基于单片机的多功能电子钟设计Word格式文档下载.docx

1、Key words：Perpetual Calendar，The temperature sensor，LCD display1 绪论1.1 课题研究的背景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、时、分、秒和温度等信息，拥有定时闹钟、时间校准等功能。该电路采用AT89C52单片机作为核心，功耗小，可在3V的低压工作，亦能在35V电压下正常工作。 在日益繁忙的今天，人们每天都为生存而奔波，人们对时间看的更为重要，因此在手表上下功夫，实现电子手表的多功能化是完全可行的，符合未来人们对时间的追求。中国产业信息网数据显示：2014年10月全国表产量为14,342,164.00只，

2、同比增长9.57%，2014年1-10月全国表产量为144,817,082.00只，同比增长6.69%。2014年1-10月全国表产量及其增长统计表产品2014年10月本月产量 本月止累计本月同比增 长（%）本月止累计同比增长（%）表（只）14,342,164.00144,817,082.009.576.69表1.1不难看出我国表产量保持着一定的增长率，市场比较大，电子钟表行业未来的前景比较好。1.2课题的研究目的与意义 二十一世纪是数字化技术高速发展的时代，而单片机在数字化高速发展的时代扮演着极为重要的角色。所以说电子万年历的开发是国家之所需，社会之所需，人民之所需。数字化是未来科技发展的热

3、点，无论是在可视化还是时钟的精确上，数字钟都要优越于传统的机械手表。由于社会对信息交换不断提高的要求及高新技术的逐步发展，促使电子万年历发展并且投入市场得到广泛应用。1.3课题解决的主要内容本课题所研究的电子万年历是单片机控制技术的一个具体应用，主要研究内容包括以下几个方面：（1）选用电子万年历芯片时，应重点考虑功能实在、使用方便、单片存储、低功耗、抗断电的器件。（2）根据选用的电子万年历芯片设计外围电路和单片机的接口电路。（3）在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，使系统电路尽量简单。（4）根据硬件电路图，在开发板上完成器件的焊接。（5）在keil软件上编写控制AT89C52芯片的单片

4、机程序。（6）通过编程、编译、调试，把程序下载到单片机上运行，并实现本设计的功能。（7）在硬件电路和软件程序设计时，主要考虑提高人机界面的友好性，方便用户操作等因素。2 系统的方案设计与论证2.1系统的方案设计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。设计者应该考虑到多方面的因素，比如分析方案的可行性，成本是否符合设计者的经济状况，尽可能的做出物美价廉、性能优越的产品。按照系统设计的要求，初步确定系统由单片机模块、电源模块、时钟模块、显示模块、按键模块、温度测量模块和闹钟模块共七个模块组成，电路系统构成框图如图2.1所示。 图2.1 硬件模块框图2.1.1系统的模

5、块组成本设计由单片机模块、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七个模块组成。系统的核心采用的AT89C52单片机；数据显示模块采用的是QC12864B液晶显示；温度采集模块用的是DS18b20温度传感器，该传感器所采用的是单总线传输，内部带有A/D转换，用起来非常方便；时钟模块用的是DS1302时钟芯片，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；闹钟模块由一个蜂鸣器作为媒介。调整设置模块共包括四个按键：模式选择键、功能选择键、调整加按键、调整减按键。2.1.2 功能实现系统在正常工作时，LCD液晶上第一行显示多功能电子日历，第二行显示阳历，第

6、三行显示农历与星期，第四行显示时间和温度。如果想要对时间进行调整，可以通过调整设置模块来实现。当按下k4键时，系统进入另一模式，时间，闹钟的开关都可以用k2,k3键进行调整。2.2 系统方案论证2.2.1单片机芯片设计与论证方案一: AT89C51芯片为核心硬件,使用快闪记忆体,内部使用4 KB存储空间,可以为3v低电压工作,和MCS - 51系列单片机完全兼容,但当用于电路设计由于没有ISP在线编程技术,在电路调试、修改或由于程序错误程序的新功能需要老化,反复拉塞芯片会对芯片造成一定损害。方案二:AT89C52芯片为核心的硬件,使用闪存,可以在3 v低电压工作,并与MCS - 51系列单片机

