基于51單片機(jī)的萬年歷設(shè)計

隨著科技的快速發(fā)展，時間的流逝,從觀太陽、擺鐘到現(xiàn)在電子鐘，人類不斷研究，不斷創(chuàng)新紀(jì)錄。目前，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)品已經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶。電子萬年歷的出現(xiàn)給人們的生活帶來了諸多方便。隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)的個人領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。單片機(jī)以體積小、功能全、性價比高等諸多優(yōu)點，在工業(yè)控制、家用電器、通信設(shè)備、信息處理、尖端武器等各種測控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨占鰲頭，單片機(jī)開發(fā)技術(shù)已成為電子信息、電氣、通信、自動化、機(jī)電一體化等專業(yè)技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)。

單片機(jī)單芯片的微小體積和低的成本，可廣泛地嵌入到如玩具、家用電器、機(jī)器人、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)、艦船、個人信息終端及通訊產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具，于是基于單片機(jī)的醒目而時尚的電子版萬年歷順應(yīng)而生。基于單片機(jī)的電子萬年歷結(jié)合了時鐘和日歷的功能，將其二者融為一體，在顯示時間的同時還能顯示日期和年、月，它主要是通過單片機(jī)來讀取時鐘芯片的時間、日期，然后送給顯示設(shè)備顯示出來。而電子萬年歷作為電子類小設(shè)計不僅是市場上的寵兒，也是是單片機(jī)實驗中一個很常用的題目。因為它的有很好的開放性和可發(fā)揮性，因此對作者的要求比較高，不僅考察了對單片機(jī)的掌握能力更加強(qiáng)調(diào)了對單片機(jī)擴(kuò)展的應(yīng)用。而且在操作的設(shè)計上要力求簡潔，功能上盡量齊全，顯示界面也要出色。日歷鐘顯示清晰直觀、走時準(zhǔn)確、可以進(jìn)行夜視，并且還可以擴(kuò)展出多種功能。

1 緒論

?1.1 課題研究的背景

隨著科技的快速發(fā)展，時間的流逝,從觀太陽、擺鐘到現(xiàn)在電子鐘，人類不斷研究，不斷創(chuàng)新紀(jì)錄。它可以對年、月、日、時、分、秒進(jìn)行計時，還具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，而且DS1302的使用壽命長，誤差小。對于數(shù)字電子萬年歷采用直觀的數(shù)字顯示，可以同時顯示年、月、日、周日、時、分、秒和溫度等信息，還具有時間校準(zhǔn)等功能。該電路采用STC89C52單片機(jī)作為核心，功耗小，能在5V的低壓工作，電壓可選用4.5~5.5V電壓供電。

此萬年歷具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。

1.2課題的研究目的與意義

二十一世紀(jì)是數(shù)字化技術(shù)高速發(fā)展的時代，而單片機(jī)在數(shù)字化高速發(fā)展的時代扮演著極為重要的角色。電子萬年歷的開發(fā)與研究在信息化時代的今天亦是當(dāng)務(wù)之急，因為它應(yīng)用在學(xué)校、機(jī)關(guān)、企業(yè)、部隊等單位禮堂、訓(xùn)練場地、教學(xué)室、公共場地等場合，可以說遍及人們生活的每一個角落。所以說電子萬年歷的開發(fā)是國家之所需，社會之所需，人民之所需。

由于社會對信息交換不斷提高的要求及高新技術(shù)的逐步發(fā)展，促使電子萬年歷發(fā)展并且投入市場得到廣泛應(yīng)用。

1.3課題解決的主要內(nèi)容

本課題所研究的電子萬年歷是單片機(jī)控制技術(shù)的一個具體應(yīng)用，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：

