单片机技术万年历项目设计方案

1 单片机技术万年历 项目设计方案 1 绪论 背景及意义 在当代繁忙的工作生活中，时间与我们每一个人都有非常密切的关系，每个人都受时间的影响。随着社会科技的发展，人类得知时间，能够了解其他与人类密切相关的信息，比如温度，星期等。电子万年历诞生了，它集时间、日期、星期和温度功能于一身，具有读取方便、电路简洁等诸多优点。随着大规模集成电路的出现，给人类生活带来了许多改变。尤其是单片机技术，嵌入式产品的普及，各类应用产品已经走进千家万户。电子万年历的出现给人们的生活带来了诸多的方便，现在内嵌于各种电子产品 中，具有广阔的市场前景。 目前的万年历功能扩展了诸如定时自动报警、闹钟、定时广播、自动启闭路灯、定时开关烤箱、开断各种家庭电气等。但是所有的功能，都是以钟表数字化为基础的。因此，万年历的扩展功能及其应用十分丰富。中国电子产业发展 出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理，产业集中于劳动密集型产品。技术密集型产品明显落后于发达国家。生产要素决定性作用正在削弱，产业能源消耗大、产出率低、坏境污染等。 随着科技的快速发展，时间的流逝，从观太阳，摆钟到现在电子钟，人类不断研究，不断创新纪录。它可以对年、月、 日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能。对于 电子万年历采用直观的 同时显示年、月、日、时、分、秒和温度等信息，还具有时间校准等功能。 此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。 设计主要工作 万年历系统基本方案选择与论证，硬件电路的设计与实物制作，各模块软件编写与调试等是设计的几个主要工作。 2 分别要对核心控制芯片、显示器、温湿度传感器、时钟芯片、控制键盘等进行选择论证，得出最终总体设计方 案。硬件电路以 加多个相应扩展电路模块，构成万年历系统。外围模块分别是 载模块、 晶显示器模块、 钟模块、 湿度传感模块、红外遥控模块（接收电路模块 ,传输电路模块 ,中央控制器 (8031),信号调理电路模块 ,数据存储和应用程序）等。软件采用 各模块用 件在计算机上分别进行设计调试，得出结果。各模块软件设计成功之后，再对其进行模块化，最终将各模块组合得到系统总的软件设计程序。 3 2 设计思想与方案 设计思想 万年历是单片机控制技术的一个具体应用，为了实现系统的大众化，界面的友好性出发。主要研究内容包括以下几个方面： （ 1） 根据选用的万年历设计外围电路确定单片机接口电路。 （ 2） 在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，使系统电路尽量简单。 （ 3） 在设计时尽可能减小硬件电路的复杂度，能用程序设计实现就采用程序设计进行。 （ 4） 根据硬件电路，在万能板上完成器件的焊接。 （ 5） 根据单片机的接口电路，编写控制 （ 6） 通过编程、编译、调试， 把程序烧入单片机上运行，并测试其功能。 （ 7） 在软件程序设计时，尽量考虑提高人机交互界面的友好，方便用户操作等因素。 设计方案及原理 按照系统设计的要求和功能，将系统分为单片机模块、下载电路、复位电路、晶振电路、 示模块、电源电路几个模块，系统框图如图 1所示。 4 单 片 机 模 块供 电 模 块L C D 显 示 模 块红 外 模 块下 载电 路复 位电 路晶 振电 路图 1 系统框架图 万年历系统的工作 原理：单片机控制电路，显示电路以及红外遥控电路。由单片机控制的万年历以及时间显示，当时间及秒计数计满 60 时就向分进位， 分计数器计满 60 分后向时计数器进位，小时计数器按“ 24 翻 1”规律计数。时、分、秒的计数结果经过数据处理可直接送显示器显示。当计时发生误差的时候可以用校时电路进行校正。