单片机电子万年历系统的设计与研究

陕西理工学院毕业设计第1页共42页引言电子时钟已成为人们日常生活中必不可少的物品，广泛用于家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。随着电子技术的发展，人们已不再满足于钟表原先简单的计时功能，希望出现一些新的功能，诸如日历的显示、闹钟的应用等，以带来更大的方便。因此，研究实用电子时钟及其扩展应用，有着非常现实的意义，具有很大的实用价值。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，现代电子时钟具有走时准确、性能稳定、制作维修简单等优点，弥补了传统钟表的许多不足之处。我们利用单片机技术设计制作的电子万年历,可以很方便的由软件编程进行功能的调整和改进,使其在能够准确显示年、月、日、时间、星期的同时,还能具有很多其他的功能。如设定闹钟、重要节日的显示等，有一定的新颖性和实用性，同时体积小、计时准确，使用也更为方便，具有技术更新周期短、成本低、开放灵活等优点。单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。其应用于仪器仪表中显得更为优越。以单片机制成的电子时钟具有计时准确，功耗低的优点。从而得到了各界领域的广泛应用。单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速，强运算能力，寻址范围大以及小型廉价方面发展。单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。单片机正向着功能更强，速度更快，功耗更低，辐射更小的方向发展。随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件。这也是单片机以后发展的重要趋势。AT89S52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可灵活应用于各种控制领域。美国DALLAS公司推出的低功耗实时时钟芯片DS12C887。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能，而且DS12C887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。该电路采用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。本文通过对一个基于单片机的能实现万年历功能电子时钟的设计，从而达到学习、了解单片机相关指令在各方面的应用。系统由主控制器AT89S52、时钟电路DS12C887、数字式温度传感器DS18B20、点阵式LCD12863显示电路、按键电路等部分构成，能实现时钟日历显示，能进行时、分、秒的显示,重要节日的显示等功能。陕西理工学院毕业设计第2页共42页1设计要求与方案论证1.1设计要求①具备年、月、日、星期、时、分、秒等功能；②时间与阳历能够自动关联；③具备温度计量与重要节日显示功能；④具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能。1.2系统基本方案选择和论证1.2.1单片机芯片的选择方案和论证方案一：采用89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能以3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用AT89S52,片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超低压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。所以选择采用AT89S52作为主控制系统。1.2.2显示模块选择方案和论证方案一：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字合适,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。但LED数码管不能显示汉字且连线复杂，所以此设计不采用LED数码管作为显示。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字也比较适合,但线路连接相当复杂,所以也不用点阵式数码管作为显示。方案三：采用点阵式LCD12864显示,点阵式LCD12864的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,且线路连接方便,所以在此设计中采用点阵式LCD12864。1.2.3时钟芯片的选择方案和论证方案一：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。采用此种方案虽然减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。所以不采用此方案。方案二：陕西理工学院毕业设计第3页共42页采用DS12C887时钟芯片实现时钟，DS12C887芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,位的RAM做为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300Na。1.2.4温度传感器的选择方案与论证方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。方案二：采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。1.3电路设计最终方案决定综上各方案所述,对此次作品的方案选定:采用AT89S52作为主控制系统；时钟芯片DS12C887提供时钟计数；点阵式LCD12864为显示。陕西理工学院毕业设计第4页共42页2系统的硬件设计与实现2.1电路设计框图图2.1电路设计框图2.2系统硬件概述本电路是由AT89S52单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V超低压工作；时钟电路由DS12887提供，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS12C887内部有一个31*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。可产生年、月、日、周日、时、分、秒，具有使用寿命长，精度高和低功耗等特点，同时具有掉电自动保存功能；显示部份由液晶显示屏12864构成。2.3主要单元电路的设计2.3.1单片机主控制模块的设计AT89S52单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0、P1、P2、P3,MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。单片机的最小系统如图2.2所示,18引脚和19引脚接时钟电路,XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。第9引脚为复位输入端,接上电容,电阻及开关后够上电复位电路,20引脚为接地端,40引脚为电源端。图2.2主控制系统AT89S52主控制模块DS12C887时钟模块点阵式LCD12864显示模块模键盘块温度采集模块陕西理工学院毕业设计第5页共42页2.3.2时钟电路模块的设计图2.3示出DS12887的引脚排列，GND、VCC：直流电源，其中VCC接+5V输入，GND接地，当VCC输入为+5V时，用户可以访问DS12C887内RAM中的数据，并可对其进行读、写操作；当VCC的输入小于+4.25V时，禁止用户对内部RAM进行读、写操作，此时用户不能正确获取芯片内的时间信息；当VCC的输入小于+3V时，DS12C887会自动将电源发换到内部自带的锂电池上，以保证内部的电路能够正常工作。MOT是模式选择脚，接地选用Intel模式。AD0～AD7是复用地址数据总线，与单片机P0口连接。CS是片选输入，低电平有效。图2.3DS12C887的引脚图2.3.3温度采集模块设计如图2.4所示。采用数字式温度传感器DS18B20，它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用P3.1口与DS18B20的I/O口连接加一个上拉电阻,Vcc接电源,Vss接地。图2.4DS18B20温度采集陕西理工学院毕业设计第6页共42页2.3.4电路原理及说明(1)时钟芯片DS12C887的工作原理DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题；DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD码表示；DS12C887中带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节通用RAM使用户使用；此外用户还可对DS12C887进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。(2)DS12C88的引脚功能GND、VCC：直流电源，其中VCC接+5V输入，GND接地；MOT：模式选择脚，接GND选用的是Intel模式；AD0～AD7：复用地址数据总线，与P0口相连接；IRQ：中断请求输入，低电平有效，与外部中断INT0连接；DS/RD：数据选择或读输入脚，与P17口连接；R/W：读/写输入端，与P16口相连接；AS：地址选通输入脚，与P15口连接；CS：片选输入，低电平有效，与P14口连接.(3)DS12C887的存储功能表2.1DS12C887的存储功能地址功能取值范围十进制数取值范围二进制BCD码0秒0～5900～3B00～591秒闹钟0～5900～3B00～592分0～5900～3B00～593分闹钟0～5900～3B00～59412小时模式0～1201～0CAM，81～8CPM01～12AM，81～92PM24小时模式0～2300～1700～235时闹钟，12小时制1～1201～0CAM，81～8CPM01～12AM，81～92PM时闹钟，24小时制0～2300～1700～236星期几（星期天=1）1～701～0701～077日1～3101～1F01～318月1～1201～0C01～129年0～9900～6300～9910控制寄存器A11控制寄存器B12控制寄存器C13控制寄存器D50世纪0～99NA19，20陕西理工学院毕业设计第7页共42页2.3.5显示模块的设计(1)点阵式LCD12864的工作原理点阵式LCD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作