51单片机的智能定时控制器系统设计
摘 要伴随现代电子工业的蓬勃发展，数电技术已经深入到了人们生活和工作中每一个层面。基于电子信息技术本身高速新陈代谢的特点，各种各样的电子产品也正在日新月异地蜂拥进入消费市场并且不断更新换代，成为了人类生活必不可少的便捷助手以及当代市场经济的宠儿与亮点。本设计就是基于这种背景之下所做出的尝试。本设计的最基本功能可以用“数字电子时钟”来概括。电子钟是一类利用数/模电子方法以达到帮助人们计算时间目的的设备，与老旧的机械表比较具备很多非凡的优势，而且性价比极为突出。并由于没有机械零件，具备长得多的耐用寿命，因此受到了大家的欢迎。本次设计以51系列单片机芯片作为控制中枢，加上简单的外围模块，并由LCD作为显示媒体，制作出一种“定时控制器”。本设计利用单片机本身具有的极其灵活的编程特性以及丰富的控制资源（中断资源与输入输出接口资源），极大地提高了本设计的功能扩展性。辅以必要的逻辑，该设计将不仅仅是一个电子时钟，而会是一个智能控制开发平台。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1设计的背景与基本内容 1
1.1.1设计背景 1
1.1.2设计的基本内容 1
1.2单片微型机概述 2
1.3 PCB设计概述 5
第2章 总体设计方案 9
2.1硬件设计总体方案 9
2.2软件设计总体方案 10
第3章 定时控制器硬件设计 11
3.1 单片机最小系统模块 11
3.1.1控制核心详解 11
3.1.2时钟电路与复位电路 13
3.2 LCD显示模块 15
3.2.1液晶显示器原理与驱动 15
3.2.2 LCD模块设计 16
3.3串口通信模块 18
3.3.1串口通信概论 18
3.3.2串口模块设计 19
3.4 其他硬件模块 21
3.4.1 USB供电模块 21
3.4.2 蜂鸣器
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
与按键模块 22
第4章 定时控制器软件设计 24
4.1软件总体设计 24
4.2各模块详细分析 25
第5章 制板、焊接与调试 30
5.1制板与焊接 30
5.2调试及问题解决 32
5.3 KEIL uxision2软件使用 35
5.4 STC—ISP软件使用 37
致 谢 39
参考文献 40
附 录 43
第1章 绪论
1.1设计的背景与基本内容
1.1.1设计背景
如今电子技术正在蓬勃发展，特别突出地体现在IC电路神速升级上。这使电子产品朝着低耗能、高精度、智能化、小型化、多功能化方向演进。而随着现代电子产品愈加轻薄短小、便携耐用，它们正疯狂的涌入人们的生活，成为人们娱乐、学习和工作的得力助手，部分甚至已经变成生活必需品了。也因此，消费类电子产品之概念诞生了。这些产品是指以消费者为中心而设计生产的与生活、工作和娱乐密切关联的电子产品，最终满足消费者随意获取资讯、尽享欢乐的目的。可以说商场里绝大多数常见的3C产品都属于这一范畴。目前，全球消费类电子市场正呈现井喷式爆炸性增长。我们可以看到，当今各大信息技术创新公司正赚得盆满钵满，此类上市公司市值也在不断创下新高。例如华为、苹果、联想等大集团正不断推出新产品，正以不可阻挡之势席卷全球。IPHONE 6、APPLE WATCH、P7、GALAXY EDGE等等产品正不断使疯狂的粉丝挑战排队时间纪录。与此同时，中国市场与中国公司表现尤其突出，中国也于去年成功的跃居此类产品全球最大市场。
在此浪潮之下，本人希望通过毕业设计进行电子设计的相关实践与创新。本设计“定时控制器”的想法也就此产生。随着产业的转型升级（传统制造业对自动化程度的要求越来越高）、制造工艺的高速演变、人们收入的增加以及对生活质量的高追求最后到家用电器的全面普及,现在公司和个人都对定时控制系产生了无比的兴趣与渴求。定时控制系统将在打造“智慧工厂”、创新“智能家居”以及全面推进“中国制造2025”上助力良多。智能定时控制器的设计方法有很多，比如使用中小规模集成电路设计，同时也能够拿来专用的电子钟芯片配合显示模块并加上它需要的外围电路而成，最后还能使用MCU（微控制器）来达到计时功能等等。每一个方法都有自身的优劣点，其中利用单片机（MCU）本身具有的极其灵活的编程特性以及丰富的控制资源（中断资源与输入输出接口资源），可以极大得实现系统的功能可扩展性，以达到多种控制目的。
1.1.2设计的基本内容
