1、 毕业设计 (论文 ) 题 目 基于无线的网络时钟设计 目 录 引言 . 2 1.绪论 . 4 1.1 本设计的背景 . 4 1.2 本设计的内容 . 4 1.3 本设计的目的和意义 . 4 2.系统控制方案的确定 . 4 2.1 系统设计的基本步骤 . 5 2.2 系统控制方案 . 5 2.3 系统控制流程图 . 6 3.系统硬件设计 . 7 3.1 微控制器 (单片机 )的选型 . 7 3.2 时钟芯片的选型 . 8 3.3 温湿度芯片的选型 . 9 3.4 无线模块的选型 . 9 3.5 语音芯片的选型 . 9 3.6 显示的选型 . 11 3.7 红外遥控器的选型 . 11 4系统软件
2、设计 . 12 4.1 单片机 C 语言的概述 . 12 4.2 系统工作过程分析 . 12 4.3 控制系统程序设计 . 13 5.结论 . 15 致谢 . 16 参考文献 . 16 附图 . 17 引言 单片机是指一个集成在一块 芯片 上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、 内存 、内部和外部 总线 系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、 定时器 ，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、 复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。它是一种在线式实时控制计算机，有较强的抗干扰能
3、力，成本较低。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的 传感器 ，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化 、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（ 功率表 ， 示波器 ，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采
4、集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具 备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5、 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各 种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 1.绪论 1.1 本设计的背景 现阶段国内外对于时钟的研究主要表现在：个性、便捷等功能上。时钟产品多以这几类为主：指针式时钟、数码管
6、显示时钟、点阵时钟，液晶显示时钟。由于现在的时钟多采用电子线路，因此在时间的精确度上有很大的提高，并且随着微电子技术的迅猛发展，无论是 时钟的外型还是内部线路都有很大的改进。比如现在的时钟很多都非常有个性，如：概念时钟，时钟的外观做的卡通化，所以它们很受年轻人的喜欢。 有一种新型时钟能产生多点信号，它是在时钟上加装集成电路为基础的中央控制电路再分别与键盘控制器， 语音录放器和液晶显示器联接组装而成，是一种全新颖的多段提醒点智能闹钟，使用者可以多次设定响闹时间，并提前录好该时间要 做 的事，到指 定 时间就会分别按时用语音提醒并在液晶显示器上作出指示 。 还有一种新型时钟它的作用是“在最佳被唤醒
7、的时候”叫醒，也就是最浅睡眠状态下叫醒。与闹钟配套的有个类似 护腕的传感器，使用者只需将其佩戴在手腕处便能监测使用者的身体活动状态，还可以通过测试使用者在睡眠时有多少次翻身来判定熟睡程度，最后传感器将信息通过无线方式发送给闹钟，由闹钟来计算出叫醒使用者的最佳时间。 鉴于现在的时钟趋向个性，方便、多功能的特点，本设计将集技术和创新于一体，赋予数字时钟的一个全新的概念。 1.2 本设计的内容 1) 运用 SM311 无线模块组建一个无线网络与各个时钟终端进行通讯。 2) 应用时钟芯片、温湿度芯片，采集其数据通过时钟显示器进行显示。 3) 应用语音芯片来进行语音报时，增加项目的趣味性。 4) 通过红
8、 外可以对各个时钟终端分别进行时间、闹钟的设定，并可实时修改时间、闹钟时间等参数设置。 1.3 本设计的目的和意义 时钟是显示时间一种器件。它的应用遍及我们周围的每一个角落，应用非常广泛。现阶段家庭广泛应用的时钟大多只具有时间显示功能，无法显示日历、无法定时、也不具有温湿度显示等功能。由于数字时钟采用石英晶体起振，各晶振间由于存在误差而导致了时间差的累积，所以即使同样的数字时钟，经过一段时间后显示的时间也不相同。 由于现在大多数时钟存在着这么多的缺点，所以本设计就比较有意义，本设计的重点是无线网络在数字时钟中 的具体应用。通过时钟间的无线通讯可以对家庭或办公室所在的任一个时钟进行时间、日期、温
9、度等传输并校正。 2.系统控制方案的确定 2.1 系统设计的基本结构 本设计主要由显示模块、时钟模块、温湿度检测模块、无线通讯模块、红外控制模块、语音模块、闹铃模块。 总体框架图如图 2.1 所示： 图 2.1 总体框架图 2.2 系统控制方案 无线网络时钟系统的控制要求如下： （ 1）初始时间、闹钟时间的输入： 在打开电源，系 统初始化开始后，就要对系统进行一些基本参数的设定。如初始时间（即现在的时间）、闹钟的时间。 （ 2）采集温湿度数据并处理： 在设定好参数后，系统会定时采集温湿度的数据，并对数据进行处理，转化成温湿度数值，放入指定的地址中。为后面的显示做好准备。 （ 3）通过无线模块传
