嵌入式系统课程设计报告.docx
《嵌入式系统课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统课程设计报告.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
嵌入式系统课程设计报告
湖北民族学院
信息工程学院
课程设计报告书
题目:
基于ARM的数字式万年历
课程：
嵌入式系统课程设计
专业：
电子信息科学与技术
班级：
03114411
学号：
*********
***********
*******
2017年6月20日
信息工程学院课程设计任务书
学号
031441119
学生姓名
田紫龙
专业（班级）
0314411
设计题目
基于ARM的数字式万年历
设
计
技
术
参
数
1.能测量温度并且实时显示；
2.具有时间显示功能，能够显示年月日，时分秒，并且可以手动调节时间。
3.具有12小时制和24小时制切换功能。
设
计
要
求
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LCD1602上同时显示年、月、日、周日、时、分、秒，还具有时间校准整点灯光提醒等功能。
制作仿真和实物。
参
考
资
料
[1]苏平.单片机的原理与接口技术[M].北京:
电子工业出版社，2006,1-113.
[2]王忠民.微型计算机原理[M].西安:
西安科技大学出版社，2003,15-55.
[3]左金生.电子与模拟电子技术[M].北京:
电子工业出版社，2004,105-131.
[4]新编单片机原理与应用（第二版）.西安电子科技大学出版社，2007.2
[5]张萌.单片机应用系统开发综合实例[M].北京：
清华大学出版社，2007.7
[6]朱思荣．51单片机实现公历与农历、星期的转换[Z].当当电子网
[7]李广弟.单片机原理及应用[M]北京航空航天大学出版社,2004年
[8]王越明.电子万年历的设计[J].黑龙江科技信息，2004年
2017年6月20日
学生姓名：
田紫龙学号：
031441119专业（班级）：
0314411
课程设计题目：
基于ARM的数字式万年历
成绩：
指导教师：
易金桥
2017年6月20日
信息工程学院课程设计成绩评定表
摘要
本文介绍了基于STC89C52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STC89C52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LCD1602上同时显示年、月、日、周日、时、分、秒，还具有时间校准整点灯光提醒等功能。
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。
关键词：
单片机,时钟芯片,温度传感器,1602液晶显示器
1任务提出与方案论证
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。
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:
方案1：
采用51系列单片机作为系统控制器
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
由于其功耗低、体积较小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域应用广泛。
而且抗干扰性能好。
方案2：
采用fpga单片机作为系统的控制器
因51单片机价格比fpga低得多，且本设计不需要很高的处理速度，从经济和方便使用角度考虑，本设计选择了方案1。
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为计时时钟芯片
该芯片是串行电路，与单片机接口简单，但需另备电池和32.768kHz晶振，因焊接工艺和晶振质量等原因会导致精度降低。
方案三：
采用DS12C887为计时时钟芯片
该芯片与单片机采用8位并口通信，传递信息速度快。
自带有锂电池和晶振，外部掉电后，其内部时间信息还能够保持10年之久，因电路被封装在一起，可以保证很高的精度和抗干扰能力。
而且芯片功能丰富，可以通过内部寄存器设置闹钟，并产生闹钟中断。
由于DS1302时钟芯片计数时间精度高，而且具有闰年补偿功能且价格经济实惠等优点，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。
1.5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。
2总体设计
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。
3.1STC89C52单片机
单片微型计算机是随着微型计算机的发展而产生和发展的。
自从1975年美国德克萨斯仪器公司的第一台单片微型计算机（简称单片机）TMS-1000问世以来，迄今为止，单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制中经常遇到对某些物理量进行定时采样与控制的问题，在仪器仪表智能化中也扮演着极其重要的角色。
单片机是在集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机，这些元件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和I/O接口电路。
由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点，因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛，在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。
在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。
在各类仪器、仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，提高计算机的运算速度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
单片机主要特点：
（1）有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
优异的性能价格比。
1）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。
此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。
2）控制功能强。
为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
51单片机引脚图如下：
图2STC89C52单片机引脚图
3.1.1最小系统设计
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。
电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。
STC89C52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图2所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
图3单片机最小系统原理框图
3.1.2时钟电路
STC89C52单片机的时钟信号通常有两种方式产生：
一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。
内部时钟方式如图3所示。
在STC89C52单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1（18）和XTAL2（19）引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30pF，典型值为30pF。
晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，典型值为12MHz和6MHz。
图4STC89C52内部时钟电路
3.1.3复位电路
当在STC89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST（9）端与电源Vcc接通而实现的。
按键手动复位电路见图4。
时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF,R取10kΩ。
图5STC89C52复位电路
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Dallas公司生产的一种实时时钟芯片。
它通过串行方式与单片机进行数据传送，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息，并可对月末日期、闰年天数自动进行调整；它还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
另外，它还能提供31字节的用于高速数据暂存的RAM。
DS1302时钟芯片内主要包括移位寄存器、控制逻辑电路、振荡器。
DS1302与单片机系统的数据传送依靠RST，I/O，SCLK三根端线即可完成。
其工作过程可概括为：
首先系统RST引脚驱动至高电平，然后在SCLK时钟脉冲的作用下，通过I/O引脚向DS1302输入地址/命令字节，随后再在SCLK时钟脉冲的配合下，从I/O引脚写入或读出相应的数据字节。
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2：
