万年历的设计与制作.docx
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万年历的设计与制作
福建信息职业技术学院
毕业设计（论文）
论文题目：
万年历的设计与制作
系别：
电子工程系
专业：
通信技术
班级：
通信1211
学号：
2012010991
学生姓名：
陈清华
指导教师：
陈婷
目录
摘要IV
第一章、数字万年历概述1
1.1万年历的概念1
1.2市场需求分析1
1.3研究意义2
第二章、器件介绍2
2.1LCD1602液晶显示屏2
2.1.1管脚2
2.1.2操作时序2
2.1.3指令集2
2.1.4显示地址3
2.2电阻3
2.2.1电阻实物图3
2.3.1STC89C52单片机实物图4
2.3.2STC89C52单片机原理图5
2.4晶振5
2.4.1晶振作用6
2.4.2晶振实物图7
2.4.3晶振原理图7
2.5电容7
2.5.1电容实物图8
2.6三极管8
2.6.1三极管实物图8
2.6.2三极管的工作原理9
2.6.3三极管原理图10
2.7电源开关11
2.7.1电源开关实物图11
2.7.2电源开关原理图11
2.8蜂鸣器12
2.8.1蜂鸣器实物图12
2.8.2蜂鸣器工作原理12
2.8.3蜂鸣器原理图13
2.9电源接口13
2.9.1电源接口实物图13
第三章、硬件电路设计14
3.1最小系统设置14
3.2电路设计14
3.3硬件电路图14
第四章、硬件电路分析15
4.1主控制器STC89C52RC15
4.2显示模块电路15
4.3温度采集模块电路16
4.4电源模块16
4.5时钟电路模块16
5.2电子万年历成品实物图16
总结17
参考文献17
附录元器件清单18
万年历的设计与制作
摘要:
电子万年历是一种应用非常广泛的日常计时工具，数字显示的日历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数码管显示的日历时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。
年历，是指印有一年的月份、星期、日期、节气等的印刷品。
人们习惯把单张年历、月历、日历都划入广义的年历范畴内。
几十年来，年历的发展见证了科技的发展和时代的变迁。
年历工艺的进步显示了科技的发展和人民生活水平的提高。
本设计是基于51系列的单片机进行的电子万年历设计，可以显示年月日时分秒及周信息，具有可调整日期和时间功能。
关键词：
时钟电路；时钟芯片DS1302；LCD1602液晶；单片机STC89C52RC；数字式温度传感器DS18B2
第一章、数字万年历概述
1.1万年历的概念
万年历我国古代传说中最古老的一部太阳历。
为纪念历法编撰者万年功绩，便将这部历法命名为“万年历”。
而现在所使用的万年历，实际上就是记录一定时间范围内（比如100年或更多）的具体阳历或阴历的日期的年历，方便有需要的人查询使用，与原始历法并无直接联系。
万年只是一种象征，表示时间跨度大。
1.2市场需求分析
在当代繁忙的工作与生活中，时间与我们每一个人都有非常密切的关系，每个人都受到时间的影响。
为了更好的利用我们自己的时间，我们必须对时间有一个度量，因此产生了钟表。
改革开放30年来，中国电子万年历市场从无到有，从小到大、从总量快速扩张到结构明显升级，逐步形成了有中国特色的多样化、多层次的消费市场。
电子万年历市场规模比改革初期扩大了几倍乃至几十倍，其发展成就令世人瞩目。
同时，随着数字技术网络技术飞速发展，今天数字万年历也得到了迅猛的发展。
万年历早超越了单纯的钟表只显视时间的结构，它已经了发展成为一套完整的系统。
它在日常生活发挥着巨大的作用人们对它需求也越来越高。
1.3研究意义
钟表的发展是非常迅速的，从刚开始的机械式钟表到现在普遍用到的数字式钟表，即使现在钟表千奇百怪，但是它们都只是完成一种功能——计时功能，只是工作原理不同而已，在人们的使用过程中，逐渐发现了钟表的功能太单一，没有更大程度上的满足人们的需求。
因此，研究本次课题的主要目的是为了研究和进一步完善万年历的功能。
讲一些辅助功能加入钟表中去。
在此设计中所设计的钟表不但具有普通钟表的功能，它还能实现额外的功能：
世界时间、农历显示。
让它可以为人们的生活带来更大的帮。
第二章、元器件介绍
2.1LCD1602液晶显示屏
2.1.1管脚
1602共16个管脚，但是编程用到的主要管脚不过三个，分别为：
RS（数据命令选择端）,R/W（读写选择端）,E（使能信号）;以后编程便主要围绕这三个管脚展开进行初始化，写命令，写数据。
以下具体阐述这三个管脚：
RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。
R/W为读写选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作。
E端为使能端，后面和时序联系在一起。
除此外，D0~D7分别为8位双向数据线。
2.1.2操作时序
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令码D0~D7
0
1
读取输出的D0~D7状态字
1
0
写入数据D0~D7
1
1
从D0~D7读取数据
图2-1液晶显示屏操作时序图
注：
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0.
