一个字节指令或数据的传送。
1.4字符显示及模块说明
1.4.1字符显示：
LCM12864ZK按照每个中文字符16×16点阵将显示屏分为4行8列，共32个区，每个区可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符。
LCM12864ZK内部提供128×2B的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。
字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。
根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库），HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字型）的内容。
三种不同字符∕字型的编码选择范围为：
0000～0006H显示自定义字型；02H～7FH显示半宽ASCII码字符；A1AOH～F7FFH显示8192种GB2312中文字库字型。
1.4.2模块使用说明：
使用LCM12864ZK显示模块时，应注意以下几点：
（1）引脚RST和PSB可悬空，不接时，为并行接口方式：
引脚VR和V0之间必须接可变电阻（2.2～10kΩ），该可变电阻一端接VR，调整端接V0，另一端悬空。
（2）模块在接收指令前，单片机必须先确认模块内部处于非忙状态，即读取BF标志时BF为“0”，方可接受新的指令。
如果在送出一个指令前不检查BF标志，则在前一个指令和该指令中间必须延迟一段较长的时间，即等待前一个指令确定执行完成。
（3）RE为基本指令集与扩充指令集的选择控制位。
当变更RE后，以后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更RE位，否则使用相同指令集时，无需每次均重设RE位。
（4）串行传输时，如果有多个数据或指令要传送，必须要等到一个指令执行完毕后再传送下一个指令或数据，否则会造成指令或数据的丢失。
这是因为液晶模块内部没有发送∕接收缓冲区。
（5）若要在某一个位置显示中文字符，应先设定显示字符的位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。
2、红外传输模块
2.1功能描述
红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
在这个实验中，我们采用红外线遥控器和一体化红外接收头来进行红外遥控键值解码，分为三个功能模块，分别描述如下：
单片机系统：
利用AVRmega16单片机与一体化红外接收器组成红外接收电路。
外围电路：
红外接收电路、串口电平转换电路。
软件程序：
编写软件，实现接收并识别红外遥控器按键键值的程序。
2.2器件和原理
2.2.1红外遥控的基本知识：
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。
应用编、解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如下图所示。
发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
2.2.2遥控发射器及其编码：
遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理（一般家庭用的DVD、VCD、音响都使用这种编码方式）。
当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。
这种遥控码具有以下特征：
采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如下图所示。
图中遥控码的“0”和“1”（注：
所有波形为接收端的与发射相反）。
上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。
然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如下图所示。
UPD6121G产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。
该芯片的用户识别码固定为十六进制01H；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。
UPD6121G最多有128种不同组合的编码。
遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。
一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间，下图为发射波形图。
当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这108ms发射代码由一个引导码（9ms），一个结果码（4.5ms），低8位地址码（9ms~18ms），高8位地址码（9ms~18ms），8位数据码（9ms~18ms）和这8位数据的反码（9ms~18ms）组成。
如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.25ms）组成。
2.2.3遥控信号接收：
接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接组件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
接收器对外只有3个引脚：
OUT、GND、VCC。
与单片机接口非常方便，如下图所示：
图中引脚功能作用：
①脉冲信号输出接，直接接单片机的IO口；
②GND接系统的地线（0V）；
③VCC接系统的电源正极（+5V）。
3、设置时间及温度
我们通过万能遥控器向红外接收模块发送数据，该数据经单片机处理后，就可以直接显示在显示屏上，lcm12864zk有并行8位、并行4位和串行三种控制方式，为了节省微处理器的I/O口，程序采用串行方式，其硬件电路简单，功能较强，控制方便。
液晶模块的菜单显示方法对文字等信息进行直观显示是液晶模块的重要功能和优点之一。
液晶模块的菜单显示应尽量与普通微机上的菜单结构保持一致，即呈树形拓扑结构，以适应操作人员的操作习惯，我们的液晶模块的菜单显示是在红外遥控的配合下实现的。
万能遥控器键盘设置有“确定”、“选择”、“取消”、“上翻”、“下翻”等按键，通过这几个按键操作菜单显示程序和命令执行程序。
其按键响应及菜单显示流程如图所示：
该图中，箭头表示按下“确定”键后屏幕上将显示下一级菜单；按下“上翻”、“下翻”键，闪烁光标将在同一级菜单的各个菜单项间移动，以表示当前选中的菜单。
一般使用万能遥控器上的三个键就可以设置温度和时间上下阀值，其中一个键用于选择参数（温度和时间），每按一次遥控器，当有遥控键值发送的时候，红外一体化接收器的脉冲信号输出脚发生一个下降沿的电平变化，外部中断采用下降沿出发的方式接收到由外部中断事件发生，程序进入外部中断处理函数，首先关闭外部中断，然后根据一体化接收器脉冲信号输出引脚的高低电平变化时间判断红外遥控发送的数据，共有4个字节的数据，处理完这4个字节数据后，利用单片机的串口将数据发送到计算机。
向红外接收模块发送的一系列方波转化为有用信号后经单片机处理后显示在显示屏上，另外两个键用于加减操作。
这样就可以实现时间和温度的设置了。
4、nRF24L01----无线射频收发器
4.1概述
nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：
频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
具有以下特性：
真正的GFSK单收发芯片、内置链路层、增强型ShockBurstTM、自动应答及自动重发功能、地址及CRC检验功能、数据传输率1或2Mbps、SPI接口数据速率0~8Mbps、125个可选工作频道、很短的频道切换时间、与nRF24XX系列完全兼容、可接受5V电平的输入、20脚QFN44mm封装、极低的晶振要求60ppm、低成本电感和双面PCB板、工作电压1.9~3.6V。
