带温度显示的电子钟设计 推荐.docx
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带温度显示的电子钟设计推荐
摘要
本文介绍了一款基于AT89S51单片机控制的带有温度显示的电子钟的设计，通过多功能数字钟带有温度的设计思路，详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程。
论文重点阐述了数字钟硬件中MCU模块、温度模块、时钟模块、显示模块和相关控制模块等的模块化设计与制作；软件同样采用模块化的设计，包括中断模块、、温度模块、时间调整模块设计，并采用简单流通性强的C语言编写实现。
本设计实现了时间的修改功能和年、月、日和星期的显示和温度显示功能。
关键词：
AT89S51单片机数字钟温度显示
Abstract
ThispaperintroducedthedesignofdigitalclockbasedonSCMofAT89S51,thespecificprocessofhowthesystemhardwareandsoftwareachievedweredetaileddescriptionthroughthedesignofmultifunctiondigitalclock.Themodulardesignandproduction,whichconsistedofMCUmodule,voicemodule，clockmoduleandtheassociatedcontrolmodule,weremainlyrecounted；Aswellashardwaredesigning，softwaredesignusethesamemethod,consistssuspensionmodule，alarmclockmodule,voicemodule,timeadjustmodule,andthatusetheClanguagetoachievebecauseofitssimpleandstrongnegotiability.Inthisdesignthefunctionsoftimeandalarmclockrunandchange,voicebroadcast，functionsoftheyear,month,dayandweekdisplayhavebeenachieved.Andbycomparingtheactualclock.
Key words：
AT89S51MicrocontrollerDigitalClocktheDisplayofTemperature
目 录
前言..............................................................1
第一章系统实现功能、设计方案论证及芯片介绍...............2
第一节系统要求实现功能.........................................2
第二节设计方案论证..............................................2
第三节芯片介绍..................................................4
一、DS18B20芯片介绍.........................................4
二、DS1302芯片介绍..........................................9
第二章电路硬件设计及分析.................................13
第一节时钟电路...............................................13
第二节复位电路................................................13
第三节DS1302时钟电路..........................................14
第四节DS18B20温度计电路.......................................14
第五节键盘电路................................................15
第六节显示电路................................................16
第七节按键提示电路............................................17
第三章软件设计................................................18
第一节主函数流程图............................................18
第二节18B20温度计流程图......................................18
第三节键盘电路流程图..........................................20
第四节定时器T0中断服务程序流程图.............................21
第四章结束语..................................................22
附录1电路原理图...............................................23
附录2主程序清单..............................................24
参考文献........................................................36
致谢...........................................................37
前言
单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
本文主要介绍由单片机控制的带有温度显示的电子钟的设计。
随着人们生活水平的日益提高，人们对生活的要求越来越高，原有的事物已经不能满足人们的生活需求了，一些带有新功能的事物已经在慢慢的取代旧事物。
就像电子钟一样，人们用电子钟不仅仅只是看时间了，人们还需要看温度了。
越来越多的新功能更贴近人们的生活了，所以也越来越受人们所喜欢。
带有温度的的电子钟可以使人们随时都可以了解温度的变化。
第一章系统实现功能、设计方案论证及芯片介绍
第一节系统要求实现功能
（1）万年历
（2）温度显示
（3）三键调时（设置键，上调键，下调键）
（4）按键蜂鸣器提示
第二节设计方案论证
方案一用主芯片为AT89C51的单片机控制实现，使用单片机内部的定时计数器实现时间的设定，使用按键进行时间的调整和定时，按键有蜂鸣器提示，温度传感器使用DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。
显示时间和温度使用数码管显示。
方案1系统结构框图如图1-1所示。
图1-1方案1系统结构框图
方案二用主芯片为AT89C51的单片机控制实现，为了满足单片机系统的实时控制的需求，采用实时钟芯片DS1302，使用按键进行时间的调整和定时，按键蜂鸣器提示，温度传感器使用普通的温度传感器，由于温度传感器采集的数据为模拟量，又因为单片机AT89C51内部没有集成模数转换器，需要在控制系统的外部使用A/D转换装置，另外系统还应该把采集来的数据进行信号处理，显示温度和时间使用LCD1602显示。
