开题报告-5000字

沈阳工业大学 本科生毕业设计（论文）开 毕业设计题目：单片机控制的 电子日历设计 学    院：  信息科学与学院    专业班级：  电信0602班        学生姓名：  施佳林              指导教师：  林成武              2010年3月25日 单片机控制的多功能电子日历设计 一、课题研究的目的和意义 随着经济的不断发展，人们对生活质量的要求也在不断地提高。在电子技术方面厂家也不断的推出了各种电子产品以满足人们的需要，而电子日历则顺应了人们对时间方面的要求，不论是在家庭还是公共场所都能看见它的身影。但传统的电子日历除显示时间之外，功能较为单一，逐渐失去了市场。因此，设计出一种功能强大、方便实用的电子日历是很有必要的。 基于单片机的多功能日历系统，采用了基于STC89C52的单片机控制技术，使用DS12C887日历时钟芯片作为基本的高精度日历时钟获取模块，在此基础上通过使用一些特殊功能的芯片和器件来设计单片机的外围电路，增加了一些新颖实用的功能，从而来拓展多功能日历的实用价值，使其更符合人们的需求，增加市场竞争力。 二、课题研究的主要任务和预期目标 1．主要任务及要求 1) 学习STC89C52单片机、DS12C887日历时钟芯片、无线收发模块、语音播录芯片、液晶显示屏、点阵式LED显示器等元件的数据手册，理解其工作原理，并达到对其熟练应用。 2) 学习Keil C软件的使用方法，同时加强C-51语言的编程能力，提高对外围电路控制上的编程技巧，达到精简代码并实现全部功能的效果。同时也要从编译时出现的错误和软件BUG中总结经验，吸取教训。 3) 通过学习EDA软件Protel99se的使用方法，掌握原理图设计、PCB设计，实现PCB设计的自动布线，最终印制出PCB板。 4) 根据设计，分模块进行硬件连接和软件调试，实现预定的功能。在完成基本功能的实现后尽量完善扩展功能，在最后阶段进行系统整合，最终制作出完整的多功能日历。 2．预期目标 1) 掌握单片机控制系统硬件电路的设计思路，熟悉相关外部设备器件的使用方法。要求分别完成时钟日历模块、实时温度测量模块、点阵式LED显示模块、无线发射接收模块、液晶显示模块、自动感光节电模块电路的设计。在完成以上基本功能后，努力实现PS2键盘汉字输入模块、语音播报模块等扩展功能电路的设计，进而完成多功能日历的硬件电路设计。 2) 使用C语言与汇编语言对硬件电路进行软件编程，完善温度测量算法的精确度、美化液晶显示模块人机界面、优化夜间节电功能的算法，在此基础上争取解决PS2键盘输入汉字的和语音播录算法难题，进而实现多功能日历的预期功能。 三、设计方案 1．设计思想 随着电子技术的发展,日历目前已经不再局限于以书本形式出现。以电脑软件或者电子产品形式出现的日历被称为电子日历。与传统书本形式的日历相比,电子日历得到了越来越广泛的应用。然而,目前一般的电子日历仅能显示与时间有关的信息,而日常生活等方面需要显示客户自己指定的信息却不能显示。同时，传统的电子日历的功能也非常单一，不便于人们的使用。为了使得电子日历能更方便地显示更多的信息，更能满足人们多方面的需求，因此，在本设计中增加了如下功能： 1) 实时温度测量模块来显示实时的室内温度； 2) 点阵式LED显示模块实现日历和汉字信息的清晰显示； 3) 无线发射接收模块来实现控制模块对LED显示模块的远程控制； 4) 液晶显示模块提供了良好的动态可视化人机交互界面； 5) 自动感光节电模块可以实现夜间无人时的自动关机来达到节能、增加使用寿命的目的。 6) 语音播报模块实现各种信息的语音提示，也可设定任意时间的报警（扩展功能）； 7) PS2键盘汉字输入模块实现了对LED显示模块的任意信息输入（扩展功能）； 整个系统的硬件设计分为两大模块：控制模块（图1a）和显示模块(图1b)。两大模块通过无线传输系统进行通信。每个大模块还含有多个小模块。硬件系统总体框图如图1所示。 a 控制模块 b显示模块 图1    单片机控制的多功能电子日历硬件框图 对系统功能实现的影响除了硬件电路外，软件的设计也在很大程度上左右着用户对整个系统的满意程度。尤其是人机交互的键盘输入和显示界面更为重要。但是由于没有操作系统的支持,设计一个较为复杂的单片机控制程序,如果采用面向过程的方法,必然会引入大量的标志位,以实现各个模块之间的联系。随之而来的是将会出现大量、多层的判断、转移语句,以控制程序的走向。面向过程的方法要求程序跟随过程走,直至该过程完成。因而很难满足多个过程并发执行的实时性。