基于LCD时钟温度计的设计毕业论文-最终确定.docx
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成都工业学院通信工程系毕业设计论文
毕业设计（论文）
专业000000
班次000000
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指导老师00000
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二0一二年
摘要
本设计的LCD电子时钟温度计，包括两大功能：
实时显示年、月、日、时、分、秒；实时监测环境温度；本设计采用的是AT89S52单片机，该单片机采用的MCU51内核，内部带有8KB的ROM，能够存储大量的程序。
计时芯片采用DS1302，该芯片通过简单的串行通信与单片机进行通信，时钟/日历电路能够实时提供年、月、日、时、分、秒信息，采用双电源供电，当外部电源掉电时能够利用后备电池准确计时。
温度检测采用DS18B20，该芯片采用的是独特的“一线总线”的方式与单片机进行通信，实时温度采用一线总线的方式传输大大的提高了信号的抗干扰性，分辨率可通过软件设置，其小巧的体积为各种环境下测量温度提供了方便。
显示器件采用通用型LCD1602，可显示32个字符，该液晶显示方便，功能强大，完全能满足数字时钟温度计的显示要求。
通过此次设计能够更加牢固的掌握单片机的应用技术，增强动手能力、硬件设计能力以及软件设计能力。
关键词:
单片机；Keil；DS1302；DS18B20；LCD液晶
目录
第1章绪论 1
1.1研究意义 1
1.2国内外现状 1
第2章设计任务 2
2.1设计任务 2
2.2设计要求 2
第3章总体方案论证与设计 3
3.1液晶显示模块 3
3.2实时时间计算模块 3
3.3实时环境温度采集模块 4
3.4设置模块 4
第4章总体方案组成框图 5
第5章系统硬件设计 6
5.1LCD显示模块设计 6
5.2实时环境温度检测模块 10
5.3时间计算模块设计 11
5.4设置模块 13
5.5系统硬件电路设计总图 13
第6章系统软件设计 16
6.1主程序 16
6.2时间显示程序 17
6.3时间调整程序设计 17
6.4读取温度子程序 18
6.5温度转换命令子程序 20
6.6计算温度子程序 20
6.7显示数据刷新子程序 21
6.8温度数据的计算处理方法 22
第7章系统硬件PROTEUS仿真原理图 23
结语 24
致谢 25
参考文献 26
附录一：
实物图 27
附录二PCB图 28
附录三程序 29
44
第1章绪论
1.1研究意义
近些年我国开始重视电子时钟温度计的开发与设计，但是在中国该产品出现的问题中，许多不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集行业产品；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减弱；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。
在中国该产品的产业发展已到了岔口；产业生产企业急需选对发展方向。
1.2国内外现状
电气时代、电子时代和现已进人的电脑时代。
不过,这里的电脑,通常是指个人计算机,简称机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。
顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。
因为它体积小,通常都藏在被控机械的―肚子里。
它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词—―智能型,如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程器件上。
第2章设计任务
2.1设计任务
利用单片机、时钟芯片DS1302、温度传感器DS18B20、1602液晶等实现日期、时间、温度的显示。
2.2设计要求
2.2.1A/D转换器可用ADC0809，也可选用自带A/D的单片机，完成1个通道的温度数据采集；
2.2.2温度控制单元可采用DS18B20温度传感器，时钟控制部分可采用时钟芯片DS1302；
2.2.3对采集的温度在LCD实时显示，并能保存一段时间内的温度值；
2.2.4能显示当前时间，并具有时间调校功能；
2.2.5采用“汇编语言”或“C语言”进行编程，编译系统可用WAVE或KeilC；
2.2.6用Proteus软件进行仿真；
2.2.7用PROTEL软件画出系统原理图与印制板电路图；
2.2.8尽可能地做出实物。
第3章总体方案论证与设计
本系统以AT89S52单片机为控制核心，通过与DS1302和DS18B20通信获取实时时间和实时环境温度，并将得到的数据通过1602液晶显示出来，同时通过相应的按键调整相应的值。
因此本设计可分为一下模块：
显示模块、实时时间计算模块、实时环境温度采集模块、报警模块、设置模块（时间设置模块、最高温度设置模块、闹钟设置模块）。
下面对各个模块逐一进行论证分析：
3.1液晶显示模块
方案
（1）:
数码管是利用发光二极管的特性组合而成数字显示器件，通过控制相应的二极管的状态显示相应的数字。
