基于单片机多功能电子钟设计.docx
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基于单片机多功能电子钟设计
1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
一、设计一多功能数字钟
以一昼夜24小时为一个计数周期。
二、主要技术指标与要求：
（1）基本功能
a准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；
b小时的计时为12进位，分和秒的计时为60进位；
c校时功能。
（2）扩展功能
a定时控制；
b整点报时。
c星期提示
d其他功能（显示温度、湿度等）
2．对课程设计成果的要求〔包括图表、原理图、仿真图等〕：
设计电路，编写程序，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。
要求图纸布局合理，符合工程要求，使用proteus软件绘出原理图,器件的选择要有计算依据。
3．主要参考文献：
[1]李朝青.单片机原理及接口技术.北京:
北京航空航天大学出版社,2005,5
[3]龚运新.单片机C语言开发技术.北京:
清华大学出版社,2006,9
[4]孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京:
北京航空航天大学出版社1996,4
[5]贾好来.MCS—51单片机原理及应用机械工业出版社2007年
[6]陈海宴.51单片机原理及应用——基于Keilc与Proteus北京:
北京航空航天大学出版社2010,7
4．课程设计工作进度计划：
序号
起迄日期
工作内容
1
2014-9-6
布置任务，教师讲解设计方法及要求
2
2014-9-6至11
查找阅读资料，初定方案,小组会议讨论并确定方案
3
2014-9-11至16
硬件电路设计及程序编写
4
2014-9-16至19
仿真、实验并写说明书，小组讨论
5
2014-9-19
答辩
指导教师
汪普林
日期：
2014年9月19日
前言
随着科技的快速发展，从摆钟到现在电子钟，人类不断研究，不断创新纪录。
目前，单片机技术的应用产品已经走进了千家万户，电子时钟的出现给人们的生活带来了诸多方便，随着微电子技术的高速发展，单片机在国民经济的个人领域得到了广泛的运用，单片机以体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌头，单片机开发技术已成为电气、通信、自动化、机电一体化等专业技术人员必须掌握的技术。
单片机单芯片的微小体积和低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具，于是基于单片机的醒目而时尚的电子多功能时钟顺应而生。
基于单片机的电子多功能时钟结合了时钟和日历的功能，将其二者融为一体，在显示时间的同时还能显示日期和年、月，它主要是通过单片机来读取时钟芯片的时间、日期，然后送给显示设备显示出来。
而电子万年历作为电子类小设计不仅是市场上的宠儿，也是是单片机实验中一个很常用的题目。
因为它的有很好的开放性和可发挥性，因此对作者的要求比较高，不仅考察了对单片机的掌握能力更加强调了对单片机扩展的应用，而且在操作的设计上要力求简洁，功能上尽量齐全，显示界面也要出色，数字显示的时钟已经越来越流行，特别是适合在家庭居室、办公室、大厅、会议室、车站和广场等使用，壁挂式LED数码管显示的日历钟逐渐受到人们的欢迎。
LED数字显示的日历钟显示清晰直观、走时准确、可以进行夜视，并且还可以扩展出多种功能。
摘要
本文介绍了基于AT89S52单片机的多功能电子万年历的硬件结构和软硬件设计方法。
本设计由数据显示模块、温度采集模块、时间处理模块和调整设置模块四个模块组成。
系统以AT89S52单片机为控制器，以串行时钟日历芯片DS1302记录日历和时间，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能。
温度采集选用DS18B20芯片，万年历采用直观的数字显示，数据显示采用1602液晶显示模块，可以在LCD上同时显示年、月、日、周日、时、分、秒，还具有时间校准等功能。
此万年历具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，具有广阔的市场前景。
关键字：
时钟显示调整温度计液晶显示
ABSTRACT
ThispaperintroducesthebasedonAT89S52multi-functionelectroniccalendarofthehardwarestructureandsoftwareandhardwaredesignmethod.Thisdesignbydatadisplaymodule,temperatureacquisitionmodule,timeprocessingmoduleandsetmodulefourmodules.WithAT89S52single-chipmicrocomputersystemforthecontrollertoserialclockcalendarchipDS1302recordcalendarandtime,itcanbetodateandtime,minutesandsecondsforthetime,alsohasaleapyearcompensationandotherfunctions.TemperaturegatheringchooseDS18B20chip,calendarbyusingobjectdigitaldisplay,datashowedthatthe1602liquidcrystaldisplaymodule,canbeintheLCDshowsatthesametimeyear,month,day,Sunday,when,minutesandseconds,stillhavetimecalibrationetc.Function.Thiscalendarhasreadtheconvenient,directdisplay,functionaldiversity,simplecircuit,lowcost,andmanyotheradvantages,hasabroadmarketprospect.