因此需要从宏观上考察软件程序,用一个状态机描述其行为。通过对系统目前状态的判断来决定程序对消息的反应，这样的编程思想不仅使得各个小模块联系紧密，也可以大大简化整个系统程序的代码，尤其降低了控制部分的编程难度。因为硬件部分由两个大模块构成，所以软件部分也需要分两部分来描述。控制模块的软件流程见图2a，显示模块的软件流程如图2b所示。 N Y 时钟/温度更新 无线通信 键盘输入 空闲 报警 设置 空闲 报警 设置 图2（a）  控制模块的软件流程 N 休眠 报警 设置 空闲 N 无线通信 光感节电 Y 时间/温度刷新 时间/温度刷新 报警 设置 报警 设置 b 显示模块的软件流程 图2      单片机控制的多功能电子日历软件流程图 根据本课题的要求和需要达到的目标，硬件部分的电路设计和PCB板的绘制使用Protel 99 SE软件来完成；编制软件使用C语言和汇编语言，调试平台为Keil C软件第三版。 2．方案论证 单片机系统的开发是硬件、软件相结合的过程。要完成单片机系统的开发，首先要针对实际应用选择合理的单片机芯片和外围器件，并以此为基础，设计硬件电路。 对于单片机芯片，本次设计选择了STC公司的89C52芯片。STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash。对于本课题，该芯片完全可以达到标准。 本次设计要求能够进行长时间的包括日历、星期在内的时间信息，并且存储的时间信息在掉电情况下可以长时间保存。根据这些要求，本次设计选用达拉斯公司的日历时钟芯片DS12C887来作为实时时钟芯片，为系统提供详细的年、月、日、星期、小时和分钟等时间信息。DS12C887是一款采用COMS技术的实时时钟芯片，其主要功能特性如下： 1) 带有内部晶振并内置锂电池，可以在无外部供电的情况下保存数据长达10年以上； 2) 具有闰年修正功能； 3) 时间显示可以选择24小时或12小时模式； 4) 时间、日历和闹钟均具有二进制码和BCD码两种形式； 5) 内部具有闹钟中断、周期性中断、始终更新周期结束中断，并且中断源均可用软件屏蔽； 6) 内部所有RAM都具有掉电保护； 7) 可以输出可编程的方波信号。 对于温度这种非电量要想通过单片机来获取，必须使用温度传感器。传统的温度检测通常以热敏电阻作为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差、测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换为数字信号后才能由单片机进行处理。因此，本次设计应该选择一个集测量系统和存储器与一体的芯片。Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，其测量温度范围为 -55 C~+125 C，在-10~+85 C范围内精度为 0.5 C。DS18B20的性能特点为： 1) 采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）； 2) 测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃； 3) 内含64位经过激光修正的只读存储器ROM； 4) 适配各种单片机或系统机； 5) 用户可分别设定各路温度的上、下限； 6) 内含寄生电源。 因此，根据DS18B20的这些基本特性，本次设计采用了体积更小、适用电压更宽、更经济的数字温度传感器DS18B20。 对于人机交互模块的设计，最重要的是液晶显示器件的选取。根据显示方式和内容的不同，液晶显示模块可以分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块三种。由于前两种只能显示数字、标识符号和西文字符，所以能显示字符、汉字和连续完整图像的点阵图形液晶模块对于本次课题是最好的选择。JM12864M-2汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。它的主要技术参数和显示特性是: 1) 电源：VDD 3.3V~+5V(内置升压电路，无需负压； 2) 显示内容：128列× 64行； 3) 显示颜色：黄绿； 4) 显示角度：6：00钟直视； 5) LCD类型：STN； 6) 与MCU接口：8位或4位并行/3位串行； 7) 配置LED背光； 8) 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。 