（1）選用電子萬年歷芯片時，應(yīng)重點考慮功能實在、使用方便、單片存儲、低功耗、抗斷電的器件。

（2）根據(jù)選用的電子萬年歷芯片設(shè)計外圍電路和單片機(jī)的接口電路。

（3）在硬件設(shè)計時，結(jié)構(gòu)要盡量簡單實用、易于實現(xiàn)，使系統(tǒng)電路盡量簡單。

（4）根據(jù)硬件電路圖，在開發(fā)板上完成器件的焊接。

（5）根據(jù)設(shè)計的硬件電路，編寫控制STC89C52芯片的單片機(jī)程序。

（6）通過編程、編譯、調(diào)試，把程序下載到單片機(jī)上運(yùn)行，并實現(xiàn)本設(shè)計的功能。

（7）在硬件電路和軟件程序設(shè)計時，主要考慮提高人機(jī)界面的友好性，方便用戶操作等因素。

2 系統(tǒng)的方案設(shè)計與論證

單片機(jī)電子萬年歷的制作有多種方法，可供選擇的器件和運(yùn)用的技術(shù)也有很多種。所以，系統(tǒng)的總體設(shè)計方案應(yīng)在滿足系統(tǒng)功能的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結(jié)構(gòu)要簡單使用、易于實現(xiàn)，器件的選用著眼于合適的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗以及低廉的成本。

按照系統(tǒng)設(shè)計的要求，初步確定系統(tǒng)由電源模塊、時鐘模塊、顯示模塊、鍵盤接口模塊、溫度測量模塊和鬧鐘模塊共六個模塊組成，電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路框圖

2.1單片機(jī)芯片設(shè)計與論證

方案一:

方案1：采用51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器

單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積較小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而且抗干擾性能好。

方案2：采用凌陽系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器

凌陽系列單片機(jī)可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性。凌陽系列單片機(jī)提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。

因51單片機(jī)價格比凌陽系列低得多，且本設(shè)計不需要很高的處理速度，從經(jīng)濟(jì)和方便使用角度考慮，本設(shè)計選擇了方案1。

2.2按鍵控制模塊設(shè)計與論證

方案一：采用矩陣鍵盤，由于按鍵多可實現(xiàn)數(shù)值的直接鍵入，但在系統(tǒng)中需要CPU不間斷的對其端口掃描。

方案二：采用獨立按鍵，查詢簡單，程序處理簡單,可節(jié)省CPU資源。

因系統(tǒng)中所需按鍵不多，為了釋放更多的CPU占有時間，操作方便，故采用方案二。

2.3時鐘模塊設(shè)計與論證

方案一：直接采用單片機(jī)定時計數(shù)器提供秒信號，使用程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒計數(shù)。采用此種方案雖然減少芯片的使用，節(jié)約成本，但是，實現(xiàn)的時間誤差較大。

方案二：采用DS1302為計時時鐘芯片

該芯片是串行電路，與單片機(jī)接口簡單，但需另備電池和32.768kHz晶振，因焊接工藝和晶振質(zhì)量等原因會導(dǎo)致精度降低。

方案三：采用DS12C887為計時時鐘芯片

該芯片與單片機(jī)采用8位并口通信，傳遞信息速度快。自帶有鋰電池和晶振，外部掉電后，其內(nèi)部時間信息還能夠保持10年之久，因電路被封裝在一起，可以保證很高的精度和抗干擾能力。而且芯片功能豐富，可以通過內(nèi)部寄存器設(shè)置鬧鐘，并產(chǎn)生鬧鐘中斷。

由于DS1302時鐘芯片計數(shù)時間精度高，而且具有閏年補(bǔ)償功能且價格經(jīng)濟(jì)實惠等優(yōu)點，故采用方案二。

2.4溫度采集模塊設(shè)計與論證

方案一：采用溫度傳感器（如熱敏電阻或AD590），再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，精度較準(zhǔn)，但價格昂貴，電路較復(fù)雜。

方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，但準(zhǔn)確度不高，誤差最大達(dá)2度。

因為用DS18B20溫度芯片，采用單總線訪問，降低成本、降低制作難度且可節(jié)省單片機(jī)資源，故采用方案二。

2.5顯示模塊模塊設(shè)計與論證

方案一：采用靜態(tài)顯示方法，靜態(tài)顯示模塊的硬件制作較復(fù)雜及功耗大，要用到多個移位寄存器，但不占用端口，只需兩根串口線輸出。

方案二：采用動態(tài)顯示方法，動態(tài)顯示模塊的硬件制作簡單，段掃描和位掃描各占用一個端口，總需占用單片機(jī)14個端口，采用間斷掃描法功耗小、硬件成本低及整個硬件系統(tǒng)體積相對減小。

