基于单片机的电子钟设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的电子钟设计毕业设计论文
7
课程设计报告
课题名称：
基于单片机的电子钟设计
院（系）：
自动化系
专业：
自动化
班 级：
自动化2班
学生姓名：
学号：
指导教师：
桂林航天工业学院
课程设计报告
系（部）：
自动化系 专业班级：
自动化2班
学生姓名：
学号：
设计题目：
数字电子钟
完成日期 2015年7月3日
指导教师评语：
_____________________________________
_______________________________________________________ _______________________________________________________
成绩（五级记分制）：
指导教师（签字）：
_____________________
桂林航天工业学院课程设计任务书
设计题目：
学生姓名
包良进
课程名称
数字电子钟
专业班级
自动化2班
地点
实训楼408
起止时间
设计内容
设计参数
设计进度
设计成果
参考资料
说明
1．本表应在每次实施前由指导教师填写一式2份，审批后所在系（部）和指导教师各留1份。
2．多名学生共用一题的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
3．若填写内容较多可另纸附后。
系（部）分管领导：
教研室主任：
指导教师：
年月日
2015年7月3日
摘要
电子万年历是一种应用非常广泛日常计时工具，对现代社会越来越重要。
此电子万年历在硬件方面主要采用STC89C52单片机作为主控核心，由DS1302时钟芯片提供时钟、1602LCD液晶显示屏显示。
STC89C52单片机是由Atmel公司推出的，功耗小，电压可选用4～6V电压供电；DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的低功耗实时时钟芯片，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能，而且DS1302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，数字显示是采用的1602LED液晶显示屏来显示，可以同时显示年、月、日、星期、时、分、秒等信息。
此外，该电子万年历还具有时间校准等功能。
在软件方面，主要包括日历程序、时间调整程序，显示程序等。
所有程序编写完成后，在Keil软件中进行调试，确定没有问题后，烧写到单片机上进行测试。
此设计主要由时钟芯片DS1302和温度传感器DS18B20采集数据到单片机进行处理再通过LCD1602显示出来，本论文主要研究了液晶显示器LCD及时钟芯片DS1302，温度传感器DS18B20与单片机之间的硬件互联及通信，对数种硬件连接方案进行了详尽的比较，在软件方面对日历算法也进行了论述。
关键词：
单片机；DS1302；LCD1602
Abstract
Electroniccalendarisawidelyusedtoolforthedailytime,moreandmoreimportantinmodernsociety.TheelectroniccalendarintermsofhardwareasthemaincontrolmainlySTC89C52microcontrollercore,providedbytheDS1302clockchipclock,1602LCDLCDdisplay.STC89C52microcontrollerbyAtmelintroduced,thepowerconsumption,voltagecanbeselected4~6Vvoltagepowersupply;DS1302clockchipintroducedintheUnitedStatesDALLASlow-powerrealtimeclockchip,whichcanbeyear,month,day,week,hours,minutesandsecondstime,butalsohasleap-yearcompensation,andotherfunctions,andtheDS1302'slonglife,smallerror;fordigitalelectroniccalendarusinganintuitivedigitaldisplay,digitaldisplayisused1602LEDLCDscreentodisplay,youcanalsoshowsyear,month,day,week,hours,minutes,secondsandotherinformation.Inaddition,theelectroniccalendarisalsoatimecalibrationandotherfunctions.Intermsofsoftware,includingcalendar,timetoadjustprocedures,displayprocedures.Allprogrammingiscompleted,theKeilsoftwaredebugging,makesurethatnoproblem,programmedintothemicrocontrollerfortesting.
ThisdesignmainlybytheclockchipDS1302temperaturesensortothemicrocontrollerDS18B20collectdataforprocessingandthenthroughtheLCD1602display,thisthesis,theliquidcrystaldisplayLCDandclockchipDS1302,temperaturesensorandmicrocontrollerDS18B20interconnectionandcommunicationbetweenthehardwareonSeveralhardwareconnectionschemeforadetailedcomparisonofalgorithmsinsoftwareonthecalendarhavealsobeendiscussed.
