基于單片機論文.doc

華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 電子鐘的設(shè)計與實現(xiàn)硬件部分 摘 要 單片計算機即單片微型計算機，是一種集成的電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路 技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 cpu、隨機存儲器 ram、只讀存儲器 rom、多 種 i/o 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、 模擬多路轉(zhuǎn)換器、a/d 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系 統(tǒng)。它體積小，成本低，功能強，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)品和工業(yè)自動化上。而 51 單片機是 各單片機中最為典型和最有代表性的一種。本次設(shè)計主要為實現(xiàn)一款可正常顯示時鐘/日 歷、帶有定時鬧鈴的電子鐘。 電子鐘主要是利用電子技術(shù)將時鐘電子化、數(shù)字化，擁有時鐘精確、體積小、界面 友好、可擴展性能強等特點，被廣泛應(yīng)用于生活和工作當(dāng)中。另外，在生活和工農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)中，也常常需要電子時鐘具有多功能性。 本設(shè)計應(yīng)用 at89s52 芯片作為核心，lcd 液晶顯示，使用 ds1302 實時時鐘日歷芯 片完成時鐘/日歷的基本功能。這種實現(xiàn)方法的優(yōu)點是電路簡單，性能可靠，實時性好， 時間精度高，操作簡單，編程容易。 該電子鐘可以應(yīng)用于一般的生活和工作中，也可通過改裝，提高性能，增加新功能， 從而給人們的生活和工作帶來更多的方便。 關(guān)鍵詞：電子鐘；時鐘日歷芯片；at89s52 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 2 the design and implementation of electron clock the design of the hardware abstract the monolithic computer is a monolithic microcomputer, be one kind of integrated circuit chip, be that the width demonstrating drive circuit , pulse modulates breadboarding adopt the grand scale ic technology central authority processor cpu , random memory ram , god of the earth read memory rom , diversified i/o mouths and function (possibility such as interruption system , timer/ calculagraph having a data-handling capacity to be included, multi-path converter, a/d converter and so on circuit) integrated arrive at a piece of silicon slice upper formation one small but perfect computer system. its volume is small , cost is low , the function is strong, apply to the intelligence product and the industrial automation broadly go ahead. but, 51 monolithic machine are that every representative and a kind of having representativeness most in monolithic machine. design that being to realize one but to demonstrate the clock/ calendar regularly mainly, as well as electronic clock having noisy bell the regular time time. the electronic clock is to electronize , digitize mainly make use of electron technology with the clock , own the clock is accurate , volume is small , the interface is amicable , expansion the function waits for a characteristic by force , the quilt applies to life and the job broadly middle. require that the electron clock has multifunctional also often in besides, giving birth to a child in life and industry and agriculture. design that the chip applying at89s52 is core , lcd liquid crystal display , uses the ds1302 real time clock calendar chip to accomplish fundamental clock/ calendar function originally. this realization method merit is that the circuit is simple , the function is reliable , real time nature is good , time accuracy is high , the simplicity , the programming are easy to handle. that electronic clock is not bad apply to also may bring about more going to the lavatory by refitting , improving the function , life and job increasing the new function , giving peoples