电子台历的电路系统毕业设计.docx
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电子台历的电路系统毕业设计
电子台历的电路系统毕业设计
一、引言
（一）本课题的背景
作为中国一种传统的东西，挂历在人们心中一直有着特殊的含义。
因为挂历除了有查阅日期、方便记事等功能外，还是一种颇有文化品位的装饰物。
而对于一些公司、企业，在挂历上印刷一些自己的产品、服务内容、联系电话等，无疑也是一种宣传，也正是因为如此，挂历长期以来一直受到人们的青睐。
什么铜版纸、塑膜挂历、典雅的宣纸、绢丝、油画布挂历和富丽堂皇的金箔画、镭射画挂历等层出不穷。
而今，随着时代发展，挂历大有美人迟暮之感。
据调查发现90%的家庭表示今年将不会去买挂历；其中50%的市民家庭的挂历是单位发或他人送；但这50%的市民表示，如果单位不发、他人不送，自己不会主动去买。
那么是什么让本设计的传统如此疲软呢？
众所周知，传统挂历最大的功能是查看日期，装饰其次，作为礼品则是最后。
近些年随着生活水平的提高，人们获知日期的途径已越来越多。
据中国社会调查事务所（SSIC）在北京、上海等地对265位居民进行的计算机辅助电话调查显示（此项调查为多选题）：
有68%的被访者看日历，有62%的被访者看台历（其中有21%的被访者使用的是电子台历）；有58%的被访者看呼机；有27%的被访者看手机；有20%的被访者看手表；有14%的被访者看街上的显示牌；有33%的被访者看电视；有60%的被访者看报纸；有16%的被访者听广播；有42%的被访者上网；有12%的被访者向别人打听。
由此表明，挂历实用功能的弱化直接导致了挂历市场的”疲软”。
那么，曾经被认同的装饰功能呢？
回答也是否定的。
很多人已经明确表示，明年不挂挂历。
因为消费者认为花很大力气装修的房子，有谁愿意在墙上打个眼儿挂挂历呢？
影响美观不说，还很俗气。
至于礼品功能，大多数消费者都认为现在用挂历当礼品有点不够档次。
随着电子科技的不断发展，传统的挂历已被一些高档的电子台历所取代，与传统的挂历相比，电子台历融合了挂历和时钟的优点，能昼夜清晰显示，集年、月、日、时、分、秒、日期、农历、气温于一体，外观新颖，造型别具一格。
除此之外由于挂历制作成本相对较高，挂历的销售价格也大多在１5——30元之间，而一个电子台历的价格也在这之间，但是挂历只能用一年，而电子台历则不一样，由于它可以自动识别闰年、公历、农历、大小月份、农历，星期能自动对应公历无须调整。
对若干年前后的日期都可以查询，但考虑到其寿命原因，至少也可用5—8年。
在价格相差不大的情况下，电子台历的性价比显然要高的多，就其阅读功能而言，电子台历阅读起来更加方便，同时他还有闹铃和显示温度的功能，这比传统的挂历要强大的多。
其实现的方法也很简单，用一个单片机和LCD液晶显示器就可以实现，由此可见，电子台历的市场经济开发价值要比挂历要高的多，电子台历取代传统的挂历已成为不可抵挡的趋势。
因此开发一个电子台历就必须要了解单片机和LCD夜晶显示器的原理和功能等，下面一节本设计将简单介绍一下单片机和液晶显示器。
（二）本设计的目的和意义
1、在学习了《数字电子技术》和《单片机原理及接口技术》课程后，为了加深对理论知识的理解，学习理论知识在实际中的运用，培养动手能力和解决实际问题的经验让学生接触专用时钟芯片DS1302，并会用DS1302芯片开发时钟模块，应用到其他系统中去。
熟悉WAVE软件调试程序和仿真.
2、通过实验提高对单片机的认识；
3、通过实验提高焊接、布局、电路检查能力；
4、通过实验提高软件调试能力；
5、进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理。
6、通过课程设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术，了解表关电路参数的计算方法。
7、通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。
8、通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，使学生了解开发一单片机应用系统的全过程，为今后从事相应打下基础。
（三）本设计的要求
1、基本要求
（1）具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能；
（2）时间与阴、阳历能够自动关联；
（3）有温度计功能；
（4）具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能；
2、创新要求
（1）具有上、下课响铃功能；
（2）具有防御报警功能；
（四）方案选择与实验基本原理
1、方案选择
①单片机芯片的选择方案和论证：
方案一：
采用89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二：
采用AT89S52，片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏，所以选择采用AT89S52作为主控制系统。
②显示模块选择方案和论证：
方案一：
采用LED液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏.
方案二：
采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以也不用此种作为显示.