时计数器计满 24 小时后自动向日计数器进一，日计数器由平年、闰年的 28/30/31 对大、小月和二月的判断应与当月相应的日期相一致，当日计数器计满时，向月计数器进位，月计数器计满 12月向年计数器进位，当年计数器计满 100 时所以计数器 清零。设计采用的是年、月、日和时、分、秒、星期显示，所以在单片机通过对数据处理进行同时在液晶上显示。 5 3 系统硬件的设计 主要器件介绍 片机 片内 储器 ,具有 8以工作在 3且与 具备 以实现在设计中对修改后程序擦除与烧入。设计采用的是双列直插式 片机，并运用活扣锁紧座，方便对芯片进行拔插，以防止对芯片的机械损坏，方便设计使用。 0个引脚， 4个 I/个口线都有 8位，同时具有3个定时器 /计数器， 2个数据指针，串行通信线路形式是全双工形式。 除此之外，单片机还有两种节电模式。在空闲模式情况下， 是其内部模块仍然可以继续工作，如 时器 /计数器、串口以及中断等都可以工作。在使用掉电保护情况下，单片机会把 荡器将会停止工作，这就意味着单片机会停止所有工作，要想重新开始工 作就要等到下一个中断或者硬件复位信号到来。如图 2 为 6 图 2 片机的引脚图 晶显示屏 本身不能发光显示，显示原理是反射自然光而形成字符显示。液晶显示模块有多种接口方式，如： 2线或 3线串行以及 4位或 8 位并行等接口方式，它的 低电平进行串口通信，通过对其灵活的接线和指令操作就能完成。内部配置了 16 * 16 点的汉字共 8192个 ,此外 ,还配置了 8个 6 * 8分 符集、内部存在的简化汉字点阵图形都是属于国家一级和二级标准的 ,显示分辨率为 128*64。液晶显示屏显示字符方便人们清晰地观察，并可对其软硬件进行方便的调试工作。通过各方面比较，其硬件电路的搭建也比其他相同类型的显示器电路要简单，价格也较便宜，并且它还具有低电压、低功耗、高清显示等显著优点。实物图外观如图 3 所示。 7 图 3 晶显示屏 钟芯片 片来产自 司 ,设计中使用 锂电池对其涓流充电提供电源。它共有八个引脚，各引脚分别是供电、连接外部时钟信号、接收复位信号、与单片机进行串口通信等功能，与单片机相连的引脚有三个，分别是 位引脚， I/O 数据线引脚和 内部具有完整的时钟和日历以及 31 字节静态 信息，通过单片机与其通信，采集时间数据，然后对数据进行处理，就能得到各种时间信息。时钟有 12/24 小时格式，通过对 M 进行指示，就能选择想要设定的格式，一般选用 24 小时制。 它除了能对每个月的天数进行调 整，还能对闰年天数进行自动调整，这样就减少了软硬件上的复杂度。硬件设计比较简单，只需给 片提供工作的正常电压和正常时钟信号即可。并且它还具有高精度、低功耗等特点，在进行工作时功耗小于 1的引脚图排列如图 4 所示。 图 4 脚图 外接收头 红外接收头 用一体化设计，具有对信号 放大、检波、整形 等一系列功能，从而产生需要的 它采用 黑色环氧树脂封装 ，日光、 8 紫外光、电灯 荧光 等自然光源对其一般产生不了干扰。同时它还具有 磁屏蔽 功能，其周围的磁场对其也没有影响。以上设计使它具有非常高的 灵敏度 ，还能接收较远距离的信号，一般接 收 距离可达 35有三个引脚，分别是接 5地以及解调信号输出引脚。它的管脚排列如图 5 所示。 图 5 脚图 图 5 蜂鸣器 硬件单元电路的设计 直流稳压电源电路 万年历系统的各个模块的功能实现首先必须要有一个稳定可靠的电源，能够让各个模块稳定的工作。为了能方便获取所需电压 +5V，采用变压器将市电电压降压至 12V 交流电，然后通过整流、滤波、稳压、滤波给系统提供稳定 的电源。电路原理图详见附录。 电源电路先选用电源变压器变比 K=220V/12V，将电网电压降到 12V，降压后的交流电压通过整流电路变换为单向脉动电压。其整流元件如：晶体二极管、电子二极管或晶闸管等构成整流桥（选取全桥正向电流为 2A，耐压值为 25V 即可）。整流后的电压再经过滤波器减小其脉动程度以符合负载的需要。