thereby in the same life and job. key words：electronic clock; ds1302; at89s52 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 目 錄 摘 要.1 abstract2 第一章 引 言.5 1.1 多功能電子時鐘研究的背景和意義 .5 1.2 電子時鐘的功能 .5 第二章 電子時鐘設(shè)計方案分析.7 2.1 fpga 設(shè)計方案.7 2.2 ne555 時基電路設(shè)計方案7 2.3 單片機設(shè)計方案 .8 第三章 電子時鐘硬件設(shè)計.9 3.1 單片機特點 .9 3.2 元器件選擇9 3.2.1 微處理器選擇9 3.2.2 ds1302 的片內(nèi)寄存器13 3.3 電子時鐘硬件電路設(shè)計14 3.3.1 晶振電路設(shè)計.15 3.3.2 復(fù)位電路設(shè)計.16 3.3.3 按鍵電路設(shè)計.17 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 4 3.3.4 顯示電路設(shè)計.18 3.3.4 時鐘電路設(shè)計.19 3.3.5 鬧鈴電路設(shè)計.20 第三章 電子時鐘軟件設(shè)計.22 4.1 主程序設(shè)計22 4.2 子程序設(shè)計 .22 4.2.1 實時時鐘日歷子程序設(shè)計.22 4.2.2 顯示子程序設(shè)計.23 4.2.3 鍵盤掃描子程序.23 4.2.4 鬧鈴子程序設(shè)計.23 第五章 系統(tǒng)調(diào)試.27 5.1 硬件調(diào)試 .27 5.1.1 單片機基礎(chǔ)電路調(diào)試.27 5.1.2 ds1302 電路調(diào)試28 5.1.3 按鍵電路調(diào)試.28 5.2 軟件調(diào)試 .28 5.2.1 鍵盤子程序調(diào)試.29 結(jié) 論.30 致 謝.31 參考文獻.32 附錄 a 程序.33 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 附錄 b 帶日歷電子鐘元器件一覽表 .43 附錄 c 帶日歷電子鐘的硬件電路圖 .44 附錄 d 英文翻譯原文部分.45 譯文部分淺談單片機48 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 6 第一章 引 言 時間是人類生活必不可少的重要元素，如果沒有時間的概念，社會將不會有所發(fā) 展和進步。從古代的水漏、十二天干地支，到后來的機械鐘表以及當(dāng)今的石英鐘，都充 分顯現(xiàn)出了時間的重要，同時也代表著科技的進步。致力于計時器的研究和充分發(fā)揮時 鐘的作用，將有著重要的意義。 1.1 多功能電子時鐘研究的背景和意義 20 世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透到了 社會的各個領(lǐng)域，有力的推動和提高了社會生產(chǎn)力的發(fā)展與信息化程度，同時也使現(xiàn)代 電子產(chǎn)品性能進一步提升，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。 時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜容易使人忘記當(dāng)前的時間。然 而遇到重大事情的時候，一旦忘記時間，就會給自己或他人造成很大麻煩。平時我們要 求上班準(zhǔn)時，約會或召開會議必然要提及時間；火車要準(zhǔn)點到達，航班要準(zhǔn)點起飛；工 業(yè)生產(chǎn)中，很多環(huán)節(jié)都需要用時間來確定工序替換時刻。所以說能隨時準(zhǔn)確的知道時間 并利用時間，是我們生活和工作中必不可少的1。 想知道時間，手表當(dāng)然是一個很好的選擇，但是，在忙碌當(dāng)中，我們還需要一個 “助理” 及時的給我們提醒時間。所以，計時器最好能夠擁有一個定時系統(tǒng)，隨時提醒 容易忘記時間的人。 最早能夠定時、報時的時鐘屬于機械式鐘表，但這種時鐘受到機械 結(jié)構(gòu)、動力和體積的限制，在功能、性能以及造價上都沒辦法與電子時鐘相比。 電子鐘是采用電子電路實現(xiàn)對時、分、秒進行數(shù)字顯示的計時裝置，廣泛應(yīng)用于個 人家庭，車站， 碼頭辦公室等公共場所，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?。由于?shù) 字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)字鐘的精度，遠遠超過老式鐘 表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報 時功能。諸如定時自動報警、0 按時自動打鈴、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、 通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ) 的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。 1.2 電子時鐘的功能 電子時鐘主要是利用電子技術(shù)將時鐘電子化、數(shù)字化，擁有時間精確、體積小、界 面友好、可擴展性能強等特點，被廣泛應(yīng)用于生活和工作當(dāng)中。當(dāng)今市場上的電子時鐘 品類繁多，外形小巧別致。也有體型較大的，諸如公共場所的大型電子報時器等。電子 時鐘首先是數(shù)字化了的時間顯示或報時器，在此基礎(chǔ)上，人們可以根據(jù)不同場合的要求， 在時鐘上加置其他功能，比如定時鬧鈴，萬年歷，環(huán)境溫度、濕度檢測，環(huán)境空氣質(zhì)量 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 檢測，usb 擴展口功能等 本設(shè)計電子時鐘主要功能為： （1）能隨意設(shè)定走時起始時間。對電子鐘而言，最基本的功能是具有對時功能，即隨 意設(shè)定起始時間。 （2）能設(shè)定鬧鐘鬧鈴時間。電子鐘一般都有鬧鈴功能，即預(yù)設(shè)一個時間，一旦走時到 該時間，電子鐘以聲（音樂形式，可選）和光（顯示狀態(tài)的變化）的形式告警提示，音 樂可自選。 （3）12 小時24 小時兩種制式可選，以適應(yīng)不同的需要。 （4）帶日歷，能正常顯示年月日。 