读取状态字时，注意D7位，D7=1，禁止读写操作；D7=0，允许读写操作；
所以对控制器每次进行读写操作前，必须进行读写检测。
（即后面的读忙子程序）
2.1.3指令集
LCD_1602初始化指令小结：
0x38 设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口
0x01 清屏
0x0F 开显示，显示光标，光标闪烁
0x08 只开显示
0x0e 开显示，显示光标，光标不闪烁
0x0c 开显示，不显示光标
0x06 地址加1，当写入数据的时候光标右移
0x02 地址计数器AC=0;（此时地址为0x80）光标归原点，但是DDRAM中断内容不变
0x18 光标和显示一起向左移动
2.1.4显示地址
LCD1602内部RAM显示缓冲区地址的映射图，00～0F、40～4F分别对应LCD1602的上下两行的每一个字符，只要往对应的RAM地址写入要显示字符的ASCII代码，就可以显示出来。
2.2电阻
电阻器（resistor）:
用导体制成具有一定阻值的元件.电阻是导体的一种基本性质,在物理学中，用电阻（Resistance）来表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。
电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。
电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。
电阻是所有电子电路中使用最多的元件。
2.2.1电阻实物图
图2-2电阻实物图
2.2.2控制因素
电阻虽然定义为：
1伏电压产生一安电流则为1欧电阻；但电压、电流并不是决定电阻的因素。
电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，还与导体长度、横截面积、材料有关。
多数（金属）的电阻随温度的升高而升高，一些半导体却相反。
比如：
玻璃，碳在温度一定的情况下，有公式R=ρl/s其中的ρ就是电阻率，l为材料的长度，单位为m，s为面积，单位为平方米。
主要职能就是阻碍电流流过,用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等.
2.3单片机
单片机，全称单片微型计算机（英语：
Single-ChipMicrocomputer），又叫做微控制器（Microcontroller），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更加强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。
它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。
由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
2.3.1STC89C52单片机实物图
图2-3单片机实物图
2.3.2STC89C52单片机原理图
图2-4单片机原理图
2.4晶振
晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。
以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。
如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。
但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。
晶振是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。
这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫压电效应。
他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。
由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。
根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。
他们的机电效应是机-电-机-电的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。
在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。
由于石英晶体的损耗非常小，即Q值较高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。
2.4.1晶振作用
晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：
基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC（电阻、电容）振荡器。
一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。
另一种为简单的分立RC振荡器。
基于晶振和陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。
RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。
但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。
需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。
在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。
具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至可能损坏）。
影响振荡器工作的环境因素有：
电磁干扰（EMI）、机械震动与冲击、湿度和温度。
这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。
上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。
这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。
最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。
晶振模块提供与分立晶振相同的精度。
硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。
选择振荡器时还需要考虑功耗。
分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。
CMOS放大器功耗与工作频率成正比，可以表示为功率耗散电容值。
比如，HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。
在4MHz、5V电源下工作时，相当于1.8mA的电源电流。
再加上20pF的晶振负载电容，整个电源电流为2.2mA。
陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容，相应地也需要更多的电流。
相比之下，晶振模块一般需要电源电流为10mA~60mA。
硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。
一种低功率的硅振荡器，如MAX7375，工作在4MHz时只需不到2mA的电流。
在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素：
精度、成本、功耗以及环境需求。
2.4.2晶振实物图
图2-5晶振实物图
2.4.3晶振原理图
图2-6晶振原理图
2.5电容
电容是指容纳电场的能力。
任何静电场都是由许多个电容组成，有静电场就有电容，电容是用静电场描述的。
一般认为：
孤立导体与无穷远处构成电容，导体接地等效于接到无穷远处，并与大地连接成整体。
电容（或称电容量）是表现电容器容纳电荷本领的物理量。
电容从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质，可能电荷会永久存在，这是它的特征，它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。
主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。
在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力，称为电容（capacitance），标记为C。
采用国际单位制，电容的单位是法拉（farad），标记为F。
电容的符号是C。
C=εS/d=εS/4πkd（真空）=Q/U。
在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法。
2.5.1电容实物图
电解电容
图2-7电容实物图
2.6三极管
三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。
分成NPN和PNP两种。