7、是完全兼容的内存芯片8 KB存储空间。支持ISP在线编程功能,该功能的优点是重写程序在单片机内存不需要把芯片的工作环境。是一个强大易用的功能。最高工作频率为33MHz，比AT89C51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。由于AT89C52内部具有8KBROM存储芯片并且支持ISP在线编程，因此采用AT89C52作为主控芯片。2.2.2按键控制模块设计与论证方案一：采用独立键盘，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

8、。2.2.3时钟模块设计与论证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。采用此种方案能够减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差比较大。DS1302是一款高性能的实时时钟芯片，以计时准确、接口简单、使用方便、工作电压范围宽和低功耗等优点，得到广泛的应用，实时时钟有秒、分、时、星期、日、月和年，月小于31天时可以自动调整，并具有闰年补偿功能，而且在掉电时能够在外部纽扣电池的供电下继续工作。单片机有定时器的功能，但时间误差较大，且需要编写时钟程序。由于DS1302时钟芯片计数时间精度高，而且具有闰年补偿功能等优点，故采用方案二。2.2.4温度采集模块设

9、计与论证采用温度传感器，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。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。2.2.5显示模块模块设计与论证采用静态显示方法，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。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

10、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,QC12864B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。3 系统硬件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。3.1 AT89C52单片机本系统采用的是美国ATMEL公司生产的AT89C52单片

11、机，首先我们来熟悉一下AT89C52单片机的外部引脚和内部结构。1.单片机的引脚功能AT89C52单片机有40个引脚。Vcc：电源电压+5VGND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即复用口地址/数据总线。吸收当前可用作为输出,每路驱动八TTL逻辑门。图3.1 AT89C52的管脚图对端口写“1”可以作为高阻抗输入终端。在访问外部数据内存或程序内存,这组口线分时线转换地址以低（8位）和数据总线,激活内部上拉电阻访问期间。在Flash编程中,P0口接收指令字节,例行检查,输出命令字节,检查外部阻力的要求。P1口:P1口是一个内部上拉电阻与8位双向I / O,P1水平输出缓冲区可

12、以开车（或吸收输出电流）四个TTL逻辑门。对端口口写“1”,通过内部上拉电阻拉对端口到一个很高的水平,可以使输入端口。使用时输入端口,因为内部上拉电阻,确定由外部信号电流时的输出。闪存编程和在一次例行检查,P1接收低8位地址。P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访

13、问8位地址的外部数据存储器（MOVX Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash 编程和程序校验期间，P2亦接收低高位地址和其他控制信号。P3口：P3口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，见图3.2所示：P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。下图 P3口的

14、第二功能图图3.2RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使引脚输出高电平，设置SFR-AUXR的DISRT0（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的变成电压Vpp.XTAL1：振荡器反相放大器及内部

15、时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89C52单片机内部结构2.AT89C52单片机与MCS-51完全兼容 振荡电路：AT89C52系列单片机的内部振荡器，由一个单极反相器组成。XTAL1反相器的输入，XTAL2为反相器的输出。可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要XTAL1和XTAL2引脚上一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整的振荡信号发生器，此方式称为内部方式。另一种方式由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入，而XTAL2端浮空。在组成一个单片机应用系统时，多数采用这种方式，这种方式结构紧凑，成本低廉，可靠性高。在电路中，对电容C1和C2的值要求

16、不是很严格，如果使用高质的晶振，则不管频率为多少，C1、C2通常都选择30pF。定时/计数器：AT89C52单片机内含有2个16位的定时器/计数器。当用于定时器方式时，定时器的输入来自内部时钟发生电路，每过一个机器周期，定时器加1，而一个机器周期包含有12个振荡周期，所以，定时器的技术频率为晶振频率的1/12，而计数频率最高为晶振频率的1/24。为了实现定时和计数功能，定时器中含有3种基本的寄存器：控制寄存器、方式寄存器和定时器/计数器。控制寄存器是一个8位的寄存器，用于控制定时器的工作状态，方式寄存器是一个8位的寄存器，用于确定定时器的工作方式，定时器/计数器是16位的计数器，分为高字节和低