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 8 第二章 電子時鐘設(shè)計方案分析 電子鬧鐘既可以通過純硬件實現(xiàn)，也可以通過軟硬件結(jié)合實現(xiàn)，根據(jù)電子時鐘里的 核心部件秒信號的產(chǎn)生原理，通常有以下三種形式： 2.1 fpga 設(shè)計方案 現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，fpga） ，是 20 世紀 70 年代發(fā)展 起來的一種可編程邏輯器件，是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主要硬件基礎(chǔ)。fpga 在結(jié)構(gòu)上由邏 輯功能塊排列為陣列，并由可編程的內(nèi)部連線連接這些功能塊，來實現(xiàn)一定的邏輯功能。 可編程邏輯器件的設(shè)計過程是利用 eda 開發(fā)軟件和編程工具對器件進行開發(fā)的過程。 由于 eda 技術(shù)擁有系統(tǒng)的模擬和仿真功能，可讀性、可重復(fù)性、可測性非常好，所以利 用 eda 開發(fā) fpga 是目前比較流行的方式。當(dāng)然，有時根據(jù)需要，也會應(yīng)用 max+plus 開發(fā)集成環(huán)境進行設(shè)計。 正因為 fpga 在設(shè)計過程中方便、快捷，而且 fpga 技術(shù)功能強大，能夠應(yīng)用其制 作諸如基代碼發(fā)生器、數(shù)字頻率計、電子琴、電梯控制器、自動售貨機控制系統(tǒng)、多功 能波形發(fā)生器、步進電機定位控制系統(tǒng)、電子時鐘等。 應(yīng)用 fpga 能夠?qū)r鐘設(shè)計為為四種類型：全局時鐘、門控時鐘、多級邏輯時鐘和 波動式時鐘。多時鐘系統(tǒng)能夠包括上述四種時鐘類型的任意組合234。 2.2 ne555 時基電路設(shè)計方案 555 定時器是美國 signetics 公司 1972 年研制的用于取代機械式定時器的中規(guī)模集成 電路，因輸入端設(shè)計有三個 5k 的電阻而得名。目前，流行的產(chǎn)品主要有 4 種：bjt 兩 個：555，556（含有兩個 555） ；cmos 兩個：7555，7556（含有兩個 7555） 。 555 定時器是一種數(shù)字與模擬混合型的集成電路，應(yīng)用廣泛。成本較低，外加電阻、 電容等元件就可以構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)電路、施密特觸發(fā)器等，常作為定時器廣泛應(yīng) 用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等領(lǐng)域5。 采用 ne555 時基電路或其他振蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號 或微處理器的外部中斷輸入信號，可構(gòu)成電子鐘。由 555 構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器電路見圖 2.1。輸出的脈沖信號 v0 的頻率 f 為： 式（2.1）crrf)2/(443. 1 21 可通過調(diào)節(jié)式 2.1 中的 3 個參數(shù)，使輸出 v0的頻率為精確的 1hz。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:9-jun-2008 sheet of file:h:業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)555業(yè)業(yè)業(yè).ddbdrawn by: r dis 7 thr 6 trig 2 gnd 1 cvolt 5 r 4 vcc 8 q 3 555 cc r vcc v0 1 2 圖 2.1 基于的秒脈沖發(fā)生器 采用 555 定時器設(shè)計電子時鐘，成本低，容易實現(xiàn)。但是受芯片引腳數(shù)量和功能限 制，不容易實現(xiàn)電子時鐘的多功能性。 2.3 單片機設(shè)計方案 圖 2.2 系統(tǒng)模塊框圖 模塊說明： （1）日歷時鐘模塊。本模塊可采用日歷時鐘芯片 ds1302，ds1302 是美國 dallas 公司生產(chǎn)的實時日歷時鐘芯片,具有秒、分、時、星期、日、月、年計數(shù)功能,且可潤年調(diào) 整。但如果沒有日歷時鐘芯片的情況下可采用單片機中斷的方法產(chǎn)生年月日時 分秒等信號。 （2）鍵盤模塊。它是整個系統(tǒng)中最簡單的部分，根據(jù)功能要求，本系統(tǒng)共需四個按鍵： 功能移位鍵、功能加鍵、功能減鍵、定鬧鍵。并采用獨立式按鍵。 （3）顯示模塊?？刹捎脭?shù)碼管顯示（led）或液晶顯示（lcd）。 （4）報時模塊。采用一個揚聲器來進行鬧鐘報時功能。 （5）電源模塊。考慮到簡便直接用 usb 接口 5v 電源供電。 綜上，考慮單片機貨源充足、價格低廉，可軟硬件結(jié)合使用，能夠較方便的實現(xiàn)系 統(tǒng)的多功能性，故采用單片機作為本設(shè)計的硬件基礎(chǔ)。 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 10 第三章 電子時鐘硬件設(shè)計 3.1 單片機特點 單片機是微型機的一個主要分支，它在結(jié)構(gòu)上的最大特點使把 cpu、存儲器、定時 器和多種輸入/輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言， 一塊單片機芯片就是一臺計算機。 單片機具有如下特點： (1)集成度高、體積小、有很高的可靠性； (2)控制功能強； (3)低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品； (4)外部總線增加了 i2c、spi 等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)； (5)單片機的系統(tǒng)擴展、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)。 所以單片機的應(yīng)用非常廣泛，在智能儀表、機電一體化、實時控制、分布式多機系 統(tǒng)以及人們的生活中均有用武之地。單片機應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思路和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功 能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種用軟件代替硬件的控制技術(shù)，是對 生產(chǎn)控制技術(shù)的一次革命。 利用單片機的智能性，可方便地實現(xiàn)具有智能的電子鐘設(shè)計。單片機均具有時鐘振 蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時鐘借助微處理器的定時器/計數(shù)器可實現(xiàn)電子鐘功能。然而系統(tǒng)時鐘 誤差較大，電子鐘的積累誤差也可能較大，所以可以通過誤差修正軟件加以修正，或者 在設(shè)計中加入高精度時鐘日歷芯片，以精確時間。