方案三：
采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。
所以采用了LED数码管作为显示。
③时钟芯片的选择方案和论证：
方案一：
直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。
采用此种方案虽然减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。
所以不采用此方案。
方案二：
采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高，位的RAM做为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300mA.
④温度传感器的选择方案与论证：
方案一：
使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。
此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。
方案二：
采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。
另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
⑤电路设计最终方案决定
综上各方案所述，对此次作品的方案选定：
采用AT89S52作为主控制系统；DS1302提供时钟；数字式温度传感器；LED数码管动态扫描作为显示。
2、实验基本原理
按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由主控模块、时钟模块、显示模块、键盘接口模块、温度采集模块共5个模块组成，电路系统构成框图如图1所示。
主芯片AT89S52，片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。
时钟芯片使用美国DALLAs公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟DSl302。
采用DSl302作为主要计时芯片，可以做到计时准确。
更重要的是，DSl302可以在很小电流的后备电源（2．5—5．5v电源，在2．5v时耗电小于300nA）下继续计时，并可编程选择多种充电电流来对后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电。
显示模块采用LED数码管动态扫描，键输入采用查询法实现调整功能，与单片机连接时，占用的单片机口线少。
数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。
另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
二、系统的硬件设计与实现
（一）电路设计框图
图1电子万年历电路系统构成框图
（二）系统硬件概述
本电路是由AT89S52单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V超低压工作；时钟电路由DS1302提供，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
可产生年、月、日、周日、时、分、秒，具有使用寿命长，精度高和低功耗等特点，同时具有掉电自动保存功能；温度的采集由DS18B20构成；显示部份由21个数码管，741S138、741S47译码器构成。
使用动态扫描显示方式对数字的显示。
（三）主要单元电路的设计
1、单片机主控制模块的设计
AT89S52单片机为40引脚双列直插芯片，有四个I/O口P0，P1，P2，P3，MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。
单片机的最小系统如下图所示，18引脚和19引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。
第9引脚为复位输入端，接上电容，电阻及开关后够上电复位电路，20引脚为接地端，40引脚为电源端。
如图2所示：
图2主控制系统
2、时钟电路DSl302
DS1302是美国DALLAS公司推出的低功耗时钟芯片。
它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。
DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。
这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。
在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。
记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。
传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。
而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。
DS1302工作电压宽达2.5～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源／后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
（1）DS1302的结构及工作原理
图示出DS1302的引脚排列及内部结构图，其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能：
首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。
SCLK始终是输入端。
图3DS1302管脚图及内部结
（2）DS1302的控制字，如图4所示：
图4控制字节的含义
DS1302的控制字节说明如下：
控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中；（位6）如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；（位５）至（位1）指示操作单元的地址；最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。
（3）复位
通过把
输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
输入有两种功能：
首先，
接通控制逻辑，允许地址／命令序列送入移位寄存器；其次，
提供了终止字节或多字节数据的传送手段。
当
为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中置
为低电平，则会终止此次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，
必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
（4）数据输入输出
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。
同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位至高位7，数据读写时序见图5：
图5数据读写时序
（5）DS1302的寄存器
DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。
其日历、时间寄存器及其控制字见表1
表1：
此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。
DS1302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。
（6）DS1302在测量系统中的硬件电路
DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK（7）、I/O（6）、RST。
在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。
在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下
连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。
DS1302由
或
两者中的较大者供电。
当
大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当
小于
时，DS1302由
供电。
3、温度采集模块
美国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，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。
使你可以充分发挥”一线总线”的优点。
目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。
特性：
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 。
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以”一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20的外形和内部结构：
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温
报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的外形及管脚排列如图6：
图6DS18B20的外形及管脚排列
DS18B20引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端：
（2）GND为电源地
（3）VDD为外接供电电源，输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
DS18B20工作原理：
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图3所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值四个主要的数据部件：
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
（3）DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄
（4）配置寄存器
该字节各位的意义如下：
表2：
配置寄存器结构
低五位一直都是”1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表3：
温度分辨率设置表
高速暂存存储器：
高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。
当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。
对应的温度计算：
当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。
表2是对应的一部分温度值。
第九个字节是冗余检验字节。
根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
表4：
DS18B20暂存寄存器分布
表5：
ROM指令表
表6RAM指令表
DS18B20使用中注意事项：
DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。
采用数字式温度传感器DS18B20，它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用Ｐ0.7与DS18B20的I/O口连接加一个上拉电阻，Vcc接电源，Vss接地。
图7DS18B20温度采集
4、键盘
时钟的键盘是采用4*4阵列键盘，用动态扫描的方式，此种动态扫描方式，占用单片机资源少。
如图8：
图8外接4X4键盘
5、电路原理及说明
（1）时钟芯片DS1302的工作原理：
DS1302在每次进行读、写程序前都必须初始化，先把SCLK端置“0”，接着把RS
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