多功能电子保姆机的设计与实现项目可行性研究报告Word文档下载推荐.docx

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第一章引言

1.1多功能电子保姆机研究的背景及意义

随着电子技术产业结构的调整，生产工艺的飞速发展，人们生活水平不断提高，家用电器逐渐普及，市场对智能控制系统的需求也越来越大。

人们都希望拥有一台多功能的电子保姆机，来自动地完成一些家务或自动控制家用电器。

电子保姆机自动控制家用电器就是在无人操控的环境下，家用电器能够在设定的时间内工作。

炎热的夏天，人们就想在未回家时空调工作，室内保持凉爽。

如果一直开着空调，这样会十分浪费电。

若有了多功能电子保姆机，就可以根据个人要求使空调在设定的时间内工作。

家用电器定时控制功能实现的前提是准确的知道当前时间，在日常生活中时间对人们来说是相当宝贵的，学生上课得按时，工人上班得准时，和别人约会或召开会议得守时，火车到达得准点，航班起飞得准点；

工业生产中，很多环节都需要用时间来确定工序替换时刻。

然而，生活节奏的加快，工作的忙碌和繁杂容易使人们忘记当前时间。

但是，当遇到重大事情的时候，一旦忘记时间，就会给自己或他人造成很大麻烦，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。

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时钟相比。

随着电子产品的发展，在现代社会中，电子钟已成为人们日常生活中的必需品。

电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时间精确、体积小、接口良好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。

由于电子钟具有可扩展性，所以可在电子钟的基础上增加一些性能，便能够实现多功能电子保姆机的主要功能——家用电器定时控制。

此外，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、热水器温度的显示等等。

医药卫生、工农业、化工生产上也有很多场合需要测量环境温度。

鉴于温度对人们生活的重要性，多功能电子保姆机也应具有环境温度检测显示及温度越限报警功能。

1.2多功能电子保姆机功能

以Atmega128单片机为核心部件，以实时时钟芯片，数字化温度传感器和家用电器控制电路为外围电路设计出的多功能电子保姆机具有以下功能：

（1）家用电器定时开关机控制功能；

（2）时间显示和手动校对功能，24小时制；

（3）年、月、日显示和手动校对功能；

（4）室内温度检测及显示功能；

（5）闹铃功能；

（6）温度越限报警功能；

（7）时间、日历、室内温度切换显示功能；

（8）掉电后无需重新设置时间和日期功能。

第二章多功能电子保姆机设计方案选择

为了实现多功能电子保姆机的主要功能——家用电器定时开关机控制，该电子保姆机必须具有能够提供时间的电子钟部分，电子钟既可以通过纯硬件电路实现，也可以通过软硬件相结合实现，根据电子钟的核心部分——秒信号的产生原理，通常有以下几种设计方案。

2.1555定时器方案

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5KΩ的电阻而得名。

目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。

它们的结构和工作原理基本相同。

通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。

555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。

双极型定时器的电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；

CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下[1]。

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能够方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具、定时器、脉冲信号发生器等许多领域中得到了应用[2]。

采用555定时器产生秒脉冲信号，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。

采用555定时器设计电子时钟，成本低，容易实现。

但是受芯片引脚数量和功能限制，不容易实现电子时钟的多功能性。

2.2FPGA方案

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray（现场可编程门阵列）的缩写。

它属于半制定的ASIC产品。

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的出现使传统的电子器件和传统的电路设计受到了巨大的挑战。

一片FPGA可以替代几十片，甚至上百片数字集成电路。

FPGA内部包括可编程逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和互连资源（InterconnectResource）三个部分。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。

这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活。

同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。

FPGA在通信、数据处理、网络、仪器仪表、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。

随着功耗和成本的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域。

通过一种标准化的硬件描述语言---VHDL语言编写代码，然后用仿真器验证其功能，再将设计代码综合成门级电路，最后下载到可编程逻辑器件FPGA中即可实现电子钟的设计。

2.3单片机设计方案

单片机是在通用微机中央处理器的基础上，将输入/输出接口电路、时钟电路以及一定容量的内存等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器。

