多功能电子万年历设计.docx
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多功能电子万年历设计
论文题目:
多功能电子万年历的设计
学院电气工程学院
多功能电子万年历设计
专业:
自动化姓名:
指导老师:
摘要随着科学技术的快速发展,纵观太阳、摆钟到现在电子钟,人类不断研究,不断创新进步。
目前,单片机技术的应用产品已经走进了千家万户。
多功能电子万年历的出现给人们的生活带来了诸多方便。
此产品是基于STC89C52RC单片机的日历显示系统,它能显示公历年、月、日,以及时、分、秒、温度、星期等信息,而且还具有调整时间,温度采集,闹钟及个性化的闹铃等功能。
系统所用的时钟日历芯片DS1302具有高性能、低功耗、接口简单的特点,使本系统电路简化,编程方便,同时功能也很强。
采用STC89C52RC单片机的万年历系统可以很好的改善传统采用模拟电路引起的计时不准确,不可靠,一致性差等问题。
此系统计时精确,价格低廉,可以广泛应用在生活,学习和工作等任何领域,并且起到重要作用。
关键词:
万年历,单片机,时钟芯片,温度芯片
ABSTRACT
Alongwiththetechnicalfastdevelopment,timepassing,tofromtheviewsun,thependulumclocktothepresentelectronclock,thehumanitystudiesunceasingly,innovatesunceasinglytherecord.Atpresent,themonolithicintegratedcircuittechnology'sapplicationproductalreadyenteredeveryone.Theelectronictenthousandcalendar'sappearanceshavebroughtconvenientlymanyforpeople'slife.
ThisdesignisonebasedonSTC89C52RCsingle-chipmicrocomputercalendardisplaysystem,itcandemonstrateyears,themonth,thedateoftheGregoriancalendar,andhour,minute,second,temperature,weekandsoon.Moreoverithasalsoprovidedthelunarcalendarinformation,adjustabletimepattern,temperaturesample,alarmsystem,individualquarter-bellandsoon.ThesystemclockcalendarDS1302withhighperformance,lowpowerconsumptionandsimpleinterfacefeaturesCircuitenablethesystemtostreamlineprogrammingconvenience,butalsohighlyfunctional.Theproblemsofinaccurate,unreliable,andtheuniforminferiorcanbecomeupwhenyouusetheanalogouscircuit.However,itcanbeimprovedwhenyouusetheclocksystembasedonSTC89C52RCsingle-chipmicrocomputer.Thesystemtimeaccurate,lowcostandcanbewidelyappliedtothelife,studyandworkinanyfield,andhasplayedanimportantrole.
Keywords:
TheElectronicCalendarClock,Single-chipMicrocomputer,TheTimeCalendarClock,TemperatureChip
1绪论
1.1多功能电子万年历的研究背景与意义
伴随着单片机和电子技术的快速发展,人类不断研究,不断创新纪录。
万年历已经不像以前那样以书本形式出现。
以电子产品形式或者电脑软件形式出现,并附加有温度、湿度监控以及闹铃提示功能的万年历被称为多功能电子万年历。
与先前的书本形式的万年历相比,多功能电子万年历成为了各个电子产品的一部分而得到了广泛的应用,如在手机、电脑、空调等电子电气产品中大量使用。
采用电子时钟作为时间显示已经成为一种时尚。
目前市场上各式各样的电子时钟数不胜数,但多数是只针对时间显示,功能单一不能满足人们日常生活需求。
本文提出了一种基于STC89C52RC单片机的多功能电子万年历设计方案,采用一个LCD显示。
本方案以STC89C52RC单片机作为主控核心,与时钟芯片DS1302、温度芯片DS18B20、闹钟模块、闹钟设置存储模块、按键、LCD显示等模块组成硬件系统。
在硬件系统中设有4个独立按键和一个LCD显示器,能显示丰富的信息,根据使用者的需要可以随时对时间进行校准、选择时间、星期、温度显示以及提醒等.总体来说多功能电子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。
1.2多功能电子万年历的发展现状
随着微电子技术的高速发展,单片机在国民经济的个人领域得到了广泛的运用。
单片机开发技术已成为电子信息、电气、通信、自动化、机电一体化等专业技术人员必须掌握的技术。
国内企业为了获得更大的投资收益,在生产规模和产品质量上不断提升,开发单片机呈必然趋势。
二十一世纪的今天,具有代表性的计时产品就是电子万年历,它是近代世界钟表业界的第三次革命。
前两次革命是摆和摆轮游丝的发明,以及石英晶体振荡器的应用,第三次革命就是单片机数码计时技术的应用(电子万年历),使得从原来传统指针计时的方式发展为人们日常更为熟悉的夜光数字显示方式,直观明了,并增加了全自动日期,星期,温度以及其他日常附属信息的显示功能,它更符合消费者的生活需求!
