基于LCD1602的电子时钟和温度计的设计.docx

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基于LCD1602的电子时钟和温度计的设计

基于LCD1602的电子时钟和温度计的设计

第一章绪论

1.1开发背景及研究意义

1.1.1LCD数字温度计的研究背景及研究意义

1、研究背景

随着新技术的开发和不断运用,今年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到各个行业。

传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。

2、研究意义

温度是工业对象中的一个重要的被控参数，然而所采集的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不同。

因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不同。

传统的控制方式已经不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表、温度接触器，其主要缺点是温度波动范围太大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。

近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：

PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。

这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

本设计使用AVR单片机作为核心进行控制。

AVR单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，质量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方法方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

1.1.2LCD电子钟电路的研究背景及研究意义

1、研究背景

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

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想和设计方法。

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。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

2、研究意义

数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒，数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭、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。

1.2研究进展及成果

1.2.1LCD数字温度计的研究进展及成果

1、LCD数字温度计的研究进展

虽然LCD数字温度计在低功耗及高性能方面取得了很大的进展，温度控制系统在国内各个行业的应用已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来看，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

成熟的温度产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器位主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。

2、LCD数字温度计的成果

由于数字温度计的广泛应用，给人们的生活带来了诸多方便，并为国内生产厂家带来丰富的经济效益。

LCD数字温度计已被用于：

冰箱、冰柜、冰库、食品展示柜、恒温箱、水槽、孵化器、海水养殖、冷气温度显示、热电偶双金属温度计等。

1.2.2LCD电子钟的研究进展及成果

1、电子钟的研究进展

近十年来随着数字技术的迅速发展，这种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。

现在的电子采用了石英技术，走时精度高、稳定性好、不需要经常调校，使用携带方便。

有些产品还具备了防水、耐磨、轻便等特点。

2、电子钟的成果

数字钟已成为人们日常生活中：

必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。

由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。

1.3课题来源与主要内容和技术参数

1.3.1课题来源

单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同一硅片的器件。

单片机发展迅速，各类产品不断涌现，出现了许多好性能新兴机种，现已成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。

由于生产工艺和设计能力的不断提高，单片机也在向着更高集成化、更多位多功能，更强化处理控制问题的能力、更快的运算速度、更廉价低功耗、更兼容开发和更好的软件固有化的方向发展。

单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断增加，功能不断加强，其应用领域也迅速扩大。

单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。

当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机（如MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计算机网络。

单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。

随着电子技术的飞速发展，电子控制器件不断向着小型化、智能化方向发展，同时可靠性不断提高，单片机由于具有集成度高、功能强、通用性好、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、使用方便灵活等特点，无论是在国防工业、通讯尖端技术领域，还是在智能仪器、民用电器中都使用的越来越多。

可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。

1.3.2课题的主要内容和技术参数

温度信息由温度传感器测量并转换成毫伏级的电压信号，经过信号放大电路将弱电压信号放大到单片机可以处理的范围内，输入到A/D转换器（ADC0809）转换成数字信号输入单片机。

在单片机中对信号进行采样。

为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。

此信号经过数字滤波、标度转换后，一方面通过LCD将温度显示出来；另一方面，将该温度值与设定值进行比较，根据其偏差值的大小按积分分离的PID控制算法得到的输出控制量。

根据输出控制量控制SSR固态继电器来控制电加热炉丝的通电时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而调节环境温度的变化，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。

导通时间长，输出功率大，温度升高快；导通时间短，输出功率小，温度升高慢。

电子钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。

这些都是数字电路中应用最广泛的基本电路。

石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波信号。

秒信号送入计数器进行计数，并把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。

“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现；“分”的显示电路与“秒”相同，“时”的显示由显示两级计数器和译码器组成的二十四进制电路来实现。

1.4主要工作和工作难点

1、设计基于串口的ISP下载线

串行下载线下载速度快且能够在线直接写入目标板上单片机，其主要工作如下：

1）确定监控芯片的型号，了解监控系统的作用，完善监控电路的设计。

2）考虑设计过程中是否要使用电平转换芯片，如何融合到本研究课题中，并查找有关电平转换芯片的型号和功能。

3）完成目标板的最小系统的设计，编写秒闪的程序，了解有哪些熔丝位，及各个熔丝位的作用，从而调节LED灯的闪烁的频率。

2、LCD数字温度计的主要工作

本课题的研究重点是设计一种基于ATmega16单片机的数字温度计控制系统。

利用数字温度传感器DS18B20来接收外部温度值，并进行相应转换。

主要工作如下所示：

1）温度测试范围-55℃—125℃。

2）精度误差小于1℃。

3）LCD液晶显示。

4）可以设定温度的上下限报警功能。

5）实现报警提示。

3、电子钟的主要工作

本课题利用DS1302时钟芯片来对年、月、日、周、时、分、秒来进行计时。

主要工作如下所示：

1）能够显示时、分、秒。

2）能够具有掉电保护功能。

3）能够对时间进行调节。

4、工作难点

虽然对51内核的单片机有一定了解，但是对AVR系列的单片机了解不深；关于AVR编程的软件第一次接触，不怎么会使用；市场上器材买家很多，如果购买少量器材的，商家不怎么肯出售；焊接工艺不成熟。