我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。
2.6.1三极管实物图
图2-8三极管实物图
2.6.2三极管的工作原理
（1）电流放大
下面的分析仅对于NPN型硅三极管。
如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。
这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。
三极管的放大作用就是：
集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：
集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。
如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。
如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。
我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。
（2）偏置电路
三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。
这有几个原因。
首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。
当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。
但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。
如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。
另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。
而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。
这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。
（3）开关作用
下面说说三极管的饱和情况。
像上面那样的图，因为受到电阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。
当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。
一般判断三极管是否饱和的准则是：
Ib*β〉Ic。
进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。
这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：
当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于
开关闭合。
如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。
（4）工作状态
如果我们将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。
如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数β），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。
由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。
如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。
2.6.3三极管原理图
NPN型原理图PNP行原理图
图2-9三极管原理图
2.7电源开关
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
2.7.1电源开关实物图
图2-10电源开关实物图
2.7.2电源开关原理图
图2-11电源开关原理图
按下开关12和45导通、23和56断开
开关谈起12和45断开、23和56导通
2.8蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
2.8.1蜂鸣器实物图
图2-12蜂鸣器实物图
长管脚接正极，短管脚接负极
2.8.2蜂鸣器工作原理
压电式蜂鸣器：
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
电磁式蜂鸣器：
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互缠绕。
2.8.3蜂鸣器原理图
图2-13蜂鸣器原理图
2.9电源接口
2.9.1电源接口实物图
图2-14电源接口实物图
第三章、硬件电路设计
3.1最小系统设置
图3-1硬件电路模块图
主控芯片使用51系列STC89C52RC单片机，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DS1302。
采用DS1302作为计时芯片，可以做到计时准确。
更重要的是，DS1302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），而且DS1302可以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。
显示模块采用普通的LCD1602显示屏。
3.2电路设计
万年历设计图如图所示，该万年历是由单片机主控电路模块、时钟电路模块、电源接口电路模块、温度传感电路模块、报警电路模块、按键电路模块、液晶显示电路模块、温度采集电路模块、等多个模块组合而成。
3.3硬件电路图
图3-2硬件电路图
第四章、硬件电路分析
4.1主控制器STC89C52RC
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟、机器周期和6时钟、机器周期可以任意选择。
主要特性如下：
（1）增强型8051单片机，6时钟、机器周期和12时钟、机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051单片机。
（2）工作电压：
5.5V~3.3V。
（3）工作频率范围：
0~44MHz。
（4）用户应用程序空间为8K字节。
（5）片上集成512字节RAM。
（6）ISP（在系统可编程）/IAP（再应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0,TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
（7）共3个16位定时器/计数器。
及定时器T0、T1、T2。
（8）工作温度范围:
-40~+85度（工业级）/0~75度（商业级）。
4.2显示模块电路
显示部分采用普通的1602液晶显示，如图2-1，以减少硬件电路。
1602液晶模块采用hd44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，1602与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROM（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM（AC）。
IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDRAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种8位字符编码和字符的对应关系。
4.3温度采集模块电路
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。
温度采集电路采用DS18B20作为温度检测传感器，DS18B20特点如下：
（1）“一线总线”数字化温度传感器
（2）3V到5.5V的宽电压工作范围
（3）分辨率9~12位可设定，即精度可以设定0.5,025,0.125,0.0625
4.4电源模块
电源模块采用78系列集成稳压器之7805作为主芯片，其电路原理为由变压器将市电降为AC7.5V，再经桥式整流，电容滤波，7805稳压，及得到系统工作电压DC5V。
4.5时钟电路模块
DS1302的性能特性：
（1）实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行比较；
（2）用于高速资料暂存的31*8位RAM；
（3）最少引脚的串行I/O；
（4）2.5～5.5V电压工作范围；
（5）2.5V时电流小于300nA；
（6）用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节数据传送方式；
（7）简单的三线接口；
可选的慢速充电（至VCC1）的能力。
DS1302工作方式简介及数据操作原
第五章、电子万年历的调试
5.1出现的问题及解决方案
电子万年历的电路系统较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺被带有包皮的导线，则会对电路造成短路现象。
在本成电子万年历的设计调试中
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