方案三:采用LCD的方法,具有硬件制作簡單可直接與單片機(jī)接口,顯示內(nèi)容多,功耗小,成本低等優(yōu)點,LCM1602可顯示32個字符,采用LCD的缺點是亮度不夠。

比較以上三種方案：方案一硬件復(fù)雜體積大、功耗大；方案二硬件簡單、功耗??；方案三硬件簡單，顯示內(nèi)容多,功耗小,成本低等。本系統(tǒng)設(shè)計要求達(dá)到功耗小、體積小、成本低，顯示信息多等要求，權(quán)衡三種方案，選擇方案三。

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

根據(jù)上述所確定的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計，系統(tǒng)的具體設(shè)計在下面會詳細(xì)介紹。

3.1 STC89C52單片機(jī)

單片微型計算機(jī)是隨著微型計算機(jī)的發(fā)展而產(chǎn)生和發(fā)展的。自從1975 年美國德克薩斯儀器公司的第一臺單片微型計算機(jī)（ 簡稱單片機(jī)）TMS-1000 問世以來，迄今為止，單片機(jī)技術(shù)已成為計算機(jī)技術(shù)的一個獨特分支，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制中經(jīng)常遇到對某些物理量進(jìn)行定時采樣與控制的問題，在儀器儀表智能化中也扮演著極其重要的角色。

如果將8位單片機(jī)的推出作為起點，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段：

第一階段（1976—1978）：單片機(jī)的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領(lǐng)域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola、Zilog等。都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機(jī)”一詞即由此而來。

第二階段（1978—1982）：單片機(jī)的完善階段。Intel公司在MCS-48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS-51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

（1）完善的外部總線。MCS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有多機(jī)通信功能的串行通信接口。

（2）CPU外圍功能單元的集中管理模式。

（3）體現(xiàn)工控特性的地址空間及位操作方式。

（4）指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。

第三階段（1982—1990）：8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機(jī)，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。

第四階段（1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個領(lǐng)域全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位/16位/32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價的專用型單片機(jī)。

單片機(jī)是在集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機(jī)，這些元件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時鐘部件的集成和I/O接口電路。由于單片機(jī)具有體積小、價格低、可靠性高、開發(fā)應(yīng)用方便等特點，因此在現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在智能儀表中單片機(jī)是應(yīng)用最多、最活躍的領(lǐng)域之一。在控制領(lǐng)域中,現(xiàn)如今人們更注意計算機(jī)的底成本、小體積、運(yùn)行的可靠性和控制的靈活性。在各類儀器、儀表中引入單片機(jī)，使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，提高計算機(jī)的運(yùn)算速度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。

單片機(jī)主要特點：

（1）有優(yōu)異的性能價格比。

（2）集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性和抗干擾能力。另外，其體積小，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。

（3）控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。

（4）低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。

（5）外部總線增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）及SPI(Serial Peripheral Interface)等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)。

（6）單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

優(yōu)異的性能價格比。

1）集成度高、體積小、有很高的可靠性。

單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。

此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。

2）控制功能強(qiáng)。

為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。

單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

VCC：STC89C52電源正端輸入，接+5V。

GND：電源地端。

XTAL1:? 單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。

XTAL2： 系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。

RESET：STC89C52的重置引腳，高電平動作，當(dāng)要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機(jī)器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。

EA/Vpp："EA"為英文"External Access"的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內(nèi)部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。

ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。STC89C52可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0～A7）鎖進(jìn)鎖存器中，因為STC89C52是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。

PSEN：此為"Program Store Enable"的縮寫，其意為程序儲存啟用，當(dāng)8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。STC89C52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，P0在當(dāng)做I/O用時可以推動8個LS的TTL負(fù)載。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負(fù)載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。P2除了當(dāng)做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52擴(kuò)充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8～A15，這個時候P2便不能當(dāng)做I/O來使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LS TTL負(fù)載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當(dāng)做定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ堋?/p>