17、字节两部分。RAM：高于7FH内部数据存储器的地址是8位的，也就是说其地址空间只有256字节，但内部RAM的寻址方式实际上可提供384字节。的直接地址访问同一个存储空间，高于7FH的间接地址访问另一个存储空间。这样，虽然高128字节区分与专用寄器 ，即特殊功能寄存器区的地址是重合的，但实际上它们是分开的。究竟访问哪一区，存是通过不同的寻址方式加以区分的。SFR：SFR共含有22个不同寄存器，它们的地址分配在80HFFH中。虽然如此，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的。如对这些单元进行读操作，得到的是一些随机数，而写入则无效，所以在编程时不应该将数据写入这些未

18、确定的地址单元中，特殊功能寄存器主要有累加器ACC、B寄存器、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针DPTR、I/O端口、串行口数据缓冲器SBUF。中断系统：AT89C52单片机有6个中断源，中断系统主要由中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、优先级结构和一些逻辑门组成。IE寄存器用于允许或禁止中断；IP寄存器用于确定中断源的优先级别；优先级结构用于执行中断源的优先排序；有关逻辑门用于输入中断请求信号。在整个中断响应过程中CPU所执行的操作步骤如下：（1）完成当前指令的操作（2）将PC内容压入堆栈（3）保存当前的中断状态（4）阻止同级的中断请求（5）将中断程序入口地址送PC寄存器（

19、6）执行中断服务程序（7）返回3.2时钟芯片DS1302接口设计与性能分析3.2.1 DS1302性能简介DS1302是美国达拉斯的公司推出了一个高性能、低功耗实时时钟芯片,另外31个字节静态RAM,三线与CPU使用SPI接口同步通信,并使用的突发方式传输多个字节的时钟信号和RAM数据。当实时时钟可以提供第二,一分钟,一天,一周,一月,一年,小,一个月31天可以自动调整,并具有闰年补偿功能。宽工作电压2.5 V至5.5 V。双电源系统（主电源和备用电源）,可以设置备用电源充电方式,提供了细微电流进行背面的电源电流充电容量。DS1302外部引脚分配如图所示。DS1302的数据记录,尤其是对一些特

20、殊意义的记录数据点,可以实现数据的数据时间记录同时,由微处理器进行数据交换,第一个字节电路发送命令,命令字节最高写保护（D7）必须是一个逻辑0,如果D7 = 1,禁止写DS1302,即写保护;D6 = 0,指定时钟数据,D6 = 1,指定内存数据;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3.3：DS1302引脚说明：X1，X2 32.768kHz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3.3 DS1302管脚 3.2.2 DS1302接口电路设计1、时钟芯片DS

21、1302的接口电路及工作原理：图3.4 DS1302与MCU接口原理图 图3.5 DS1302与MCU接口电路图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3.6所示。图3.7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，若对时间进行读/写时，CK=0，对程序进行读/写时RAM=1。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。图3.7为DS1302的日历、时间寄存器内

22、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。每个数据传输是发起一个命令字节，控制字节的高有效位（第7位）必须是一个逻辑“1”。如果是零,写入DS1302将被禁用。位6指定时钟/日历数据如果逻辑“0”或RAM数据逻辑“1”。位一个通过五指定指定寄存器输入或输出,和LSB（位0）指定一个写操作（输入）如果逻辑“0”或读操作（输出）如果逻辑“1”。命

23、令字节总是输入从LSB（0）。3、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0位开始。注意,在第一个下降沿的最后一个字节后发生第一个数据位传输。额外SCLK周期传输的数据字节应该是发生的，只要RST够高。此外,I / O销数量在每个SCLK边缘上升。数据输出从0。如下图3.6所示。图3.64、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图3.7。 图3.73.3温度芯片DS18B20接口设计与性能分析3.3.1 DS18B20性能简介1

24、.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。DS18B20的信息发送到/从机接口,只需要一线连接DS18B20。其性能特点可归纳如下： 1）独特的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）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件；4）最多在750 ms将12位温度转换为数字；5）用户可定义的非易失性温度报警设置；6）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