要使数码管正常显示就得有驱动电路驱动相应的段码，数码管的现实方式可分为静态显示和动态显示，静态显示方式只适合显示单个的数字，因此本设计应采用动态显示方式。
由于动态显示方式利用的是人眼视觉暂留的特性，扫描的时间应不大于20毫秒，占用系统资源大，而且显示的个数和字型有限，在本设计中不易采用。
方案
（2）：
1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
1602的驱动电路带有11条指令，可以很方便的控制液晶的现实效果如：
清屏、左移右移、光标显示。
而且1602显示的字符在下一条指令为到来之前不会改变，也就是能够维持显示的字符，1602液晶占用的系统资源也少。
综合比较上述两种方案，应采用1602液晶组成本设计的显示模块。
3.2实时时间计算模块
方案
（1）：
AT89S52单片机内部带有定时/计数功能，此定时功能是通过对外部晶振的脉冲进行计数，从而达到计时功能，只要使用11.0592的晶振就能实现零误差的计时，因此可以利用此功能实现计时，但因为只有单一的计时功能要实现“万年历”的功能需要较复杂的程序，而且如果单片机掉电无法继续进行计时，所以使用不便。
方案
（2）：
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5～5.5V。
采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
利用单片机强大的控制功能就可实现实时计时的功能，而且消耗的系统资源少，程序简单。
综合上述两种方案，宜采用方案
（2）实现实时计时功能。
3.3实时环境温度采集模块
方案
（1）：
热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化。
通过一定的电路可以将周围环境的温度变化转化成电压的变化，通过AD转化器件将信号传输给单片机进行分析，从而测出当前环境温度，但误差大，不稳定，对环境要求较高。
方案
（2）：
DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器，采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
测量温度范围宽，测量精度高，在使用中不需要任何外围元件，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温，供电方式灵活DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。
因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
因此非常适合本系统使用。
综上比较上述两种方案，宜采用方案
（2）构成本设计的实时温度采集模块。
3.4设置模块
因为设置模块只需编写相应的程序外加相应的按键即可实现，实现方法较简单，在此不再论述。
第4章总体方案组成框图
本系统包括LCD1602液晶显示模块电路、AT89S52微处理器模块电路、时间计算模块DS1302电路、实时温度采集模块DS18B20电路、设置模块电路。
其中显示模块的主要功能是：
与单片机接口相连，以点阵形式显示时间和温度；微处理器模块的主要功能是：
接上晶振、复位电路和相应的接口电路，装载软件后就可以构成单片机应用系统；DS1302的主要功能是：
通过简单的串行通信与单片机进行通信，时钟/日历电路能够实时提供年、月、日、时、分、秒信息；DS18B20电路的主要功能是：
采用单总线的接口方式与微处理器连接，可以实现对环境温度的实时监测。
LCD时钟温度计系统组成框图如图4-1所示：
图4-1总体方案组成框图
第5章系统硬件设计
5.1LCD显示模块设计
功耗较小可直接与单片机接口相接，电源直接与电源电路相接，使用单片机的P0口和P1口与1602进行数据传递。
1602相应功能有：
⑴+5V电压，对比度可调；⑵内含复位电路；⑶提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；⑷有80字节显示数据存储器DDRAM；⑸内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；⑹8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。
5.1.11602引脚介绍，1602引脚描述见图5-1所示：
图5-11602引脚介绍
5.1.21602液晶11条指令介绍
1、清屏指令介绍如图5-2所示：
图5-2清屏指令
功能:
⑴清除液晶显示器，即将DDRAM的内容全部填入“空白”的字符码20H;
⑵光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方;
⑶将地址计数器（AC）的值设为0；
2、光标归位指令介绍如图5-3所示：
图5-3光标归位指令
功能：
⑴把光标撤回到显示器的左上方;
⑵把地址计数器（AC）的值设置为0;
⑶保持DDRAM的内容不变；
3、输入模式设置指令介绍如图5-4所示：
图5-4输入模式设置指令
功能：
设定每次写入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。
