数字万年历设计与实现.docx
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数字万年历设计与实现
数字万年历设计与实现
作者姓名：
陈立国
专业名称：
电气工程及其自动化
指导教师：
孙莉莉讲师
摘要
电子万年历是一种非常广泛日常计时工具，对现代社会越来越流行。
它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能。
电子万年历设计是基于单片机进行的，可以显示年、月、日、时、分、秒、周及温度信息，具有可调整日期和时间功能。
设计包含AT89S52单片机模块、LCD数码管模块、键盘模块、DS1302模块、数字式温度传感器DS18B20模块。
AT89S52单片机作为核心，功耗小，能在3V的低压工作，电压可选用3~5V电压供电。
LCD数码管动态扫描，对于显示数字最合适，价格适中，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。
DS1302的使用寿命长，误差小。
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、周日、时、分、秒和温度等信息，还具有时间校准等功能。
数字式温度传感器DS18B20仅需要一条数据线进行数据传输，易与单片机连接简化系统电路.数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
关键词：
AT89S52DS1302DS18B20LED数码管
Abstract
Electroniccalendardaytimeisaverywiderangeoftools,themorepopularinmodernsocietymoreand.Itcanbeyears,months,days,weeks,hours,minutesandsecondsfortime,butalsohasaleapyearcompensationandotherfunctions.
ElectroniccalendardesignisbasedonSCM,candisplayyear,month,day,time,minutesandseconds,weekandtemperatureinformation,whichcanadjustthedateandtimefunctions.DesignincludingAT89S52MCUmodule,LCDdigitaltubemodule,keyboardmodule,DS1302module,digitaltemperaturesensorDS18B20module.AT89S52microcontrollerasthecore,smallpowerconsumption,canworkinlow-voltage3V,voltagecanchoose3~5Vvoltagesupply.LEDdigitaltubedynamicscanning,themostsuitablefordigitaldisplay,moderateprice,andusingdynamicscanningmethodisconnectedwiththeMCU,microcontrollerportoccupiedlesslines.DS1302hasalongservicelife,smallerror.Fordigitalelectroniccalendarusingvisualdigitaldisplay,candisplayyear,month,day,Sunday,when,minutesandsecondsandtemperatureinformation,butalsoatimecalibrationfunctions.DigitaltemperaturesensorDS18B20requiresonlyonedatalinefordatatransmission,easytobeconnectedwiththesingle-chipmicrocomputertosimplifythesystemcircuit.Thedigitaltemperaturesensorhashighmeasuringprecision,widemeasuringrangeetc.
Keywords:
AT89S52,DS1302,DS18B20,digitaltubeLED
前言
随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路出现，给人类生活带来了根本性的改变。
尤其是单片机技术的应用产品已经走进了千家万户。
其中电子万年历就是一个典型的例子。
万年历是采用数字电路实现对，时，分，秒。
数字显示的计时装置，广泛用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度，远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，但是所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究万年历及扩大其应用，有着非常现实的意义。
市场上有许多电子钟的专用芯片如：
LM8363、LM8365等，但它们功能单一，电路连接复杂，不便于调试制作。
但是考虑到用单片机配合时钟芯片，可制成功能任意的电子钟，而且可以做到硬件简单、成本低廉。
所以本系统采用了以广泛使用的单片机AT89S52技术为核心，配合时钟芯片DS1302。
软硬件结合，使硬件部分大为简化，提高了系统稳定性，并采用LCD显示电路、键盘电路，使人机交互简便易行，此外结合音乐闹铃电路、看门狗和供电电路。
本方案设计出的数字钟可以显示时间、设置闹铃功能之外。
本文首先描述系统硬件工作原理，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程，其次，详细阐述了程序的各个模块和实现过程。
本设计以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心。
本文编写的主导思想是软硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。
本设计中我重点研究实现了单片机+时钟芯片这种模式的万年历，从原理上对单片机和时钟芯片有了深一步的认识，这些基本功能完成后，在软件基础上实现时间显示。
1总体设计方案
用AT89S52处理产生内部时钟数据或者读取外部时钟数据和采集外部传感器的信息进行处理，并暂时寄存在其内部的储存器中，再通过单片机调用内部RAM的数据并送到LCD数码管上显示出来。
1.1设计方案
方案一：
单片机一般的工作频率在12MHz左右，而且内部还有定时、计数器，可以产生精确的1S定时，由此可以用定时中断的方式产生精确的1S时间，秒位不断的加1，再设计分、时、星期、日、月、年之间的进制，使产生进位。
本方案只需要单片机最小系统加上显示电路，再设计简单的程序算法就可以实现。
对于测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理。
在显示电路上，采用数码管就可以将年月日星期时分秒和室内温度显示出来
方案二：
万年历时钟采用单片机控制DS1302实时时钟芯片，能达到走时准确且掉电不丢失数据的。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1RES（复位）2I/O（数据线）3SCLK（串行时钟）。
温度计要灵敏反映室温的变化这样可采用单片机与数字式温度传感器DS18B20通讯，采集温度数字信号进行处理。
DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在单片机与DS18B20之间仅需一条连接（加上地线）。
在显示电路上，采用16*2的LCD显示。
1.2方案比较论证
对于方案一，单片机虽然可以产生精确的秒信号，但是单片机在处理闰年上会比较麻烦，加之一旦单片机断电后，所有的时间都要重新调整。
对于测温电路，采用热敏电阻的输出电压-温度特性，要加上A/D转换，温度传感信息才能被单片机所接受，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
在显示电路上，采用LCD数码的话要用到单片机的许多I/O口，甚至I/O不够用，还需要接上其它芯片大量扩展I/O口，这是一个弊处。
对于方案二，单片机不用去产生时钟的数据，时钟的数据由DS1302独立产生，并寄存在其内部的寄存器上，单片机可以通过三总线与它通讯，不仅可以对它进行读取实时时钟数据，还可以对它进行编程，设置它的工作模式。
单片机只是处理从DS1302读出来的数据并送显示，大大减少了单片机的负担。
而且DS1302可以通过后备电池继续工作，内部的时钟还在走，下次启动后不用去调整时钟，方便使用。
基于同样的原理，DS18B20也是一个独立的传感器，只要单片机配置它的工作状态后它就可以独立工作，内部已经把模拟信号转换成数字信号，并把数字信号储存在其内部寄存中。
同样，单片机通过单总线与它通讯，可以处理9～12位的温度数字数据。
在显示电路上，采用16*2LCD液晶显示器，能容纳年月日星期时分秒温度等信息的显示。
LCD显示器只需占用11个I/O口就可以工作了，不用其它扩展芯片，总体上使电路简单化。
1.3总体设计方框图
图2.1总体设计方框图
总体的方框图如图2.1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用16*2的LCD液晶显示屏实现年、月、日、星期、时、分、秒、温度的显示。
2设计原理与分析
本次设计的万年历系统主要包括单片机主控制器、温度传感器芯片、时钟芯片DS1302芯片、16*2LCD显示芯片。