另外很多功能不同的單片機是兼容的， 這就更便于實現(xiàn)產(chǎn)品的多功能性。 3.2 元器件選擇 3.2.1 微處理器選擇 目前在單片機系統(tǒng)中，應(yīng)用比較廣泛的微處理器芯片主要為 8xc5x 系列單片機。該 系列單片機均采用標(biāo)準(zhǔn) mcs-51 內(nèi)核，硬件資源相互兼容，品類齊全，功能完善，性能穩(wěn) 定，體積小，價格低廉，貨源充足，調(diào)試和編程方便，所以應(yīng)用極為廣泛，有些文獻將 8051 泛指 mcs-51 系列單片機，8051 是早期的最典型的代表作，由于 mcs-51 單片機影 響極深遠，許多公司都推出了兼容系列單片機，就是說 mcs-51 內(nèi)核實際上已經(jīng)成為一個 8 位單片機的標(biāo)準(zhǔn)。其他的公司的 51 單片機產(chǎn)品都是和 mcs-51 內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而以。 同樣的一段程序，在各個單片機廠家的硬件上運行的結(jié)果都是一樣的，如 atmel 的 89c51（已經(jīng)停產(chǎn)）、89s51，philips（菲利浦），和 winbond（華邦）等，我們常說 的已經(jīng)停產(chǎn)的 89c51 指的是 atmel 公司的 at89c51 單片機，同時是在原基礎(chǔ)上增強了 許多特性，如時鐘，更優(yōu)秀的是由 flash（程序存儲器的內(nèi)容至少可以改寫 1000 次）存儲 器取帶了原來的 rom（一次性寫入），at89c51 的性能相對于 8051 已經(jīng)算是非常優(yōu)越 的了。不過在市場化方面，89c51 受到了 pic 單片機陣營的挑戰(zhàn)，89c51 最致命的缺陷在 于不支持 isp（在線更新程序）功能，必須加上 isp 功能等新功能才能更好延續(xù) mcs-51 的傳奇。89s51 就是在這樣的背景下取代 89c51 的，現(xiàn)在，89s51 目前已經(jīng)成為了實際應(yīng) 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 用市場上新的寵兒，作為市場占有率第一的 atmel 目前公司已經(jīng)停產(chǎn) at89c51，將用 at89s51 代替。89s51 在工藝上進行了改進，89s51 采用 0.35 新工藝，成本降低,而且將 功能提升,增加了競爭力。89sxx 可以像下兼容 89cxx 等 51 系列芯片。同時，atmel 不 再接受 89cxx 的定單，大家在市場上見到的 89c51 實際都是 atmel 前期生產(chǎn)的巨量庫存 而已。如果市場需要，atmel 當(dāng)然也可以再恢復(fù)生產(chǎn) at89c51。 89s51 相對于 89c51 增加的新功能包括： (1) 新增加很多功能，性能有了較大提升，價格只比 89c51 稍高一些 (2) isp 在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片 從工作環(huán)境中剝離。是一個強大易用的功能。 (3) 最高工作頻率為 33mhz，大家都知道 89c51 的極限工作頻率是 24m，就是說 s51 具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。 (4) 具有雙工 uart 串行通道。 (5) 內(nèi)部集成看門狗計時器，不再需要像 89c51 那樣外接看門狗計時器單元電路。 (6) 雙數(shù)據(jù)指示器。 (7) 電源關(guān)閉標(biāo)識。 (8) 全新的加密算法，這使得對于 89s51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加強?這樣就可以有效的保護知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 (9) 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列產(chǎn)品。比如 8051、89c51 等等早期 mcs-51 兼容產(chǎn)品。也就是說所有教科書、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書上采用的單 片機是 8051 還是 89c51 還是 mcs-51 等等），在 89s51 上一樣可以照常運行，這就是 所謂的向下兼容。 比較結(jié)果：就如同 intel 的 p3 向 p4 升級一樣，雖然都可以跑 windows，不過速度 是不同的。 從 at89c51 升級到 at89s51 ,也是同理。和 s51 比起來，c51 就要遜色一些，實際應(yīng) 用市場方面技術(shù)的進步是永遠向前的。 因此，本設(shè)計中我們選用 s 系列的單片機，其中比較常用的有 at89s51 和 at89s52, 這兩款單片機的區(qū)別如下： （1）at89s51 是一個低功耗，高性能 cmos 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes isp(in- system programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 flash 只讀程序存儲器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) mcs-51 指令系統(tǒng)及 80c51 引腳結(jié)構(gòu)， 芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 isp flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 at89s51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 at89s51 具有如下特點：40 個引腳，4k bytes flash 片內(nèi)程序存儲器，128 bytes 的隨機 存取數(shù)據(jù)存儲器（ram） ，32 個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷 嵌套中斷，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器,2 個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路， 片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，at89s51 設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0hz 并可通過軟件設(shè)置省 電模式?？