实时时钟的设计Word下载.docx

1、2.总体方案2.1模块方案选择：2.1.1单片机模块方案一：使用AT89C51单片机模块。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）以及128 BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。内置功能强大微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。方案二：使用MSP430单片机模块。MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。其具

2、有 处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点，因而在许多单片机领域都得到广泛应用。AT89C51相对于MSP430虽然存储容量小，功能较为逊色。但是出于我对AT89C51单片机较为熟悉，而且AT89C51足以满足此次设计任务，因此我选择AT89C51模块。 2.1.2时钟模块基本门电路搭建。用基本门电路来实现时钟发生器，电路结构复杂，故障西数大，不易测试专用时钟芯片。目前市场上有许多实时时钟芯片。如DS1302、DS12887、DS1307、X1227等，芯片内都集成了时钟/日历功能，给时钟系统设计带来了很多方便。DS1302在功耗方面表现非常出色（2.5V5.5V电源，在2.5V

3、时耗电量小于300Na），且性能稳定，购买方便，因此在时钟模块我决定采用DS1302作为实时时钟芯片。2.1.3键盘模块 根据设计要求，本次用电脑键盘设定时钟对时钟进行调整。 2.1.4 显示模块采用液晶显示器。液晶相对于传统的显示器相比，最大的优点在于耗电量和体积，一般的液晶显示器的分辨率可达到720dpi以上。而且，当要显示的信息量较多时， LCD液晶显示器的优点就会凸显出来。而且，LCD界面显示相对友好。采用数码管显示电路。LED数码管能在低电压，小电流条件下驱动发光管发光，能与CMOS、ITL电路兼容。具有发光响应时间极短，高频特性好、单色性好，亮度高等优点。由于此次设计显示信息量较多

4、，而且为了追求更加友好的界面，决定采用LCD液晶显示器。 2.2 方案设计综上，基于界面最友好的原则，此次设计采用51系列的AT89C51作为主控芯片，DS1302作为实时时钟芯片，时钟调整由电脑键盘输入，由LCD液晶显示屏显示时钟信息，系统总体框图如下： 图2.1 系统结构图 各组成部分功能、特色如下：1DS1302为系统提供精准的秒、分、时、日、月、周、年等信息，单片机能够对其进行写入和读出，计时准确，使用方便。2LCD点阵显示屏用来显示时间信息。3需要改写的时间信息有电脑键盘输入，改写格式为： Year-Week-Month-Day-Hour-Minute-Second 每一部分均由两位

5、数构成，如“周五” 应输入“05”，7个部分输入完按回车键确定。4MCU控制整个系统的运行：对DS1302进行读来获取时间、将电脑键盘输入的信息写入DS1302内以改写时间、将从DS1302获取的时间信息显示在LCD液晶显示器上。3.硬件设计3.1关键器件简介3.1.1 AT89C51简介AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但

6、允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。实物图及引脚排列如下：图3.1 AT89C51实物图图3.2 AT89C51引脚图3.1.2 DS1302实时时钟芯片简介 DS1302时钟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/日历电路提供年、月、日、星期、时、分、秒的信息，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只是决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：（1）RE

7、S（复位、也称为使能位）（2）I/O（3）SCLK（串行时钟），时钟RAM的读写数据以一个或多达31个字节的字符组方式通信。RST输入时复位/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输入由两种功能：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，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc超过2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端，SCLK始终是输入端。实物及引脚排列如下：图3.3 DS1302实

8、物图 图3.4 DS1302引脚图3.1.3 LCD1602 液晶显示器简介1602液晶是一种工业字符型液晶，能够同时显示1602即32个字符（16列2行）。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它有若干个57或者511等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。1602正常工作状态下接+5V电压，且其对比度可调；内部含有复位电路；提供各种控制功能命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；内含80字节显示数据存储器DDRAM；内建有192个57点阵的字型的字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的57的字符发生器CGRAM；有微功耗、体积小、显示内容丰富

9、、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。实物图和引脚图如下： 图3.5 LCD1602 实物图图3.6 LCD1602 引脚图3.2 系统电路原理仿真图 图3.7 系统电路原理仿真图3.3 器件主要参数介绍3.3.1 DS1302模块1查询手册，知DS1302 引脚2/3之间的晶振为32.768KHZ。2可以设定规定载荷电容为6pF。3DS1302工作电压为2.05.5V，VCC2为主电源、VCC1为备用电源。当主电源关闭时，也能保持时钟的连续运行。由于DS1302兼容TTL电路，故我们均采用5V供电。足以提供大于最小驱动电流（320纳安，2.0V时）的电流。3.3.2 LCD1602

10、模块1查询手册，知1602芯片工作电压在4.55.5V。模块最佳工作电压在5.0V,故我们采用5V电压给LCD1602供电，此时的工作电流为2.0mA，足以驱动1602工作。2显示容量：162个字符3字符尺寸：2.954.35mm412号引脚为液晶显示偏压信号，通过改变此引脚上电压，可以改变1602的显示对比度。51602数据引脚接在最小系统的P0口，由于P0口是准双向口（不存在高阻抗状态），需要在片外接上拉电阻。3.3.3 键盘输入模块1Proteus仿真环境下采用虚拟终端作为串口通信的通道，传输波特率设置为9600bit/s。2实际运行过程中，用串口调试助手软件对DS1302实现写的操作，