Keywords:
SCM;DS1302;DS18B20;LCD1602
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2课题意义1
1.3国内外现状及水平1
第2章基于单片机万年历的方案研究2
2.1系统基本方案选择和论证2
2.1.1单片机芯片的选择2
2.1.2显示模块选择方案和论证3
2.1.3时钟芯片的选择方案和论证3
2.2电路设计最终方案决定4
2.3DS1302和LCD1602的原理及说明4
2.3.1LCD1602工作原理及说明4
2.3.2DS1302原理及说明5
第3章系统的硬件设计与实现7
3.1电路设计框图7
3.2系统硬件概述8
3.3主要模块电路的设计8
3.3.1STC89C52单片机主控制模块的设计8
3.3.2时钟电路模块的设计10
3.3.4显示模块的设计12
3.4各模块电路原理图12
3.4.1电源电路12
3.4.2复位电路12
3.4.3振荡电路13
3.4.4温度采集电路13
3.4.5通信电路14
3.4.6显示电路15
3.4.7键盘电路15
第4章系统的软件设计16
4.1程序流程框图：
16
第5章系统测试18
5.1硬件测试18
5.2软件测试18
结束语19
致谢19
参考文献20
附录1：
程序22
第1章绪论
1.1课题背景
在当代繁忙的工作与生活中，时间与我们每一个人都有非常密切的关系，每个人都受到时间的影响，随着社会、科技的发展，人类得知时间，从观太阳、摆钟到现在电子钟，不断研究、创新。
为了在观测时间的同时，能够了解其它与人类密切相关的信息，比如温度、星期、日期等，电子万年历诞生了，它集时间、日期、星期功能于一身，具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势。
伴随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路出现，给人类生活带来了根本性的改变。
由其是单片机技术的应用产品已经走进了千家万户。
电子万年历的出现给人们的生活带来的诸多方便，作为一种附加功能，现在越来越广泛的被应用于各种电子产品中，具有广阔的市场前景。
1.2课题意义
电子万年历作为电子类小产品不仅是市场上的宠儿，也是是单片机设计培训中一个很实用的题目。
因为这个课题有很好的开放性和可发挥性，对制作者的要求比较高，不仅考察了对单片机的掌握能力更加强调了对单片机扩展的应用。
而且要求设计的电子万年历在操作上力求简洁，功能上尽量齐全，显示界面也要出色。
所以，电子万年历制作无论从实用目的，还是从培养能力的角度来看都是很有价值的毕业设计课题。
本电子万年历的设计在硬件方面主要采用STC89C52单片机作为主控核心，由DS1302时钟芯片提供时钟、1602LCD液晶显示屏显示。
STC89C52单片机是由Atmel公司推出的，功耗小，电压可选用4～6V电压供电；DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的低功耗实时时钟芯片，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，而且DS1302的使用寿命长，误差小；数字显示是采用的LED液晶显示屏来显示，可以同时显示年、月、日、星期、时、分、秒等信息。
此外，该电子万年历还具有时间校准等功能。
在软件方面，主要包括日历程序、时间调整程序，显示程序等。
所有程序编写完成后，在Keil软件中进行调试，确定没有问题后，烧写到单片机上进行测试。
最后在老师同学的帮助以及自己的努力下完成了此次电子万年历的设计。
1.3国内外现状及水平
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，但是所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究万年历及扩大其应用，有着非常现实的意义。
它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，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、秒等信息，还具有时间校准等功能。
综上所述此万年历具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。
近些年我国也开始重视对电子万年历的开发与设计，让更多的电子时钟能够走进人民生活，跟多人能够应用到功能强大，精度高的电子时钟。
但是仍然存在很多问题。
中国电子万年历产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。
从什么角度分析中国电子万年历产业的发展状况？
以什么方式评价中国电子万年历产业的发展程度？
中国电子万年历产业的发展定位和前景是什么？
中国电子万年历产业发展与当前经济热点问题关联度如何……诸如此类，都是电子万年历产业发展必须面对和解决的问题——中国电子万年历产业发展已到了岔口；中国电子万年历产业生产企业急需选择发展方向。
中国电子万年历产业发展研究报告阐述了世界电子万年历产业的发展历程，分析了中国电子万年历产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型电子万年历产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型电子万年历产业”及替代产品的内涵。
根据“新型电子万年历产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国电子万年历产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的电子万年历产业发展进行了全面的研究。
第2章基于单片机万年历的方案研究
2.1系统基本方案选择和论证
2.1.1单片机芯片的选择
本设计采用STC89C52芯片作为硬件核心，该芯片采用FlashROM，内部具有8KBROM存储空间,相对于本设计而言程序空间完全够用。
能于5V电压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,而且运用于电路设计中时具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，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，避免芯片的多次拔插对芯片造成的损坏。
2.1.2显示模块选择方案和论证
方案一：
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，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。
方案二：
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格虽适中,对于显示数字也最合适,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。
但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往会有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。
方案三：
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,对于电子万年历而言，一个1602的液晶屏即可，价格也还能接受,需要的接口线较多,但会给调试带来诸多方便，所以此设计中采用LCD1602液晶显示屏作为显示模块。
2.1.3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。
采用此种方案虽然可以减少时钟芯片的使用，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：
采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、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，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。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。
