基于单片机的电子万年历的设计

Posted 2023-01-14 嵌入式基地

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                       基于51单片机的电子万年历的设计
                                   摘 要
   电子万年历是单片机系统的一个应用，由硬件和软件相配合使用。硬件由主控器、时钟电路、温度检测电路、显示电路、键盘接口5个模块组成。主控模块用AT89C52、时钟电路用时钟芯片DS1302、显示模块用LED数码管、温度检测采用DS18B20温度传感器、键盘接口电路用普通按键接上拉电阻完成；软件利用C语言编程实现单片机程序控制。单片机通过时钟芯片DS1302获取时间数据，DS18B20采集温度信号送该给单片机处理，单片机再把时间数据和温度数据送给74LS154译码，然后通过三极管C9015放大驱动LED数码管显示阳历年、月、日、时、秒、闹钟、星期、温度。
关键词 电子万年历；单片机；温度传感器；时钟；数码显示

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                               1 引言
   随着微电子技术和超大规模集成电路技术的不断发展，家用电子产品不但种类日益丰富，而且变得更加经济实用，单片微型计算机体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有的特点，在各个领域得到了广泛的应用。电子万年历是一种应用非常广泛的日常计时工具，数字显示的日历钟已经越来越流行，特别是适合在家庭居室、办公室、大厅、会议室、车站和广场等使用。LED数字显示的日历钟显示清晰直观、走时准确、可以进行夜视，并且还可以扩展出多种功能。功能也越来越齐全，除了公历年月日、时分秒、星期显示及闹铃。但通过我们对各种电子钟表、历的不断观察总结发现目前市场的钟、历都存在一些不足之处，比如：时钟不精确、产品成本太高、无环境温度显示等，这都给人们的使用带来了某些不便。为此设计了一种功能全面、计时准确、成本低廉的基于51单片机的万年历。
                               2 功能要求
   1. 万年历能用数码管显示阳历年、月、日、星期、[小]时、分、秒并设置指定时间的闹铃。
   2. 数字式温度计要求测温范围-50~100°C， LED数码管直读显示。
   3 方案论证与设计
3.1 控制部分的方案选择
   1. 用可编程逻辑器件设计。可采用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。设计起来结构清晰，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，控制与显示的模块间的连接也会比较方便。但是考虑到本设计的特点，EDA在功能扩展上比较受局限，而且EDA占用的资源也相对多一些。从成本上来讲，用可编程逻辑器件来设计也没有什么优势。
   2. 用凌阳16位单片机设计。凌阳16位单片机有丰富的中断源和时基，方便本实验的设计。它的准确度相当高，并且C语言和汇编兼容的编程环境也很方便来实现一些递归调用。I/O口功能也比较强大，方便使用。用凌阳16位单片机做控制器最有特色的就是它的可编程音频处理，可完成语音的录制播放和识别。这些都方便对设计进行扩展，使设计更加完善。成本也相对低一些。但是，在控制与显示的结合上有些复杂，显示模组资源相对有限，而且单片机的稳定性不是很高。
   3. 主控芯片使用51系列AT89C52单片机，时钟芯片用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的时钟DS1302。采用DS1302作为主要计时芯片，可以做到计时准确。更重要的是，DS1302可以在很小电流的后备电源（2.5～5V电源，在2.5V时耗电小于300nA）下继续计时，停电后时钟无需重新调整，并可编程选择多种充电电流来对后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电，还可自设闹铃，阳历、星期与年月日自动对应。本系统采用了此方案。
3.2 测温部分的方案选择
   1.在日常生活及工农业生产中经常要乃至温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。
   2.与前面相比，采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55～125°Ｃ，最大分辨率可达0.0625°Ｃ。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
3.3 显示部分的方案选择
   1. 液晶显示方式。液晶显示效果出众，可以运用菜单项来方便操作，但是在显示时，特别是使用秒表功能时扫描速度跟不上，屏幕会有明显的闪烁。而且由于61板的存储空间有限，液晶显示就不能与语音播抱程序同时实现。这些大大影响了电子万年历的性能。
   2. 相比液晶显示，8段数码管虽然操作比液晶显示略显繁琐，但可视范围十分宽，而且经济实惠，也不需要复杂的驱动程序。所以最后选择LED数码管显示方案。
综上所述，按照系统设计功能的要求，确定硬件系统由主控制器、时钟模块、测温电路、显示模块、键盘接口共5个模块组成，总体系统构成框图如图3.1所示。

