基于低功耗設(shè)計(jì)的多功能電子萬(wàn)年歷

摘 要：本文開發(fā)了一款基于STC89C52單片機(jī)的多功能電子萬(wàn)年歷產(chǎn)品。該系統(tǒng)集成DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘、DS18B20溫度傳感器等基礎(chǔ)模塊，并新增網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和語(yǔ)音播報(bào)功能，以進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。此外，系統(tǒng)利用優(yōu)化硬件電路和軟件控制策略，顯著降低了功耗并延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。試驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)具有穩(wěn)定的性能和良好的應(yīng)用擴(kuò)展性，適用于智能家居、可穿戴設(shè)備等多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；電子萬(wàn)年歷；功耗優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步；語(yǔ)音播報(bào)

中圖分類號(hào)：TP 23" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

物聯(lián)網(wǎng)和智能家居技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了低功耗、高集成度電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52單片機(jī)的多功能電子萬(wàn)年歷，該系統(tǒng)集成溫度監(jiān)測(cè)、鬧鐘設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和語(yǔ)音播報(bào)等功能，能夠滿足用戶對(duì)智能化和便捷化設(shè)備的需求。經(jīng)過優(yōu)化硬件和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)增強(qiáng)了功能，降低了功耗，延長(zhǎng)了電池使用壽命，在便攜式和可穿戴設(shè)備中具有續(xù)航優(yōu)勢(shì)。此外，溫度監(jiān)測(cè)功能能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)危險(xiǎn)環(huán)境中的監(jiān)控提供重要的數(shù)據(jù)支持[1]，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步功能能夠?qū)θ驎r(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)管理，語(yǔ)音播報(bào)功能能夠?yàn)橐曈X受限環(huán)境下的用戶帶來(lái)便利，這些特性展示了該系統(tǒng)在便攜設(shè)備、智能家居和車載系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用潛力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，涉及多種模塊的集成與協(xié)作。本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心控制單元[2]，集成多種模塊，具有時(shí)間顯示、溫度監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和語(yǔ)音播報(bào)等功能。各模塊利用單片機(jī)的不同接口協(xié)同工作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效。具體設(shè)計(jì)如下所示。

首先，STC89C52單片機(jī)。STC89C52是核心控制單元，能夠協(xié)調(diào)和管理各硬件模塊。單片機(jī)電路圖如圖1所示。P0.0～P0.7端口連接LCD12864顯示屏，用于數(shù)據(jù)傳輸；P1.0～P1.7端口連接矩陣鍵盤，以進(jìn)行按鍵輸入；P2.0～P2.4端口連接語(yǔ)音播報(bào)模塊，以控制音頻；P2.5～P2.7和P3.2端口連接LCD12864的控制引腳，以完成顯示管理；P3.0～P3.1端口連接Wi-Fi模塊，以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；P3.3端口連接蜂鳴器，用于語(yǔ)音提示；P3.4～P3.6端口連接DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，用于時(shí)間管理；P3.7端口連接DS18B20溫度傳感器模塊，以進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。各模塊具有獨(dú)立的接口布局設(shè)計(jì)，能夠避免管腳沖突，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

其次，DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片[3]。該芯片用于精確時(shí)間管理，保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確顯示當(dāng)前時(shí)間和日期，當(dāng)斷電時(shí)，能夠利用內(nèi)部電池保持時(shí)間數(shù)據(jù)。時(shí)鐘模塊電路圖如圖2所示。VCC1和VCC2引腳連接至5V電源，以保證斷電情況下保存時(shí)間數(shù)據(jù)；X1和X2連接外部晶振，為芯片提供時(shí)鐘源；RST、SCLK和I/O分別與單片機(jī)的P3端口相連。這種連接設(shè)計(jì)能夠有效避免數(shù)據(jù)丟失，保證系統(tǒng)在重新上電后繼續(xù)正常運(yùn)行。

再次，DS18B20數(shù)字溫度傳感器[1，4]。數(shù)字溫度傳感器用于進(jìn)行環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳感器的數(shù)據(jù)由單片機(jī)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上。溫度采集模塊電路圖如圖3所示。深色小方框中的數(shù)據(jù)模擬顯示外部環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度，其下面的圓形上、下按鈕能夠進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。此外，控制管腳DQ連接單片機(jī)的P2.1，能夠保證傳感器在不同環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時(shí)，為了提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫度數(shù)據(jù)的濾波和校準(zhǔn)功能，以保證溫度讀數(shù)的精確性。

