基于单片机的多功能电子钟设计Word格式文档下载.docx

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Keywords：

PerpetualCalendar，Thetemperaturesensor，LCDdisplay

1绪论

1.1课题研究的背景

对于数字电子万年历采用直观的数字显示，可以同时显示年、月、日、时、分、秒和温度等信息，拥有定时闹钟、时间校准等功能。

该电路采用AT89C52单片机作为核心，功耗小，可在3V的低压工作，亦能在3~5V电压下正常工作。

　在日益繁忙的今天，人们每天都为生存而奔波，人们对时间看的更为重要，因此在手表上下功夫，实现电子手表的多功能化是完全可行的，符合未来人们对时间的追求。

中国产业信息网数据显示：

2014年10月全国表产量为14,342,164.00只，同比增长9.57%，2014年1-10月全国表产量为144,817,082.00只，同比增长6.69%。

2014年1-10月全国表产量及其增长统计表

产品

2014年10月

本月产量

本月止累计

本月同比增长（%）

本月止累计同比增长（%）

表（只）

14,342,164.00

144,817,082.00

9.57

6.69

表1.1

不难看出我国表产量保持着一定的增长率，市场比较大，电子钟表行业未来的前景比较好。

1.2课题的研究目的与意义

二十一世纪是数字化技术高速发展的时代，而单片机在数字化高速发展的时代扮演着极为重要的角色。

所以说电子万年历的开发是国家之所需，社会之所需，人民之所需。

数字化是未来科技发展的热点，无论是在可视化还是时钟的精确上，数字钟都要优越于传统的机械手表。

由于社会对信息交换不断提高的要求及高新技术的逐步发展，促使电子万年历发展并且投入市场得到广泛应用。

1.3课题解决的主要内容

本课题所研究的电子万年历是单片机控制技术的一个具体应用，主要研究内容包括以下几个方面：

（1）选用电子万年历芯片时，应重点考虑功能实在、使用方便、单片存储、低功耗、抗断电的器件。

（2）根据选用的电子万年历芯片设计外围电路和单片机的接口电路。

（3）在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，使系统电路尽量简单。

（4）根据硬件电路图，在开发板上完成器件的焊接。

（5）在keil软件上编写控制AT89C52芯片的单片机程序。

（6）通过编程、编译、调试，把程序下载到单片机上运行，并实现本设计的功能。

（7）在硬件电路和软件程序设计时，主要考虑提高人机界面的友好性，方便用户操作等因素。

2系统的方案设计与论证

2.1系统的方案设计

单片机电子万年历的制作有多种方法，可供选择的器件和运用的技术也有很多种。

设计者应该考虑到多方面的因素，比如分析方案的可行性，成本是否符合设计者的经济状况，尽可能的做出物美价廉、性能优越的产品。

按照系统设计的要求，初步确定系统由单片机模块、电源模块、时钟模块、显示模块、按键模块、温度测量模块和闹钟模块共七个模块组成，电路系统构成框图如图2.1所示。

图2.1硬件模块框图

2.1.1系统的模块组成

本设计由单片机模块、电源模块、时钟模块、显示模块、键盘接口模块、温度测量模块和闹钟模块七个模块组成。

系统的核心采用的AT89C52单片机；

数据显示模块采用的是QC12864B液晶显示；

温度采集模块用的是DS18b20温度传感器，该传感器所采用的是单总线传输，内部带有A/D转换，用起来非常方便；

时钟模块用的是DS1302时钟芯片，可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能；

闹钟模块由一个蜂鸣器作为媒介。

调整设置模块共包括四个按键：

模式选择键、功能选择键、调整加按键、调整减按键。

2.1.2功能实现

系统在正常工作时，LCD液晶上第一行显示多功能电子日历，第二行显示阳历，第三行显示农历与星期，第四行显示时间和温度。

如果想要对时间进行调整，可以通过调整设置模块来实现。

当按下k4键时，系统进入另一模式，时间，闹钟的开关都可以用k2,k3键进行调整。

2.2系统方案论证

2.2.1单片机芯片设计与论证

方案一:

AT89C51芯片为核心硬件,使用快闪记忆体,内部使用4KB存储空间,可以为3v低电压工作,和MCS-51系列单片机完全兼容,但当用于电路设计由于没有ISP在线编程技术,在电路调试、修改或由于程序错误程序的新功能需要老化,反复拉塞芯片会对芯片造成一定损害。

方案二:

AT89C52芯片为核心的硬件,使用闪存,可以在3v低电压工作,并与MCS-51系列单片机是完全兼容的内存芯片8KB存储空间。

支持ISP在线编程功能,该功能的优点是重写程序在单片机内存不需要把芯片的工作环境。

是一个强大易用的功能。

最高工作频率为33MHz，比AT89C51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

由于AT89C52内部具有8KBROM存储芯片并且支持ISP在线编程，因此采用AT89C52作为主控芯片。

2.2.2按键控制模块设计与论证

方案一：

采用独立键盘，由于按键多可实现数值的直接键入，但在系统中需要CPU不间断的对其端口扫描。

方案二：

采用独立按键，查询简单，程序处理简单,可节省CPU资源。

因系统中所需按键不多，为了释放更多的CPU占有时间，操作方便，故采用方案二。

2.2.3时钟模块设计与论证

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。

采用此种方案能够减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差比较大。

DS1302是一款高性能的实时时钟芯片，以计时准确、接口简单、使用方便、工作电压范围宽和低功耗等优点，得到广泛的应用，实时时钟有秒、分、时、星期、日、月和年，月小于31天时可以自动调整，并具有闰年补偿功能，而且在掉电时能够在外部纽扣电池的供电下继续工作。

