多功能电子保姆机的设计与实现项目可行性研究报告文档格式.docx
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（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引脚图
其引脚功能如表3.1所示。
表3.1ATmega128引脚功能说明
VCC
电源
GND
地
端口A、B、C、D、E
端口A、B、C、D、E都为8位的双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。
复位发生时端口A、B、C、D、E为三态。
端口F
端口F为ADC的模拟输入引脚。
如果不作为ADC的模拟输入，端口F可作为8位的双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
复位发生时端口F为三态。
如果使能了JTAG接口，则复位发生时引脚PF7（TDI）、PF5（TMS）和PF4（TCK）的上拉电阻使能。
端口G
PG0～PG4
端口G为5位的双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
作为输出使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。
复位发生时端口G为三态。
RESET
复位输入引脚。
超过最小门限时间的低电平将引起系统复位，
XTAL1
反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。
XTAL2
反向振荡器放大器的输出。
AVCC
AVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与Vcc相连接，即使没有使用ADC也应该如此。
使用ADC时应该通过一个低通滤波器与Vcc连接。
AREF
AREF为ADC的模拟基准输入引脚。
PEN
PEN是SPI串行下载的使能引脚。
在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入下载模式。
在正常工作过程中PEN引脚没有其它功能。
3.1.2实时时钟芯片
3.1.2.1实时时钟芯片选择
常用的实时时钟芯片有串行和并行两种类型，其中串行接口的时钟芯片包括I2C接口和三线接口。
常见的串行接口时钟芯片有Phlilps的PCF8563、PCF8583，EPSON的RX8025、MAXIM-DALLAS的DS1305、DS1302、DS1307，美国Xicor公司的X1203等；
并行接口的有MAXIM-DALLASDS12C887系列、DS12887等。
每种芯片的主要时钟功能基本相同，只是在引脚数量、备用电池的安装方式、计时精度和扩展功能等方面略有不同。
对时间精度要求很高的情况下，典型的时钟芯片有：
DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度要求。
考虑到DS1302芯片读写靠时序控制且具有写保护位，抗干扰效果好，日历及RAM中的数据不再改变，同时体积小，联机少，外围只有一个32768Hz晶振[5]。
所以本设计选用实时时钟芯片DS1302。
3.1.2.2时钟芯片DS1302简介
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用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，仅需三根I/O线:
复位RST、I/O数据线、串行时钟SCLK。
时钟内部RAM的读/写数据以一字节或多达31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，功耗小于1mw[6]。
3.1.2.3DS1302引脚功能
DS1302芯片引脚如图3.2所示：
图3.2DS1302芯片引脚图
其引脚功能如表3.2所示。
表3.2DS1302引脚功能说明
引脚号
名称
功能
1
VCC2
主电源
2、3
X1、X2
接32.768KHz晶振
4
GND
5
RST
复位
6
I/O
数据输入/输出
7
SCLK
串行时钟
8
VCC1
后备电源输入
3.1.2.4DS1302内部结构及工作原理
DS1302的内部结构如图3.3所示：
图3.3DS1302内部结构图
DS1302内部结构包括：
移位寄存器、命令和控制逻辑、振荡器、实时时钟和RAM。
为了初始化任何数据传送。
通过把RST输入驱至高电平来启动所有的数据传送。
RST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提供了单字节或多字节数据传送的手段。
时钟SCLK是上升沿后继以下降沿的序列。
数据输入时，在时钟的上升沿前必须有效，而数据位在时钟的下降沿之后输出。
如果RST输入为低电平，则I/O引脚变为高阻状态，中止数据传送[7]。
3.1.2.5DS1302寄存器和控制命令及读写时序
对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作，DS1302内部共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。
此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器以外的寄存器。
日历、时间寄存器及控制字如表3.3所示，内部寄存器列表如表3.4所示。
DS1302内部的RAM分为两类：
一类是单个RAM单元，共31个，每个单元为一个8位的字节，其命令控制字为C0H-FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；
