万年历的C实现设计课设论文.docx
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万年历的C实现设计课设论文
万年历的C实现设计
120812班吕相相
摘要
古人依靠日冕、漏刻记录时间，而随着现代科技的发展，电子万年历已经成为日渐流行的日常计时工具。
本文研究的万年历系统拟用STC89C51单片机控制，以DS1302时钟芯片计时、1602液晶屏显示。
系统主要由单片机控制电路，显示电路以及校正电路三个模块组成。
本文阐述了系统的硬件工作原理，所应用的各个接口模块的功能以及其工作过程，论证了设计方案理论的可行性。
系统程序采用C语言编写,经Keil软件进行调试后在Proteus软件中进行仿真测试，可以显示年、月、日、星期、时、分、秒，并具有校准功能和与即时时间同步的功能。
实验结果表明此万年历实现后具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。
关键词：
万年历单片机DS1302lcd1602
第五章系统的软件设计16
5.1.3液晶显示程序流程图…………………………………………………………………17
附录二：
系统程序……………………………………………………………………………………...24
第一章前言
1.1引言（课题研究的意义）
万年历是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的功绩，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。
而随着微电子技术的高速发展，人类用于计时的工具也在不断发展更新，单片机技术的出现使得万年历有了新的发展方向。
单片机以其体积小、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子信息、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。
目前世界上单片机年产量已达十多亿片，通常是当年微处理器产量的4-5倍以上。
用最少的芯片就能实现最强大的功能，这是将来电子产品的主流方向，它将无可置疑地一步步取代其它同类产品，其数量之大和应用面之广，是其它任何类型的计算机所无法比拟的。
以基于单片机的万年历作为设计的课题，因为它有很好的开放性和可发挥性，对作者的要求比较高，不仅考察了对单片机的掌握能力而且强调了对单片机扩展的应用。
另外液晶显示的万年历已经越来越流行，特别适合在家庭居室、办公室、大厅、会议室、车站和广场等地方使用，它具有显示清晰直观、走时准确、可以进行夜视等功能，并且还可以扩展出其它多种功能。
所以，电子万年历作为设计课题很有价值。
1.2本课题主要的研究工作
本论文主要研究基于单片机的万年历设计。
当程序执行后，LCD显示即时时间、年月日、星期。
设置3个操作键：
KEY1，设置键；KEY2，上调键；KEY3，下调键。
本设计的主要内容：
1、了解单片机技术的发展现状，熟悉万年历各模块的工作原理；2、选择适当的芯片和元器件，确定系统电路，绘制电路原理图，尤其是各接口电路；3、熟悉单片机使用方法和C语言的编程规则，编写出相应模块的应用程序。
1.2.1研究内容
设计目标：
使基于STC89C52单片机的万年历实现以下三个功能：
1、具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能；
2、具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能；
3、具有与即时时间同步的功能。
1.2.2论文章节安排：
第一章：
前言是介绍了基于STC89C52单片机的万年历研究意义，重点阐述了本课题的研究内容和研究工作。
第二章：
单片机的概述主要阐述了单片机系统的定义以及单片机系统的发展现状和发展趋势。
因为只有对单片机有了更深入的了解，才能设计出更好的单片机控制系统。
本章的结尾是对单片机C语言编程的介绍。
第三章：
主要介绍了设计要求和课题器件选择的论证方案。
第四章：
硬件基础中主要描述了万年历的各个模块的硬件设计方案，并结合各个元器件和相应的硬件原理图进行分析，最后展示为了实现研究目标所需要的全部硬件基础。
第五章：
软件基础主要罗列了实现万年历各个功能的C语言程序的流程图，并分别对其进行了解释和分析，最后把各个C语言子程序在巧妙结合在一起，共同控制整个系统，也就形成了实现研究目标所需要的所有软件基础。
第六章：
结束语主要是对本次实验研究的总结，提出本次实验的不足之处以及相应的改进方法，以便后人继续深入研究。
1.3本章小结
本章是论文的前言部分，着重介绍了万年历的研究意义。
然后介绍了本文所要解决的实际问题及意义，以及要电子万年历系统要实现的功能和方法。
最后简单地描述了本论文的整体框架和论文章节的安排。
第二章单片机的概述
目前单片机渗透到了我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
我们常用的数码产品，如MP3、MP4、手机、数码相机、录像机、摄像机，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，空调、冰箱、全自动洗衣机的控制，以及远程控制玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域中的机器人、智能仪表、医疗器械了。
单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点，因而在许多行业都得到了广泛应用，并且在诸多领域中都发挥了无可比拟的巨大作用。
2.1单片机的定义和特点
2.1.1单片机的定义
单片机是以一个大规模集成电路为主组成的微型计算机，在一个芯片内含有计算机的基本功能部件：
中央处理器CPU、存储器和I/O接口，CPU通过内部的总线和存储器、I/O接口相连。
2.1.2单片机的特点
单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。
单片机应用在控制领域中，具有如下特点：
单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，成本低，可靠性高，种类多，型号全，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
最重要的是可以采用C语言开发环境，具有友好的人机互交环境。
大多数单片机都提供基于C语言开发平台，并提供大量的函数供使用，这使产品的开发周期、代码可读性、可移植性都大为提高。
2.2单片机的发展现状和发展趋势
单片机的发展趋势：
低功耗CMOS化；微型单片化；主流与多品种共存；单片机从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
1）低功耗CMOS化
MCS-51系列的8051推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。
2）微型单片化
