基于DS1302实时日历时钟显示系统的设计.docx
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基于DS1302实时日历时钟显示系统的设计
（1）可以准确地显示背景时间（时、分、秒）及公历日期（年、月、日、星期）。
（2）该系统存储的时间信息在掉电的情况下至少保存10年。
（3）日历时钟信息通过数码管进行实时显示。
（4）为系统的显示装置设计驱动电路，以提高数码管的显示亮度。
（6）时间显示可以选择24小时模式或带有“PM”和“AM”指示的12小时模式。
任务要求：
（1）查阅不少于12篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇；
（2）查阅相关资料，提出出设计方案,完成开题报告；
（3）完成实时日历时钟显示系统的硬件和软件设计
（4）在proteus中对系统或相关环节进行调试、仿真或试验，验证设计的正确性、可行性。
2实时日历电子钟的总体设计
2.1系统概述
按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由主控模块、时钟模块、存储模块、键盘接口模块、显示模块和闹铃模块共6个模块组成，电路系统构成框图如图2-1所示。
主控芯片使用52系列AT89S52单片机，时钟芯片使用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302，存储模块采用美国ATMEL公司生产的低功耗CMOS串行EEPROM存储芯片AT24C02。
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（2.5～5.5V电源，在2.5V时耗电小于300nA）下继续计时，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。
图2-1系统框图
2.2方案选择
由于电子万年历的种类比较多，因此方案选择在设计中是至关重要的。
正确地选择方案可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。
2.2.1方案1——基于AT89C51单片机的电子万年历设计
不使用时钟芯片，而直接用AT89S52单片机来实现电子万年历设计。
AT89C51是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦写1000余次。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
若采用单片机计时，利用它的一个16位定时器/计数器每50ms产生一个中断信号，中断20次后产生一个秒信号，然后根据时间进制关系依次向分、时、日、星期、月、年进位。
这样就实现了直接用单片机来实现电子万年历设计。
用单片机来实现电子万年历设计，无须外接其他芯片，充分利用了单片机的资源。
但是精度不够高，误差较大，掉电后丢失所有数据，软件编程较复杂。
2.2.2方案2——基于DS1302的电子万年历设计
在以单片机为核心构成的装置中，经常需要一个实时的时钟和日历，以便对一些实时发生事件记录时给予时标，实时时钟芯片便可起到这一作用。
过去多用并行接口的时钟芯片，如MC146818,DS12887等。
它们已能完全满足单片机系统对实时时钟的要求，但是这些芯片与单片机接口复杂、占用地址,数据总线接线多、芯片体积大占用空间多、近年来串行接口的各种芯片在单片机系统中应用愈来愈多，串行接口的实时时钟芯片也出现了不少，DS1302是一个综合性能较好且价格便宜的串行接口实时时钟芯片。
利用单片机进行控制，采用DS1302作为实时时钟芯片，其三线接口SCLK、I/O、/RST与单片机进行同步通信，外加掉电存储电路、显示电路、键盘电路，即构成一个基本的电子万年历系统，若还要添加其他功能，在这基础上外扩电路即可。
由于在系统设计时，需要考虑以下几点因素：
功耗低、精确度高、软件编程较简单，芯片的体积小、芯片成本低等，而DS1302芯片有上面所述的诸多优点，所以本设计采用方案2。
3系统硬件电路的设计
按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由主控模块、时钟模块、存储模块、键盘接口模块、显示模块和闹铃模块共6个模块组成，电路系统构成框图如图3-1所示。
主控芯片使用52系列AT89S52单片机，时钟芯片使用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302，存储模块采用美国ATMEL公司生产的低功耗CMOS串行EEPROM存储芯片AT24C02。
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（2.5～5.5V电源，在2.5V时耗电小于300nA）下继续计时，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。
图3-1实时日历时钟电路系统构成框图
3.1系统核心部分——闪电存储型器件AT89C51
3.1.1AT89C51具有下列主要性能：
·8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除周期）
·全静态工作：
0Hz～24MHz
·三级程序存储器保密
·128×8字节内部RAM
·32条可编程I/O线
·2个16位定时器/计数器
·6个中断源
·可编程串行通道
·片内时钟振荡器
3.1.2AT89C51的引脚及功能：
AT89S52单片机的管脚说明如图3-2所示。
图3-2AT89C51的管脚
（1）主要电源引脚
VCC电源端
②GND接地端
（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
②XTAL2接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。
（3）控制或与其它电源复用引脚RST、ALE//PROG、/PSEN和/EA/VPP
RST复位输入端。
当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
②ALE//PROG当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。
③/PSEN程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。
当AT89S52/LV52由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次/PSEN有效（既输出2个脉冲）。
但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