采用普通32.768kHz晶振。
因此，本设计中采用DS1302提供时钟。
2.2电路设计最终方案决定
综上各模块的选择方案与论证，确定最后的主要硬件资源如下：
采用STC89C52作为主控制系统；DS1302提供时钟；LCD1602液晶屏作为显示。
2.3DS1302，DS18B20和LCD1602的原理及说明
2.3.1LCD1602工作原理及说明
（1）寄存器选择控制
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符,图形寄存器选择控制表如表2.1所示：
表2.1LCD1602寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清屏指令等）
0
1
读busyflag,以及读取位址计数器（DB0~DB6）的值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
（2）指令集
1602通过D0～D7的8位数据端传输数据和指令。
显示模式设置（初始化）00111000[0x38]设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口；显示开关及光标设置：
（初始化）00001DCBD显示（1有效）、C光标显示（1有效）、B光标闪烁（1有效）。
000001NSN=1（读或写一个字符后地址指针加1并且光标加1），N=0（读或写一个字符后地址指针减1并且光标减1），S=1且N=1（当写一个字符后，整屏显示左移），S=0当写一个字符后，整屏显示不移动。
数据指针设置：
数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码（0-27H，40-67H）。
其他设置：
01H（显示清屏，数据指针=0，所有显示=0）；02H（显示回车，数据指针=0）。
2.3.2DS1302原理及说明
（1）时钟芯片DS1302的工作原理
DS1302在每次进行读、写程序前都必须初始化，先把SCLK端置“0”，接着把RST端置“1”，最后才给予SCLK脉冲；读/写时序如下图2.2所示。
图2.1为DS1302的控制字，此控制字的位7必须置1，若为0则不能把对DS1302进行读写数据。
对于位6，若对程序进行读/写时RAM=1，对时间进行读/写时，CK=0。
位1至位5指操作单元的地址。
位0是读/写操作位，进行读操作时，该位为1；该位为0则表示进行的是写操作。
控制字节总是从最低位开始输入/输出的。
表2.2为DS1302的日历、时间寄存器内容：
“CH”是时钟暂停标志位，当该位为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位为0时，时钟开始运行。
“WP”是写保护位，在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP必须为0。
当“WP”为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。
（2）DS1302的控制字
DS1302的控制字如图2.1所示。
控制字节的高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1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出。
图2.1DS1302的控制字
（3）数据输入输出
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。
同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。
如下图2.2所示：
图2.2DS1302读与写的时序图
1.DS1302的寄存器
DS1302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2.2。
表2.2DS1302的日历、时间寄存器
此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。
DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：
一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。
第3章系统的硬件设计与实现
3.1电路设计框图
本系统的电路系统框图如图3.1所示。
STC89C52单片机对DS1302和DS18B20写入控制字并读取相应的数据，继而控制LCD1602作出对应的显示。
LCD1602液晶显示模块
STC89C52主控模块
按键控制模块
DS1302时钟模块
图3.1系统硬件框图
3.2系统硬件概述
本电路是由STC89C52单片机作为控制核心，能在5V电压工作，STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C52引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案；时钟电路由DS1302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、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。
DS1302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、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LCD1602液晶显示器完成，该显示器为工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。
3.3主要模块电路的设计
3.3.1STC89C52单片机主控制模块的设计
STC系列单片机是由STMicroelectronics公司生产，并有宏晶公司做大陆代理的。
本设计使用STC89C52作为控制核心，其管脚兼容其他51系列的单片机，以下对STC89C52进行简单讲解。
STC89C52单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图3.2是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在对各引脚功能说明如下（图3.2）：
图3.2STC89C52单片机管脚图
（1）主电源引脚
Vcc：
接＋5V电源正端。
Vss：
接＋5V电源地端。
（2）输入／输出引脚
P.0～P0.7：
P0口的8个引脚。
在不接片外存储器与不扩展I／O接口时，可作为准双向输入／输出接口。
在接有片外存储器或扩展I／O接口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。
P1.0～P1.7：
P1口的8个引脚。
可作为准双向I／O接口使用。
对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二种功能：
P1.0可用作定时器／计数器2的计数脉冲输入端T2。
P1.1可用作定时器／计数器2的外部控制端T2EX。
P2.0～P2.7：
P2口的8个引脚。
可作为准双向I／O接口；有接有片外存储器或扩展I／O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用作高8位地址总线。
P3.0～P3.7：
P3口的8个引脚。
除作为准双向I／O接口使用外，还具有第二种功能，详见表3.1。
表3.1P3口第二功能表
引脚
第二功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD（串行口输入）
TXD（串行口输出）
I¯N¯T¯0¯（外部中断0输入）
I¯N¯T¯1¯（外部中断1输入）
T0（定时器0的外部输入）
T1（定时器1的外部输入）
W¯R¯（片外数据存储
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