臻e模式下，cpu 暫停工作，而 ram 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù) 工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 ram 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬 件復(fù)位。同時該芯片還具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的 需求。 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 12 （2）at89s52 是一種低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編 程 flash 存儲器。使用 atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80c51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上 flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適 于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位 cpu 和在系統(tǒng) 可編程 flash，使得 at89s52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 at89s52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) flash，256 字節(jié) ram， 32 位 i/o 口線，看門狗定時 器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工 串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， at89s52 可降至 0hz 靜態(tài)邏 輯操作，支 持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， cpu 停止工作，允許 ram、定時器/計 數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下， ram 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8k 字節(jié) 在系統(tǒng)可編程 flash at89s52 。 at89s52 具有以下主要性能： 與 mcs-51 單片機產(chǎn)品兼容 、8k 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash 存儲器、 1000 次擦 寫周期、 全靜態(tài)操作： 0hz33hz 、 三級加密程序存儲器 、 32 個可編程 i/o 口 線 、三個 16 位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、全雙工 uart 串行通道、 低功耗空 閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標(biāo)識符 。 相比較而言， at89s52 在 at89s51 的基礎(chǔ)上做了改進與拓展，性能更優(yōu)越，故 本設(shè)計選用單片機 at89s52。 在電子時鐘設(shè)計中，常用的實時時鐘芯片有 ds12887、ds1216、ds1643、ds1302。 每種芯片的主要時鐘功能基本相同，只是在引腳數(shù)量、備用電池的安裝方式、計時精度 和擴展功能等方面略有不同。ds12887 與 ds1216 芯片都有內(nèi)嵌式鋰電池作為備用電池； x1203 引腳少，沒有嵌入式鋰電池，跟 ds1302 芯片功能相似，只是相比較之下，x1203 與 at89s51 搭配使用時占用 i/o 口較多。ds1643 為帶有全功能實時時鐘的 8k8 非易失 性 sram，集成了非易失性 sram、實時時鐘、晶振、電源掉電控制電路和鋰電池電源， bcd 碼表示的年、月、日、星期、時、分、秒，帶閏年補償。同樣，ds1643 擁有 28 只 管腳，硬件連接起來占用微處理器 i/o 口較多，不方便系統(tǒng)功能拓展和維護。故而從性價 比和貨源上考慮，本設(shè)計采用實時時鐘日歷芯片 ds1302。 ds1302 是美國 dallas 公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘日歷芯片，附加 31 字節(jié)靜態(tài) ram，采用 spi 三線接口與 cpu 進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳 送多個字節(jié)的時鐘信號和 ram 數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年， 一個月小于 31 天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達 2.55.5v。采用 雙電源供電（主電源和備用電源） ，可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后備電源進行涓 細電流充電的能力。有主電源和備份電源雙引腳，而且備份電源可由大容量電容 （1f）來替代。需要強調(diào)的是，ds1302 需要使用 32.768khz 的晶振。 ds1302 引腳圖參照圖 3.2。 123456 a b c d 654321 d c b a title nu mberrev isionsize b date:9-jun-20 08 sheet o f file:c:do cuments an d settingsad ministrator業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè).ddbdrawn b y: vc c1 1 x1 2 x2 3 gn d 4 vc c2 8 scl k 7 i/o 6 rst 5 ds 1302 圖 3.1 ds1302 芯片引腳圖 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 其引腳功能參照表 3.1。 表 3.1 ds1302 引腳功能說明 引腳號名稱功能 1vcc1備份電源輸入 2x132.768khz 晶振輸入 3x232.768khz 晶振輸出 4gnd地 5rst控制移位寄存器/復(fù)位 6i/o數(shù)據(jù)輸入/輸出 7sclk串行時鐘 8vcc2主電源輸入 在編程過程中要注意 ds1302 的讀寫時序。ds1302 是 spi 總線驅(qū)動方式。它不僅要 向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。