④/EA/VPP外部访问允许端。
要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则/EA端必须保持低电平（接到GND端）。
当/EA端保持高电平（接VSS端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。
（4）输入/输出引脚P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7
P0端口（P0.0～P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
②P1端口（P1.0～P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
③P2端口（P2.0～P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
④P3端口（P3.0～P3.7）P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能，这些特殊功能见表3-1。
表3-1P3端口的特殊功能
端口引脚
兼用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
3.2DS1302时钟电路
3.2.1DS1302芯片介绍
低功耗时钟芯片DS1302可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。
DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。
这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。
采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。
在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。
记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。
传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。
而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。
（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进行调整，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连接到备份电源，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VCC1时，DS1302由VCC1供电。
（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。
图3-3DS1302管脚图
如果在传送过程中置RST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>=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的管脚图如图3-3所示，内部结构图如图3-4所示，表3-2为各引脚的功能。
图3-4DS1302内部结构图
表3-2DS1302引脚功能表
引脚号
引脚名称
功能
1
VCC2
主电源
2，3
X1，X2
振荡源，外接32768HZ晶振
4
GND
地线
5
RST
复位/片选线
6
I/O
串行数据输入/输出端（双向）
7
SCLK
串行数据输入端
8
VCC1
后备电源
DS1302的控制字如图3-5所示。
控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1；如果它为逻辑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。
图3-5控制字节的含义
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不能存储数据。
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。
数据读写程序如图3-6所示。
图3-6数据读写程序
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3-3，其中奇数为读操作，偶数为写操作。
表2-3DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字
寄存器
名
命令字
取值
范围
各位内容
写操作
读操作
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
00-59
CH
10SEC
SEC
分钟寄存器
82H
83H
00-59
0
10MIN
MIN
小时
寄存器
84H
85H
01-12或
00-23
12/
24
0
10
AP
HR
HR
日期
寄存器
86H
87H
01-28,29,
30,31
0
0
10DATE
DATE
月份寄存器
88H
89H
01-12
0
0
0
IOM
MONTH
周日寄存器
8AH
8BH
01-07
0
0
0
0
0
DAY
年份寄存器
8CH
8DH
00-99
10YEAR
YEAR
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停止振荡，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），停止振荡。
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）。
3.2.2DS1302的应用
实时时钟芯片DS1302采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，也可以关闭充电功能，芯片采用32768Hz晶振。
要特别说明的是，备用电源BT1可以用电池或超级电容（10万μF以上）。
虽然DS1302在主电源掉电后耗电很小，但如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。
如果断电时间较短（几小时或几天），可以用漏电较小的普通电解电容代替（100μF就可以保证1小时的正常走时）。
DS1302在第一次加电后，需进行初始化操作。
初始化后就可以按正常方法调整时间及闹铃。
DS1302的时钟电路如图3-7所示。
