引言

隨著生活節(jié)奏的日益加快，人們的時(shí)間觀也越來越重，同時(shí)對(duì)電子鐘表、日歷的需求也隨之提高。因此，研究實(shí)用電子時(shí)鐘及其擴(kuò)展應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

本系統(tǒng)程序由主程序、中斷服務(wù)函數(shù)和多個(gè)子函數(shù)構(gòu)成。主函數(shù)主要完成各子函數(shù)和中斷函數(shù)的初始化。定時(shí)中斷函數(shù)主要完成時(shí)鐘芯片的定時(shí)掃描及鍵盤掃描。時(shí)鐘芯片的讀寫函數(shù)主要是將時(shí)間、日歷信息讀出來，并把要修改具體值寫入時(shí)鐘芯片內(nèi)部。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與電路原理

電路設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)硬件概述

本電路是由AT89S52單片機(jī)為控制核心，具有在線編程功能、低功耗、能在3V的超低壓工作。時(shí)鐘電路由DS1302提供，它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器?？僧a(chǎn)生年、月、日、周日、時(shí)、分、秒，具有使用壽命長(zhǎng)、精度高和低功耗等特點(diǎn)，同時(shí)具有掉電自動(dòng)保存功能。

主控制模塊

單片機(jī)主控制模塊的設(shè)計(jì)

AT89S52單片機(jī)為40引腳雙列直插芯片，有四個(gè)I/O口P0，P1，P2，P3，MCS-51單片機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)，每一條I/O線都能獨(dú)立地作輸出或輸入。

時(shí)鐘電路模塊

時(shí)鐘電路模塊的設(shè)計(jì)

DS1302的引腳排列如圖3所示，其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電;當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768KHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器;其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。

時(shí)鐘電路模塊工作原理

DS1302在每次進(jìn)行讀、寫程序前都必須初始化，先把SCLK端置“0”，接著把RST端置“1”，最后才給予SCLK脈沖;讀/寫時(shí)序如圖4所示。表1為DS1302的控制字，此控制字的位7必須置1，若為0則不能對(duì)DS1302進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。對(duì)于位6，若對(duì)程序進(jìn)行讀/寫時(shí)RAM=1，對(duì)時(shí)間進(jìn)行讀/寫時(shí)，CK=0。位1至位5指操作單元的地址。位0是讀/寫操作位，進(jìn)行讀操作時(shí)，該位為1;該位為0則表示進(jìn)行的是寫操作。控制字節(jié)總是從最低位開始輸入/輸出的。表2為DS1302的日歷、時(shí)間寄存器內(nèi)容：“CH”是時(shí)鐘暫停標(biāo)志位，當(dāng)該位為1時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài);當(dāng)該位為0時(shí)，時(shí)鐘開始運(yùn)行。“WP”是寫保護(hù)位，在任何的對(duì)時(shí)鐘和RAM的寫操作之前，WP必須為0。當(dāng)“WP”為1時(shí)，寫保護(hù)位防止對(duì)任一寄存器的寫操作。

DS1302的控制字節(jié)

DS1302的控制字如表1所示?？刂谱止?jié)的高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。

數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O)

在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。如圖4所示。

DS1302的寄存器

DS1302有12個(gè)寄存器，其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式，其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字見表2。

此外，DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時(shí)鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個(gè)RAM單元，共31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H~FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作;另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。

時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)功能

該模塊為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的秒、分、時(shí)、日、月、年等實(shí)時(shí)時(shí)間信息，星期則由編程計(jì)算得到。

溫度采集模塊

溫度采集模塊設(shè)計(jì)

如圖5所示。采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它具有測(cè)量精度高，電路連接簡(jiǎn)單特點(diǎn)，此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用P1.7與DS18B20的I/O口連接加一個(gè)上拉電阻，Vcc1接電源，Vcc2接地。

DS18B20的測(cè)溫原理

低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。

顯示模塊的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用的是LED動(dòng)態(tài)顯示方式，由于PROTEUS內(nèi)沒有LED，故用LCD代替LED進(jìn)行仿真，與主控制芯片AT89C52相連。如圖6所示。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主程序流程框圖