2.1单片机主控制器
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司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和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。
AT89S52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，AT89S52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。
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
2.2温度传感器芯片
1.单线温度传感器DS18B20介绍
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测温元件相比，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的性能特点如下：
（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
（2）多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；
（3）无须外部器件；
（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；
（5）零待机功耗；
（6）温度以9或12位数字；
（7）用户可定义报警设置；
（8）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；
（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
DSl8B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线（和地线）。
DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DSl8B20的测量范围从-55摄式度到+125摄式度，增量值为0.5摄式度，可在ls（典型值）内把温度变换成数字。
每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DSl8B20内部的ROM（只读存贮器）中。
开始8位是产品类型编码（DSl8B20编码均为10H）。
接着的48位是每个器件唯一的序号。
最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。
DSl8B20中还有用于存储测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。
1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负（摄式度），则1号存贮器8位全为1，否则全为0。
0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的1表示0.5摄式度。
将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值（-55摄式度-125摄式度）。
DSl8B20的引脚如图2.2所示。
每只DS18B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。
采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。
图2.2DS18B20引脚图
2.DS18B20的测温原理
器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致等于被测温度值。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作按协议进行。
操作协议为：
初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入报警上下限。
3.温度计算
①DS18B20用9位存贮温值度，最高位为符号位，如图2.3为DS18B20的温度存储方式，负温度S=1，正温度S=0。
如：
00AAH为+85摄式度，0032H为25摄式度，FF92H为55摄式度。
图2.318B20用9位的温度存储方式
②DS18B20用12位存贮温值度，最高位为符号位，如图2.4为DS18B20的温度存储方式，负温度S=1，正温度S=0。
如：
0550H为+85摄式度，0191H为25.0625摄式度，FC90H为-55摄式度。
图2.418B20用12位的温度存储方式
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEROM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2.5所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
图2.5DS18B20存储器结构EEPROM
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图2.5所示。
低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
由表2.1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
表2.1DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转向时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值；表2.2为部分温度值对应的二进制温度数据：
表2.2部分温度值对应的二进制温度数据
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
2.3时钟芯片DS1302
1.时钟芯片DS1302的性能
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，实时时钟/日历电路提供秒分时日月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式，DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1RES复位2I/O数据线3SCLK串行时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
（1）实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力还有闰年调整的能力；
（2）318位暂存数据存储RAM；
（3）串行I/O口方式使得管脚数量最少；
（4）宽范围工作电压2.0～5.5V；
（5）工作电流2.0V时，小于300mA；
（6）读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式；
（7）8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配，如图2.6所示。
图2.6DS1302的引脚图
（8）简单3线接口；
（9）与TTL兼容Vcc=5V；
（10）可选工业级温度范围-40℃—+85℃；
2.时钟芯片DS1302的工作原理
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；图2.7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，若对程序进行读/写时RAM=1，对时间进行读/写时，CK=0。
位1至位5是操作单元的地址。
位0是读/写操作位，进行读操作时，该位为1；该位为0则表示进行的是写操作。
控制字节总是从最低位开始输入/输出的。
“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。
（1）DS1302的控制字节
DS1302的控制字如图2.7所示。
控制字节的最高有效位（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是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
图2.7DS1302的控制字
（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。
如下图2.8所示：
图2.8DS1302读/写时序图
（3）DS1302的数据读写
无论是从DS1302中读一个数据，还是写一个字节数据到DS1302中，都要先写一个命令字到DS1302中。
即通过SCLK引脚（7号引脚）向DS1302输入8个脉冲，把I/O引脚（6号引脚）上的命令字写入DS1302。
为了启动数据传输，引脚（5号引脚）应为高电平。
在将由0置1的过程中，SCLK引脚必须为逻辑0。
然后才能进行读写操作。
I/O引脚上的数据在SCLK的上升沿串行输入（写数据到DS1302），在SCLK的下降沿串行输出（读数据）。
（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表2.3所示：
表2.3DS1302的日历、时间寄存器
写寄
存器
读寄
存器
Bit7
Bi
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