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6DS1302管脚图
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7DS1302与MCU接口电路
图6为DS1302的接口电路，其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。
VCC1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。
VCC2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中VCC1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VCC1或VCC2两者中较大者供电。
当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电。
当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。
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5所示。
表-1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1至位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。
表-2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。
控制字节的高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果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1表
示进行读操作，为0表示进行写操作。
控制字节总是从最低位开始输出。
表1DS1302的控制字格式
1
RAM/CK
A4
A3
A2
A1
A0
RD/WR
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。
现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
其性能特点可归纳如下：
1.独特的单线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.采用了3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路；
4.零待机功耗；
5.可通过数据线供电，电压范围在3.0V-5.5V；
6.用户可定义的非易失性温度报警设置；
7.报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
8.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5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5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。
图8DS18B20测温原
3.3.2DS18B20接口电路设计
如6图所示，该系统中采用数字式温度传感器DS18B20，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，用P3.7与DS18B20的DQ口连接，Vcc接电源，GND接地。
DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ，目前用的电阻一般不是可调电阻，只是固定阻值，市场上有的就那么几个型号。
其中DS18B20接有电源，则需要一个上拉即可稳定的工作。
这个电阻通常比较大，我们选择10K电阻的来起到上拉作用，使之为高电平，使后续电路保护。
图9温度传感器DS18B20接口
3.4LCD显示模块
3.4.1LCD1602的特性及使用说明
1LCD1602的接口信号说明如表3
表3LCD1602的接口信号
编号
引脚符号
功能说明
编号
引脚符号
功能说明
1
VSS
电源地
9
D2
DATAI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DATAI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DATAI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DATAI/O
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D6
DATAI/O
6
E
使能信号
14
D7
DATAI/O
7
D0
DATAI/O
15
BLA
背光正极
8
D1
DATAI/O
16
BLK
背光负极
2基本操作时序如下：
1）读状态：
RS=L，RW=H，E=H
2）写指令：
RS=L，RW=L，D0～D7=指令码，E=高脉冲
3）读数据：
RS=H，RW=H，E=H
4）写数据：
RS=H，RW=L，D0～D7=数据，E=高脉冲
3初始化设置
1）显示模式设置如表5：
表4显示模式设置
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口
2）显示开/关及光标设置如表6：
表7显示开/关及光标设置
指令码
功能
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1开显示；D=0关显示
C=1显示光标；C=0不显示光标
B=1光标闪烁；B=0光标不显示
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一
N=0当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一
S=1当写一个字符，整屏显示左移（N=1）
3.4.2LCD1602与MCU的接口电路
LCD的D0～D7分别接单片机的的P0口，作为数据线，因为P0口内部没有上
拉电阻，所以外部另外加上4.7K的上拉电阻；P2.5—P2.7分别接LCD的RS、RW、
E三个控制管脚；RV1用来调节LCD的显示灰度；BLK、BLA为背光的阴极和阳极，接上相应电平即点亮背光灯。
如图18
图10显示电路
其中1602的第3脚接10K与1.5K的串联电阻起到分压作用，能够调节第一行与第二行亮度对比。
第16接个三极管的作用放大，是为了能够让液晶显示器的背光灯亮起，从而在夜间也能观看万年历。
3.5按键模块设计
本系统用到了4个按键，其中一个用作系统手动复位，另外4个采用独立按键，该种接法查询简单，程序处理简单,可节省CPU资源，按键电路如图19所示，4个独立按键分别与STC89C52的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3接口相连。
图11按键电路
对以上4个按键作简要说明：
K1——SET键，K2——UP键，K3——DOWN键，K4——OUT/STOP键。
SET键：
按下SET键进入时间校准状态，按一下进入秒调整，两下分调整，依此类推可进行各年月日，时分秒以及星期的校准；UP键：
当SET键按下时，UP进行SET选定项（如：
小时）的加操作;DOWN键：
当SET键按下时，DOWN进行SET选定项（如：
小时）的减操作；OUT键：
当OUT键按下时，此键功能为退出校准功能，进入下一模式，显示温度值和上下限的温度值。
3详细设计及仿真
电子万年历的功能是在程序控制下实现的。
该系统的软件设计方法与硬件设计相对应，按整体功能分成多个不同的程序模块，分别进行设计、编程和调试，最后通过主程序将各程序模块连接起来。
这样有利于程序修改和调试，增强了程序的可移植性。
本系统的软件部分主要要进行公历计算程序设计，温度测量程序设计，按键的扫描输入等。
程序开始运行后首先要进行初始化，把单片机的各引脚的状态按程序里面的初始化命令进行初始化，初始化完成后运行温度测量程序，读取出温度传感器测量出来的温度，然后运行公历计算程序，得到公历的时间、日期信息。
3.1proteus仿真
运用proteus软件对系统进行仿真，具体粘土如下图所示：
图12系统仿真图
将代码烧录到51单片机中，可以观察到时间以及温度，还有温馨小提示，具体如系统仿真运行图：
图12系统仿真运行图
可以看到，系统的各项指标都正常，完全达到了设计要求，具有时间显示以及温度显示的功能。
3.2主程序流程图的设计
主程序流程图如图13：
系统启动，进行初始化，先对DS1302进行初始化，对DS1302进行设置，对51单片机的定时器进行初始化设置，读取DS1302传输的数据，对数据进行处理并送给LCD1602进行显示。
定期扫描按键，如果有按键按下，将进行相应的数据处理和显示。
图13主程序流程图
3.3制作实物
图14实物图
4总结
在整个设计过程中，硬件方面主要设计了STC89C52单片机的最小系统、DS1302接口电路、DS18B20接口电路、整点灯光提醒及LCD显示；软件方面借助各个渠道的资料，主要设计了温度采集程序、灯光提醒程序以及LCD显示程序；系统的调试主要是通过一块单片机开发板，再借助于Keil、STC以及少许自己搭建的外围电路实现的；再此过程中，分步调试时显示出了阳历的日期及时间，还有实时温度，集中调试时没有达到预期效果。
此万年历具有读显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。
在整个设计过程中学到了许多
升级会员 