因此,电子万年历的出现带来了钟表计时业界跨越性的进步。
1.3论文研究的内容
本设计采用STC89C52RC芯片作为系统主要芯片,能以的超低的3.3V电压工作,而且能够和51单片机系列完全兼容,该芯片内部存储器ROM为8KB存储空间。
具有和51系列单片机一样的功能,并且具有可擦除可在线编程技术。
用LCD数码管动态显示,LCD数码管价格适中,对于显示数字合适,且采用动态扫描法与单片机连接时,占用单片机接口线少。
采用DS1302时钟芯片实现时钟,DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片,可自动对秒、分时日周月年以及闰年补偿的年进行计数,而且精度高,位的RAM作为数据暂存区,工作电压可以在2.5V~5.5V范围内,2.5V时耗电小于300mA。
因此采用STC89C52RC单片机作为此设计的主要芯片,且作品的精度高,成本低,易于制作研究。
1.4本设计进行的主要工作
(1)分析多功能电子万年历的运行原理;
(2)设计多功能电子万年历的总原理图;
(3)根据多功能电子万年历的原理图选择各个模块的芯片;
(4)设计多功能电子万年历的总流程图和各个模块的流程图;
(5)根据多功能电子万年历的总流程图和各个模块的流程图,用C程序语言编写程序;
(6)根据多功能电子万年历的原理图连接硬件电路做出实物;
(8)对多功能电子万年历进行硬件测试;
(9)实现总体设计目标。
1.5本多功能电子万年历系统主要要实现的功能
(1)设计一个万年历可以显示年、月、日、时、分、秒、星期,具有调整日期和时间功能,可以与即时时间同步;
(2)具有闹铃设置功能,可以设置任意时间闹铃,发出报警信息;
(3)具有温度采集功能,可以采集-55℃-125℃之内的温度,并且显示在LCD上。
2单片机的简介
2.1单片机的介绍
单片机作为一个微型计算机而得到的集成电路芯片。
它运用特大规模集成技术将:
具有数据处理能力的CPU、含程序存储器ROM和数据存储器RAM、输入、输出口电路(I/O接口)集成在同一块芯片,构成一个小巧而又很完善的微型计算机系统,在程序语言的控制下能准确、高效而又迅速地完成程序设计者需要完成的任务。
因此说,一个单片机就具有了能够组成计算机的全部的功能。
然而单片机又和单板机(一种能够将微处理器的芯片、存储器芯的芯片、输入输出接口芯片安装在同一个印制电路板上的微型的计算机)不相同,早先的单片机芯片在没有开发完全之前,它只是一种能够具备极强功能的超大规模集成电路,倘若对它能够进行应用开发,单片机便可以成为一个小型的微型计算机控制系统,然而它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别。
不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征。
单片机芯片的内部结构决定了其硬件特征,某种单片机被用户使用之前,用户必须了解这种类型产品是否满足想要实现的功能和应用系统的特性以及指标。
这期中的技术特征包括:
功能特性、控制特性以及电气特性等等。
软件特征指的是指令系统特性和开发支持环境,指令特性就是输入输出特性、单片机的寻址方式、数据处理和逻辑处理方式、和对电源的要求等。
开发支持环境:
支持软件、指令的兼容及可移植性以及硬件资源。
想要开发自己的应用系统而要使用某型号单片机,掌握其技术特征和结构特征是必不可少的。
数字电路或复杂电子线路构成的控制系统可以用单片机控制系统取代是之简单化、易操作。
就可以软件控制来实现,且能够实现智能化和模块化。
现在单片机控制范围无所不在,比如家用电器、过程控制、通信产品、智能仪器仪表和专用控制装置等等,单片机被广泛的应用在各行各业。
诚然,单片机的应用意义远远超过了其应用范畴和由此带来的经济效益,更为重要的是它已从根本上改变了传统的设计思想和控制方法。
这是控制技术领域的一次革命,也是一座重要的里程碑。
3方案设计与论证
按照系统设计的要求,初步确定系统由电源模块、时钟模块、显示模块、键盘接口模块、温度测量模块和闹钟模块共六个模块组成,电路系统构成模块框图如图3.1所示。
图3.1硬件电路模块框图
3.1单片机芯片设计与论证
方案一:
采用AT89C51芯片作为主控芯片,内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低电压工作,就是可以和51系列的单片机可以完全兼容,但是当其运行在电路设计中的时候由于不能具备ISP在线编程的技术;
方案二:
采用STC89C52RC芯片作为硬件的核心,,能以的超低的3.3V电压工作,而且能够和51单片机系列完全兼容,该芯片内部存储器ROM为8KB存储空间。
具有和51系列单片机一样的功能,并且具有ISP在线可擦除可在线编程技术;
综合考虑,采用STC89C52RC作为主控芯片,它的内部存储空间更大,且具有ISP在线编程技术,可节省成本。
3.2电源模块设计与论证
方案一:
采用USB电源线接电脑USB口为系统提供电源,携带不方便,成本高;
方案二:
采用独立的5V电源,为单片机及外部电路提供电源,能提供较为稳定的电压及足够的功率,制作简单,成本较低、便于携带;
考虑系统为一个便携式用品,方案一不便于携带,故采用方案二。
3.3按键控制模块设计与论证
方案一:
采用矩阵键盘,由于按键多可实现数值的直接键入,但在系统中需要CPU不间断的对其端口扫描;
方案二:
采用独立按键,查询简单,程序处理简单,可节省CPU资源;
因系统中所需按键不多,为了释放更多的CPU占有时间,故采用方案二。
3.4时钟模块设计与论证
方案一:
采用直接的单片机定时/计数器提供所需的秒信号,编程程序来实现秒、分、时、日、周、月、年的计数。
采用这一种方案虽然可以减少所用的芯片的数量和节约成本,但其实现后的时间误差较大不准确;
方案二:
采用DS1302时钟芯片而实现的时。
DS1302芯片是一种具有高性能的时钟芯片,可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数,而且精度高,位的RAM作为数据暂存区,工作电压2.5V~5.5V范围内,2.5V时耗电小于300nA;
综合考虑制作难度及精度,故采用方案二。
3.5温度采集模块的设计与论证
方案一:
采用温度传感器(如热敏电阻或AD590),再经AD转换得到数字信号。
虽然价格低廉,但精度不高,电路较复杂;
方案二:
采用数字式温度传感器DS18B20,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式,虽然价格较贵,但精确度高,误差在1℃左右;
综合考虑,采用方案二,用DS18B20温度芯片,采用单总线访问,降低成本、降低制作难度且可节省单片机宝贵的GPIO资源。
3.6显示模块设计与论证
方案一:
采用LED的方法,虽然亮度较高、成本低,但电路连接复杂,;
方案二:
采用LCD的方法,具有硬件制作简单可直接与单片机接口,LCM1602可显示32个字符,采用LCD的缺点是亮度不够;
比较以上两种方案,采用方案二,由于本多功能电子万年历是一种小型系统,采用独立电源供电,因此采用LCD显示也可以简单化电路连接。
4系统的硬件设计
4.1主控芯片STC89C52RC与复位电路和时钟振荡电路
4.1.1STC89C52RC的概述
STC89C52RC单片机是以52内核为主的单片机系列,STC单片机是宏晶公司生产的产品(单时钟/机器周期)的单片机,是具有特别强的抗干扰、高速、低功耗的新生代的8052单片机,它的指令代码是可以全部兼容传统8051,但速度比51快8—12倍,内部集成了MAX810的专门用的复位电路。
4路PWM和8路的高速的10位A、D转换,针对电机/强干的扰控制场合。
STC89C52RC单片机引脚如下图:
图4.1STC89C52RC单片机引脚如下图
STC89C52RC单片机主要性能:
(1)高速:
1个时钟/机器周期,增强的8051,速度比传统的8051快8~12倍;
(2)低功耗的设计:
空闲模式,掉电模式(唤醒可由外部中断);
(3)工作频率:
0~40MHz,相当于频率为0~8MHz的一般8051;
(4)时钟:
可由外部的晶振或者内部的RC振荡器,在ISP环境下下载用户编程程序事设计;
(5)16K的字节的芯片内部Flash程序存储器,擦出读写次数可以在10万次以上;
(6)芯片内部RAM数据存储器:
512个字节;
(7)芯片内部有EEPROM功能;
(8)ISP/IAP,在系统和应用可编程时,无需编程器和仿真器;
(9)16位定时器和2个硬件,兼容普通8051的定时器;