现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3）主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国的STC单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
2.3编程语言的选择
在1972年，美国贝尔实验室的D.M.Ritchie在B语言的基础上最终设计出了一种新的语言，他取了BCPL的第二个字母作为这种语言的名字，这就是C语言。
在众多的程序设计语言中，C语言简洁紧凑，语言表达能力强，其结构化的流程控制有助于编制结构良好的程序,。
C语言程序经编译后生成的目标程序代码效率高，几乎可以与汇编语言媲美。
C语言既具备高级语言使用方便、接近自然语言和数学语言的特性，同时也具备对计算机硬件系统的良好操纵和控制能力，用C语言开发产品可以大大缩短开发周期。
C语言可移植性好，一个C语言源程序可以不做改动，或者稍加改动，就可以从一种型号的计算机移转到另外一种型号的计算机上编译运行。
因此，C语言被广泛应用于各类系统软件和应用软件的开发。
所以本系统以C语言进行软件设计，增加了程序的可读性和可移植性，便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁了。
2.4本章小结
本章主要介绍了单片机的定义和特点，重点描述了单片机发展现状和未来的发展趋势，最后简单地介绍了选择的编程语言。
第三章设计要求和方案论证
3.1设计要求
1、具备在液晶上显示年、月、日、星期、时、分、秒的功能；
2、具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能；
3、具有与即时时间同步的功能；
3.2单片机芯片的选择方案和论证
方案一:
采用AT89S51芯片作为硬件核心，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，所以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STC89C52芯片,STC89C52是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可编程Flash存储器。
同样具有AT89S51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当对电路进行调试时，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,因此选择采用STC89C52作为主控制系统核心。
3.3显示模块选择方案和论证
方案一：
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字合适,采用动态扫描法与单片机连接时,虽然占用的单片机口线少，但连线还需要花费一点时间，所以也不用此种作为显示。
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,若采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以在此也不用此种作为显示。
方案三：
采用1602液晶显示屏,该液晶显示屏的显示功能强大,内置192种字符，可显示大量符号、数字,清晰可见,而且功率消耗小寿命长抗干扰能力强。
所以在此设计中采用1602液晶显示屏。
3.4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300nA。
所以本设计采用DS1302时钟芯片。
3.5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STC89C52作为主控制芯片，DS1302时钟芯片计时，LCD1602作为显示模块。
3.6本章小结
本章主要介绍了系统要实现的功能和万年历系统硬件平台的选择，比较了主控模块，时钟模块，显示模块中不同器件的优劣，最后确定了电路设计的整体方案。
这也是完成设计的先决条件。
第四章系统的硬件设计与实现
4.1电路设计框图
根据上章确定的方案给出了系统整体的设计框图：
图4.1系统结构框图
为使时钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的，键盘模块用来校正液晶上显示的时间；STC89C52单片机通过输出各种电脉冲信号来驱动控制各部分正常工作；而系统的时间数据则最终通过液晶模块显示出来。
4.2系统硬件概述
本电路是以STC89C52单片机为控制核心，该芯片具有在线编程功能，功耗低，能在3.3V的超低压下工作；时钟芯片采用DS1302，它是一款高性能、低功耗、自带RAM的实时时钟芯片，具有使用寿命长，精度高和功耗低等特点，同时具有掉电自动保存功能,可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，其工作电压为2.5V～5.5V；显示部份使用1602液晶显示屏来实现,该显示屏具有低功耗、寿命长、可靠性高的特点，其工作电压为5v。
4.3主要单元电路的设计
4.3.1STC89C52单片机简介
STC89C52是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
引脚排列如图4.2所示。
图4.2STC89C52引脚图
从引脚功能来看，可将引脚分为三部分：
1、电源及时钟引脚
VCC：
接+5V电源；VSS：
接地；XTAL1和XTAL2：
时钟引脚，外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时，此两引脚端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
2、控制引脚
RST/VPT：
RST是复位信号输入端，VPT是备用电源输入端。
当RST输入端保持2个机器周期以上高电平时，单片机完成复位初始化操作。
当主电源VCC发生故障而突然下降到一定低电压或断电时，第2功能VPT将为片内RAM提供电源以保护片内RAM中的信息不丢失。
ALE/PROG：
地址锁存允许信号输出端。
在存取外存储器时，用于锁存低8位地址信号。
当单片机正常工作后，ALE端就会周期性地以时钟振荡频率的1/6固定频率向外输出正脉冲信号。
此引脚的第2功能PROG是对片内带有4K字节EPROM的8751固化程序时，作为编程脉冲输入端。
PSEN：
程序存储允许输出端。
是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。
CPU从外部程序存储器取指令时，PSEN信号会自动产生负脉冲，作为外部程序存储器的选通信号。
EA/VPP：
程序存储器地址允许输入端。
当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令；当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。
对8031单片机，EA必须接低电平。
在8751中，当对片内EPROM编程时，该端接21V的编程电压。
3、I/O口引脚
P0.0～P0.7：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