在市面上常见的点阵LED显示系统中，通常使用导线来传输信号。但有线传输方式存在如下的缺点：①产生电磁干扰，②存在信号衰减，③复杂的线路连接。随着射频技术和集成电路技术的高速发展，人们对无线通信的要求越来越高。无线通信功能的实现更便捷，数据传输速率更快，抗干扰能力更强。短程、便捷、廉价的无线通信技术正引起越来越多的关注。因此，本课题选择了无线通信技术作为连接显示模块和控制模块的通信手段。NewMsg_RF1100模块使用Chipcon公司的CC1100芯片开发而成。该模块工作在433/868/915MHZ的ISM频段由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置，电流消耗低。其基本功能特性为： 1) 433/868/915MHZ的ISM频段； 2) 最高工作速度500kbps; 3) 高灵敏度（1.2kbps下-110dDm，1%数据包误码率）； 4) 内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制； 5) 较低的电流消耗（RX中，15.6mA，2.4kbps，433MHz）； 6) 可编程的控制输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm. 由此可见，NewMsg_RF1100模块完全适用于本次设计，理论上能够达到设计标准。 单片机的开发除了需要硬件的支持外，同样离不开软件的支持。设计硬件电路原理图和电路版图是做出实物的第一步，也是一名电子信息工程专业大学生的应该掌握的基本开发技术。Protel 99 SE是一个功能强大、人机界面好、易学易用的EDA行业的主流产品，同时也是我们专业的必修课。该软件采用了“Smart Doc”、“Smart Team”和“Smart Tool”三大技术，这些技术把产品开发的三个方面有机地结合到了一起——人、由人建立的文件和建立文件的工具。由此，Protel 99 SE具有如下新特性： 1) 综合设计数据库，为用户提供一个良好的设计平台； 2) 良好的兼容性和可扩展性； 3) 增强的原件布局工具； 4) 增强的PCB设计规划； 5) 强大的电路图层面管理功能，可以让用户创建各种多面板。 当电路设计完成后，下面的工作就应该是使用C语言对单片机系统进行软件开发了。Keil是目前最流行的单片机开发软件，对于使用C语言进行开发的项目，Keil已经成为必备的开发工具。Keil提供了一个集成的开发环境，它包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器，这样可以缩短开发周期。 本次设计采用的硬件元器件和相关的软件均可以达到预期要求，为下一步的课题开发和设计奠定了良好的基础。在软件编程方面，本次设计使用的有限状态机思想具备严谨的科学性，使程序的规划上升到全局的、系统的层次，符合“自顶向下,逐步求精”的原则。不仅使程序的可读性大大加强，易于代码实现，同时也有效地防止了某些重要细节的遗漏，便于容错设计，显著地提高了程序的可靠性。在硬件设计方面，本次设计使用了市面上同类产品不具备的“液晶显示模块”“无线通信模块”和“感光节电模块”。此外，在设计的拓展发挥部分还采用了更为先进的脱离PC机的独立的汉字输入系统，如果得到实际产品的使用，那么这个设计将会大大降低产品的成本和使用范围、提高产品的市场竞争力。 3．设计中要解决的主要问题和措施 1) 主要问题： a) 液晶界面的图形菜单显示； b) 高精度的实时温度测量； c) 点阵LED汉字显示； d) 脱离PC机的任意汉字输入； e) 语音报警系统； f) 控制模块与PC机的通讯。 2) 解决措施： a) 学习液晶显示模块的扩展指令集，提高单片机的刷新频率，并且仿照现有数码产品的菜单系统编制程序； b) 深入学习DS18B20，研究测温数据输出算法，同时做好温度模块的PCB板设计，提高测温的可靠性； c) 制作相应的字库程序，外扩E2PROM来进行字库的存储，从而实现汉字系统的输出； d) 学习研究基于单片机的拼音中文输入法的算法设计，研究PS2键盘与单片机的通信协议； e) 选择一款比较适合本次设计的语音芯片，并且进行相关资料的学习； f) 学习PC与单片机的通讯协议，制作相关软件。 四、课题进度安排 1. 第一周：熟悉课题、查阅资料。 2. 第二周:完成外文翻译。 3. 第三周至第四周:撰写开题报告。 4. 