(10)有WDT看门狗功能;
(11)SPI的通信端口为高速的;
(12)串口为UART(双全工异步),和普通8051兼容的串口;
(13)结构采用了较为先进的指令集,和8051普通指令集相兼容,4组8个8位通用的工作寄存器,有硬件乘除法指令;
(14)通用I/O口(27/23/15个),复位后为:
准双向口/弱上拉(普通80C51传统I/O口);
(15)有四种模式可供设置:
准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每一个I/O口的驱动能力都可达到20mA,但是整个芯片的电流最大不能超过55mA。
4.1.2复位电路和时钟振荡电路
(1)复位电路:
按键的手动式复位就是通过使复位端经电阻(R)与VCC接通而后来实现的,与单片机接口图如图4.2
图4.2复位电路与单片机接口图
(2)时钟振荡电路:
本多功能电子万年历时钟振荡电路采用的是内部时钟方式的电路,此电路可以通过调节电容C0和C1的大小对频率进行微调,是之达到技术要求,与单片机的接口电路如图4.3:
图4.3时钟振荡电路与STC89C52RC单片机的接口电路
4.2时钟芯片DS1302接口设计和性能分析
4.2.1DS1302性能简介
DS1302是Dallas公司生产的一种实时时钟芯片。
它通过串行方式与单片机进行数据传送,能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息,并可对月末日期、闰年天数自动进行调整;它还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚,在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。
另外,它还能提供31字节的用于高速数据暂存的RAM。
DS1302的时钟芯片内部主要包括:
振荡器、控制逻辑电路、移位寄存器。
DS1302和单片机系统之间的数据传送依靠的是SCLK、RST、I/O,三根端口线就可以完成。
它工作时的过程为:
首先系统RST这个引脚驱动到高电平,然后在SCLK时钟脉冲作用下,通过I/O口向DS1302输入命令和地址字节,而后在SCLK时钟脉冲信号的配合下,从I/O引脚读出或写入相关的数据的字节。
所以,它和单片机二者之间的数据传送是很容易实现的,DS1302的管脚排结构图如图4.2。
DS1302引脚说明:
图4.4DS1302引脚图脚
X1,X232.768kHz晶振引脚
GND地线
RST复位端
I/O数据输入/输出端口
SCLK串行时钟端口
VCC1慢速充电引脚
VCC2电源引脚
4.2.2DS1302接口电路设计
(1)时钟芯片DS1302的接口电路和工作原理
图4.5DS1302与单片机的接口电路
图4.5为DS1302的接口电路,其中VCC1为后备电源,VCC2为主电源。
VCC1在单电源去提供电能的系统中可以采用提供低电源,而且可以提供低功率的电池的备份了。
VCC2在采用双电源提供电能系统中就是充当主电源来运用,其在这一种运用地方式中VCC1就连接到备份地电源,以致于在没有主电源地情况之下能确保保存时间信息以及数据。
DS1302由VCC1或VCC2两者中较大者供电。
当VCC2大于VCC1+0.2V时,VCC2给DS1302供电。
当VCC2小于VCC1时,DS1302由VCC1供电。
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。
表1为DS1302的控制字,此控制字的位7必须置1,若为0则不能对DS1302进行读写数据。
对于位6,若对时间进行读/写时,CK=0,对程序进行读/写时RAM=1。
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;进行写操作时,该位为0。
控制字节总是从最低位开始输入/输出的。
表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)DS1032的控制字
DS1302它的控制字由表-1所表示。
控制字节的高有效位(位7)一定是逻辑1,倘若它为0,则就不可能把数据写入到DS1302中去。