其引腳分配如下：

P3.0：RXD，串行通信輸入。

P3.1：TXD，串行通信輸出。

P3.2：INT0，外部中斷0輸入。

P3.3：INT1，外部中斷1輸入。

P3.4：T0，計時計數(shù)器0輸入。

P3.5：T1，計時計數(shù)器1輸入。

P3.6：WR：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。

P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。

圖2 STC89C52單片機(jī)引腳圖

3.1.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機(jī)能運(yùn)行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進(jìn)行存儲器擴(kuò)展、A/D擴(kuò)展等，使單片機(jī)完成較復(fù)雜的功能。

STC89C52是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用STC89C52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理框圖

3.1.2 時鐘電路

STC89C52單片機(jī)的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖3所示。在STC89C52單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。

圖4 STC89C52內(nèi)部時鐘電路

3.1.3 復(fù)位電路

當(dāng)在STC89C52單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個機(jī)器周期時，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài))。

復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。

最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。

除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST(9)端與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖4。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10uF,R取10kΩ。

圖5 STC89C52 復(fù)位電路

3.2時鐘芯片DS1302接口設(shè)計與性能分析

3.2.1 DS1302性能簡介

DS1302是Dallas公司生產(chǎn)的一種實時時鐘芯片。它通過串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，能夠向單片機(jī)提供包括秒、分、時、日、月、年等在內(nèi)的實時時間信息，并可對月末日期、閏年天數(shù)自動進(jìn)行調(diào)整；它還擁有用于主電源和備份電源的雙電源引腳，在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運(yùn)行。另外，它還能提供31字節(jié)的用于高速數(shù)據(jù)暫存的RAM。

DS1302時鐘芯片內(nèi)主要包括移位寄存器、控制邏輯電路、振蕩器。DS1302與單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送依靠RST，I/O，SCLK三根端線即可完成。其工作過程可概括為：首先系統(tǒng)RST引腳驅(qū)動至高電平，然后在SCLK時鐘脈沖的作用下，通過I/O引腳向DS1302輸入地址/命令字節(jié)，隨后再在SCLK時鐘脈沖的配合下，從I/O引腳寫入或讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)。因此,其與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送是十分容易實現(xiàn)的，DS1302的引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2：

DS1302引腳說明：

X1，X2???????? 32.768kHz晶振引腳

GND???????? ???地線

RST??????????? 復(fù)位端

I/O??????????? 數(shù)據(jù)輸入/輸出端口

SCLK?????????? 串行時鐘端口

VCC1?????????? 慢速充電引腳

VCC2?????????? 電源引腳

圖5 DS1302管腳圖

3.2.2 DS1302接口電路設(shè)計

1時鐘芯片DS1302的接口電路及工作原理：

圖6 DS1302與MCU接口電路

圖6為DS1302的接口電路，其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。VCC1在單電源與電池供電的系統(tǒng)中提供低電源并提供低功率的電池備份。VCC2在雙電源系統(tǒng)中提供主電源，在這種運(yùn)用方式中VCC1連接到備份電源，以便在沒有主電源的情況下能保存時間信息以及數(shù)據(jù)。

DS1302由VCC1或VCC2 兩者中較大者供電。當(dāng)VCC2大于VCC1+0.2V時，VCC2給DS1302供電。當(dāng)VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電。

DS1302在每次進(jìn)行讀、寫程序前都必須初始化，先把SCLK端置 “0”，接著把RST端置“1”，最后才給予SCLK脈沖；讀/寫時序如下圖5所示。表-1為DS1302的控制字，此控制字的位7必須置1，若為0則不能對DS1302進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。對于位6，若對時間進(jìn)行讀/寫時，CK=0，對程序進(jìn)行讀/寫時RAM=1。位1至位5指操作單元的地址。位0是讀/寫操作位，進(jìn)行讀操作時，該位為1；進(jìn)行寫操作時，該位為0?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸入/輸出的。表-2為DS1302的日歷、時間寄存器內(nèi)容：“CH”是時鐘暫停標(biāo)志位，當(dāng)該位為1時，時鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位為0時，時鐘開始運(yùn)行?！癢P”是寫保護(hù)位，在任何的對時鐘和RAM的寫操作之前，“WP”必須為0。當(dāng)“WP”為1時，寫保護(hù)位防止對任一寄存器的寫操作。