P1.0～P1.7：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动4个TTL逻辑电平。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P2.0～P2.7:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动4个TTL逻辑电平。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3.0～P3.7：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动4个TTL逻辑电平。
P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
4.3.2单片机主控制模块的设计
本设计中单片机主要负责对外设的控制和各个功能模块间的协调，没有复杂的数据计算，因此，8位的51系列单片机足以胜任。
51单片机以其低廉的价格以及较出色的性能成了很多控制系统的首选。
它具有丰富的内部资源，较大的数据、程序存储区。
一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路、电源指示灯和外部扩展接口等部分组成，本系统也不例外，当单片机具备了这些最基本的条件后，就可以正常工作了。
单片机最小系统复位、晶振电路简介
1、复位电路的设计
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。
（1）单片机常见的复位电路
通常单片机复位电路有两种：
上电复位电路，按键复位电路。
上电复位电路：
上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。
它利用的是电容充电的原理来实现的。
按键复位电路：
它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。
如果要实现复位的话，只要按下RESET键即可。
它主要是利用电阻的分压来实现的
在此设计中，采用的按键复位电路。
按键复位电路如图4.3所示。
图4.3复位电路
（2）复位电路工作原理
上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。
上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。
RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作
2、晶振电路的设计
晶振电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。
通常在引脚Xl和X2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，如图4.4中X2、C3、C4。
可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。
图4.4时钟振荡电路
4.3.3时钟电路模块的设计
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。
图4.5所示为DS1302的引脚排列，其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。
所以在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DSX1和DSX2是振荡源，外接32.768KHz晶振用来为芯片提供计时脉冲。
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。
上电行动时，在VCC大于等于2.5V之前，RST必须保持低电平。
在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平，I/O为串行数据输入端（双向）。
SCLK始终是输入端。
图4.5DS1302的硬件接线图
时钟芯片DS1302的工作原理：
（1）DS1302的控制字节
DS1302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
（2）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位到高位7。
（3）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。
“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。
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C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另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）。
4.3.4独立式键盘设计
实现键盘控制的方法有多种，在本系统中，我们采用了STC89C52单片机来进行控制，因为单片机可以很好的解决键抖动。
由若干个按键组成一个键盘，其电路结构可分为独立式键盘和矩阵式键盘两种。
本设计采用的是独立式键盘。
键盘的工作方式可分为编程控制方式和中断控制方式。
CPU在一个工作周期内，利用完成其他任务的空余时间，调用键盘扫描子程序，经程序查询，若无键操作，则返回；若有键操作，则进而判断是哪个键，并执行相应的键处理程序。
这种方式为编程扫描方式。
由于单片机在正常应用过程中，可能会经常进行键操作，因而编程控制方式使CPU经常处于工作状态，在进行本次设计中，只涉及到了设置、上调、下调三个功能。
因此采用独立式键盘。
如下图所示：
图4.6按键的设计
4.3.5显示模块的设计
本设计中由于要对时间、温度进行显示，所以选择液晶显示屏1602模块作为输出。
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。
它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。
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，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”。
管脚功能如表4-1所示：
表4-1LCD1602引脚功能
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
VL
液晶显示器对比度调整端。
4
RS
RS为寄存器选择。
5
R/W
R/W为读写信号线。
6
EN
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
D
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