主要应用于无线鼠标、键盘、游戏机操纵杆，无线门禁，无线数据通讯，安防系统，遥控装置，遥感勘测，智能运动设备，工业传感器，玩具等方面。
4.2芯片介绍
4.2.1结构框图
4.2.2引脚及功能
4.2.3功能描述
（1）nRF24L01可以设置以下几种工作模式：
待机模式：
待机模式I在保证快速启动的同时减少系统平均消耗电流。
在待机模式I下，晶振正常工作。
在待机模式II下部分时钟缓冲器处在工作模式。
当发送端TXFIFO寄存器为空并且CE为高电平时进入待机模式II。
在待机模式期间，寄存器配置字内容保持不变。
掉电模式：
在掉电模式下，nRF24L01各功能关闭，保持电流消耗最小。
进入掉电模式后，nRF24L01停止工作，但寄存器内容保持不变。
（2）nRF24L01有两种数据包处理方式：
ShockBurstTM（与nRF2401，nRF24E1，nRF2402，nRF24E2，数据传输率为1Mbps时相同），增强型ShockBurstTM模式。
ShockBurstTM模式：
ShockBurst模式下，nRF24L01可以与成本较低的低速MCU相连，高速信号处理是由芯片内部的射频协议处理的，nRF24L01提供SPI接口，数据率取决于单片机本身接口速度。
ShockBurst模式通过允许与单片机低速通信而无线部分高速通信，减小了通信的平均消耗电流。
在ShockBurstTM接收模式，下当接收到有效的地址和数据时IRQ通知MCU，随后MCU可将接收到的数据从RXFIFO寄存器中读出。
在ShockBurstTM发送模式下，nRF24L01自动生成前导码及CRC校验，数据发送完毕后IRQ通知MCU，减少了MCU的查询时间，也就意味着减少了MCU的工作量同时减少了软件的开发时间。
nRF24L0内部有三个不同的RXFIFO寄存器（6个通道共享此寄存器）和三个不同的TXFIFO寄存器。
在掉电模式下、待机模式下和数据传输的过程中MCU可以随时访问FIFO寄存器。
这就允许SPI接口可以以低速进行数据传送，并且可以应用于MCU硬件上没有SPI接口的情况下。
增强型的ShockBurstTM模式：
增强型ShockBurstTM模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。
典型的双向链接为：
发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失。
一旦数据丢失则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。
增强型的ShockBurstTM模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。
（3）中断：
nRF24L01的中断引脚IRQ为低电平触发，当状态寄存器中TX_DS、RX_DR或MAX_RT为高时触发中断。
当MCU给中断源写‘1’时，中断引脚被禁止。
可屏蔽中断可以被IRQ中断屏蔽。
通过设置可屏蔽中断位为高，则中断响应被禁止。
默认状态下所有的中断源是被禁止的。
（4）SPI时序：
SPI读操作：
SPI写操作：
SPINOP操作：
5、凌阳SPEC061A
5.1总述
SPCE061A是继µ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。
较高的处理速度使µ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此，与SPCE500A相比，以µ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。
5.2功能
SPCE061A具有以下功能：
16位µ’nSP™微处理器；工作电压（CPU）VDD为2.4~3.6V（I/O）VDDH为2.4~5.5V；CPU时钟：
0.32MHz~49.152MHz；内置2K字SRAM；内置32KFLASH；可编程音频处理；晶体振荡器；系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2µA@3.6V。
2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；2个10位DAC（数-模转换）输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A/B时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模---数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；声音模---数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；具备串行设备接口；具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog（看门狗）功能。
5.3引脚图
SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如下图1所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装形式，它的排列如下图2所示。
图1
图2
在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。
在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。
5.4语音模块
在本系统中，我们只用到了凌阳SPCE061A单片机的语音模块，下面介绍有关内容。
5.4.1音频压缩算法的标准编码范围
下表是不同音频质量等级的编码技术标准（频响）：
凌阳音频压缩算法处理的语音信号的范围是200Hz－3.4KHz的电话话音。
5.4.2压缩分类
凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种：
SACM-A2000：
压缩比为8:
1，8:
1.25，8:
1.5；
SACM-S480：
压缩比为80:
3，80:
4.5；
SACM-S240：
压缩比为80:
1.5；
按音质排序：
A2000>S480>S240。
5.4.3常用的音频形式和压缩算法
波形编码：
sub-band即SACM-A2000。
特点：
高质量、高码率，适于高保真语音、音乐。
参数编码：
声码器（vocoder）模型表达，抽取参数与激励信号进行编码。
SACM-S240。
特点：
压缩比大，计算量大，音质不高，廉价。
混合编码：
CELP即SACM-S480。
特点：
综合参数和波形编码之优点。
除此之外，还具有FM音乐合成方式即SACM-MS01。
5.4.4常用的应用程序接口API的功能介绍及应用
下表所列出的是凌阳音频的几种算法：
对于语音处理大致可以分为A/D、编码处理、存储、解码处理以及D/A等，凌阳提供了SACM-LIB，该库将A/D、编码、解码、存储及D/A作成相应的模块，对于每个模块都有其应用程序接口API，只需了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容，然后调用该API函数即可实现该功能。
SACM-LIB目前主要有sacmv25.lib、sacmv26e.lib、sacmv32.lib等几种。
单片机对语音的一般处理过程如下：
在本系统中，将凌阳SPCE061A单片机的I/O口与nRF24L01的数据端口连接，nRF24L01接收到数据后向单片机发送中断请求，单片机响应中断，将数据写入，并通过调制解调音频后通过喇叭播放语音，即实现了语音播报功能。
在凌阳SPCE061A中，自带有字库，我们只需在程序中调用字库函数就可以将想要说的字播出。
6、单线数字温度传感器---DS18B20
6.1总述
Dallas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。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的“
升级会员 