原创温湿度检测及实时时钟硬件设计40双单片机系统41本科毕业论文设计.docx
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原创温湿度检测及实时时钟硬件设计40双单片机系统41本科毕业论文设计
南京工程学院
本科毕业设计（论文）
题目：
温湿度检测及实时时钟硬件设计
GraduationDesign（Thesis）
DesignAndSimulationOfIntelligentTrafficSignalControlSystem
By
SunHao
Supervisedby
AssociateProf.PANQingMing
DepartmentofAutomationEngineering
NanjingInstituteofTechnology
June,2011
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
摘要
论文设计提出了一种基于双单片机系统AT89C52和AT89C2051的新型温湿度检测及实时时钟。
通过对设计方案的比较与论证，选择了适合本设计的时钟模块、温湿度检测模块、键盘及显示模块。
其中单片机AT89C52和AT89C2051组成双单片机系统，分别完成显示处理及温湿度采样；实时时钟采用DS12887实现年月日时分秒等时间信息的采集；温湿度检测模块采用技术成熟的SHT11芯片作为对车前、车顶和车内的温度及湿度进行实时检测；非编码键盘对实时时间的修改；LED显示温湿度及实时时间；采用7805三端稳压集成芯片稳定输出5V直流电压。
通过对双单片机最小系统的原理分析，结合论文的设计要求，完成了系统流程图及系统程序的设计。
本设计可实现时间显示、时间的修改、车前、车顶和车内温度及湿度显示等功能。
关键词：
双单片机系统，SHT11，DS12887,LED显示
ABSTRACT
Thisthesispresentsatwo-MCUsystembasedonAT89C2051andAT89C52ofanewtemperatureandofdesignanddemonstration,selecttheappropriatemodulesofthedesignoftheclock,temperatureandmodule,keyboardanddisplaymodule.AT89C2051microcontrollerandwhichcompositionoftheAT89C52microcontrollersystem,therespectiveprocessinganddisplayoftemperatureandsuchasthecollection;temperatureandmoduleuseschiptechnologyasamatureSHT11frontofthecar,thecarroofandreal-timedetectionoftemperatureand-codingchangestothekeyboardforreal-timetime;LEDdisplayandrealtimetemperatureandofsystemflowchartandsystemprogram.
Thisdesignenablestimedisplay,timechanges,front,roofandinteriortemperatureand×5.08mm×2.5mm），测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；
（6）高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。
3.3.2SHT11的引脚功能
SHT11温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装形式，接口非常简单，引脚名称及排列顺序如图3.5所示。
图3.5SHT11引脚排列
各引脚的功能如下：
（1）脚1和脚4--信号地和电源，其工作电压范围是2.4～5.5V；
（2）脚2和脚3--二线串行数字接口，其中DA-TA为数据线，SCK为时钟线；
（3）脚5～8--未连接。
3.3.3SHT11的内部结构和工作原理
温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、AD转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图3.6所示。
该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。
这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的AD转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。
SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境巾进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。
此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。
此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。
在高湿（>95％RH）环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。
加热后SHT11温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异[9]。
图3.6SHT11内部结构图
微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。
通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器IO口模拟该通信时序。
微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如下表3.2所列。
命令代码
含义
00011
测量温度
00101
测量湿度
00111
读内部状态寄存器
00110
写内部状态寄存器
11110
复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值，下一次命令前至少等待11ms
其他
保留
3.3.4SHT11应用设计
微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信，所以硬件接门设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂家自己定义的，所以在软件设计中，需要用微处理器通用IO口模拟通信协议[11]。
3.3.5硬件设计
SHT11通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。
需要注意的地方是：
DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有需求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10MHz，而当工作电压低于4.5V时，SCK最高频率则为1MHz。
硬件连接如图3.7所示[12]。
图3.7SHT11与微处理器的硬件连接图
3.4LED数码管显示电路
3.4.1LED显示器结构与原理
LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。
这种显示块有共阴极与共阳极两种。
共阴极LED显示块的发光级管阴极共地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。
通常的七段显示器（也有人称为七节显示屏）是由八个发光二极管所组成的，因此也被叫做八段显示器。
其中包括七个细长条形的LED及小数点形的LED，显示器的每一段或每一划都有其名称，分别是英文小写的a到f，以及小数点dp（DECIMALPOINT）。
七段显示器可以显示包括小数点的0到9数字与部分的英文字母。
在近年来，由于生产器件的工艺的进步，也出现了十六段码LED显示器和点阵式单色和双色显示器，这些LED显木器被广泛应用于电梯、大屏幕LED显示器、公共汽车报站器、车站车次显示等领域，特别是点阵式双色显示器的出现，极大的方便了汉字的显示和图形显示，为其在网民经济的领域的应用拓宽了道路。
以共阳极的七段显示器为例，若想要显示数字1时，就要使b划与c划点亮，在电路上我们会把共同点接到正电源端（+5V），标示b与c的地方经过限流电阻到地，就可以显示数字1。
如果是单个的数码管，七段显示器是直接点亮的，亦即用8位去推动一个七段显示器。
如果有多位数字要显示时，可以用扫描的方式显示，以节省控制脚位[6]。
七段显示块与单片机接口非常容易。
只要将一个8位并行输出门与显示块的发光二极管引脚相连即可。
8位并行输出门输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符，其段码如表3.3所示。
通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。
共阳极与共阴极的段选码义为补数。
显示字符
共阴极段显码
共阳极段显码
显示字符
共阴极段显码
共阳极段显码
0
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
P
73H
8CH
5
6DH
92H
U
3EH
C1H
6
7DH
82H
H
76H
89H
7
07H
F8H