第二章系统的总体结构

2.1系统的总体设计方案

2.1.1设计总体设计思路

此设计即液晶屏上显示英文字母、时、分、秒、温度等，原理框图如图（2-1）所示，电路一般包括以下几个部分：

按键、单片机、温度传感器、时钟芯片及显示电路。

图2-1单片机实现显示时间和温度总框图

各部分简介：

1）为使时钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的，按键用来校正液晶上显示的时间。

2）单片机通过输出各种电脉冲信号来驱动控制各部分正常工作。

3）温度传感器用来显示当天的确定温度值。

4）单片机发送的信号经过显示电路通过译码最终在液晶上显示出来。

2.1.2方案论证

1、总体方案选择

方案一用EDA技术及VHDL语言控制来实现显示及测温度，且显示也可以用数码管，但是数码管屏幕有限不是很方便的显示很多的数据以及文字等。

对于VHDL语言也不够了解，故不采用此方案。

方案二用C语言编程来控制单片机，让它在液晶屏上显示数据及文字。

由于单片机结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点，以及液晶屏幕可以完整的显示数据及文字等内容，综合上述方案的选择与比较，选择方案二主要是由于电器元件的熟悉程度以及市场的供求关系。

在方案二中，大部分的电器元件我们较熟悉并且更容易获得。

2、单片机的选择

方案一用51内核系列的AT89S52单片机来控制实现温度和时间的控制。

AT89S52是一款低能耗、高性能的8位CMOS微处理器，芯片内部具有8K字节闪速存储器，允许在系统内改写或用常规非易失性存储器编程器编程。

芯片采用51系列指令集并与51系列单片机引脚兼容。

方案二用AVR系列的ATmega16单片机来控制实现温度和时间的控制。

ATmega16是AVR系列单片机中比较典型的芯片，不仅适合应用于产品设计，同时也方便初学入门。

其主要特点有：

宽电压、高速度、低功耗等。

ATmega16单片机具有在线编程功能，即在RESET引脚为低电平的情况下，利用PB5/MOSI（串行数据输入端），PB6/MISO（串行数据输出端），PB7/SCK（同步时钟信号输入端）三个引脚的数据设置或传送实现程序下载的功能。

通过一系列的比较得出以下结论：

AVR的指令系统比较精简，总线结构也与51内核不同，因此速度比51内核更快。

其次，如果说性能的话，至少是ARM更优。

因为ARM是32位处理器，频率可达百兆赫兹，速度和处理能力远远优于AVR和51。

但是就性价比而言，还是AVR系列的单片机更优。

2.1.3功能介绍

本次设计主要用单片机控制程序让它在液晶上显示时、分、秒，同时用DS18B20温度传感器来接收外面的信号，通过相应的处理，传送给单片机，并通过单片机的控制，让它在液晶上显示所测得的温度。

时、分、秒的计数结果经过数据处理可直接送显示器显示。

当计时发生误差的时候可以用校时电路进行校正。

时计数器计满24小时后自动复位，分计数器计满60分后自动向时计数器进一，秒计数器计满60秒后自动向分计数器进一。

设计采用的是时、分、秒以及温度同时显示。

2.2设计思路步骤

2.2.1下载线部分的设计

图2-2下载线设计框图

如上图（图2-2）所示，在基于串口的AVR单片机串行下载线系统正常工作时，程序可以通过串口，经MAX232电平转换电路把电平转换成适合Attiny2313的监控芯片正常工作的电压，传送到监控芯片中，监控芯片对接收到的数据进行分析，再通过输出口传送到目标板上，从而完成和上位机的通信并实现对目标板上的AVR单片机编程。

2.2.2LCD电子时钟系统的设计

如图（2-3）所示，当输入口接收到下载线传来的编程命令和数据后，传送给AVR单片机，AVR单片机通过相应的程序控制着蜂鸣器电路、晶振电路、复位电路、和液晶屏显示电路，同时DS1302时钟芯片对时、分、秒计时，将计时得到的数据传送给AVR单片机，使得其在液晶屏上显示出来。