方案2系统结构框图如图1-2所示。
图1-2方案2系统结构框图
方案三用主芯片为AT89C51的单片机控制实现，为了满足单片机系统的实时控制的需求，采用实时钟芯片DS1302，使用按键进行时间的调整和定时，按键有蜂鸣器提示,温度传感器使用DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器。
显示时间和温度使用LCD1602显示。
方案3系统结构框图如图1-3所示。
图1-3方案3系统结构框图
方案选择方案一直接使用单片机内集成的定时器，产生定时节拍，编制软件计数器，进行节拍技术，理论上讲，不但能够完成秒表设计，还能够实现分钟、刻钟、小时的实时计时功能，在此基础上，如果加上足够精确的误差时间补偿处理，甚至可以实现日、星期、月、年等日历功能。
但使用片内定时器有以下几个问题：
1、时间补偿
片内定时器采用中断方式提供计时节拍，中断的实质是随机程序切换，那么，中断响应时间是不可精确预测的。
这样，必然会导致计时节拍的时间误差，在计时时间较短的情况下，比如1~99s计时，可以采用一些软件措施进行误差补偿，但当系统所需要的计时时间较长时，比如进行年、月、日的日历计时，定时中断误差扥积累就会很大，无法满足时间精度的要求。
因此，在需要日历、时钟的场合，片内定时器的作用有限。
片内定时器只适合于单片机短时间计时的要求。
2、时钟维持
使用片内定时器进行计时的时候，单片机始终要处于工作状态。
才能维持计时时间，一旦停机或进入待机状态，开机后，计时时间就需要重新设定。
在单片机系统中，有时，需要维持一个时钟，对控制工作进行时间标定。
不管单片机系统开机、关机还是待机，系统时钟要始终维持。
为了满足单片机系统的实时钟需求，最可靠的方法是采用实时钟芯片DS1302。
温度的数据采集如果是一般的温度传感器，需要对信号进行处理，另外还需要模数转换装置，如果采用的是数字温度传感器18B20，可以直接将采集的信号转化为数字信息供单片机控制，这样不仅节约了成本，还提高了系统的可靠性和稳定性。
所以本设计采用的是方案三。
第三节芯片介绍
一、DS18B20芯片介绍
DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。
它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
1、DS18B20外形及引脚说明
DS18B20外形及引脚如图1-4所示。
图1-4DS18B20外形及引脚图
在TO-92和SO-8的封装中引脚有所不同，具体差别请查阅PDF手册，在TO-92封装中引脚分配如下：
（1）GND：
地；
（2）DQ：
单线运用的数据输入输出引脚；
（3）VDD：
可选的电源引脚。
2、DS18B20工作过程及时序
DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过程重复进行，直到计数器2计数到0时便停止。
初始时，计数器1预置的是与-55℃相对应的一个预置值。
以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。
为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。
计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1℃计数器所需要的计数个数。
DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。
在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃时，温度寄存器的最低位就进位然后置0。
这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。
温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。
测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。
当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。
测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。
DS18B20工作过程一般遵循以下协议：
初始化——ROM操作命令——存储器操作命令——处理数据。
（1）初始化
单总线上的所有处理均从初始化序列开始。
初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。
存在脉冲让总线控制器知道DS1820在总线上且已准备好操作。
（2）ROM操作命令
一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件ROM操作命令之一。
所有ROM操作命令均为8位长。
这些命令介绍如下：
ReadROM（读ROM）[33h]此命令允许总线主机读DS18B20的8位产品系列编码，唯一的48位序列号，以及8位的CRC。
此命令只能在总线上仅有一个DS18B20的情况下可以使用。
如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象（漏极开路会产生线与的结果）。
MatchROM（符合ROM）[55h]此命令后继以64位的ROM数据序列，允许总线主机对多点总线上特定的DS18B20寻址。
只有与64位ROM序列严格相符的DS18B20才能对后继的存贮器操作命令作出响应。
所有与64位ROM序列不符的从片将等待复位脉冲。
此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。
SkipROM（跳过ROM）[CCh]在单点总线系统中，此命令通过允许总线主机不提供64位ROM编码而访问存储器操作来节省时间。
如果在总线上存在多于一个的从属器件而且在SkipROM命令之后发出读命令，那么由于多个从片同时发送数据，会在总线上发生数据冲突（漏极开路下拉会产生线与的效果）。
SearchROM（搜索ROM）[F0h]当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上的器件个数或者不知道其64位ROM编码。
搜索ROM命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的64位编码。
AlarmSearch（告警搜索）[ECh]此命令的流程与搜索ROM命令相同。
但是，仅在最近一次温度测量出现告警的情况下，DS18B20才对此命令作出响应。
告警的条件定义为温度高于TH或低于TL。
只要DS18B20一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或者改变TH或TL的设置，使得测量值再一次位于允许的范围之内。
贮存在EEPROM内的触发器值用于告警。
（3）存储器操作命令
WriteScratchpad（写暂存存储器）[4Eh]这个命令向DS18B20的暂存器中写入数据，开始位置在地址2。
接下来写入的两个字节将被存到暂存器中的地址位置2和3。
可以在任何时刻发出复位命令来中止写入。