T
31H
CEH
8
7FH
80H
Y
6EH
91H
9
6FH
90H
8
FFH
00H
A
77H
88H
灭
00H
FFH
B
7CH
83H
表3.3七段LED码的显示码
3.4.2LED是如何显示单片机数据的
用单片机驱动LED数码管有很多种方法，按显示方式分，有静态显示和动态显示。
首先介绍静态显示方法。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的显示数据。
静态显示的数据稳定，占用的CUP时间少。
静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的IO接口，该接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。
要显示新的数据时，单片机再发送新的字形码。
另一种方法是动态扫描显示。
动态扫描的方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而没一个显示器的公共极COM各自独立地受IO线控制。
CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接口接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是有IO控制的，由单片机决定何时显示哪一位了。
动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。
在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据[7]。
3.4.3静态显示和动态显示的比较
这两种显示方式各有利弊：
静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多；动态显示需要CPU时刻对显示器进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。
由于本设计除显示年月日、时分秒最重要的还需要显示车前、车顶、和车内的温度及湿度，而SHT11测量温湿度大约需要80ms，如果显示电路采用动态显示方式，会出现黑屏现象。
采用静态显示则不会出现这些问题。
3.4.474HC595的概述
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入到存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
8位串行输入输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态,三态[13]。
3.4.574HC595的主要特点
（1）8位串行输入
（2）8位串行或并行输出
（3）存储状态寄存器，三种状态
（4）输出寄存器可以直接清除
（5）100MHz的移位频率
3.4.674HC595的管脚说明
Q1~Q7:
是并行数据输出口，即储寄存器的数据输出口
Q7':
串行输出口，其应该接SPI总线的MISO接口
STcp:
存储寄存器的时钟脉冲输入口
SHcp:
移位寄存器的时钟脉冲输入口
OE:
输出使能端
MR:
芯片复位端
Ds:
串行数据输入端
3.4.674HC595在设计中与单片机的使用方法
74LS595的数据端：
QA--QH:
八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。
QH':
级联输出端。
我将它接下一个595的SI端。
SI:
串行数据输入端。
3.4.874LS595的控制端说明：
SCLR（10脚）:
低点平时将移位寄存器的数据清零。
通常我将它接Vcc
SCK（11脚）：
上升沿时数据寄存器的数据移位。
QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。
RCK（12脚）：
上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。
通常我将RCK置为低电平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了。
我通常都选微秒级），更新显示数据。
G（13脚）:
高电平时禁止输出（高阻态）。
如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。
比通过数据端移位控制要省时省力。
3.4.7显示电路与单片机的连接
LED显示电路的连接图如图3.8
图3.8显示电路图
3.5键盘控制电路的设计
该设计需要校对和修改时间，所以只需要四个键盘，这里采用独立式按键，分别负责移动光标到时分秒、加一、减一、进入调时状态。
独立式键盘就是各个按键相互独立，每个按键单独占用一根IO口线，各个按键工作状态互不影响。
独立式按键的优点是电路配置灵活，软件结构简单。
如图3.9为该设计的键盘电路[4]。
3.6电源电路的设计
由于AT89C52的时钟频率为11.0592MHZ，工作电压范围是4.0V5.5V，最大工作电压为6.6V，所以在设计中考虑到交直流两用的要求和三端稳压电路选用的方便，选择工作电压5V。
电源电路设计，如图3.10
7805三端稳压集成芯片，其标称最大输出电流均为1.5A，但在实际应用中，该最大输出电流值往往取决于两个方面：
（1）足够的散热面积；
（2）不同的生产厂家。
按照很多开发者的经验，ST公司的7805三端稳压块能接近标称值。
在设计中，必须保证7805的输入电压Vi和输出电压Vo的压差3V～8V，否则会失去稳压能力。
同时考虑到功耗问题，此压差又不宜太大，太大则增加7805本身的功
率消耗，增加芯片的温升，不利于安全。
因此，选为9V。
当交流电源失电或失效时，电压为6V的直流电源（电池组或蓄电池）通过二极管的导通电压降约为0.7V，因此满足系统的电源要求[5]。
1、电源变压器：
将220V,50HZ的交流电压转换成5V整流电路；
2、滤波电路：
利用电容的阻抗特性，将整流后的单向脉动电流中的交流分量滤去，是单向脉动电流变换成平滑的直流电；
3、稳压电路：
当电网电压波动或负载的变动会导致负载上得到的直
流电不稳定，影响电子设备的性能，用稳压管，即采用一些负反馈方式的稳压电路，使之自动调节不稳定因素，从而得到稳定电压。
3.7系统总体硬件设计原理图
系统总体硬件设计原理图见附录A
图3.9按键电路
图3.10电源电路
第四章Protel99SE软件简介
因为本设计是针对温湿度及实时时钟的硬件设计，所以需要进行电路图的绘制，绘制所需要的软件选用Protel99SE，下面对Protel99SE软件进行简单介绍[14]。
4.1Protel99SE软件的介绍
Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。
因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel（PCAD等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到）新的EDA平台。
Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。
以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：
1、可生成30多种格式的电气连接网络表；
2、强大的全局编辑功能；
3、在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；
4、同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络；
5、既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；
6、满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；
7、方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）；
8、支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；*PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；
9、强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；
10、智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；
11、提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；
12、放置汉字功能；
13、可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；
14、智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；
15、方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；
16、独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；
17、强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；
18、经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整
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