Keywords：
TheclockdisplayadjustmentthermometerLCDdisplay
1.系统的方案设计与论证
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。
所以，系统的总体设计方案应在满足系统功能的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要简单使用、易于实现，器件的选用着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗以及低廉的成本。
系统的功能往往决定了系统采用的结构，经过成本，性能，功耗等多方面的考虑决定用三个8位74LS164串行接口外接LED显示器，RESPACK-8对单片机AT89S52进行供电，时间芯片DS1302连接单片机AT89S52。
从而实现电子万年历的功能。
按照系统设计的要求，初步确定系统由电源模块、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共六个模块组成，电路系统构成框图如图1所示。
图1硬件电路框图
1.1单片机芯片设计与论证
方案一:
采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能用于3V的超低电压工作,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芯片作为硬件核心,采用FlashROM，能以3V的超低电压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，该芯片内部存储器为8KBROM存储空间。
同样具有AT89S52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。
由于AT89S52内部具有8KBROM存储芯片并且支持ISP在线编程，因此采用AT89S52作为主控芯片。
1.2按键控制模块设计与论证
方案一：
采用矩阵键盘，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。
1.3时钟模块设计与论证
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。
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作为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA.
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。
1.4温度采集模块设计与论证
方案一：
采用温度传感器（如热敏电阻或AD590），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。
方案二：
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。
1.4.1温度测量的步骤
（1）.ReadROM（33 h），每次对DS1820进行操作之前都要对它进行初始化，主要目的在于确定传感器已经连接到单总线上。
（2）.SearchROM（F0h），这条指令使处理器用排除的方法去辨别总线上的DS1820。
（3）.MatchROM（55h），只有准确的符合64位ROM序列的DS1820才能响应其后的指令，当然，单点测温时可以使用Skip ROM（CCh）指令来跳过这一步。
（4）.ConvertT（44h），发完指令后应查询总线上的电平，当电平位高时温度转换完成。
（5）.ReadScratchpad（BEh），将读指令发出后，就可从总线上读得表示温度的2字节二进制数。
1.4.2DS18B20的操作时序
由于采用单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线完成，因此，对读写的操作时序要求严格。
它的各种时序如图2-5所示
为了保证DS18B20的严格I/O时序。
需要做较精确的延时。
在DS18B20操作中，用到的延时有15μS，90μS，270μS，540μS等。
因这些延时均为15μS的整倍，因此在程序中可以编写一个以15μS为基准的延时函数。
图2-6温度采集电路
1.5显示模块模块设计与论证
方案一：
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。
方案二：
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,LCM1602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。
1.5.11602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，本设计采用16列*2行的字符型LCD1602带背光的液晶显示屏。
1602LCD主要技术参数：
1.显示容量:
16×2个字符
2.芯片工作电压:
4.5—5.5V
3.工作电流:
2.0mA（5.0V）
4.模块最佳工作电压:
5.0V
5.字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
1.5.21602引脚功能说明
各引脚接口说明如表所示:
表2-1
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表2-1：
引脚接口说明：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
1.5.31602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2-2所示：
表2-2
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
表2-2字符控制命令说明：
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
芯片时序表如下：
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无
表2-3
基本操作时序表
读写操作时序如图2-7和2-8所示：
图2-7读操作时序
图2-8写操作时序
1.5.41602LCD的RAM地址映射及标准字库表
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图2-9是1602的内部显示地址。
图2-9液晶内部显示地址
例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？
这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B（80H）=11000000B（C0H）。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图10-58所示，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
图2-10字符代码与图形对应图
1.5.51602LCD的一般初始化（复位）过程
1.延时15mS
1.5.6写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙
写指令38H：
显示模式设置
写指令08H：
显示关闭
写指令01H：
显示清屏
写指令06H：
显示光标移动设置
写指令0CH：
显示开及光标设置
1.5.61602LCD的电路连接
液晶5端为读/写选择端，因为我们不从液晶中读取数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择为写状态，即低电平接地。
液晶6端为使能信号，是操作时必须的信号。
其电路如图2-11所示：
图2-111602的电路连接
1.6蜂鸣器闹铃电路
当单片机给蜂鸣器一个低电平时，三极管导通驱动蜂鸣器发出声音作为定时闹铃，其电路图如图2-12所示：
图2-12蜂鸣器连接电路
2系统硬件的设计
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。
2.1AT89S51单片机
本系统采用的是美国ATMEL公司生产的AT89S52单片机，首先我们来熟悉一下AT89S52单片机的外部引脚和内部结构。
1.单片机的引脚功能
AT89S52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，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线服用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。
●P1口：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O，P1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。
Flash编程和程序校验期间，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，见表1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。
表1P3口的第二功能图
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时/计时器0外部输入）
P3.5
T1（定时/计时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
●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SFRAUXR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。
●ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存器允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过多特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置，可禁止ALE操作。
该位置后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
●PSEN：
程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。
●EA/VPP：
外部访问允许。
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