ReadScratchpad（读暂存存储器）[BEh]这个命令读取暂存器的内容。
读取将从字节0开始，一直进行下去，直到第9（字节8，CRC）字节读完。
如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止读取。
CopyScratchpad（复制暂存存储器）[48h]这条命令把暂存器的内容拷贝到DS18B20的E2存储器里，即把温度报警触发字节存入非易失性存储器里。
如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而DS18B20又正在忙于把暂存器拷贝到E2存储器，DS18B20就会输出一个“0”，如果拷贝结束的话，DS18B20则输出“1”。
如果使用寄生电源，总线控制器必须在这条命令发出后立即起动强上拉并最少保持10ms。
ConvertT（温度变换）[44h]这条命令启动一次温度转换而无需其他数据。
温度转换命令被执行，而后DS18B20保持等待状态。
如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而DS18B20又忙于做时间转换的话，DS18B20将在总线上输出“0”，若温度转换完成，则输出“1”。
如果使用寄生电源，总线控制器必须在发出这条命令后立即起动强上拉，并保持500ms。
RecallE2（重新调整E2）[B8h]这条命令把贮存在E2中温度触发器的值重新调至暂存存储器。
这种重新调出的操作在对DS18B20上电时也自动发生，因此只要器件一上电，暂存存储器内就有了有效的数据。
在这条命令发出之后，对于所发出的第一个读数据时间片，器件会输出温度转换忙的标识：
“0”=忙，“1”=准备就绪。
ReadPowerSupply（读电源）[B4h]对于在此命令发送至DS18B20之后所发出的第一读数据的时间片，器件都会给出其电源方式的信号：
“0”=寄生电源供电，“1”=外部电源供电。
（4）处理数据
DS18B20的高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如图1-5所示。
当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。
图1-5高速暂存存储器分配图
表1-1是DS18B20温度采集转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于或等于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
温度转换计算方法举例：
例如，当DS18B20采集到+125℃的实际温度后，输出为07D0H，则：
实际温度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=1250C。
例如当DS18B20采集到-55℃的实际温度后，输出为FC90H，则应先将11位据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），则：
实际温度=370H╳0.0625=880╳0.0625=550C。
表1-1DS18B20温度数据表
温度/0C
二进制表示
十六进制表示
符号位（5位）
数据位（11位）
+125
00000
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
07D0H
+25.0625
00000
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0191H
+10.125
00000
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
00A2H
+0.5
00000
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0008H
0
00000
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0000H
-0.5
11111
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
FFF8H
-10.125
11111
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
FF5EH
-25.625
11111
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
FE6FH
-55
11111
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
FC90H
二、DS1302芯片介绍
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：
复位（RST）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。
时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mW。
1、DS1302的内部结构
DS1302的外部引脚功能说明如图1-6所示。
DS1302封装图
X1，X2
32.768kHz晶振引脚
GND
地
RST
复位
I/O
数据输入/输出
SCLK
串行时钟
VCC1
电池引脚
VCC2
主电源引脚
图1-6DS1302的外部引脚功能说明图
DS1302的内部结构如图1-7所示，主要组成部分为：
移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM。
虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其实是一样的，就是对特定的地址进行读写操作。
图1-7DS1302的内部结构图
DS1302含充电电路，可以对作为后备电源的可充电电池充电，并可选择充电使能和串入的二极管数目，以调节电池充电电压。
不过对我们目前而言，最需要熟悉的是和时钟相关部分的功能，对于其它参数请参阅数据手册。
2、DS1302的工作原理
DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。
数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。
时钟脉冲的个数在单字节方式下为8+8（8位地址+8位数据），在多字节方式下为8加最多可达248的数据。
3、DS1302的寄存器和控制命令
对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作，DS1302内部共有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。
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以外的寄存器。
日历、时间寄存器及控制字如表1-2所示。
表1-2日历、时钟寄存器与控制字对照表
寄存器名称
7
6
5
4
3
2
1
0
1
RAM/CK
A4
A3
A2
A1
A0
RD/W
秒寄存器
1
0
0
0
0
0
0
分寄存器
1
0
0
0
0
0
1
小时寄存器
1
0
升级会员 