滤波电路一般由电容（取 2200可 ）组成，利用电容充放电的原理把脉动电压中大部分纹波加以滤除得到较平滑的直流电压。将滤波后的直流电压通过稳压电路，一般采用稳压芯片（ ）的方式以得到稳定的 直流输出电压。最后在经过一道滤波电路（一般取 容 ）使得电压的纹波更加稳定。 片机最小系统 一块单片机的最小系统包括：一个可靠的电源（直流稳压电源）、一个稳定的晶体震荡电路、复位电路、下载电路。通过以上组合的单片机系统才能正常的按照所写的程序来执行操作。 （ 1）下载电路 万年历系统选择的单片机是 以下载方式为 载，即在线编 9 程，可直接将单片机电路制作好，通过计算机完成烧写程序。同时也可以采用下载电路对系统供电。 载是基于串行传输方式，并且符合 议。 下载电路如图 6所示。 图 6 载电路 （ 2）晶振电路 单片机只有满足相应的时钟信号才能进行工作， 晶振电路 结合单片机内部的电路 ，产生单片机所必须的时钟 频率 ，单片机的一切 指令 的执行都是建立在这个基础 上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。 通过在1、 2石英晶振外加两个负载电容器 (电容器根据经验一般取 30成的电路为单片机提供时钟信号。采用 12晶振能更好的实现对万年历的走时功能，所以使用 12晶体晶振为系统单片机提供必要的时钟信号。时钟电路如图 7所示。 图 7 晶振电路 （ 3）复位电路 单片机复位有上电复位、按键复位，当出现死机和运行错误 的时候一般采用按键方式对单片机进 行复位操作。万年历的复位信号产生使用上电加按键复位，当系统上电时，按键并联的电解电容（取 22F）开始充电，单片机复位引脚为高电平，电容充电完成后由于电容的特性，复位引脚被下拉电阻（取 1 10 为低电平。根据电容容值的选择可确定电容充电时间，完成复位操作。往后系统正常运行，可使用按下按键由电阻（ 200 和 1压得到约 电压，符合 晶体管 逻辑高，使得复位引脚进行复位操作。复位电路图如图 8所示。 图 8 复位电路 红外模块电路 红外模块电路由红外发射电路、红外接收电路和红外遥控器组成。 红外发射电路部分由一个发射管、 2个 9012三极管和 4 个 射管在发射数据的过程中，将会达到几十 就是说发射功率会达到 。但是其自身并不能达到发射功率的要求，还需要借助 9012 三极管，放大电流驱动红外发射管，才能达到基本发射要求。一般情况下，信号会被调制在 38载波上，然后，由红外发射管将已调制的信号发送出去。故载波由单片机定时器产生提供。 红外接收电路部分由 1 个红外接收器、 1 个 100解电容、 1 个 200电阻和 1 个 100瓷片电容组成。其采用的集成红外接收器 ,即一体化红外信号接收头 集红外接收、放大信号、信号整形与处理功能于一身。 通常不需要外部其他设备，就能实现红外接收等工作。例如：输出 它只有3个引脚，分别是电源、公共地以及脉冲信号输出。红外接收器将接收到的红外信号进行解调，然后直接送至单片机进行信号处理。 脚与单片机 过单线传输接收到的红外信号。 红外键盘即为红外遥控器，它及多种模块电路和程序存储器于一体，通过计算机编程技术就 能在系统中实现相应的键值功能，其具有远距离操作、操作简单、传输信号快等特点。红外模块电路如图 9 所示。 11 图 9 红外模块电路 示电路 12864液晶是一种具有 4位 /8位并行， 2线或 3线串行多种接口方式，内部含有国标一级，二级简体文字库的点阵图形液晶显示模块：其显示分辨率为 128 64，内置 128 个 16*16 点文字，和 128 个 16*8 点 符集，利用该模块灵活的接口方式和简单，方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 8 4行 16 16点阵的汉字，也可完成图形显示 。