引言

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

本系統(tǒng)程序由主程序、中斷服務(wù)函數(shù)和多個子函數(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。定時中斷函數(shù)主要完成時鐘芯片的定時掃描及鍵盤掃描。時鐘芯片的讀寫函數(shù)主要是將時間、日歷信息讀出來，并把要修改具體值寫入時鐘芯片內(nèi)部。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計與電路原理

電路設(shè)計框圖

系統(tǒng)硬件概述

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

主控制模塊

單片機主控制模塊的設(shè)計

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

時鐘電路模塊

時鐘電路模塊的設(shè)計

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，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電;當Vcc2小于Vcc1時，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)動置高電平來啟動所有的數(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。

時鐘電路模塊工作原理

DS1302在每次進行讀、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DS1302進行讀寫數(shù)據(jù)。對于位6，若對程序進行讀/寫時RAM=1，對時間進行讀/寫時，CK=0。位1至位5指操作單元的地址。位0是讀/寫操作位，進行讀操作時，該位為1;該位為0則表示進行的是寫操作?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸入/輸出的。表2為DS1302的日歷、時間寄存器內(nèi)容：“CH”是時鐘暫停標志位，當該位為1時，時鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài);當該位為0時，時鐘開始運行。“WP”是寫保護位，在任何的對時鐘和RAM的寫操作之前，WP必須為0。當“WP”為1時，寫保護位防止對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表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，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SCLK時鐘的上升沿時，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SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。如圖4所示。

DS1302的寄存器

DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式，其日歷、時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、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(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RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個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個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。

時鐘模塊實現(xiàn)功能

該模塊為系統(tǒng)提供精準的秒、分、時、日、月、年等實時時間信息，星期則由編程計算得到。

溫度采集模塊

溫度采集模塊設(shè)計

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

DS18B20的測溫原理

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送給減法計數(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)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。

顯示模塊的設(shè)計

本次設(shè)計采用的是LED動態(tài)顯示方式，由于PROTEUS內(nèi)沒有LED，故用LCD代替LED進行仿真，與主控制芯片AT89C52相連。如圖6所示。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計

主程序流程框圖

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

Proteus7.6是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，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，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

運行Proteus的ISIS程序后，進入該仿真軟件的主界面如圖8所示。在工作前，要設(shè)置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。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、擴展名等項目;在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機硬件電路的對應(yīng)程序;通過debug菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運行情況。

圖8 Proteus的啟動界面

Proteus軟件所提供的調(diào)試手段

Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機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，就是一個單片機的應(yīng)用系統(tǒng)了。在這一階段，硬件電路的設(shè)計已經(jīng)不是最為關(guān)鍵的了，而軟件系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和運行才是實驗的主要內(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，進行軟件的設(shè)計和調(diào)試。

Keil C的介紹

keil C的運行界面

運行Keil C后的運行界面如圖9所示。

圖9 keil C的運行界面

Keil C與proteus聯(lián)調(diào)測試

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、進入keil的project菜單option for target '工程名'。在DEBUG選項中右欄上部的下拉菜選中Proteus VSM Monitor-51 Driver;

5、在keil中進行debug，同時在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中把單片機的加載程序文件換成keil中的hex文件，然后運行。

運行結(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

日期和時間的修改由4個按鍵構(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PO時秒閃爍進入調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖11所示。

按動P2^0向左移，對分進行調(diào)節(jié)，如圖12所示。

按動P2^1向左移，對時進行加調(diào)節(jié)，如圖13所示。

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

按動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)計了一個多功能的電子萬年歷。電路是由AT89S52單片機為控制核心，與時鐘芯片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個獨立按鍵，根據(jù)使用者的需要可以隨時對時間進行校準、選擇時間、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、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。

在整個設(shè)計過程中，充分發(fā)揮個人的主觀能動性，自主學(xué)習，學(xué)到了許多沒學(xué)到的知識，增加了動手能力的考驗，達到了預(yù)期的目的?？傊?，這次設(shè)計使我的能力得到了全方位的提高。