系统能够实现LCD电子时钟功能：

开机后，LCD上显示以下内容并开始走时，并且断电后走时依然准确：

“--LCDClock---”

“****XX:

XX:

XX****”

按下K1键（设置键）走时停止，蜂鸣器响一声，此时，按下K2键（小时加1键），小时加1，按下K3键（分钟加1键），分钟加1，调整完成后按K4键（运行键），蜂鸣器响一声后继续走时。

图2-3LCD电子时钟系统总框图

2.2.3LCD数字温度计系统的设计

图2-4LCD数字温度系统的设计

如图（2-4）所示，当输入口接收到下载线传来的编程命令和数据后，传送给AVR单片机，AVR单片机通过相应的程序控制着蜂鸣器电路、晶振电路、复位电路、和液晶屏显示电路，同时温度传感器DS18B20把外界接收到的温度，经过处理后传送给AVR单片机，最终在液晶屏上显示出来。

系统能够实现LCD数字温度计功能：

开机后，若DS18B20正常，LCD第一行显示“DS18B20OK”，第二行显示“TMEP:

XXX.X℃”（XXX.X表示显示的温度值）；若DS18B20不正常工作，LCD第一行显示“DS18B20ERROR”，第二行显示“TMEP:

——℃”。

2.3本章小结

本章对本次课程设计作了多方面的考虑，首先通过设计总体思路，对本毕业设计做了粗略的构思，把设计分为了按键、单片机、时钟电路、温度传感器电路、液晶屏显示电路这五大块；然后，按照构思，在网上搜集了相关资料，通过学习，发现实现以上构思有多种方案。

为了确定本设计的最终方案，通过更加细致的学习，多方面的比较，排除了几项不适合的方案。

确定方案后，对此次毕业设计所要实现的功能作了简要的介绍；最后，分各个小部分构思和设计系统模块。

通过以上的工作，我学习到了很多以前上课所学不到的知识，增长了自己的见识，丰富了自己的视野，经过一步一步细致的探究与比较，使得原来粗心大意的我变得细腻了，做事更加踏实。

由于以前只是对书本上的知识进行学习，没有什么动手的机会，这次通过以上内容的学习，内心迫切的想要去实践，这是对自己一种挑战，内心中非常想要看看自己能不能实现设计的方案，因此在指导老师的指导下，本人决定开始边做实物边研究。

第三章硬件电路设计

3.1下载线电路的设计

3.1.1主要器件简介

1、MAX232资料简介

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。

图3-1MAX232引脚

主要特点：

1、符合所有的RS-232C技术标准。

2、只需要单一+5V电源供电。

3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。

4、功耗低，典型供电电流5mA。

5、内部集成2个RS-232C驱动器。

2、ATtiny2313简介

ATtiny2313是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器[1]。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATtiny2313的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，引脚图如下图所示。

图3-2ATtiny2313引脚图

3.1.2MAX232电平转换电路的设计

图3-3电平转换电路的设计

由于晶体管-晶体管逻辑（TTL）和互补金属氧化物半导体（CMOS）是逻辑电路中的标准电平，因此传统逻辑电平转换方法中，TTL-CMOS输入转换很常见。

这种转换方法很简单，成本低，主要用于低电平至高电平转换，也能用于高电平转换成低电平[2]。

这种转换方法也存在一些缺点，其他传统逻辑电平转换方法还有过压容限电压转换、漏极开路/有源下拉转换和分立I

C转换等，各有其优缺点。

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只100nF电容构成。

功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5V）。

由于ATtiny单片机的信号是TTL电平，而串口接收到的电平是COMS电平，因此本设计采用MAX232芯片，把串口接收到的CMOS电平转换成单片机所能正常工作的TTL电平，其电平转换电路如上图（3-3）所示。

3.1.3监控电路的设计

AVR单片机ATtiny2313通过2管脚读取从上位机发来并通过MAX232电平转换的数据和指令，通过3号管脚传送ATtiny2313输出的数据和指令，ATtiny2313内的监控程序对接收到的数据进行分析，ATtiny2313上的PB4、PB5、PB6、PB7这4个管脚通过编程插头分别与目标板上的ATmega16的RESET、MOSI、MISO和SCK相连。

除此之外，AVR单片机串口ISP编程电缆的电源端还通过编程插头与目标板的VCC、GND分别相连接，并从目标板获得了其工作电源，完成和上位机的通信并实现对目标板上的AVR单片机编程[3]。

监控电路图如下图（3-4）所示：

图3-4监控电路设计图

3.2LCD电子时钟系统的设计

3.2.1主要器件简介

1、DS1302时钟芯片简介

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源／后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力[4]。