從次，ESP8266Wi-Fi模塊。該模塊定期從互聯(lián)網(wǎng)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，并校準(zhǔn)DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，解決長(zhǎng)期運(yùn)行中的時(shí)間漂移問題。Wi-Fi模塊電路圖如圖4所示，集成ESP826模塊過程中需要遵守電氣規(guī)范。VCC引腳應(yīng)穩(wěn)定保持3.3V電壓，GND接地形成電源回路。RXD和TXD引腳需要采用串行通信協(xié)議與主控單元的UTXD和URXD相連，以進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。在調(diào)試模式下時(shí)，將RST引腳與GPIO0相連，保證在芯片發(fā)生錯(cuò)誤情況下能及時(shí)復(fù)位。CH_PD引腳連接至3.3V電源，保證模塊能夠從睡眠模式中喚醒并啟動(dòng)。GPIO2引腳可以根據(jù)需求擴(kuò)展功能。設(shè)計(jì)中應(yīng)保證電氣兼容性和通信協(xié)議的準(zhǔn)確性，使ESP8266模塊能夠在各種環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，并與主控單元協(xié)同工作。

最后，WT588D語(yǔ)音播報(bào)模塊。該模塊支持按鈕觸發(fā)和定時(shí)播報(bào)。單片機(jī)可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)間、日期和溫度等信息向WT588D模塊發(fā)送指令，播放預(yù)錄音頻。語(yǔ)音播報(bào)模塊電路圖如圖5所示。VDD引腳連接穩(wěn)定電源；GND接地形成回路，保證模塊正常工作；RESET引腳用于控制模塊的復(fù)位，可以連接至主控單元；PWM+和PWM-引腳用于控制音量，可以利用PWM信號(hào)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)；P24和P20～P23引腳提供豐富的接口選項(xiàng)，用于控制語(yǔ)音輸出；BUSY引腳用于監(jiān)測(cè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)；DAC引腳用于數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換；揚(yáng)聲器接口連接至LS0引腳，用于輸出音頻。設(shè)計(jì)中需要關(guān)注電源穩(wěn)定性、接口兼容性及控制邏輯的準(zhǔn)確性，保證語(yǔ)音播報(bào)模塊穩(wěn)定運(yùn)行并與主控單元高效協(xié)同工作。

此外，系統(tǒng)還集成了LCD12864液晶顯示屏、按鍵輸入模塊以及蜂鳴器和指示燈模塊。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化架構(gòu)，以保證各功能模塊獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行，并且彼此間利用中斷機(jī)制和數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行高效協(xié)作。所有程序均使用C語(yǔ)言編寫。1） 初始化程序。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，初始化所有外圍設(shè)備（例如DS1302、DS18B2、LCD12864和單片機(jī)定時(shí)器），為后續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行設(shè)置基礎(chǔ)狀態(tài)。2） 功耗管理程序。當(dāng)系統(tǒng)處于無(wú)操作狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入低功耗模式，利用按鍵或定時(shí)中斷喚醒單片機(jī)。LCD顯示屏在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)操作后能夠自動(dòng)調(diào)暗，時(shí)鐘芯片和溫度傳感器在非必要時(shí)段能夠關(guān)閉供電，從而降低功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命。3） 時(shí)鐘管理程序。該程序能夠讀取DS1302提供的時(shí)間數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制格式，以準(zhǔn)確顯示時(shí)間。程序包括閏年判斷和日期處理算法，以保證時(shí)間精度。定時(shí)器中斷程序用于同步時(shí)間更新。4） 溫度監(jiān)測(cè)程序。DS18B20傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并顯示在LCD上。為避免讀取沖突，程序采用了獨(dú)立的數(shù)據(jù)讀取機(jī)制，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和校準(zhǔn)，以保證精確顯示。5） 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步程序。系統(tǒng)利用ESP8266模塊定時(shí)連接網(wǎng)絡(luò)，從NTP服務(wù)器獲取時(shí)間，并更新DS1302芯片中的數(shù)據(jù)。同步處理時(shí)區(qū)和夏令時(shí)問題，以保證全球范圍內(nèi)的時(shí)間準(zhǔn)確性。6） 語(yǔ)音播報(bào)程序。用戶可以利用按鍵觸發(fā)語(yǔ)音播報(bào)時(shí)間或溫度，使用WT588D模塊進(jìn)行語(yǔ)音合成和播報(bào)。語(yǔ)音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于EEPROM，并由外接喇叭播放。鬧鐘提醒支持語(yǔ)音播報(bào)，方便視覺受限環(huán)境下的用戶。7） 顯示驅(qū)動(dòng)程序。該程序能夠控制LCD12864顯示屏，正確顯示時(shí)間、日期和溫度等信息，并支持多語(yǔ)言和特殊符號(hào)顯示。8） 用戶界面程序。用戶可以利用按鍵設(shè)置時(shí)間、日期和鬧鐘，交互方式簡(jiǎn)潔、直觀。界面設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，提升了用戶體驗(yàn)，支持字體大小、對(duì)比度的調(diào)整。