2、DS1302的控制字

DS1302的控制字如表2所示?？刂谱止?jié)的高有效位（位7）必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1指示操作單元的地址；最低有效位（位0）如為1表

示進(jìn)行讀操作，為0表示進(jìn)行寫操作?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸出。

表1 DS1302的控制字格式

3、數(shù)據(jù)輸入輸出（I/O）

在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下

降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。如下圖7所示。

圖7 DS1302讀/寫時序圖

4、DS1302的寄存器AM(———)

DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其日歷、時間寄存器及其控制字見表2。

表2 DS1302的日歷、時間寄存器

此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及

與RAM相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。

3.3溫度芯片DS18B20接口設(shè)計與性能分析

3.3.1 DS18B20性能簡介

1.DS18B20的主要特性

DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度

傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?，F(xiàn)場溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。其性能特點可歸納如下：

1.獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信；

2.測溫范圍在-55℃到125℃，分辨率最大可達(dá)0.0625℃；

3.采用了3線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路；

4.零待機(jī)功耗；

5.可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍在3.0V-5.5V；

6.用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置；

7.報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；

8.負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱燒毀，只是不能正常工作。

2.DS18B20工作原理

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖5所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖5中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。

圖8 DS18B20測溫原

3.3.2 DS18B20接口電路設(shè)計

如6圖所示，該系統(tǒng)中采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，具有測量精度高，電路連接簡單特點，此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用P3.7與DS18B20的DQ口連接，Vcc接電源，GND接地。DS18B20的工作電流約為1mA，VCC一般為5V，則電阻R=5V/1mA=5KΩ，目前用的電阻一般不是可調(diào)電阻，只是固定阻值，市場上有的就那么幾個型號。其中DS18B20接有電源，則需要一個上拉即可穩(wěn)定的工作。這個電阻通常比較大，我們選擇10K電阻的來起到上拉作用，使之為高電平，使后續(xù)電路保護(hù)。

? 圖9 溫度傳感器DS18B20接口

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

電子萬年歷的功能是在程序控制下實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法與硬件設(shè)計相對應(yīng)，按整體功能分成多個不同的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計、編程和調(diào)試，最后通過主程序將各程序模塊連接起來。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。

本系統(tǒng)的軟件部分主要要進(jìn)行公歷計算程序設(shè)計，溫度測量程序設(shè)計，按鍵的掃描輸入等。程序開始運(yùn)行后首先要進(jìn)行初始化，把單片機(jī)的各引腳的狀態(tài)按程序里面的初始化命令進(jìn)行初始化，初始化完成后運(yùn)行溫度測量程序，讀取出溫度傳感器測量出來的溫度，然后運(yùn)行公歷計算程序，得到公歷的時間、日期信息，再運(yùn)行按鍵掃描程序，檢測有無按鍵按下，如果沒有按鍵按下則直接調(diào)用節(jié)日計算程序，根據(jù)得到的公歷日期信息計算出節(jié)日，如果有按鍵按下則更新按鍵修改后的變量后送給節(jié)日計算程序，由節(jié)日計算程序根據(jù)修改后的變量計算出對應(yīng)的節(jié)假日，計算完成后運(yùn)行顯示程序，顯示程序?qū)⒌玫降臏囟葦?shù)據(jù)、公歷信息、節(jié)假日信息送給對應(yīng)的數(shù)碼管讓其顯示。

4.1主程序流程圖的設(shè)計

主程序流程圖如圖20

圖20 主程序流程圖

4.2 程序設(shè)計

4.2.1 DS1302讀寫程序設(shè)計

本系統(tǒng)的時間讀取主要來源于單片機(jī)對DS1302的操作，在硬件上時鐘芯片DS1302與單片機(jī)的連接需要三條線，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)，具體連接圖見系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖。讀取寫程序設(shè)計如下：

函 數(shù) 名：RTInputByte()

功??? 能：實時時鐘寫入一字節(jié)

說??? 明：往DS1302寫入1Byte數(shù)據(jù) (內(nèi)部函數(shù))