参数设定的情况如下所示：
位名 设置
I/D 0=写入新数据后光标左移；1=写入新数据后光标右移
S 0=写入新数据后显示屏不移动；1=写入新数据后显示屏整体右移1个字
4、显示开关控制指令如图5-5所示：
图5-5显示开关控制指令
功能：
控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。
参数设定的情况如下：
位名 设置
D 0=显示功能关、1=显示功能开
C 0=无光标、1=有光标
B 0=光标不闪烁、1=光标闪烁
5、设定显示屏或光标移动方向指令如图5-6所示：
图5-6光标移动方向指令
功能：
使光标移位或使整个显示屏幕移位。
参数设定的情况如下：
位名情况
S/C 0=光标左移1格，且AC值减1；1=光标右移1格，且AC值加1
R/L 0=显示器上字符全部右移一格，但光标不动
1=显示器上字符全部右移一格，但光标不动
6、功能设定指令如图5-7所示：
图5-7功能设定指令
功能：
设定数据总线位数、显示的行数及字型。
参数设定的情况如下：
位名 设置
DL 0=数据总线为4位；1=数据总线为8位
N 0=显示1行；1=显示2行
F 0=5×7点阵/每字符 ；1=5×10点阵/每字符
7、功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
设定CGRAM地址指令如图5-8所示：
图5-8设定CGRAM地址指令
8、功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
设定DDRAM地址指令如图5-9所示：
图5-9设定CGRAM地址指令
9、读取忙信号或AC地址指令如图5-10所示：
图5-10设定读取忙信号或AC地址指令
功能：
⑴读取忙碌信号BF的内容，BF=1时，表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令;BF=0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令;
⑵读取地址计数器（AC）的内容。
10、数据写入DDRAM或CGRAM指令如图5-11所示：
图5-11设定读取忙信号或AC地址指令
功能：
⑴将字符码写入DDRAM，以使液晶显示屏显示出相对应的字符;
⑵将用户自己设计的图形存入CGRAM。
11、从CGRAM或DDRAM读出数据的指令如图5-12所示：
图5-12读出数据的指令
功能：
读取DDRAM或CGRAM中的内容。
基本操作时序：
读状态 输入：
RS=L，RW=H，E=H；输出：
DB0～DB7=状态字
写指令 输入：
RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=指令码
输出：
无
读数据 输入：
RS=H，RW=H，E=H；输出：
DB0～DB7=数据写数据
输入：
RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=数据
输出：
无
5.2时间计算模块设计
DS1302通过三根口线，实现与单片机的通信，因为DS1302功耗很小，
电源掉电后通过3V的纽扣电池仍能维持DS1302精确走时。
5.2.1DS1302特性介绍
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5～5.5V。
采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
5.2.2DS1302引脚介绍
DS1302引脚如图5-13所示：
图5-13DS1302引脚介绍
功能：
⑴Vcc2+5V电源
⑵X1，X2是外接晶振脚（32.768KHZ的晶振）
⑶X2是外接晶振脚（32.768KHZ的晶振）
⑷接地（GND）
⑸CE/RST：
复位脚
⑹I/O：
数据输入输出口；
⑺SCLK：
串行时钟，输入；
⑻Vcc1：
备用电池端；
5.2.3DS1302有关日历、时间的寄存器，如图5-14所示。
图5-14DS1302有关日历、时间的寄存器
寄存器的说明如下：
⑴秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。
当初始上电时该位置为1，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；只有将秒寄存器的该位置改写为0时，时钟才能开始运行。
⑵小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。
当为高时，选择12小时模式。
在12小时模式时，位5是，当为1时，表示PM。
在24小时模式时，位5是第二个10小时位。
⑶控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。
在对任何的时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。
当WP位为1时，写保护的位防止对任何一个寄存器的写操作。
也就是说在电路上电的初始态WP是1，这时是不能改写上面任何一个时间寄存器的，只有首先将WP改写为0，才能进行其它寄存器的写操作。