低电压低功耗是其又一 其基本特性如下： 低电源电压（ + + 显示分辨率： 128 64点 内置汉字字库，提供 8192个 16 16点阵汉字 内置 128个 16 8点阵字符 2显示方式： 半透，正显 驱动方式： 1/321/5角方向： 6点 背光方式：侧部高亮白色 耗仅为普通的 1/10 通讯方向：串行，并行可选 内置 需外加负压 无需片选信号，简化软件设计 工作温度：零度到 55度，存储温度：负 20度到 60度。 而本设计将采用的是并行接口，及见图 10所示。 12 图 10 128 64 液晶电路 我们用单片机来进行控制。它可以很直观的用来显示年、月、日、时、分、秒及 星期，单片机与 接口电路如图 11所示。 图 11 接口电路 原理图 见附录 A 13 元器件清单 见附录 C 4 系统的软件设计 主程序设计 软件部分主要有以下模块程序设计： 晶显示程序、日期及时间显示程序、时间调整程序、红外接收程序等。 设计主程序包括系统初始化、判按键状态、日期及时间设置等。主程序流程图如图 12所示。 14 开 始系 统 初 始 化显 示设 置 时 间进 入 修 改 时 间 模 式读 时 间设 置 按 键是 否 按 下 ？设 置 完 成 ？2 主程序流程图 子程序设计 在进行程序开发时，不可以随意设计，需要对系统进行整体分析，考虑系统板上的硬件资源，得出多种方案，以最优方案进行设计。在软件设计过程中，选择模块化的设计方法，依次为每一个模块进行软件设计，这样不仅方便设计者对程序设计和修改，还方便阅读者读懂程序。接下来将分别介绍各个模块的程序设计。 液晶显示程序设计 液晶显示 两种工作方式：并行通信方式和串行通信方式。设计采用串行通信工作方式。软件设计包括系统初始化、液晶初始化、液晶读 /写时 15 序、清屏处理、 显示处理等。液晶显示程序流程图如图 13所示。 开 始初 始 化 设 置写 命 令 函 数显 示 处 理 函 数结 束清 屏 处 理 函 数写 数 据 函 数图 13 液晶显示流程图 日期及时间程序的设计 单片机从 钟芯片的寄存器中读取数据，通过 软件设计的过程中 ,需要编写 读 /写时序和液晶显示模块程序。单片机与时钟芯片通信过程中，时钟周期表现为上升沿时序 ,紧随其后的是一个下降沿。数据在上升沿期间输入，在下降沿期间输出。数据需保持正确。复位端为低电平时，将终止所有数据的传输。 I/期及时间程序设计流程图如图 14所示。 红外接收程序设计 系统程序设计要求就是把接收到的红外信号进行解码，采用软件编程把接收到的信息解码。解码系统分别由单片机定时器、外部中断以及软件的红外遥控接收等程序组成。测量两个脉冲串间的间隔由单片机的定时器来完成，红外脉冲信号接收由接收器完成，利用外部中断触发定时器，之后接收管接收到脉冲信号，触发外部中断可用程序实现。外部中断启动定时器，在时间间隔的同时，进行采样，采样脉冲代码存储到 外接收器使用集成 序设计部分分别是中断初始化、接收数据及键码处理等。红外接 收流程图如图15所示。 16 开 始写 入 允 许写 入 初 始 化 时 间时 间 、 日 期 转 化 为 液 晶 显 示获 取 时 钟 芯 片 时 间写 入 禁 止时 钟 芯 片 关 闭读 取 D S 1 3 0 2 秒 值4 日期及时间程序设计 流程图 开 始中 断 初 始 化接 收 数 据遥 控 码 值 处 理结 束 图 15 红外接收流程图 时间调整程序的设计 时间调整用红外键盘控制，就需要编写相应的调整程序。当要对时间调整时，首先进入设置时间程序，按数字键“ 1”则就可以进入，通过按键“ 可以对相应的年、月、日、时、分、秒、星期等具体时间进行选择，按 10 个数字键0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9就可对其具体调整，调整完成后可选择按键“ 认进入显示程序，或者按键“ -”返回设置和运行程序。为了保证以上指令的有效实现，还需要 在程序设计中屏蔽掉红外键盘上其他没有用到的按键，否则会对操作产生一定的影响。 在时间调整的过程中，为了与没有调整的时间区别开来，还设置了调整闪烁的功能，直到调到下一位，才取消闪烁。