要想與 ds1302 通信，首先要先了 解 ds1302 的控制字。ds1302 的控制字如表 3.2。 表 3.2 ds1302 控制字（即地址及命令字節(jié)） bit7bit6bit5bit4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 ramrd 1 ck a4a3a2a1a0 wr 控制字的作用是設(shè)定 ds1302 的工作方式、傳送字節(jié)數(shù)等。每次數(shù)據(jù)的傳輸都是由控 制字開始。控制字各位的含義和作用如下： (1)bit7：控制字的最高有效位，必須是邏輯 1，如果它為 0，則不能把數(shù)據(jù)寫入到 ds1302 中。 （2） bit 6：如果為 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)； （3）bit 5 至 bit 1（a4a0）：用 a4a0 表示，定義片內(nèi)寄存器和 ram 的地址。 定義如下： 當(dāng) bit 6 位=0 時，定義時鐘和其他寄存器的地址。a4a0=06，順序為秒、分、 時、日、月、星期、年的寄存器。當(dāng) a4a0=7，為芯片寫保護寄存器地址。當(dāng) a4a0=8，為慢速充電參數(shù)選擇寄存器。當(dāng) a4a0=31，為時鐘多字節(jié)方式選擇寄存器。 當(dāng) bit 6=1 時，定義 ram 的地址，a4a0=030，對應(yīng)各子地址的 ram，地址 31 對應(yīng)的是 ram 多字節(jié)方式選擇寄存器。 1.bit 0（最低有效位）：如為 0，表示要進行寫操作，為 1 表示進行讀操作。 控制字總是從最低位開始輸出。在控制字指令輸入后的下一個 sclk 時鐘的上升沿 時，數(shù)據(jù)被寫入 ds1302，數(shù)據(jù)輸入從最低位（0 位）開始。同樣，在緊跟 8 位的控制字 指令后的下一個 sclk 脈沖的下降沿，讀出 ds1302 的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)也是從最低位到 最高位。 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 14 圖 3.2 ds1302 數(shù)據(jù)讀寫時序 ds1302 的數(shù)據(jù)讀寫方式有兩種，一種是單字節(jié)操作方式，一種是多字節(jié)操作方式。 每次僅寫入或讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù)稱為單字節(jié)操作，每次對時鐘/日歷的 8 字節(jié)或 31 字節(jié) ram 進行全體寫入或讀出的操作，稱其為多字節(jié)操作方式。當(dāng)以多字節(jié)方式寫時鐘寄存 器時，必須按數(shù)據(jù)傳送的次序依次寫入 8 個寄存器。但是，當(dāng)以多字節(jié)方式寫 ram 時， 不必寫所有 31 字節(jié)。不管是否寫了全部 31 字節(jié)，所寫的每一個字節(jié)都將傳送至 ram。 為了啟動數(shù)據(jù)的傳輸，ce 引腳信號應(yīng)由低變高，當(dāng)把 ce 驅(qū)動至邏輯 1 的狀態(tài)時， sclk 必須為邏輯 0，數(shù)據(jù)在 sclk 的上升沿串行輸入。無論是讀周期還是寫周期，也無 論送方式是單字節(jié)傳送還是多字節(jié)傳送，都要通過控制字指定 40 字節(jié)中的哪個將被訪問。 在開始 8 個時鐘周期把命令字（具有地址和控制信息的 8 位數(shù)據(jù)）裝入移位寄存器之后， 另外的時鐘在讀操作時輸出數(shù)據(jù)，在寫操作時輸入數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿變 化。所有寫入或讀出操作都是先向芯片發(fā)送一個命令字節(jié)。對于單字節(jié)操作，包括命令 字節(jié)在內(nèi)，每次為 2 個字節(jié)，需要 16 個時鐘；對于時鐘/日歷多字節(jié)模式操作，每次為 7 個字節(jié)，需要 72 個時鐘；而對于 ram 多字節(jié)模式操作，每次則為 32 字節(jié)，需要多達 256 個時鐘。這里僅給出單字節(jié)讀寫時序，如圖 3.2。多字節(jié)操作方式與其類似，只是后 面跟的字節(jié)數(shù)不止一個。 3.2.2 ds1302 的片內(nèi)寄存器 表 3.3 ds1302 有關(guān)日歷、時間的寄存器 讀寄讀寄 存器存器 寫寄寫寄 存器存器 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0范圍范圍 81h80hch10 秒秒00-59 83h82h10 分分00-59 10 85h84h 24/12 0 am/pm 時時 1-12 0-23 87h86h0010 日日1-31 89h88h0010 月月1-12 8bh8ah00000周日1-7 8dh8ch10 年年00-99 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 8fh8ehwp0000000 通過控制字對 ds1302 片內(nèi)寄存器進行尋址之后，即可就所選中寄存器的各位進行操 作。片內(nèi)各寄存器及各位的功能定義如表 3.3。 ds1302 有關(guān)日歷、時間的寄存器共有 10 個，時鐘/日歷包含在其中的 7 個寫/讀寄存 器內(nèi)，這 7 個寄存器分別是秒、分、小時、日、月、星期和年。 小時寄存器（85h、84h）的位 7 用于定義 ds1302 是運行于 12 小時模式還是 24 小 時模式。當(dāng)為 12 小時制式時，位 5 為“0”表示 am；為“1”表示 pm。在 24 小時制式下， 位 5 是第二個 10 小時位（2023 時） 。 秒寄存器（81h、80h）的位 7 定義為時鐘暫停標(biāo)志（ch） 。當(dāng)該位置為 1 時，時鐘 振蕩器停止，ds1302 處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位置為 0 時，時鐘開始運行。一般在設(shè)置時 鐘時，可以停止其工作，設(shè)定完之后，再啟動其工作。 控制寄存器（8fh、8eh）的位 7 是寫保護位（wp） ，其它 7 位均置為 0。在任何片 內(nèi)時鐘/日歷寄存器和 ram，在寫操作之前，wp 位必須為 0，否則將不可寫入。當(dāng) wp 位為 1 時，寫保護位防止對任一寄存器的寫操作。因此，通過置寫保護位，可以提高數(shù) 據(jù)的安全性。另外，還有慢速充電控制寄存器和 ram 寄存器。如表 3.4。 表 3.4 充電控制寄存器和 ram 寄存器各位定義 慢速充電寄存器控制著 ds1302 的慢速充電特性。