入口參數(shù)：d 寫入的數(shù)據(jù)

返 回 值：無

void RTInputByte(uchar d)

{

uchar i;

ACC = d;

for(i=8; i>0; i--)

{

T_IO = ACC0;?????????? /*相當(dāng)于匯編中的 RRC */

T_CLK = 1;

T_CLK = 0;

ACC = ACC >> 1;

}

函 數(shù) 名：RTOutputByte()

功??? 能：實時時鐘讀取一字節(jié)

說??? 明：從DS1302讀取1Byte數(shù)據(jù) (內(nèi)部函數(shù))

入口參數(shù)：無

返 回 值：ACC

uchar RTOutputByte(void)

{

uchar i;

for(i=8; i>0; i--)

{

ACC = ACC >>1;???????? /*相當(dāng)于匯編中的 RRC */

ACC7 = T_IO;

T_CLK = 1;

T_CLK = 0;

}

return(ACC);

}

函 數(shù) 名：W1302()

功??? 能：往DS1302寫入數(shù)據(jù)

說??? 明：先寫地址，后寫命令/數(shù)據(jù) (內(nèi)部函數(shù))

調(diào)??? 用：RTInputByte() , RTOutputByte()

入口參數(shù)：ucAddr: DS1302地址, ucData: 要寫的數(shù)據(jù)

返 回 值：無

void W1302(uchar ucAddr, uchar ucDa)

{

T_RST = 0;

T_CLK = 0;

T_RST = 1;

RTInputByte(ucAddr);?????? /* 地址，命令 */

RTInputByte(ucDa);?????? /* 寫1Byte數(shù)據(jù)*/

T_CLK = 1;

T_RST = 0;

}

函 數(shù) 名：R1302()

功??? 能：讀取DS1302某地址的數(shù)據(jù)

說??? 明：先寫地址，后讀命令/數(shù)據(jù) (內(nèi)部函數(shù))

調(diào)??? 用：RTInputByte() , RTOutputByte()

入口參數(shù)：ucAddr: DS1302地址

?返 回 值：ucData :讀取的數(shù)據(jù)

uchar R1302(uchar ucAddr)

{

uchar ucData;

T_RST = 0;

T_CLK = 0;

T_RST = 1;

RTInputByte(ucAddr);???????????? /* 地址，命令 */

ucData = RTOutputByte();???????? /* 讀1Byte數(shù)據(jù) */

T_CLK = 1;

T_RST = 0;

return(ucData);

}

DS1302與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，首先由微處理器向電路發(fā)送命令字節(jié)，命令字節(jié)最高位MSB(D7)必須為邏輯 1，如果D7=0，則禁止寫DS1302，即寫保護(hù)；D6=0，指定時鐘數(shù)據(jù)，D6=1，指定RAM數(shù)據(jù)；D5～D1指定輸入或輸出的特定寄存器；最低位LSB(D0)為邏輯0，指定寫操作(輸入)，D0=1，指定讀操作(輸出) 。

4.2.2 溫度程序設(shè)計

單總線上最基本的操作有初始化、寫和讀3種，所有其它的操作都由這3種基本操作組合而成，初始化用于對總線上的器件進(jìn)行狀態(tài)復(fù)位，寫用于主節(jié)點向總線上寫入一位數(shù)據(jù)，讀用于主節(jié)點從總線上讀取一位數(shù)據(jù)。在這3種操作中，只有寫操作是單向的，初始化操作和讀操作都是雙向的。具體程序設(shè)計如下：

byte ow_reset(void)

{

byte presence;

DQ = 0;??????? //拉低總線

delay(29);??? // 保持 480us

DQ = 1;?????? // 釋放總線

delay(3);???? // 等待回復(fù)

presence = DQ; // 讀取信號

delay(25);??? // 等待結(jié)束信號

return(presence); // 返回?? 0：正常 1：不存在

}

//從 1-wire 總線上讀取一個字節(jié)

byte read_byte(void)

{

byte i;

byte value = 0;

? for (i=8;i>0;i--)

{

value>>=1;

DQ = 0;