单片机有定时器的功能，但时间误差较大，且需要编写时钟程序。

由于DS1302时钟芯片计数时间精度高，而且具有闰年补偿功能等优点，故采用方案二。

2.2.4温度采集模块设计与论证

采用温度传感器，再经AD转换得到数字信号，精度较准，但价格昂贵，电路较复杂。

采用数字式温度传感器DS18B20，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式，但准确度不高，误差最大达2度。

因为用DS18B20温度芯片，采用单总线访问，降低成本、降低制作难度且可节省单片机资源，故采用方案二。

2.2.5显示模块模块设计与论证

采用静态显示方法，静态显示模块的硬件制作较复杂及功耗大，要用到多个移位寄存器，但不占用端口，只需两根串口线输出。

采用动态显示方法，动态显示模块的硬件制作简单，段扫描和位扫描各占用一个端口，总需占用单片机14个端口，采用间断扫描法功耗小、硬件成本低及整个硬件系统体积相对减小。

方案三:

采用LCD的方法,具有硬件制作简单可直接与单片机接口,显示内容多,功耗小,成本低等优点,QC12864B可显示32个字符,采用LCD的缺点是亮度不够。

比较以上三种方案：

方案一硬件复杂体积大、功耗大；

方案二硬件简单、功耗小；

方案三硬件简单，显示内容多,功耗小,成本低等。

本系统设计要求达到功耗小、体积小、成本低，显示信息多等要求，权衡三种方案，选择方案三。

3系统硬件设计

根据上述所确定的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的具体设计在下面会详细介绍。

3.1AT89C52单片机

本系统采用的是美国ATMEL公司生产的AT89C52单片机，首先我们来熟悉一下AT89C52单片机的外部引脚和内部结构。

1.单片机的引脚功能

AT89C52单片机有40个引脚。

Vcc：

电源电压+5V

GND：

接地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即复用口地址/数据总线。

吸收当前可用作为输出,每路驱动八TTL逻辑门。

图3.1AT89C52的管脚图

对端口写“1”可以作为高阻抗输入终端。

在访问外部数据内存或程序内存,这组口线分时线转换地址以低（8位）和数据总线,激活内部上拉电阻访问期间。

在Flash编程中,P0口接收指令字节,例行检查,输出命令字节,检查外部阻力的要求。

P1口:

P1口是一个内部上拉电阻与8位双向I/O,P1水平输出缓冲区可以开车（或吸收输出电流）四个TTL逻辑门。

对端口口写“1”,通过内部上拉电阻拉对端口到一个很高的水平,可以使输入端口。

使用时输入端口,因为内部上拉电阻,确定由外部信号电流时的输出。

闪存编程和在一次例行检查,P1接收低8位地址。

P2口：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程和程序校验期间，P2亦接收低高位地址和其他控制信号。

P3口：

P3口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，见图3.2所示：

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

下图P3口的第二功能图

图3.2

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使引脚输出高电平，设置SFR-AUXR的DISRT0（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需要注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的变成电压Vpp.

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

AT89C52单片机内部结构

2.AT89C52单片机与MCS-51完全兼容

振荡电路：

AT89C52系列单片机的内部振荡器，由一个单极反相器组成。

XTAL1反相器的输入，XTAL2为反相器的输出。

可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要XTAL1和XTAL2引脚上一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整的振荡信号发生器，此方式称为内部方式。

另一种方式由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入，而XTAL2端浮空。

在组成一个单片机应用系统时，多数采用这种方式，这种方式结构紧凑，成本低廉，可靠性高。

在电路中，对电容C1和C2的值要求不是很严格，如果使用高质的晶振，则不管频率为多少，C1、C2通常都选择30pF。

定时/计数器：

AT89C52单片机内含有2个16位的定时器/计数器。

当用于定时器方式时，定时器的输入来自内部时钟发生电路，每过一个机器周期，定时器加1，而一个机器周期包含有12个振荡周期，所以，定时器的技术频率为晶振频率的1/12，而计数频率最高为晶振频率的1/24。

为了实现定时和计数功能，定时器中含有3种基本的寄存器：

控制寄存器、方式寄存器和定时器/计数器。

控制寄存器是一个8位的寄存器，用于控制定时器的工作状态，方式寄存器是一个8位的寄存器，用于确定定时器的工作方式，定时器/计数器是16位的计数器，分为高字节和低字节两部分。