寄存器的 bit4bit7（tcs）決 定是否具備充電性能：僅在編碼為 1010 的條件下才具備充電性能，其他編碼組合不允許 充電。 bit2 和 bit3 選擇在 vcc2和 vcc1之間是一個還是兩個二極管串入其中。如果編碼 ds 是 01，選擇一個二極管；如果編碼是 10，選擇兩個二極管；其他編碼將不允許充電。 該寄存器的 bit0 和 bit1 用于選擇與二極管相串聯(lián)的電阻值。其中編碼 rs=01 為 2 k，rs=10 為 4 k，rs=11 為 8 k，而 rs=00 將不允許進行充電。因此，根據(jù)慢速充 電寄存器的不同編碼可得到不同的充電電流。其具體計算如公式 3.1： i充電=（v0-vd-ve）/r （3.1） 式中： v0所接入的 5.0v 工作電壓； vd二極管壓降，一個按 0.7v 計算； r慢速充電控制寄存器 0 和 1 位編碼決定的電阻值； vevcc1腳所接入的電池電壓。 ram 寄存器尋址空間一次排列的 31 字節(jié)靜態(tài) ram 可為用戶使用，備用電源位 ram 提供了掉電保護功能。寄存器和 ram 的操作通過命令字節(jié)的 bit6 加以區(qū)別。當(dāng) bit6 為“0”時對 ram 區(qū)進行尋址；否則將對時鐘/日歷寄存器尋址。其操作方法與前述相 同91011。具體驅(qū)動程序參見附錄 a。 3.3 電子時鐘硬件電路設(shè)計 電子鬧鐘至少要包括秒信號發(fā)生器、時間顯示電路、按鍵電路、供電電源、鬧鈴指 示電路等幾部分。硬件電路系統(tǒng)框圖參照圖 3.3。 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0 充電控制寄存器tcstcstcstcsdsdsrsrs ram 寄存器 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 16 該系統(tǒng)使用 at89s52 單片機作為核心，通過讀取時鐘日歷芯片 ds1302 的數(shù)據(jù)，完 成此電子時鐘的主要功能時鐘/日歷。使用 lcd 已經(jīng)顯示，分別顯示時/年，分/月， 秒/日。 圖 3.3 帶日歷的電子時鐘硬件系統(tǒng)框圖 鍵盤是為了完成時鐘/日歷的校對和顯示功能。由于此電子時鐘要求具有鬧鈴功能， 所以設(shè)計有鬧鈴電路，進行聲音響鈴。 整個電路使用+5v 電源為整個電路供電。 具體電路圖請參見附錄 c。 3.3.1 晶振電路設(shè)計 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到，即內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引 腳 xtal1 和 xtal2 外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。 由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生 振蕩時鐘脈沖，本設(shè)計即采取的這種方式。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 圖 3.4 晶振電路 如圖所示，電容器 c1，c2 是負載電容，起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容 值一般在 5-30pf，本電路選用的是 22pf 的電容。晶振頻率的典型值為 12mh2，采用 6mhz 的情況也比較多，本電路選用的是 12mhz 的晶振，其固有頻率為 1210 的 6 次方赫茲， 單片機的時鐘周期是 1/12 微秒，機器周期是 1us。用內(nèi)部振蕩方式所得到的時鐘信號比 較穩(wěn)定，實用電路中使用比較多。 3.3.2 復(fù)位電路設(shè)計 復(fù)位是單片機的初始化操作，以便使 cpu 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始 狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)單片機系統(tǒng)在運行 出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，也可按復(fù)位鍵重新啟動。 復(fù)位后，pc 內(nèi)容初始化為 0000h，使單片機從 0000h 單元開始執(zhí)行程序。單片機復(fù) 位后，除了 pc 之外，還對片內(nèi)的特殊功能寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表 3.9 所示。 單片機復(fù)位后不影響內(nèi)部 ram 的狀態(tài)17。89c51 單片機復(fù)位信號的輸入端是 rst 引腳， 高電平有效。其有效時間持續(xù) 24 個時鐘周期（2 個機器周期）以上。 rst 端的外部復(fù)位電路有兩種操作方式：上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位。 上電自動復(fù)位是利用電容儲電來實現(xiàn)的，上電瞬間，rc 電路充電，rst 端出現(xiàn)正脈 沖，隨著充電電流的減少，rst 的電位逐漸下降。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式 兩種。按鍵電平復(fù)位是相當(dāng)于 rst 端通過電阻接高電平。按鍵脈沖復(fù)位，利用 rc 微分 電路產(chǎn)生正脈沖。 出于應(yīng)用方便，本設(shè)計采用按鍵電平復(fù)位電路。 表 3.5 單片機寄存器的復(fù)位狀態(tài)表 寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài) pc0000htcon00h 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 18 acc00hth000h psw00htl000h sp07hth100h dptr0000htl100h p1、p3ffhscon00h ip 000000b sbuf不定 ie 000000b0b(nmos) tmod00h pcon 00000b(chmos) 按鍵復(fù)位電路連接如下圖所示： 圖 3.5 按鍵復(fù)位電路 3.3.3 按鍵電路設(shè)計 功能鍵主要由 4*4 編碼矩陣鍵盤組成，在不同的顯示模式下各個按鍵的功能是不同 的，一個鍵具有多重功能，本電路模塊因?qū)嵨镒詭?4*4 編碼矩陣鍵盤電路，故可選取其 中幾個按鍵來完成相應(yīng)功能，根據(jù)需要，本時鐘需要設(shè)置以下功能鍵：設(shè)置鍵，加 1 操 作鍵，減 1 操作鍵，退出鍵，鬧鈴開關(guān)鍵，按鍵電路如圖所示。圖 3-5 所示為 4*4 編碼矩 陣鍵盤與單片機的連接電路。 矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用 4 條 i/o 線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線 的每一個交叉點上，設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是 4*4 個。這種行列式鍵盤 結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機系統(tǒng)中 i/o 口的利用率。它是采用逐行掃描按鍵的檢測方法， 來確定是否有鍵按下，且判斷鍵值。即 cpu 通過輸出口把一個“步進的 0”逐行加之鍵 盤的行線上，然后通過輸入口檢查列線的狀態(tài)由列線和行線狀態(tài)的組合來確定是否有鍵 按下，并確定被按鍵所處的行、列位置。注意此處由于 p2 口有內(nèi)阻，固不需再另加上拉 電阻。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 圖 3-6 4*4 編碼矩陣鍵盤電路 3.3.4 顯示電路設(shè)計 液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，現(xiàn)在字符型液晶顯示模 塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件了。 1602b 可以顯示 2 行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 d0-d7 和 rs、rw、en 三個控制 端口，工作電壓為 5v，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。 該模塊也可以只用 d4-d7 作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送，這樣的話可以節(jié)省 mcu 的 io 資源。各引腳的功能見表 3-6。 表表 3-6 lcd 引腳功能圖引腳功能圖 從該模塊的正面看，引腳排列從右向左為 15 腳、16 腳，然后才是 1-14 腳。 vdd：電源正極，4.5-5.5v，通常使用 5v 電壓。 vl：lcd 對比度調(diào)節(jié)端，電壓調(diào)節(jié)范圍為 0-5v。接正電源時對比度最弱，接地電源時 對比度最高，但對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影” ，因此通常使用一個 10k 的電位器來調(diào)整對 比度，或者直接串接一個電阻到地。 rs：mcu 寫入數(shù)據(jù)或者指令選擇端。mcu 要寫入指令時，使 rs 為低電平；mcu 要 寫入數(shù)據(jù)時，使 rs 為高電平。 rw：讀寫控制端。rw 為高電平時，讀取數(shù)據(jù)；rw 為低電平是，寫入數(shù)據(jù)。 e：lcd 模塊使能信號控制端。寫數(shù)據(jù)時，需要下降沿觸發(fā)模塊。 d0-d7：8 位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向。如果 mcu 的 io 口資源緊張的話，該模塊也可以 只使用四位數(shù)據(jù)線 d4-d7 接口傳送數(shù)據(jù)。 陳薪羽：帶日歷電子鐘的設(shè)計 20 bla：lcd 背光正極。需要背光時，bla 串接一個限流電阻接 vdd，blk 接地，實 測該模塊的背光電流為 50ma 左右。 blk：lcd 背光地斷。 它與單片機的連接如圖 3-7 所示： 圖 3.7 lcd 與單片機接口 lcd 硬件部分包括對比度調(diào)節(jié)電路和背光控制電路，測試其功能也很簡單，只要按照 相關(guān)命令格式送入數(shù)據(jù)，看屏幕上有沒有顯示，然后調(diào)節(jié)對比度調(diào)節(jié)電路中的可變電阻， 使顯示對比度達到最佳，給背光控制端口加上高電平看背光是否會亮。 要驅(qū)動 lcd 顯示屏顯示就必須要有電源驅(qū)動，否則亮不了，而恰好 p0 口沒有電源， 所以就要外接電源，接上電阻是起到限流的作用；如果接 p1、p2、p3 端口就不用外接電 源和電阻了。 3.3.4 時鐘電路設(shè)計 系統(tǒng)時鐘應(yīng)用了實時時鐘日歷芯片 ds1302，實時時鐘電路 ds1302 是一種具有涓細 電流充電能力的電路，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的 充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能，其連接如圖 3.8。該硬件電路設(shè)計簡單，抗干擾能力 強。 如圖，vcc1 接 3v 的電池作后備電源，vcc2 接+5v 的主電源，ds1302 由 vcc1 或 vcc2 兩 者中的較大者供電，這樣，在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。 x1 和 x2 是振蕩源，外接 32.768khz 晶振（這是因為當(dāng)石英晶體原始頻率為 32.768khz 時，經(jīng) 過 15 次二分頻以后出來的頻率就是 1hz，也就是一秒，即可以提供標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，用于 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 實時時鐘芯片計時） 。 ds1302 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到三個口線 （1）rst 復(fù)位（2） i/o 數(shù)據(jù)線（3 ）sclk（串行時鐘） ，并且分別與單片機的 p1.7、p1.6、p1.5 相連。 其中 rst 是復(fù)位/片選線，通過把 rst 輸入驅(qū)動置高電平來啟 動所有的數(shù)據(jù)傳送。rst 輸入有兩種功能：首先，rst 接通控制邏輯，允許地址/命令序 列送入移位寄存器；其次，rst 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng) rst 為高電 平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對 ds1302 進行操作。如果在傳送過程中 rst 置為 低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，i/o 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在 vcc2.5v 之前， rst 必須保持低電平。只有在 sclk 為低電平時，才能將 rst 置為高電平。 i/o 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)。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