另一类为突发方式下的RAM，可一次性读写所有的RAM的31个字节。
命令控制字分别为FEH（写）、FFH（读）。
表3.3日历、时钟寄存器与控制字的对照表
寄存器名称
3
2
RAM/CK
A4
A3
A2
A1
A0
RD/W
秒寄存器
分寄存器
小时寄存器
日寄存器
月寄存器
星期寄存器
年寄存器
写保护寄存器
慢充电寄存器
时钟突发寄存器
注：
最后一位RD/W为“0”时表示进行写操作，为“1”时表示读操作。
表3.4DS1302内部主要寄存器分布表
命令字
取值
范围
各位内容
写
读
80H
81H
00-59
CH
10SEC
SEC
82H
83H
10MIN
MIN
84H
85H
01-12或00-23
12/
24
A
HR
日期寄存器
86H
87H
01-28,29，30,31
10DATE
DATE
月份寄存器
88H
89H
01-12
10M
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01-07
DAY
年份寄存器
8CH
8DH
00-99
10YEAR
YEAR
单片机是通过简单的同步串行接口与DS1302通讯的，每次通讯都必须由单片机发起，无论是读还是写操作，单片机都必须先向DS1302写入一个命令字。
这个命令字的格式如表3.3所示。
最高位BIT7固定为1,BIT6决定操作是针对RAM还是时钟寄存器，接着的5个BIT是RAM或时钟寄存器在DS1302的内部地址，最后一个BIT表示这次操作是读操作或是写操作。
图3.4DS1302数据读/写时序
物理上，DS1302的通讯接口由3个接口线组成，即RST、SCLK、I/0。
其中，RST从低电平变成高电平，启动一次数据传输过程，SCLK是时钟线，I/O是数据线。
具体的读写时序如图3.4所示。
3.1.3温度传感器
3.1.3.1温度传感器选择
温度测量在实际的生产、生活中具有十分重要的意义。
温度作为一种最基本的环境条件参数，与工业、农业、养殖业的生产以及医学乃至人们的日常生活都是紧密相关的。
大多单片机接口输入的信号是数字信号，或有带A/D转换的高端单片机也可以输入模拟信号。
由单片机获取非电信号的温度信息，必须通过温度传感器。
传统的温度测量多以热敏电阻作为温度传感器，但是，热敏电阻的可靠性较差、测量温度精度低，而且还需经A/D转换成数字信号后才能由单片机进行处理。
因此，使用数字温度传感器可简化硬件设计，方便单片机读取数据、节约成本。
本设计选用一种基于“一线式”技术的数字温度传感器DS18B20，此温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，接口几乎不需要外围组件，硬件电路结构简单，传输距离远，可以很方便的实现多点测量。
3.1.3.2DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
它具有以下8种特性:
（1）独特的单线接口方式:
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）在使用中不需要任何外围组件；
（3）可用数据线供电,电压范围:
+3.0V～+5.5V；
（4）测温范围:
-550C～+1250C；
（5）通过编程可实现9～12位的数字符读数方式；
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值；
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的总线上,实现多点测温；
（8）负压特性，电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作[8]。
3.1.3.3DS18B20引脚功能
DS18B20的引脚分布如图3.5所示：
图3.5DS18B20引脚分布
引脚功能描述如表3.5所示。
表3.5DS18B20引脚功能
引脚功能描述
地信号
DQ
数据输入/输出引脚；
开漏单总线接口引脚；
当被用在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
VDD
可选择的VDD引脚；
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
3.1.3.4DS18B20内部结构
DS18B20的内部结构如图3.6示。
图3.6DS18B20内部结构图
DS18B20主要由4部分组成：
配置寄存器主要用于确定温度转换的分辨率、ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它是该DS18B20的地址识别码，每个DS18B20的64位识别码不相同。
这样就可以实现1根总线上挂接多个DS18B20的目的，温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值。
高速缓存器内有八个字节，从低到高分别是温度低字节、温度高字节、上限报警温度TH、下限报警温度TL、结构寄存器、三个保留字节。
DS18B20的温度数据用高低两个字节的补码来表示如图3.7所示（以12位转换为例）。
S为符号位，S=1时表示温度为负，S=0时表示温度为正。
图3.7DS18B20温度数据字节表示
3.1.3.5DS18B20工作过程
由于DS18B20单总线通信功能是分时完成的，它有严格的时序概念，因此读写时序很重要。
主机对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
由于DS18B20是一个典型的单总线传感器，其命令序列如下：
第一步：
初始化；
第一步
升级会员 