Keil C與Proteus的聯(lián)調(diào)與測(cè)試結(jié)果

Proteus7.6是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外圍電路(如LCD，RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件等)，使用Proteus7.6和Keil C可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序。

Proteus的工作過程

運(yùn)行Proteus的ISIS程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面如圖8所示。在工作前，要設(shè)置view菜單下的捕捉對(duì)齊和system下的顏色、圖形界面大小等項(xiàng)目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對(duì)位置、元件參數(shù)設(shè)置、元器件間連線、編寫程序;在source菜單的Define code generation tools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴(kuò)展名等項(xiàng)目;在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對(duì)應(yīng)程序;通過debug菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運(yùn)行情況。

圖8 Proteus的啟動(dòng)界面

Proteus軟件所提供的調(diào)試手段

Proteus提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。對(duì)于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對(duì)軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。

軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)

軟件和硬件的結(jié)合，就是一個(gè)單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)了。在這一階段，硬件電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)不是最為關(guān)鍵的了，而軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行才是實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。因此可以以建議性的意見給出具體的硬件電路，并提出該電路所需要完成的具體工作，進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。

Keil C的介紹

keil C的運(yùn)行界面

運(yùn)行Keil C后的運(yùn)行界面如圖9所示。

圖9 keil C的運(yùn)行界面

Keil C與proteus聯(lián)調(diào)測(cè)試

1、安裝keil與proteus7.6;

2、打開proteus，畫出相應(yīng)電路。在proteus的tools菜單中選中use remote debug monitor;

3、在keil中編寫MCU的程序;

4、進(jìn)入keil的project菜單option for target '工程名'。在DEBUG選項(xiàng)中右欄上部的下拉菜選中Proteus VSM Monitor-51 Driver;

5、在keil中進(jìn)行debug，同時(shí)在proteus中查看直觀的結(jié)果，LCD顯示;

6、把keil里的文件編譯后輸出hex的文件，在proteus中把單片機(jī)的加載程序文件換成keil中的hex文件，然后運(yùn)行。

運(yùn)行結(jié)果

結(jié)果顯示

由圖1整體電路框圖可知，LED顯示結(jié)果，如圖10所示。

圖10 結(jié)果顯示

調(diào)節(jié)顯示

日期和時(shí)間的修改由4個(gè)按鍵構(gòu)成。鍵P0為調(diào)節(jié);P2^0，模式切換鍵(向左移)向左移;鍵P2^1，加法按鈕;鍵P2^2，減法按鈕;鍵P2^3，立刻跳出調(diào)整模式按鈕。

按動(dòng)PO時(shí)秒閃爍進(jìn)入調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖11所示。

按動(dòng)P2^0向左移，對(duì)分進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖12所示。

按動(dòng)P2^1向左移，對(duì)時(shí)進(jìn)行加調(diào)節(jié)，如圖13所示。

圖14所示，是未調(diào)之前的顯示，按動(dòng)P2^2向左移，對(duì)年進(jìn)行減調(diào)節(jié)，如圖15所示

按動(dòng)P2^3向左移，退出調(diào)節(jié)恢復(fù)如圖16所示。

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能的電子萬年歷。電路是由AT89S52單片機(jī)為控制核心，與時(shí)鐘芯片DS1302、溫度芯片DS18B20、按鍵、LED顯示等模塊組成硬件系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)中設(shè)有3個(gè)獨(dú)立按鍵，根據(jù)使用者的需要可以隨時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)、選擇時(shí)間、溫度顯示等，綜上所述此萬年歷具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、電路簡(jiǎn)潔、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，充分發(fā)揮個(gè)人的主觀能動(dòng)性，自主學(xué)習(xí)，學(xué)到了許多沒學(xué)到的知識(shí)，增加了動(dòng)手能力的考驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的目的?？傊?，這次設(shè)計(jì)使我的能力得到了全方位的提高。