第五周至第十一周:分别完成各个模块的硬件设计和软件调试。 5. 第十二周至十五周:将系统整合到PCB板上，并进行最后的调试。 6. 第十六周至十八周：完成论文，进行答辩。 参考文献： [1] 马成,何培祥,李庆东.图形点阵式液晶显示模块与51单片机接口设计[J].应用天地,2007(5):76-78. [2] 深圳市拓普微科技开发有限公司.LM3033B(8位并行接口)液晶显示模块应用参考[M]深圳.2006 [3] 周志敏,周纪海,纪爱华. LED驱动电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2006 [4] 金建辉.在线系统编程单片机控制LED点阵显示文字图形[J].昆明冶金高等专科学校学报,2007,23(1):45-49 [5] 杨光友,朱宏辉,等.单片微型计算机原理及接口技术.[M]北京:中国水利水电出版社,2004 [6] 赵志诚,陈志梅,孙志毅.汉字拼音首字母识别及在信息系统中的应用[J] .太原重型机械学院学报, 2002 (2): 23-26. [7] 康建荣，单片机显控系统中的汉字输入[J].西安：终端与显示技术，2005,09:22-25 [8] 余威明, MCU语音型电子万年历的开发[J].浙江工贸职业技术学院学报,2004(9):20-25 [9] 牛斗，周艳玲，娄生勇.新型电子日历时钟芯片接口电路及程序设计[J].东北电力学院学报，2004,24(4):43-48 [10] 管庶安. 单片机程序的状态机模型[J].武汉工业学院学报,2004,23(2):1-9 [11] 马金祥，何一鸣. 基于nRF905模块的AT89S单片机无线收发系统设计[M].通信技术，2009,2,(42):36-38 [12] 荚庆,王代华,张志杰.基于nRF905的无线数据传输系统[J].国外电子元器件.2008(1)：29-31. [13] 谢宜仁. 单片机实用技术问答[M]. 北京:人民邮电出版社, 2003. [14] 徐渺,唐厚君,左冀青.基于51 单片机的低价型远程多用途无线遥控模块[J].上海：工业控制计算机,2006,19(5):69-72 [15] 刘歌群，刘卫国，王建飞，卢京潮.单片机系统多串行口设计技术研究[J].北京：航空精密制造技术,2006,42,(2):60-62 [16] PhiliosSemiconductor.SAA713X_usermanual_nobookmarks[M].Eindhoven:. 2002 [17] MAX7000 Programmable Logic Family Data Sheet. [M] 1998 [18] Microchip Inc. PIC16/17 Microcontrollers Data Book. [M] 1995/1996 [19] Snyman DB，Enslin JHR. Combined low-cost，high-efficient inverter，peak power tracker and regulator for PV application[A].Proc IEEE PESC’89[C].Milwaukee，WI，USA:IEEE Press，1989,1:67-74. [20] Li, Ping；Zhou, Yucai; Zeng, Xiangjun; Yang, Ting-Fang. A design of the temperature test system based on grouping DS18B20[C], ICIEA 2007: 2007 Second IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, p 188-191 [21] Muradyan, M. (Univ of Armenia, Yerevan, Armenia); Melikyan, V.; Muradyan, M.; Dashtoyan, R.; Gasparyan, E. Elaboration of a universal, PC programmable, portable device with its own microcomputer for analyzing random signals[J]. Trans Black Sea Reg Symp Appl Electromag,2005, p 212-215 指导教师评语： 指导教师签字： 年 月 日