DQ = 1;

delay(1);

if(DQ)value|=0x80;

delay(6);

}

return(value);

}

//向 1-WIRE 總線上寫一個字節(jié)

void write_byte(char val)

{

byte i;

for (i=8; i>0; i--) // 一次寫一位

{

DQ = 0; //

DQ = val&0x01;

delay(5); //

DQ = 1;

val=val/2;

}

delay(5);

}

5 系統(tǒng)的機(jī)體設(shè)計及調(diào)試

5.1系統(tǒng)的模塊組成

本設(shè)計由數(shù)據(jù)顯示模塊、溫度采集模塊、時間處理模塊和調(diào)整設(shè)置模塊四個模塊組成。系統(tǒng)的核心采用的是STC89C52單片機(jī)；數(shù)據(jù)顯示模塊采用的是LCD液晶顯示；

溫度采集模塊用的是DS18B20溫度傳感器，該傳感器所采用的是單總線傳輸，內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換，用起來非常方便；時間處理模塊用的是DS1302時鐘芯片，可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，還具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能；調(diào)整設(shè)置模塊共包括四個按鍵：模式選擇鍵、功能選擇鍵、調(diào)整加按鍵、調(diào)整減按鍵。電路實際效果如圖21

圖21 實際效果圖

5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試與仿真

通過編寫出程序，然后在仿真原理圖中檢查單片機(jī)和液晶屏等器件是否能夠正常顯示。通過Keil uVision4軟件的使用來編譯程序的，確保了程序的正確性及程序所設(shè)計的功能能夠順利的實現(xiàn)。如圖22程序運(yùn)行圖

通過軟件的調(diào)試，接著在Proteus仿真軟件里進(jìn)行仿真。按原理圖的設(shè)計在ISIS軟件中連接好電路。接好后裝入HEX文件后，單擊仿真運(yùn)行工具欄上的“運(yùn)行”，在ISIS的編輯窗口中可以看到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真運(yùn)行效果。其中，紅色方塊代表高電平，藍(lán)色方塊代表低電平。如圖21仿真效果圖

5.3系統(tǒng)硬件調(diào)試

①次電路主要是檢測格其引腳電壓是否正常，晶振和電源是否接好，檢測硬件電路是否有短路、斷路、虛焊等，以確保設(shè)計的可靠性和電器元件的性能。而電路中的電源電路、晶體振蕩電路、按鍵接口電路及復(fù)位電路、鬧鐘電路等都是采用基礎(chǔ)的電路設(shè)計，除了基礎(chǔ)電路硬件調(diào)試外我們還可以通過軟件來測試硬件，如通過下載口寫入其它一個比較簡單的程序，以便測試。

②首先由USB電源插口接入5V的直流電壓供給系統(tǒng)使用。在這里接上一個發(fā)光二級管作為指示，單輸入電壓正常時，二極管亮，LCD同時顯示正常。系統(tǒng)在正常工作時，LCD液晶上第一行顯示時分秒和溫度，第二行顯示年月日和星期，如果想要對時間進(jìn)行調(diào)整，可以通過調(diào)整設(shè)置模塊來實現(xiàn)。當(dāng)按下設(shè)置鍵P3.0鍵時可調(diào)節(jié)主頁面的時分秒、年月日的調(diào)節(jié)，P3.1為調(diào)整加按鍵，P3.2為調(diào)整減按鍵，P3.3按下時可進(jìn)入另一種模式。第二種模式可顯示閏年，第三種模式可設(shè)置鬧鐘時間。如果想要退出該模式就在按一下P3.3即可。

③在硬件調(diào)試過程中，當(dāng)接通電源的時候，我們發(fā)現(xiàn)液晶顯示器沒有工作，背光燈有亮但沒有數(shù)據(jù)出來。但電源指示燈已亮，說明電源輸入正常，待我們用萬用表測

電路中各電壓時發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)各引腳電壓也正常，顯示器的各引腳也正常。經(jīng)過同學(xué)與老師的幫助，發(fā)現(xiàn)程序出錯，改后再接電源，電路一切正常。

系統(tǒng)原理圖如圖24：

圖24 系統(tǒng)原理圖

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