闪烁功能的原理是根据每个调整位的需要，对其送亮灭的指令信息。间隔时间为 50用定时器的溢出标志位，当发现定时器溢出时，送“熄灭”字符指令，等到下一次溢出时，再送“亮”的字符指令，这样，依次进行不断交替循环，直到调整位结束。时间调整程序流程图 17 如图 16所示。 开 始设 置 万 年 历按 数 字 键 1年 调 整E Q 移 位月 调 整E Q 移 位秒 调 整分 调 整时 调 整日 调 整E Q 移 位E Q 移 位E Q 移 位 字 键 2 万 年 历C H 确 认图 16 时间调整程序流程图 5 系统调试及结果分析 18 系统调试 把每个电路模块与单片机最小系统连接起来，组成万年历系统。随后在计算机上安装 万年历系统板与计算机通过下载线相连，给系统上电，打开程序下载软件（ 选择单片机 调入 件，点击自动，程序就被下载进入单片机了。拔掉下载线，使用 察现象，得出结论。 系统调试结果 系统上电后，液晶显示器上显示主界面“”等字符 ，接着自动跳入菜单栏界面。显示主界面如图 17 所示。 图 17 显示主界面 图 通过红外遥控器选择对系统进行时间校正，按数字键 1进入万年历设置界面，按数字键 2可进入万年历运行界面 ,按数字键 3 可进入万年历 农历显示界面。按下数字键 1，进入设置万年历，对现有的时间显示进行调整，完成后按确认键“ 返回菜单栏界面，按下数字键 2，进入运行万年历就能显示所有的信息。设置和运行界面如图 22 所示。 图 18 设置和运行界面 设计结论 万年历系统经调试，测试后，完成了年、月、日、时、分、秒的显示 和走时，而且可以任意设置成想要的日期和时间。并且还额外添加了温度检测，温度上限报警的功能。由上述运行结果分析来看各项要求足以满足设计任务书的要求。 设计课题的误差缺陷和改进分析 在万年历系统中的走时模块是使用的单片机内部的定时计数器，所以系统的 19 时间在经过校正后还是有一定误差。所以在实际应用中最好是使用一块实时时钟芯片进行走时。相对于定时器误差较小。系统的时间一旦掉电后就会造成丢失，也是可以通过一块实时时钟芯片解决。 万年历系统中欢迎界面的持续时间存在一定误差，系统中欢迎界面的维持是通过纯延时的方式 实现，所以有一定误差。 在高级应用中添加实时时钟芯片进行走时误差还是存在，这是不允许的，这时还可以添加自动校正时间模块。目前自动校正的方法大致有：使用 线网络获取网络时间、使用有线网络获取网络时间、使用 取当地时间、使用 频收音机获取整点时间等等。通过以上方式获取的时间与系统运行的时间进行校正。 设计体会 万年历系统的设计是对课堂学习效果的检验，同时也是对自身自学能力的检验。 回顾起此次单片机课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以 前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 结束语 20 通过对设计进行了研究背景及意义的分析，了解了研究的主要工作，论证了系统的基本方案并进行了方案选择，还给出了硬软件各模块的设计方案，得出了总体设计方案。 在研究的过程中通过对硬件设计仿真，模块调试，最终设计出了系统硬件实物。对各模块编写了相应 的程序软件并对其进行调试，分别得出各模块结果。把各模块软件组合成了万年历系统软件，下载到实物中，得出了最终结果。系统能显示基本时间信息，并能较准确的对时间进行调整，还能显示出实时环境的温湿度，基本满足了设计要求。但是由于知识水平和时间等各方面的局限，在系统设计的过程中还存在一些不足，如阴阳历的转换及显示，温湿度报警设定等其他一些模块，都未能实现。 总体来说，设计基本完成了设计任务。 