本次设计以51系列单片机芯片作为控制中枢，加上简单的外围模块，并由LCD作为显示媒体，制作出“智能定时控制器”。在硬件方面，单片机的具体选型为STC89C52RC芯片。单片机及其复位电路和晶振电路构成了一个最小系统。它使用LCD液晶示屏显示全部时间与设置信息。通过LCD能够十分准确全面地显示年月日、时分秒等信息，并且能够动态的显示按键设置过程。五个独立按键便能实现方便地对时间进行秒一级的精确调整以及定时闹铃功能。并且通过UART借助串口调试助手实现上位机与定时控制器的通信，实现PC调时与定时。本系统在与笔记本电脑进行通信时，将使用一根USB转串口数据线（一端连接笔记本电脑的USB母口，一端连接系统的九针串口），并通过MAX232芯片实现RS232电平与TTL电平的转换。软件则采用了C语言编程，并以定时中断作为整个数字时钟的计时基础。对于软件的整个设计都采用了分模块设计，各个模块功能明晰、调用方便。这在很大程度上降低了复杂逻辑的编写难度，使程序的设计、调试和维护等工作简易而有序。
整个定时控制器的最基本功能包括：（1）时间显示功能；(2)时间调整功能（按键调整）；(3)闹钟设置功能；(4)闹钟响铃功能；(5)上位机调整时间与闹钟功能（串行通信）。但作为一个以MCU为核心的智能控制器，系统的引脚（输入输出端口）资源都通过插针的形式预留出来，这也就给本系统的功能扩展提供了无限可能。辅以必要的软件逻辑，该设计将不仅仅是一个电子时钟，而会是一个基于定时控制的智能控制开发平台。因此所有基于时间控制的项目都能够以本设计作为开发平台，以实现多种控制目的。例如：定时自动报警、定时自动打铃、定时开关烘箱、定时通断动力设备以及各种电气的定时启动等。
1.2单片微型机概述
实际上，“单片机”的称谓是中国人自己的约定俗称，其对应的英文并不是“simple chip microcomputer”。它的准确中文叫法应该是微控制器（micro comtroller unit，MCU）。所以，人们所说的单片机、单片微型机、单片微控制器、微控制单元等术语，都是指微控制器（MCU）。而微控制器的标准称谓则更能表征单片机的功能和形态，因为他就是作为控制领域的微型计算机应用而诞生和发展的。
图1.1 单片微型机结构图
单片机的历史到现在只有三十多年的时间，他的诞生晚于计算机系统，但后来基本同步于通用微机的发展。第一阶段为单片机初级阶段，发展出了4位单片机和简单8位单片机，已经集成了CPU、RAM等等基本计算机要素，但无串行I/O接口等资源。第二阶段属于成熟完善的8位单片机阶段，它们具有完整的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线和相应的控制总线，具有强大的指令系统和丰富的软硬件资源。这一阶段地单片机功能完备，性价比合理，拓宽了其应用范围，具备了微机的全面属性。第三阶段就是单片机的高级阶段了，除不断完善了高档8位单片机，还发展出了16位单片机。它们中有的甚至包含了A/D转换器，功能更强，速度更快。发展到现在单片机已经发展出8位、16位甚至是32位的系统来了，其中8位机以51系列单片机位主流而32位机以ARM系列处理器为主。8位机、16位机和32位机并非逐级取代，不同位数、不同等级的单片机有着不同的应用领域，用于不同项目的性价比才是决定因素。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1设计的背景与基本内容 1
1.1.1设计背景 1
1.1.2设计的基本内容 1
1.2单片微型机概述 2
1.3 PCB设计概述 5
第2章 总体设计方案 9
2.1硬件设计总体方案 9
2.2软件设计总体方案 10
第3章 定时控制器硬件设计 11
3.1 单片机最小系统模块 11
3.1.1控制核心详解 11
3.1.2时钟电路与复位电路 13
3.2 LCD显示模块 15
3.2.1液晶显示器原理与驱动 15
3.2.2 LCD模块设计 16
3.3串口通信模块 18
3.3.1串口通信概论 18
3.3.2串口模块设计 19
3.4 其他硬件模块 21
3.4.1 USB供电模块 21
3.4.2 蜂鸣器
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
与按键模块 22
第4章 定时控制器软件设计 24
4.1软件总体设计 24
4.2各模块详细分析 25
第5章 制板、焊接与调试 30
5.1制板与焊接 30
5.2调试及问题解决 32
5.3 KEIL uxision2软件使用 35
5.4 STC—ISP软件使用 37
致 谢 39
参考文献 40
附 录 43
第1章 绪论
1.1设计的背景与基本内容
1.1.1设计背景
如今电子技术正在蓬勃发展，特别突出地体现在IC电路神速升级上。这使电子产品朝着低耗能、高精度、智能化、小型化、多功能化方向演进。而随着现代电子产品愈加轻薄短小、便携耐用，它们正疯狂的涌入人们的生活，成为人们娱乐、学习和工作的得力助手，部分甚至已经变成生活必需品了。也因此，消费类电子产品之概念诞生了。这些产品是指以消费者为中心而设计生产的与生活、工作和娱乐密切关联的电子产品，最终满足消费者随意获取资讯、尽享欢乐的目的。可以说商场里绝大多数常见的3C产品都属于这一范畴。目前，全球消费类电子市场正呈现井喷式爆炸性增长。我们可以看到，当今各大信息技术创新公司正赚得盆满钵满，此类上市公司市值也在不断创下新高。例如华为、苹果、联想等大集团正不断推出新产品，正以不可阻挡之势席卷全球。IPHONE 6、APPLE WATCH、P7、GALAXY EDGE等等产品正不断使疯狂的粉丝挑战排队时间纪录。与此同时，中国市场与中国公司表现尤其突出，中国也于去年成功的跃居此类产品全球最大市场。