10、输数据： 控制器（单片机）会定时通过无线模块把时间数据，温湿度数据传送给其它时钟。 （ 4）在线修改时间 因为任何时钟通过一段时间的运行后肯定会出现误差，所以该系统有在线修改时间程序。可通过红外遥控对时间和闹钟时间进行在线修改。 （ 5）语音报时 为了使时钟更人性化，该系统还设计了语音报时程序。用户可以通过红外遥控器，对现在的时间进行报时。 （ 6）闹铃 通过初始设定或在线设定好闹钟时间后，当到达该时间，蜂鸣器会出现闹铃响声。 2.3 系统控制流程图 主控制器 （单片机） 红外控制 128X64 液晶显示 时钟模块 温湿度模块 无线 通讯模块 语音模块 闹铃 模块 从控制器 （单片机） 128
11、X64 液晶显 从控制器 （单片机） 无线通信模块 无线通信模块 开始 初始化 输入初始时间 闹钟时间 采集时钟芯片数据 采集温湿度数据 将以上采集到的数据显示在液晶屏上 判断是否到闹钟时间 判断是否要语音报时 按时通过无线模块与时钟中断通信 判断是否要修改时间或闹钟时间 语音模块报时 N N Y Y Y N 报警模块 3.系统硬件设计 3.1 微控制器 (单片机 )的选型 全世界的 单片机品种 繁 多 ，有 ATMEL 公司的 AVR 单片机 、 Motorola 单片机 、 MicroChip单片机 、 MDT20XX 系列单片机 、 EM78 系列 OTP 型单片机 、 Scenix 单
12、片机 、 EPSON 单片机 、 东芝单片机 、 8051 单片机 、 LG 公司 生产的 GMS90 系列单片机 、 华邦单片机 、 Zilog 单片机 、NS 单片机 等等。 我选用的是由宏晶科技生产的 STC12C5410AD 单片机。因为该单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。其内部集成的 Flash 几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。图 3.1 为该单片机的管脚引脚图。 图 3.1 STC12C5410
13、AD 引脚图 STC12C5410AD 单片机具有以下特点 : (1) Flash 存储器 STC12C5410AD Flash 存储器为 10KB。 Flash 存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序 ;程序运行时能对其中的 1 段或多段进行擦、写操作，因此兼有数据存储器功能。 Flash 存储器的掉电保护功能可用十程序数据保存，可以按字或字节读写，最小擦除单位为 1 段，经过擦除的位为“ 1“，写入位为“ 0“。 (2)脉宽调节模式 (PWM) 所有 PCA 模块都可用作 PMW 输出。输出频率取决于 PCA 定时器的时钟源。由十所有模块共用仅有的 PCA 定时器，所有它们的输
14、出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器 EPCnL,CCAPnL有关。当 CL SFR 的值小十 EPCnL, CCAPnL时，输出为低，当 PCA CL SFR 的值等于或大于 EPCnL, CCAPnL时，输出为高。当 CL 的值由 FF 变为00 溢出时， EPCnH, CCAPnH的内容装载到 EPCnL,CCAPnL中。这样就可实现无干扰地更新 PWM。要使能 PWM 模式，模块 CCAPMn 寄存器的 PWMn 不 II ECOMn 位必须置位。 (3) I/O 口工作类型设置 STC12C5410AD 带有 24个 I/O 引脚，它的 I/O 与传统的
15、I/O 不同，每个 I/O 口均可由软件设置成 4 种工作类型之一，使得功能口和通用 I/O 口复用。 4 种类型分别为 :准双向口 (标准 8051 输出模式 )、推挽输出、仅为输入 (高阻 )和开漏输出功能。在对同一个 I/O 口进行操作前要选择其要实现的功能，这样大大地增强了端口的功能和灵活性。其中一些 I/O 口还可以与 STC12C5410AD 中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信 ，与 A/D 模块结合实现 A/D 转换等。此外， STC12C5410AD 的 I/O 端口电气特性也十分突出，几乎所有的 I/O 口都有 20mA 的驱动能力，
16、对于一般的液晶显示屏、蜂鸣器可以直接驱动而无需辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便地与外围器件相接。 (4) A/D 模数转换寄存器 STC12C5410AD 单片机的 A。转换口在 P1 口 (P1.7 P1.0)，有 8路 10 位高速 A/D 转换器，STC12C5410AD 系列是 10 位精度的 A/D，速度均可达到 1 OOKHz(10 万次 /秒 )08 路电压输入型 A/D， 可以完成温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后 P1口是弱上拉型的 I/O 口，可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 A/D 转换，不需作为A/D 使用的口可继续
17、作为 I/O 口使用。这样， A/D 转换和 I/O 口可以灵活的运用，节省了软件及时间。 (5)有配套的仿真开发工具 STC12C5410AD 的 Flash 存储器给用户的开发带来方便。用户可以将芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时， STC12C5410AD 的片内已集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的开发工具较为简 单，只需 1 套 PC 环境下的调试软件和 1 个连接十并口的仿真器。仿真器与 STC12C5410AD 经串口连接。因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好 STC12C5410AD 的串口接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现