参考文献 1 蒋敏 J87 21 2 王锐 J216 3 查荣 J139 4 周杏鹏 M北京：高等教育出版社， 89 5 张俊 M京航空航天大学出版社， 170 6 宋雪松 1 单片机 M华大学出版社， 38 7 李广弟 M版 京航空航天大学出版 社， 99 156 8 李全利 程） M等教育出版社，216 9 李钢 线数字温度传感器 J79 10 马忠梅 语言应用程序设计 M版 京航空航天大学出版社， 172 22 致 谢 本设计是在贾雅琼教授的悉心指导下完成的， 感谢老师表示忠心的感谢和崇高的敬意。感谢我的父母对我的培育。同时还要感谢所有的同学，他们也给了我很大的支持和帮助。最后，感谢老师能在百忙之中对我的论文进行审察，由于本人知识有限，不足之处在所难免，还请老师指正。 23 附 录 附 录 A 原理图 见下页 24 附 录 B：元器件清单 表 1 万年历元器件清单 元件名称 元件参数 数量 时钟电源 电解电容 22 瓷片 电容 33 发光二极管 1 1 排阻 470 1 温湿度传感器 一体化红外接收头 晶振 12M 1 晶振 开关 6角 1 按键 1 单片机 液晶 时钟芯片 电阻 1K 4 电阻 200 1 电阻 排阻 10K 3 电位器 50K 1 25 附 录 C： 万年历实物图 26 附 录 D：程序清单 /* 课题名称：万年历 作 者：凌昇 完成时间： 2015年 7 月 功 能： 完成万年历的时间显示、农历转换、调整时间等功能。 使用说明： 阵 )连至 阵 W)连至 阵 S)连至 00, ,02; 型 号 ： 使用晶振为 12 */ #; =13,6,4,17,23,58,46; /年周月日时分秒 ,; 4=一二三四五六日 ; ; 27 0=0 ; /* *函数名 ： *功能 ： 处理读取的 *输入参数： 无 *输出参数： 无 */ =/16+0; /年 分离出十位 =%16+0; /年 分离出个位 =0; =/16+0; /月 分离出个位 =%16+0; /月 分离出十位 =0; =/16+0; /日 分离出十位 =%16+0; /日 分离出个位 =0; =/16+0; /时 分离出个位 =%16+0; /时 分离出十位 =0; =/16+0; /分 分离出十位 28 =%16+0; /分 分离出个位 =0; =/16+0; /秒 分离出个位 =%16+0; /秒 分离出十位 =0; =(/16)*10+%16; =(/16)*10+%16; =(/16)*10+%16; =(/16)*10+%16; =(/16)*10+%16; =(/16)*10+%16; =(/16)*10+%16; /* *函数名 ： *功能 ： 初始化定时器 1 *输入参数： 无 *输出参数： 无 */ 1; 1; = 0 29 65536256; 65536256; =6+0; =6+0; =0; 0*100+; (0 = )&(0 != 00) |(0 = 400) ) ;/满足该条件的 ; ; M=; ) : ; 30 : ; : ; : ; : ; : ; : ; : ; : ; 0: 0; 1: 1; 2: 2; ; c,y,m,d,w; c=20; y=; m=; d=; w=(c/4)-2*c+y+(y/4)+(26*(m+1)/10)+7; =w; =*(; =*(1; =0; ,3, /* 下面是主函数 */ 31 k,i,h,m; ; ; ; 800); ; ) k=; =0; k) ,3,基本万年历 ); ,2,); ,2, ); ; ,1,20 年 月 日 ); ,3, 时 分 秒 ); ,1,星期 ); ,1,返回 -); ,4,确认 ; ,8,; ; ,2, ,4, 32 ,6, ,3, ,5, ,7, =*(; =*(1; =0; ; ,3, ; ) : ) k=; =0; k=0|(k=0 if(k=0 ; 33 i=0; =28; ; 34 : h=0; ) k=; =0; k=0|(k=0 if(k=0 ; k=0|(k=0|(k=0|(k=0|(k=0|(k=0|(k=0|(k=0|(k=0|(k=0 i=0; h=0 h); ,4, =(h/16)*10+h%16; ; :