11、同样波特率设置为9600bit/s。3.3.4 最小系统模块：1整个系统采用5V供电。2AT89C51静态工作频率为024MHZ，为了满足串口传输数据，我们采用11.0592MHZ的晶振为系统提供振荡频率。3振荡电路电容容量规定在2040pF之间，我们采用典型值30pF。4复位电路实现复位时通过在RST引脚上施加2个机器周期的高电平，即可实现复位。为了使电容的充电、放电时间满足要求，我们取C的容量为10F。4.软件设计4.1 流程图4.1.1 系统设计总流程图系统设计总流程图如图4.1所示，接通电源之后，系统就处在取数据-显示数据的循环之中。图4.1 系统总流程图4.1.2 从DS1302取时

12、间流程图图4.2 从DS1302取时间流程图4.1.3 串口数据接收、处理流程图 每当接收一次串口送来的数据，就进一次串口服务中断子程序。在串口服务中断子程序中，对接收的数据进行处理：判断接收的若干个数据是否符合输入要求。如果符合，就将数据存入接收缓冲单元中，并进行转换（将接收到的数据由字符BCD码），然后将转换过后的数据写入到DS1302中。如果接收到的数据不符合输入要求，则将这次接收的数据舍弃。流程图如下： 图4.3 串口数据接收、处理流程图4.1.4 LCD1602显示时间流程图 在每次写操作执行前，都需要对1602检查其是否处于“忙”的状态，如果其处于“忙”状态，那么就等其处于空闲状态

13、之后再对其进行写操作。 图4.4 串口数据接收、处理流程图4.2 模块工作过程介绍4.2.1 DS1302模块1工作过程：在DS1302进行数据传输时，RST引脚必须被置为高电平，在每个SCLK上升沿时数据被输入，下降沿时数据被输出，一次只能读写一位，通过8个脉冲便可读取一个字节或写入一个字节从而实现串行输入与输出。时序图如下：图4.5 DS1302单字节 读 时序图经过8个时钟周期的控制读指令串行输入后，一个字节的数据将在接下来8个时钟周期的下降沿被输出。代码如下：uchar Get_A_Byte_FROM_DS1302（） uchar i,b=0x00; for（i=0;i=1;2控制指令

14、：图4.7 DS1302 控制指令图Bit7位必须为1，如果是0写入将被禁止。Bit6位为0是指定对时钟/日历寄存器控制读写操作，为1则为对RAM区数据的控制读写操作，最低位Bit0指定是写操作（0）还是读操作（1）。3时钟/日历寄存器图4.8 DS1302时钟日历寄存器“秒”寄存器中Bit7位为时钟停止标志位，若CH=1，时钟晶振停止起振，DS1302进入低功耗待命模式，若CH=0，晶振开始起振。 WP位为写保护位，为1有效。在任何 写 操作执行前，WP位都应该置0，使写保护位无效，即允许写。注意：写入时钟日历寄存器内的内容应为BCD码，必须将串口接收到的数据转化为BCD码然后再存放在DS1

15、302中，转换代码如下：void DateChange（void） /将10进制数转换为BCD码存放在 /RECEIVE_BUFFER2数组中 int i;7; RECEIVE_BUFFER2i=RECEIVE_BUFFER1i*3*10+RECEIVE_BUF FER1i*3+1; RECEIVE_BUFFER2i=RECEIVE_BUFFER2i/10*16+RECEIVE_BUFF ER2i%10;4.2.2 LCD1602模块1LCD1602读操作：LCD1602作为一个显示设备，其读操作一般很少用到，只有在向1602写数据，需要判断其是否“忙”时，才会用到读操作。读操作时序图如下：图

16、4.9 LCD1602 读 时序图首先将RS拉低，RW置高，表示 读数据，再将使能端置高，P0口上的数据输入，即可将数据读入。uchar Read_LCD_State（） uchar state; RS=0;RW=1;EN=1;DelayMS（1）; state=P0; EN = 0; return state;2LCD1602写操作：相较于读操作，写操作用的很多。写操作时序图如下：图4.10 LCD1602 写 时序图需要注意的是，在每次写操作执行前，都需要对1602检查其是否处于“忙”的状态，如果其处于“忙”状态，那么就等其处于空闲状态之后再对其进行写操作。判忙代码如下：void LCD_

17、Busy_Wait（） while（Read_LCD_State（）&0x80）=0x80）; DelayMS（5）;写 数据代码如下：void Write_LCD_Data（uchar dat） LCD_Busy_Wait（）; RS=1;RW=0;EN=0;P0=dat;写 指令代码如下：void Write_LCD_Command（uchar cmd）P0=cmd;3LCD1602 初始化操作： 1602初始化操作是对1602显示的方式、功能作一些设置，达到预期的显示效果。通过将指令写入1602中即可实现初始化操作。指令说明如下： 显示模式设置： 图4.11 LCD1602 显示模式设置