5.3实时环境温度检测模块
DS18B20通过单总线实现与单片机的通信，每个DS18B20都有一个唯一的序列号，可以方便的实现组网检测。
5.3.1单总线介绍
⑴单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。
⑵单总线通常要求外接一个约为4.7K—10K的上拉电阻，这样，当总线闲置时其状态为高电平。
5.3.2DS18B20特性介绍
⑴DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：
⑵采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
⑶测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为-55℃~+125℃；在-10~+85°C范围内，精度为±0.5°C。
⑷在使用中不需要任何外围元件。
⑸支持多点组网功能多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测量。
⑹供电方式灵活DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。
因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
⑺测量参数可配置DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9~12位。
⑻负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。
⑼掉电保护功能DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
⑽DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。
5.3.3DS18B20管脚介绍
DS18B20管脚如图5-15所示：
DS18B20的管脚排列：
⑴GND为电源地；
⑵DQ为数字信号输入／输出端；
⑶VDD为外接供电电源输入端，在寄生电源接线方式时接地；
图5-15DS18B20管脚介绍
5.3.4DS18B20操作步骤
⑴每次读写前对DS18B20进行复位初始化。
复位要求主CPU将数据线
下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16us~60us左右，然后发出60us~240us的存在低脉冲，主CPU收到此信号后表示复位成功。
⑵发送一条ROM指令
DS18B20操作示意如图5-16所示：
图5-16DS18B20操作示意图
⑶发送存储器指令
发送存储器指令如图5-17所示：
图5-17发送存储器指令示意图
5.4设置模块
设置模块采用四个按键与P1^4、P1^5、P1^6、P1^7,相接组成独立按键，接口电路图如图5-18所示：
图5-18设置模块接口电路图
5.5系统硬件电路设计总图
⑴微处理器如图5-19所示：
图5-19单片机
⑵LCD液晶显示接口电路和复位电路如图5-20所示：
图5-20LCD接口电路和复位电路
⑶DS1302时钟芯片接口电路如图5-21所示：
图5-21时钟芯片接口电路
⑷排阻如图5-22所示：
图5-22排阻
⑸晶振电路如图5-23所示：
图5-23晶振电路
第6章系统软件设计
6.1主程序
系统主程序首先对系统进行初始化,包括设置定时器、中断和端口；然后显示开机画面。
由于单片机没有停止指令，所以可以设计系统程序不断地循环执行上述显示效果。
程序流程框图如图6-1所示：
图6-1程序设计框图
6.2时间显示程序
我们采用了时钟芯片DS1302，所以只需从DS1302的寄存器中读出小时、分钟、秒，
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
取数据，过处理后，送给显示缓冲单元,如图6-2所示:
图6-2时间显示程序
6.3时间调整程序设计
调整时间用3个调整按钮，1个作为移位控制用，另外两个作为加减用，分别定义
控制按钮、加按钮、减按钮。
在调整时间过程中，要调整的那位与别的位应该有区别，所
以增加了闪烁功能，即调整的那位一直在闪烁直到调整下一位。
闪烁原理就是让要调整的
那一位，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，
此时传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6-3所示:
图6-3时间调整程序流程图
6.4读取温度子程序
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，流程图如图12.图12DS18B20温度计主程序流程图
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9个字节，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6-4所示:
图6-4读出温度
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