位6若为0,则表示的就是存取日历的时钟数据,为1,则表示存取的RAM数据。
位5到位1指示的是操作单元地址。
最低有效位(位0)若为1,则表示进行‘读’操作,为0,则表示进行‘写’操作。
控制字节一直是从最低位输出开始的。
表1DS1302的控制字格式
(3)数据输入/输出(I/O口)
从控制指令字输入之后的下一个时钟脉冲的上升沿,数据开始就被写入了DS1302,数据的输入从位0开始。
同样的,从接下来的8位的控制指令字后的下一个时钟脉冲的下降沿,开始读出DS1302的数据,读出这些数据时从低位(0位)到高位(7)。
如下图4.6所示。
图4.6DS1302读/写时序图
(4)DS1302的寄存器
DS1302的寄存器有12,其中的7个寄存器可以和日历以及时钟有关联,存放的形式就是以数据位为BCD码的形式,它的时间和日历的寄存器以及其控制字可以见表2。
表2DS1302的日历和时间寄存器
此外,DS1302还有寄存年份的寄存器、充电量、控制等寄存器、与内外部的RAM相关的寄存器及和时钟突发的寄存器们等。
时钟突发的寄存器可以一次性的顺序读写,除充电的寄存器之外的其他所有的寄存器的内容。
DS1302和RAM关联的寄存器是可以分成为两大类:
其中之一就是单个的RAM单元(31个),每一个单元组由一个的8位的字节组成。
它的命令控制字是C0H~FDH,这中间奇数为读操作,偶数则为写操作;而另一类是突发地方式下地(RAM)寄存器,这种方式下可以一次性的读/写出所有RAM的31个的所以字节,它的命令控制字是FEH(写)、FFH(读)。
4.3温度芯片DS18B20接口设计和性能分析
4.3.1DS18B20的性能介绍
(1)DS18B20的主要特性:
DS18B20的温度传感器是由美国DALLAS半导体公司最新推出的,它一种改进型的智能温度传感器,和普通热敏电阻等元件相比,它可以直接的读出被测量的温度,而且能够根据实际情况的要求通过简单的程序编程来实现9-12位的数字值读取方式。
在现场的温度可以直接以一线总线的数字方式来传输,很好地提高了系统的抗干扰的能力。
它可以适应于恶劣地环境的现场的温度的测量。
就像:
雪地环境测量以及测量温度类消费电子产品等。
和早前一代的产品不同的是新的产品可以支持3.3V~5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、更简单、更方便。
它的性能特点可归纳如下:
①独创的单线式接口仅需要一个端口引脚进行通信;②测温范围在-55℃到125℃,分辨率最大可达0.0625℃;③采用了3线制与单片机相连,减少了外部硬件电路;④零待机功耗;⑤可通过数据线供电,电压范围在3.3V-5.5V;⑥用户可定义的非易失性温度报警设置;⑦报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;⑧负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热烧毁,只是不能正常工作。
(2)DS18B20工作原理:
DS18B20的读、写时序与之测温原理和以前的DS1820相同,只不过是得到的温度的数值的位数因为分辨效率不同而不尽同的,而且温度转换时候的延迟时间由2s减少到750ms。
图示中的低温系数的晶振的振荡的频率,它受温度变化的影响非常小,运用在产生固定的其频率地脉冲送给其计数器1。
高温度的系数的晶振随着温度的变化其振荡频率很明显发生了改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
4.3.2DS18B20的接口电路设计
如图4.7所示,该系统中采用数字式温度传感器DS18B20,具有测量精度高,电路连接简单特点,此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输,用P2.3与DS18B20的DQ口连接,VCC接电源,GND接地。
图4.7温度传感器DS18B20接口电路
4.4闹钟模块系统设计于性能分析
此部分硬件上利用AT24C02存储闹钟时间,普通蜂鸣器作为闹铃播放器件。
4.4.1AT24C02器件分析
(1)AT24C02的
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