18、 显示开/关及光标设置： 图4.12 LCD1602 显示开/关及光标设置初始化代码如下：void Init_LCD（） Write_LCD_Command（0x38）; /162显示，57点阵，8位数据接口 DelayMS（1）; Write_LCD_Command（0x01）; /清屏 Write_LCD_Command（0x06）; /增量方式，不移位 Write_LCD_Command（0x0c）; /开显示，光标关，字符不闪烁 4.2.3 串口接收模块用电脑键盘，将要输入的时间通过串口发送给MCU。串口采用方式1，波特率设置为9600Bit/s。发送及接收时序图如图所示： 图4.13

19、 串口工作方式1的时序图串口接收代码如下：void UART_ISR（） interrupt 4 /串口中断：由串口输入 uchar Temp; if（RI） RI=0; Temp=SBUF; if（Temp!=0x0d） RECEIVE_BUFFER1rec_i=Temp-0; /获取字符对应的 rec_i+; if（Temp=0x0d） DateChange（）； if（Date_Check（）=1） DS1302Init（）; /向DS1302写入 else ES=0; SBUF=E while（TI=0）; TI=0;r o SBUF=0x0D; ES=1; rec_i=0; if（T

20、I） TI=0;5.系统调试与仿真5.1 采用Proteus硬件仿真调试创建调试过程如图：1在Debug模式下选择Proteus VSM Monitor-51 Driver硬件驱动。然后点击确定即可。如图5.1所示。图5.1 调试设置2点击工具栏上按钮，即可开始keil与proteus联调过程，如图5.2所示：图5.2 联调过程5.2 调试过程调试过程中，我遇到了一些问题，后来都通过调试解决了。1我的本次设计有一项功能：若操作者没有按照规定格式输入，则虚拟中断（串口调试助手）会显示一个字符串“Error”。如图：图5. 3运行过程而我在最初阶段并没有实现此功能。后来通过调试，我发现了问题所在：

21、输出此段字符应采用查询方式输出，而我采用了中断方式。在执行此操作时，就处在串口中断服务子程序内，系统不会再响应串口中断。将此中断方式输出改为查询方式输出就解决了这个问题。2在我通过虚拟终端向系统输入日期时，DS1302不能接收我输入的数据。调试过程中，我发现是时序出了问题。向DS1302写入数据时，RST为高的情况下，SCLK上升沿时IO口数据被写入DS1302，而我程序内则写成了下降沿时数据被写入。5.3 运行效果Proteus运行按钮按下，LCD1602显示的时间与当前系统的时间同步，且虚拟中断输出一段字符串，用来提示输入格式。如图所示：图5. 4运行过程接下来，按照提示的格式输入时间，如

22、：15-07-12-31-23-59-50 ，如图所示：图5. 5运行过程然后再按下回车键，则1602上即显示输入格式的时间，如图所示：图5. 6运行过程若重新按照格式输入，则时间会再一次改变，如图：图5. 7运行过程如若输入的格式不正确，则虚拟终端会输出一个字符串“Error”来提醒操作者输入格式错误，如图所示：图5. 8运行过程同时，此系统还有检测输入日期是否实际的功能，如输入：16-08-12-31-23-59-50 （周-08肯定是错误的），虚拟中断也会输出字符串“Error”来提示操作者，如图所示：图5. 9运行过程所有功能运行效果介绍完毕。5.4 仿真的局限性软件仿真与实际验证有很

23、大的不同。软件仿真是将元器件、导线等理想化了，不会出错，而实际电路的走线布线、元器件、工作环境（如温度、湿度等）对电路的运行都是有影响的，只是影响大小不同而已，甚至期间因为受到影响而直接损坏，这些都是在软件仿真时不可能遇到的。除此之外，同一型号的元器件，不同厂家，甚至是同一厂家不同批次生产出来的元器件都多少有些差异，而这些差异都有可能使硬件运行失败。最直观的例子就是：我在调试的过程中，在Proteus上完美运行的程序，烧写进实验板之后现实的效果就没有了。根本看不见时间。最后经过很长时间的调试，期间对1602工作的时序作了一些调整，我才解决了这个问题，让实验板与仿真实现同样的效果。由此看来，仿真

24、的局限性很大，只有在硬件上实现才能算是真正的完成了设计。5.5 方案改进虽然此设计已经满足了基本要求，但在满足用户方面还存在一些欠缺。比如：用户如果输入一个不存在的时间，如 2012年2月29日。系统应该能识别2010年不是闰年，并不存在此时间。此时，系统应提示输入错误。此外，LCD1602显示界面还可以做一些调整，如增加温度显示，湿度显示等。6.设计总结虽然本次课程设计只持续了不到一周，但我学到的东西很多很多。从接到这个题目到现在设计的完成，每一步我都有深刻的体会。作为一名工科生，我更喜欢有条理地总结这次设计的收获：1首先，本次设计我收获最大的就是我懂得了：学习单片机这门课不单单是学会画图、写代码就OK了。而是应该培养自己的“工程师”能力。从分析设计要求到选择方案再