单片机主要面向工业控制，除了具有通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有较灵活、强大的控制功能，以便实时的检测系统的输入量，控制系统的输出量，从而实现自动控制功能。

其特点有：

（1）抗干扰性强，工作温度范围宽；

（2）可靠性高；

（3）电磁辐射量小；

（4）控制功能很强，但数值计算能力较差；

（5）指令系统比通用微机的指令系统简单；

（6）单片机芯片往往不是单一的数字电路芯片，而是数字、模拟混合电路系统，即单片机芯片内常常集成了一定数量的模拟比较器、A/D及D/A转换电路；

（7）采用嵌入式结构。

尽管同一系列的单片机品种、规格繁多，但彼此差异却不大。

随着人们对智能化设备的要求越来越高，各种智能设备发展越来越快，单片机作为当前应用广泛的嵌入式系统的核心部分之一，在工业、教育、日用生活等诸多领域得到了广泛的应用。

例如，在冰箱、微波炉、洗衣机等家用电器中使用单片机控制系统，使它们更加智能地工作；

电话、传真、打印机中可使用单片机系统控制拨号、打印；

单片机可以在工业控制和机电一体化系统中作为核心部件。

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/计数器可方便地实现电子钟功能。

考虑到时钟的精度问题，还可以在单片机的基础上利用实时时钟芯片。

第三章多功能电子保姆机硬件设计

3.1主要芯片选择

3.1.1单片机

3.1.1.1单片机选择

自从1976年Intel公司推出MCS-48系列单片机以来，单片机技术得到了迅速的推广，已被广泛应用于自动测量、智能仪表、工业控制及家用电器各个方面。

AVR单片机是Atmel公司1997年推出的一种具有双总线结构的RISC（ReducedInstructionSetComputer的缩写，即精简指令系统计算机）单片机。

RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；

并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。

由于AVR采用了RISC的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。

传统的MCS-51系列单片机所有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序内存、数据存储器之间的数据转换就成了单片机的瓶颈；

在AVR单片机中，寄存器由32个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。

　　AVR单片机还支持Basic、C等高级语言编程。

采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。

对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植，并加快软件的开发过程。

AVR单片机具有多个系列，包括ATtiny、AT90、ATmega。

每个系列又包括多个产品，它们在功能和内存容量等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方法也相同[3]。

仅仅为了完成多功能电子保姆机的主要功能——家用电器定时开关机控制，应用AVR任意一款单片机完全可以实现。

若要实现时间/日历、温度显示，温度检测和温度越限报警功能，就需要更多的I/O端口，故本设计采用具有53个可编程I/O端口的ATmega128。

3.1.1.2ATmega128特点

ATmega128是目前AVR中配置最全、功能最强的一款。

它的引脚数最多（64个引脚），在片内集成了4K的SRAM、128K的Flash、4K的E2PROM，支持64K空间的外部并行扩展，其具体特点如下：

（1）高性能、低功耗的AVR8位微处理器；

（2）先进的RISC精简指令结构；

（3）非易失性的程序和数据存储器；

（4）JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）；

（5）外设特点

–实时计数器（RTC）,4个具有比较模式和PWM的定时器计数器（两个带预分频器和一种比较模式的8位定时/计数器、两个扩充的带预分频器和比较模式捕获模式的16位定时/计数器）；

–两个USART、一个两线（（I2C）串行接口、一个8通道10位具有可选增益差分输入的A/D转换器、一个SPI口、片内模拟比较器、一个带内部振荡器的可编程看门狗定时器；

（6）特殊的处理器特点

–上电复位和可编程的低电压检测，内部可校准的RC振荡器，外部和内部中断源，可软件选择时钟频率，全局上拉禁止；

–6种可通过软件选择的省电模式；

（7）I/O和封装

–53个可编程的I/O脚；

–64引脚TQFP封装与64引脚MLF封装；

（8）工作电压：

4.5～5.5V；

（9）速度等级：

0～16MHz[4]。

3.1.1.3ATmega128引脚配置

ATmega128的引脚图如图3.1所示。

图3.1ATmega128引