图3-7DS1302时钟电路
3.3液晶显示电路
液晶显示电路是由HD44780液晶显示控制驱动器组成的LM041L液晶显示器，下面我们对其分别进行介绍。
3.3.1液晶显示控制驱动器HD44780的特点
HD44780液晶显示控制驱动器是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器，它可直接与8位微处理器相连。
HD44780是一种带有列驱动输出的液晶显示控制器，它可组成液晶显示驱动控制系统。
HD44780具有以下特点：
（1）具有字符发生器ROM,可显示192种字符，160个5×7点阵字符合32个5×10点阵字符；
（2）具有64个字节的自定义RAM，可自定义8个5×8点阵字符或4个5×11点阵字符；
（3）具有80个字节的RAM；
（4）标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序；
（5）单+5V供电源。
3.3.2液晶显示控制驱动器HD44780的引脚功能
HD44780的引脚功能如下表3-4所示。
表3-4HD44780的引脚功能
引线号
符号
电平
功能
1
VSS
0V
GND
2
VDD
5V±10%
电源电压：
+5V
3
V0
0-5V
液晶驱动电压
4
RS
H/L
寄存器选择：
1.数据寄存器；0：
指令寄存器
5
R/W
H/L
读、写操作选择1：
读；2：
写
6
E
H,H→L
使能信号ENABLE
7
DB0
H/L
数据总线
8
DB1
H/L
数据总线
9
DB2
H/L
数据总线
10
DB3
H/L
数据总线
11
DB4
H/L
数据总线
12
DB5
H/L
数据总线
13
DB6
H/L
数据总线
14
DB7
H/L
数据总线
3.3.3液晶显示控制驱动器HD44780的指令系统
HD44780的指令系统比较简单，总共只有十一种。
现分别介绍如下。
（1）清屏
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00000001
运行时间（250Khz）：
1.64us
功能：
清DDRAM和AC值
（2）归位（返回）
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0000001-
运行时间（250Khz）：
1.64us
功能：
AC=0，光标、画面回HOME位
（3）输入方式设置
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
000001I/DSH
运行时间（250Khz）：
40us
功能：
设置光标、画面移动方式。
其中：
I/D=1：
数据读、写操作后，AC自动增一；
I/D=0：
数据读、写操作后，AC自动减一；
S=1：
数据读、写操作，画面平移；
S=0：
数据读、写操作，画面不动。
（4）显示开关控制
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00001DCB
运行时间（250Khz）：
40us
功能：
设置显示、光标及闪烁开关。
其中：
D表示显示开关：
D=1为开，D=0为关；
C表示光标开关：
C=1为开，C=0为关；
B表示闪烁开关：
B=1为开，B=0为关；
（5）光标、画面位移
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0001S/CR/L--
运行时间（250Khz）：
40us
功能:
光标、画面移动，不影响DDRAM。
其中：
S/C=1：
画面平移一个字符位；
S/C=0：
画面平移一个字符位；
R/L=1：
右移；R/L=0：
左移。
（6）功能设置
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
001DLNF--
运行时间（250Khz）：
40us
功能：
工作方式设置（初始化指令）。
其中：
DL=1：
8位数据接口；DL=0:
4位数据接口；
N=1:
两行显示；N=0：
一行显示；
F=1：
5×10点阵字符；F=0：
5×7点阵字符。
（7）CGRAM地址设置
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
01AC5AC4AC3AC2AC1AC0
运行时间（250Khz）：
40us
功能：
设置CGRAM地址。
A5～A0=0～3FH。
（8）DDRAM地址设置
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
01AC5AC4AC3AC2AC1AC0
运行时间（250Khz）：
40us
功能：
设置DDRAM地址：
N=0：
一行显示，A6～A0=0～4FH。
N=1：
两行显示，首行A6～A0=00H～2FH,次行A6～A0=40～67H。
（9）读BF及AC值
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
10
BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0
功能：
读忙BF值和地址计数器AC值。
其中：
BF=1:
忙；BF=0：
准备好。
此时AC值意义为最近一次地址设置（CGRAM或DDRAM）定义。
（10）写数据
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
01
D7D6D5D4D3D2D1D0
运行时间（250Khz）：
40us
功能：
根据最近设置的地址性质，数据写入DDRAM或CGRAM内。
（11）读数据
R/WRS
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
11
D7D6D5D4D3D2D1D0
运行时间（250Khz）：
40us
功能：
根据最近设置的地址性质，从DDRAM或CGRAM数据读出。
3.3.4LM041L的电路结构特点
LM041L是使用HD44780作为列驱动器的液晶模块。
下面主要介绍以下LM041L这个模块的逻辑电路图。
LM041L共有三片IC和两片LCD，外加是四根管脚组成，如下图3-9所示。
图3-9LM041L的逻辑电路图
在LM041L中，VDD接高电平，VSS和V0接地，使能端E，读写端R/W和复位端接单片机的端口，单片机能对其进行读写复位操作，方便简洁。
然后，DB0～DB7是LM041L的数据接收端，数据直接通过八根数据线传入显示屏，选用并列传送。
3.3.5LM041L的应用
以下内容为以单片机8031为例机的接口电路，电路原
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