18、场编程硬件仿真或软件升级功能，而且无需外加编程电压。 3.2 时钟芯片的选型 我采用的 是 DALLAS 公司推出的 DS1302。该芯片是涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟 /日历和 31 字节静态 RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟 /日历电路提供秒、分、时、 日、日期、月、年的信息。每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过 AM/PM 指示决定采用 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，仅需用到三个口线：（ 1） RES（ 复位）；（ 2） I/O 数据线；（ 3） SCLK。 串行时钟时钟 /RAM 的读
19、 /写数据以一个字节或多达 31 个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率小于 1mW。 DS1302 是由 DS1202 改进而来，增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应， Vcc1 为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。如图 3.2为它的原理图。 图 3.3 DS1302 的原理图 3.3 温湿度芯片的选型 温湿度模块采用的是瑞士 Sensirion公司的 SHT11温湿度传感器。 该芯片具有 I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的
20、 CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。 传统的模拟式湿度 传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。 SHT11是基于 CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。该传感器将 CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。 如图 3.4为它的实物图。 该芯片能将温度感测、湿度感测、信号变换、 A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图 3.5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
21、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 A/D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
22、温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。图 3。 6为它的原理图。 图 3.4 SHT11实物图 图 3.5 SHT11内部结构图 图 3.6 SHT11原理图 3.4 无线模块的选型 无线通讯模块采用的是 SM31 无线模块。 SM31 型微功率无线数传模块采用 Chipcon 公司高接收灵敏度无线集成芯片 CC1020 RF 芯片， Atmel 公司的微功耗，低噪音，高速 8 位单片机，也内置多种高纠错信道编码通信技术，用户使用时，无需任何编码， 具有更高的抗干扰性强，通信稳定的特点。图 3.7 为它的实物图。 采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰能力；
23、采用透明的数据传输，提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议；自动过滤掉空中产生的噪音号及假数据 ,使用方便，采用 双串口，同时提供 TTL/RS-232/RS-485共 3种接口方式，大的数据缓冲区，接口波特率为 1200 115200Bit/s,格式为 8N1/8E1用户可自定义，可 1次传输无限长度的数据，用户可灵活编程设置。可广泛用于各种场合的短距离无线通信领域。 图 3.7 SM31无线模块实物图 3.5 语音芯片的选型 ISD2560是 ISD系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为 60s，可重复录放 10 万次。该芯片采用多电平直接
24、模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个 EEPROM 单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，从而避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。该器件的采样频率为 8.0kHz，同一系列的产品采样频率越低录放时间越长 ,但通频带和音质会有所降低。原理图 如图 3.8。此外， ISD2560 还省去了 A/D 和 D/A 转换器。其集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 480字节的 EEPROM。 SD2560 内部 EEPROM 存储单元均匀分为 600 行，有 600 个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为 100ms。此外， ISD2560 还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息管理等。 ISD2560可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段。 图 3.8 ISD2560 原理图