DS1302的引脚图如下图（3-5）所示：

图3-5DS1302引脚

3.2.2蜂鸣器电路的设计

蜂鸣器本身相当于一个喇叭，需要一个频率适当的交流信号驱动才能发声，三极管在蜂鸣器中，和压电陶瓷片组成一个自激式振荡电路，压电陶瓷片同时充当反馈元件和发声元件两个功能[5]。

需要三极管的放大作用才能产生正反馈振荡，至于三极管的放大倍数只要满足电路起振就行。

加三极管，就是将I/O口接在三极管的基极，而驱动脚由三极管的发射极或集电极提供，这样，利用三极管的电流放大作用，就能够提供足够的驱动能力，MOS管也一样。

如图（3-6）所示为AVR单片机ATmega16的一个输出端接一个电阻，作为PNP型三极管8550的基极电阻，三极管8550上端发射极接30欧电阻再接电源，下端集电极通过蜂鸣器接地[6]。

说明AVR单片机ATmega16的这个输出端常态时输出高电平，蜂鸣器发声时，AVR单片机ATmega16输出负电平脉冲。

三极管8550在这个电路中有两个作用，一个作用是起缓冲作用，它不直接接蜂鸣器负载，而是通过三极管8550驱动负载，就可以减少功耗，保护IC。

三极管8550的另一个作用就是反相，使得蜂鸣器的另一脚原本需要电源改为接地。

现在的问题是三极管8550的放大作用对蜂鸣器有没有影响。

在这个电路中，三极管8550如果没有放大作用，或者放大倍数太小，是不会使蜂鸣器工作的。

实际上，这个蜂鸣器还不能确定它只是一个发声器，它也可能是一个自激式的。

单片机可以输出负脉冲的音频信号，但更可能输出低电平，那么三极管仍然可能是一个工作在饱和状态的开关管[7]。

所以它的放大作用是肯定对蜂器有影响的（影响它工作与否），但它的放大特性比方说失真、高频特性等却没有什么影响，这对于其它数字电路来说都是一样的。

电路原理图如图（3-6）所示。

图3-6蜂鸣器电路图

3.2.3DS1302电路的设计

DS1302的2号和3号管脚接32.768kHz的晶振，它是为DS1302芯片提供时钟基准信号；1号和4号管脚分别接Vcc和GND，这是为了给DS1302芯片提供电源；而DS1302的8号管脚接220uF的电容再接地，这种设计的作用是在DS1302工作时储备电量，当DS1302掉电是能为DS1302芯片供电，这要起到了一种掉电保护的作用；DS1302采用SPI总线通信，是同步通信方式7号管脚SCLK为总机发送的同步时钟脉冲；DS1302的6号管脚的作用是三线接口时的双向数据线[8]；5号管脚则是为DS1302芯片提供复位。

硬件图如（3-7）所示。

图3-7DS1302电路图

3.2.4按键电路的设计

在每个按键与AVR单片机ATmege16PD口相接之间加上10K的上拉电阻，另一端接地。

当有键按下时，与该按键相连的PD口的相应位变为低电平，单片机检测到该变化后即转到相应的键处理程序，同时在液晶屏LCD1602上进行相关的显示操作[9]。

硬件电路图如（3-8）所示：

图3-8按键电路图

3.2.5单片机与液晶屏LCD1602的接口电路

液晶屏的1号和2号管脚分别接GND和VCC，它们的作用是给液晶屏供电；3号管脚接10K的滑动变阻器的可调端，滑动变阻的固定端一个接VCC，一个接GND，这样我们就可以通过滑动变阻器来调解液晶屏的对比度[10]；液晶屏的7号到14号管脚分别接PA0-PA7,这样程序中要显示的部分可以通过PA口传送到液晶屏上显示[11]；15号和16号管脚分别接VCC和GND，它们是为液晶屏提供背景光的作用；4号、5号和6号管脚分别是RS、R/W、E，其中EN起到类似片选和时钟线的作用，RW和RS指示了读、写的方向和内容。

在读数据（或者Busy标志）期间，EN线必须保持高电平；而在写指令（或者数据）过程中，EN线上必须送出一个正脉冲[12]。

RW、RS的组合一共有四种情况，分别对应四种操作：

RS＝0、RW＝0——表示向LCM写入指令

RS＝0、RW＝1——表示读取Busy标志

RS＝1、RW＝0——表示向LCM写入数据

RS＝1、RW＝1——表示从LCM读取数据

硬件图如图（3-9）所示：

图3-9液晶屏接口电路图

3.3LCD数字温度计系统的设计

3.3.1主要器件介绍

1、DS18B20温度传感器简介

1）温度传感器的功能简介

DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内[13]。

与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性

（1）独特的单线接口方式，DS18B20