同時(shí)本文還將模塊化的程序合并為一個(gè)整體流程，使其更具邏輯性。程序邏輯如圖6所示。步驟1，系統(tǒng)初始化硬件組件并設(shè)置臨時(shí)保存數(shù)據(jù)（溫度、日期和時(shí)間等）。步驟2，系統(tǒng)讀取傳感器數(shù)據(jù)并校驗(yàn)時(shí)間的準(zhǔn)確性，如果不準(zhǔn)確，那么進(jìn)入手動(dòng)調(diào)整模式。步驟3，用戶可以按下按鍵，進(jìn)入手動(dòng)調(diào)整時(shí)間和鬧鐘模式，如果時(shí)間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無(wú)須調(diào)整，那么跳過該步驟。步驟4，系統(tǒng)在無(wú)用戶交互且時(shí)間數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確情況下，能夠自動(dòng)利用Wi-Fi模塊校準(zhǔn)時(shí)間。步驟5，系統(tǒng)持續(xù)檢查當(dāng)前時(shí)間是否符合設(shè)定的鬧鐘時(shí)間，如果匹配并啟用了語(yǔ)音播報(bào)，那么系統(tǒng)就會(huì)利用語(yǔ)音模塊播報(bào)時(shí)間和相關(guān)信息。步驟6，語(yǔ)音播報(bào)和時(shí)間顯示結(jié)束后，系統(tǒng)返回正常顯示界面，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次操作或時(shí)間觸發(fā)。

1.2.2 功耗優(yōu)化策略

系統(tǒng)采用外部直流電源供電。為了延長(zhǎng)電池使用壽命，本設(shè)計(jì)采取以下3個(gè)功耗優(yōu)化措施。1） 低功耗模式。單片機(jī)在空閑狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式（例如睡眠模式），僅在定時(shí)中斷或按鍵操作情況下喚醒系統(tǒng)。2） 智能亮度調(diào)節(jié)。程序能夠自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)LCD12864顯示屏的亮度。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)操作時(shí)，顯示屏自動(dòng)切換至低亮度模式，以減少功耗。3） 模塊動(dòng)態(tài)控制。語(yǔ)音播報(bào)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步等模塊在非工作狀態(tài)下能夠自動(dòng)關(guān)閉電源并進(jìn)入待機(jī)模式，系統(tǒng)具有中斷機(jī)制，當(dāng)需要時(shí)能夠快速喚醒模塊。

2 系統(tǒng)測(cè)試與功耗分析

硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，本文經(jīng)過一系列測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能和性能。1） 硬件測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括各模塊的連接穩(wěn)定性和系統(tǒng)整體的抗干擾能力。對(duì)電路板進(jìn)行仿真測(cè)試，系統(tǒng)在各種環(huán)境下均表現(xiàn)穩(wěn)定。各模塊的電源管理和信號(hào)傳輸均達(dá)到預(yù)期效果，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可靠性。2）軟件測(cè)試。測(cè)試分為單元測(cè)試和集成測(cè)試。在單元測(cè)試中分別驗(yàn)證時(shí)鐘管理、溫度監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和語(yǔ)音播報(bào)等功能，各模塊均獨(dú)立運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)程序沖突。在集成測(cè)試中，將所有模塊整合進(jìn)行綜合測(cè)試，系統(tǒng)協(xié)作流暢，無(wú)明顯沖突或錯(cuò)誤。3） 功耗測(cè)試與分析。為驗(yàn)證系統(tǒng)的功耗優(yōu)化效果，本文進(jìn)行了多組測(cè)試，分別記錄了時(shí)鐘顯示、溫度監(jiān)控、語(yǔ)音播報(bào)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步4種工作模式下的功耗，結(jié)果見表1。

測(cè)試結(jié)果顯示，上述優(yōu)化策略使系統(tǒng)的平均功耗降低了約30%，有效延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的多功能電子萬(wàn)年歷系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了時(shí)間顯示、溫度監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音播報(bào)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步等多項(xiàng)功能，并利用功耗優(yōu)化延長(zhǎng)了電池使用壽命，實(shí)現(xiàn)了低功耗、長(zhǎng)續(xù)航和高精度的目標(biāo)。該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和擴(kuò)展性，不僅適合家庭使用，而且適用于對(duì)低功耗要求較高的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)可以根據(jù)需要，添加更多功能模塊，例如濕度監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)和藍(lán)牙控制等，以進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]賈宇龍.基于單片機(jī)的智能多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2020（9）：7-8.

[2]劉秀娟，李朋龍，邵娟，等.多功能電子萬(wàn)年歷設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2022（5）：73-75.

[3]吳玉玉，楊瑞珍，馬得秀，等.基于單片機(jī)的電子萬(wàn)年歷設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2018（23）：31-32.

[4]翟朝霞，金國(guó)華，劉劍橋，等.基于單片機(jī)的多功能電子萬(wàn)年歷系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019（10）：134-135.