4 系统硬件电路设计
   电子万年历电路原理图见附件一，系统由主控制器AT89C52、时钟芯片DS1302、温度传感器DS18B20传感器、显示电路及键盘扫描电路组成。
4.1 主控器 AT89C52
   ATMEL公司生产的AT89C52单片机采用高性能的静态80C51设计，由先进工艺制造，并带有非易失性Flsah程序存储器。它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。主要性能特点有：
   8KB Flash ROM，可以檫写1000次以上，数据保存10年。
   256字节内部RAM。
    电源控制模式
   时钟可停止和恢复；
   空闲模式；
   掉电模式。
   6个中断源。
   4个中断优先级。
   4个8位I/O口。
   全双工增强型UART。
   3个16位定时/计数器，T0、T1（标准80C51）和增加的T2（捕获和比较）。
   全静态工作方式：0～24MHz。
4.2 时钟电路 DS1302
4.2.1. DS1302的性能特性
   实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数；
   用于高速数据暂存的31×8位RAM；
   最少引脚的串行I/O；
2.5～5.5V电压工作范围；
2.5V时耗电小于300nA；
   用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送方式；
简单的3线接口；
   可选的慢速充电（至Vcc1）的能力。
   DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月和月末的日期自动调整，还包括闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24h或带AM(上午)/PM（下午）的12h格式。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。DS1302有主电源/后备电源双电源引脚：Vcc1在单电源与电池供电的系统中提供低电源，并提供低功率的电池备份；Vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中，Vcc1连接到备份电，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由Vcc1或Vcc2中较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电；当Vcc2小于Vcc时， DS13026由Vcc1供电。
4.2.2 DS1302数据操作原理
   DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高电平，然后把8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输入。无论是读周期还是写周期，开始8位指定40个寄存器中哪个将被访问到。在开始8个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器之后，另外的时钟周期在读操作时输出数据，在写操作是写入时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加字节数，最大可达248字节数。
   如果在传送过程中置RST脚为低电平，则会终止本次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc大于等于2.5V之前,RST脚必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。DS1302的引脚及内部结构图如图4.1所示，表4.1为各引脚的功能。
DS1302的控制字如图4.2所示。控制字节的最高位（位7）必须是逻辑1；如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。位6如果为0，则表示存取日历时钟数据；为1表示存取RAM数据。位5～1（A4～A0）指示操作单元的地址。最低有效位（位0）如为0，表示要进行写操作；为1表示进行读操作。控制字节总是从最低位开始输入/输出。
   为了提高对32个地址的寻址能力（地址/命令位1～5=逻辑1），可以把时钟/日历或RAM寄存器规定为多字节（burst）方式。位6规定时钟或RAM，而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址9～31或RAM寄存器中的地址31不能寄存数据。在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始。必须按数据传送的次序写最先的8个寄存器。但是，当以多字节方式写RAM时，为了传送数据不必写所有31字节。不管是否写了全部31字节，所写的每一字节都将传送至RAM。

   DS1302共有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表3.2，其中奇数为读操作，偶数为写操作。
时钟暂停：秒寄存器的位7定义位时钟暂停位。当它为1时，DS1302停止震荡，进入低功耗的备份方式。通常在对DS1302进行写操作时（如进入时钟调整程序），停止震荡。当它为0时，时钟将开始启动。
   AM－PM/12－24[小]时方式：[小]时寄存器的位7定义为12或24[小]时方式选择位。它为高电平时，选择12[小]时方式。在此方式下，位5是AM/PM位，此位是高电平时表示PM低电平表示AM。在24[小]时方式下，位5为第二个10[小]时位（20～23h）。

   DS1302的晶震选用32.768kHz，电容推荐值为33pF，因为震荡频率较低，也可以不接电容，对计时精度影响不大。
4.3 测温电路的设计
   测温电路主要使用温度传感器DS18B20，由于精度要求不高所以采用2位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。其设计原理图如附件一所示。
4.3.1 温度传感器工作原理
   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测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要示通过简单的编程    实现9～12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：
   独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
   多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；
   无须外部器件；
   可通过数据线供电，电压范围为3.0～3.5V；
   零待机功耗；
   温度以9或12数字量读出；
   用户可定义的非易失性温度报警设置；
   报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
   负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
   DS18B20采用3脚PR—35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图4.3所示。
   64位ROM的位结构如图4.4所示。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
   DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个调整暂存RAM和一个易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节存储器，结构如图4.5所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4节是TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应
5 系统程序的设计
5.1 阳历程序设计
   因为使用了时钟芯片DS1302，阳历程序只需从DS1302各寄存器中读出年、周、月、日、[小]时、分、秒等数据，再处理即可。在首次对DS1302进行操作之前，必须对它进行初始化，然后从DS1302中读出数据，再经过处理后，送给显示缓冲单元。阳历程序流程图见图5.1所示。
5.2 时间调整程序设计
   调整时间用5个调整按钮，1个作为移位、控制用，2个作为加和减用，还有2个作为闹钟调整使用，分别定义为控制按钮、加按钮、减按钮、闹钟加按纽、闹钟减按纽。在调整时间过程中，要调整的位与别的位应该有区别。所以增加了闪烁功能，即调整的位一直在闪烁，直到调整下一位。闪烁原理就是，让要调整的一位每隔一定时间熄灭一次，比如说50ms。利用定时器计时，当达到50ms溢出时，就送给该位熄灭符，在下一次溢出时，再送正常显示的值，不断交替，直到调整该位结束。此时送正常显示值给该位，再进入下一位调整闪烁程序。时间调整程序流程图如图5.2所示。
5.3 温度程序设计
   系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等等。
5.3.1 主程序
   主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值，温度测量每1s进行一次。其程序流程图见5.3。
5.3.2 读出温度子程序
   主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图5.4所示。
5.3.3 温度转换命令子程序
   温度转换子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如图5.5所示。

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