在此浪潮之下，本人希望通过毕业设计进行电子设计的相关实践与创新。本设计“定时控制器”的想法也就此产生。随着产业的转型升级（传统制造业对自动化程度的要求越来越高）、制造工艺的高速演变、人们收入的增加以及对生活质量的高追求最后到家用电器的全面普及,现在公司和个人都对定时控制系产生了无比的兴趣与渴求。定时控制系统将在打造“智慧工厂”、创新“智能家居”以及全面推进“中国制造2025”上助力良多。智能定时控制器的设计方法有很多，比如使用中小规模集成电路设计，同时也能够拿来专用的电子钟芯片配合显示模块并加上它需要的外围电路而成，最后还能使用MCU（微控制器）来达到计时功能等等。每一个方法都有自身的优劣点，其中利用单片机（MCU）本身具有的极其灵活的编程特性以及丰富的控制资源（中断资源与输入输出接口资源），可以极大得实现系统的功能可扩展性，以达到多种控制目的。
1.1.2设计的基本内容
本次设计以51系列单片机芯片作为控制中枢，加上简单的外围模块，并由LCD作为显示媒体，制作出“智能定时控制器”。在硬件方面，单片机的具体选型为STC89C52RC芯片。单片机及其复位电路和晶振电路构成了一个最小系统。它使用LCD液晶示屏显示全部时间与设置信息。通过LCD能够十分准确全面地显示年月日、时分秒等信息，并且能够动态的显示按键设置过程。五个独立按键便能实现方便地对时间进行秒一级的精确调整以及定时闹铃功能。并且通过UART借助串口调试助手实现上位机与定时控制器的通信，实现PC调时与定时。本系统在与笔记本电脑进行通信时，将使用一根USB转串口数据线（一端连接笔记本电脑的USB母口，一端连接系统的九针串口），并通过MAX232芯片实现RS232电平与TTL电平的转换。软件则采用了C语言编程，并以定时中断作为整个数字时钟的计时基础。对于软件的整个设计都采用了分模块设计，各个模块功能明晰、调用方便。这在很大程度上降低了复杂逻辑的编写难度，使程序的设计、调试和维护等工作简易而有序。
整个定时控制器的最基本功能包括：（1）时间显示功能；(2)时间调整功能（按键调整）；(3)闹钟设置功能；(4)闹钟响铃功能；(5)上位机调整时间与闹钟功能（串行通信）。但作为一个以MCU为核心的智能控制器，系统的引脚（输入输出端口）资源都通过插针的形式预留出来，这也就给本系统的功能扩展提供了无限可能。辅以必要的软件逻辑，该设计将不仅仅是一个电子时钟，而会是一个基于定时控制的智能控制开发平台。因此所有基于时间控制的项目都能够以本设计作为开发平台，以实现多种控制目的。例如：定时自动报警、定时自动打铃、定时开关烘箱、定时通断动力设备以及各种电气的定时启动等。
1.2单片微型机概述
实际上，“单片机”的称谓是中国人自己的约定俗称，其对应的英文并不是“simple chip microcomputer”。它的准确中文叫法应该是微控制器（micro comtroller unit，MCU）。所以，人们所说的单片机、单片微型机、单片微控制器、微控制单元等术语，都是指微控制器（MCU）。而微控制器的标准称谓则更能表征单片机的功能和形态，因为他就是作为控制领域的微型计算机应用而诞生和发展的。
图1.1 单片微型机结构图
单片机的历史到现在只有三十多年的时间，他的诞生晚于计算机系统，但后来基本同步于通用微机的发展。第一阶段为单片机初级阶段，发展出了4位单片机和简单8位单片机，已经集成了CPU、RAM等等基本计算机要素，但无串行I/O接口等资源。第二阶段属于成熟完善的8位单片机阶段，它们具有完整的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线和相应的控制总线，具有强大的指令系统和丰富的软硬件资源。这一阶段地单片机功能完备，性价比合理，拓宽了其应用范围，具备了微机的全面属性。第三阶段就是单片机的高级阶段了，除不断完善了高档8位单片机，还发展出了16位单片机。它们中有的甚至包含了A/D转换器，功能更强，速度更快。发展到现在单片机已经发展出8位、16位甚至是32位的系统来了，其中8位机以51系列单片机位主流而32位机以ARM系列处理器为主。8位机、16位机和32位机并非逐级取代，不同位数、不同等级的单片机有着不同的应用领域，用于不同项目的性价比才是决定因素。
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