RAM：

高于7FH内部数据存储器的地址是8位的，也就是说其地址空间只有256字节，但内部RAM的寻址方式实际上可提供384字节。

的直接地址访问同一个存储空间，高于7FH的间接地址访问另一个存储空间。

这样，虽然高128字节区分与专用寄器，即特殊功能寄存器区的地址是重合的，但实际上它们是分开的。

究竟访问哪一区，存是通过不同的寻址方式加以区分的。

SFR：

SFR共含有22个不同寄存器，它们的地址分配在80H～FFH中。

虽然如此，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的。

如对这些单元进行读操作，得到的是一些随机数，而写入则无效，所以在编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元中，特殊功能寄存器主要有累加器ACC、B寄存器、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针DPTR、I/O端口、串行口数据缓冲器SBUF。

中断系统：

AT89C52单片机有6个中断源，中断系统主要由中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、优先级结构和一些逻辑门组成。

IE寄存器用于允许或禁止中断；

IP寄存器用于确定中断源的优先级别；

优先级结构用于执行中断源的优先排序；

有关逻辑门用于输入中断请求信号。

在整个中断响应过程中CPU所执行的操作步骤如下：

（1）完成当前指令的操作

（2）将PC内容压入堆栈

（3）保存当前的中断状态

（4）阻止同级的中断请求

（5）将中断程序入口地址送PC寄存器

（6）执行中断服务程序

（7）返回

3.2时钟芯片DS1302接口设计与性能分析

3.2.1DS1302性能简介

DS1302是美国达拉斯的公司推出了一个高性能、低功耗实时时钟芯片,另外31个字节静态RAM,三线与CPU使用SPI接口同步通信,并使用的突发方式传输多个字节的时钟信号和RAM数据。

当实时时钟可以提供第二,一分钟,一天,一周,一月,一年,小,一个月31天可以自动调整,并具有闰年补偿功能。

宽工作电压2.5V至5.5V。

双电源系统（主电源和备用电源）,可以设置备用电源充电方式,提供了细微电流进行背面的电源电流充电容量。

DS1302外部引脚分配如图所示。

DS1302的数据记录,尤其是对一些特殊意义的记录数据点,可以实现数据的数据时间记录同时,由微处理器进行数据交换,第一个字节电路发送命令,命令字节最高写保护（D7）必须是一个逻辑0,如果D7=1,禁止写DS1302,即写保护;

D6=0,指定时钟数据,D6=1,指定内存数据;

因此,其与单片机之间的数据传送是十分容易实现的，DS1302的引脚排列及内部结构图如图3.3：

DS1302引脚说明：

X1，X232.768kHz晶振引脚

GND地线

RST复位端

I/O数据输入/输出端口

SCLK串行时钟端口

VCC1慢速充电引脚

VCC2电源引脚

图3.3DS1302管脚

3.2.2DS1302接口电路设计

1、时钟芯片DS1302的接口电路及工作原理：

图3.4DS1302与MCU接口原理图

图3.5DS1302与MCU接口电路图

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RST端置“1”，最后才给予SCLK脉冲；

读/写时序如下图3.6所示。

图3.7为DS1302的控制字，此控制字的位7必须置1，若为0则不能对DS1302进行读写数据。

对于位6，若对时间进行读/写时，CK=0，对程序进行读/写时RAM=1。

位5指操作单元的地址。

位0是读/写操作位，进行读操作时，该位为1；

进行写操作时，该位为0。

控制字节总是从最低位开始输入/输出的。

图3.7为DS1302的日历、时间寄存器内容：

“CH”是时钟暂停标志位，当该位为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；

当该位为0时，时钟开始运行。

“WP”是写保护位，在任何的对时钟和RAM的写操作之前，“WP”必须为0。

当“WP”为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。

2、DS1302的控制字

DS1302的控制字如表2所示。

每个数据传输是发起一个命令字节，控制字节的高有效位（第7位）必须是一个逻辑“1”。

如果是零,写入DS1302将被禁用。

位6指定时钟/日历数据如果逻辑“0”或RAM数据逻辑“1”。

位一个通过五指定指定寄存器输入或输出,和LSB（位0）指定一个写操作（输入）如果逻辑“0”或读操作（输出）如果逻辑“1”。

命令字节总是输入从LSB（0）。

3、数据输入输出（I/O）

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0位开始。

注意,在第一个下降沿的最后一个字节后发生第一个数据位传输。

额外SCLK周期传输的数据字节应该是发生的，只要RST够高。

此外,I/O销数量在每个SCLK边缘上升。

数据输出从0。

如下图3.6所示。

图3.6

4、DS1302的寄存器

DS1302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图3.7。

图3.7

3.3温度芯片DS18B20接口设计与性能分析

3.3.1DS18B20性能简介

1.DS18B20的主要特性

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。

DS18B20的信息发送到/从机接口,只需要一线连接DS18B20。

其性能特点可归纳如下：

1）独特的接口仅需要一个端口引脚进行通信；

2）测温范围在-55℃到125℃，分辨率最大可达0.0625℃；

3）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件；

4）最多在750ms将12位温度转换为数字；

5）用户可定义的非易失性温度报警设置；

6）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热烧毁，只是不能正常工作。

2.DS18B20工作原理 

DS18B20的读写时序和