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毕业设计（论文） 基于51单片机的电子时钟 学 院： 电子与信息工程学院 学生姓名： 专业班级： 应用电子（2）班 学 号： 2009108249 指导教师： 2012 年 5月30 日 毕业设计（论文）摘 要2引言3一、方案设计及方案论证51.时钟温度的总体设计思路52.时钟温度系统方案论证52.1时钟系统方案选择52.2单片机的选择52.3 显示系统的方案比较52.4 报警系统的方案比较62.5 温度系统方案选择62.6 键盘控制方案选择63. 时钟温度系统总体设计7二硬件设计部分71机最小系统电路设计71.1 单片机芯片选择71.2单片机管脚说明81.3 单片机最小系统102.时钟系统电路设计122.1 时钟芯片选择122.2 ds1302管脚及寄存器说明132.3 ds1302钟电路143 温度系统电路153.1 温度芯片的选择153.2 ds18b20内部结构描述153.3 ds18b20温度系统电路164 键盘控制系统设计17报警电路系统设计186液晶显示系统设计196.1 12864液晶显示电路19三、软硬件调试部分203.1软件调试203.2硬件调试20四.总结与体会22感谢23参考文献24摘 要lcd时钟温度系统是由中央控制器、温度检测器、时钟系统、报警系统,显示器及键盘部分组成。控制器采用单片机at89c52，温度检测部分采用ds18b20温度传感器，时钟系统用时钟芯片ds1302，用lcd液晶12864作为显示器，用蜂鸣器及发光二极管构成声光报警器。单片机通过时钟芯片ds1302获取时间数据，对数据处理后显示时间；温度传感器ds18b20采集温度信号送该给单片机处理；单片机再把时间数据和温度数据送液晶显示器12864f显示，12864f还可以显示汉字；键盘是用来调时和温度查询的。引言随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计是数据采集及处理，键盘控制，显示系统及报警系统与单片机有效结合，本设计是通过在“单片机原理及应用”课堂上学习的知识的综合应用，以及查阅资料，培养一种自学的能力。并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。全能提高个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今后能在相应工作岗位上的工作打下了坚实的基础。一、方案设计及方案论证1.时钟温度的总体设计思路按照系统的设计功能要求，本时钟温度系统的设计必须采用单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合按键控制，来控制时钟、温度的调整及显示。获得时钟温度数据信息，单片机对其进行一系列的处理，最后通过液晶显示出来。2.时钟温度系统方案论证2.1时钟系统方案选择方案1：通过单片机内部的定时器/计数器，用软件实现，直接用单片机的定时器编程以实现时钟；方案2：用专门的时钟芯片实现时钟的记时，再把时间数据送入单片机，由单片机控制显示。虽然用软件实现时钟硬件线路简单，但是程序运行的每一步都需要时间，多一步或少一步程序都会影响记时的准确度，对定时器定时也不是十分准确，时钟精度很低，对于我们实现所需要的功能造成软件编程非常复杂。用专用时钟芯片硬件成本相对较高，但它的精度很高，软件编程很简单。综上所述，选择方案2。2.2单片机的选择对于单片机的选择，如果用8031系列，由于它没有内部ram，系统又需要大量内存存储数据，因而不可用；51系列单片机的rom为4k，对于我们设计的系统可能有点小；54系列单片机与51系列的结构一样，而rom扩大为16k，对我们设计系统提供充足的空间进行功能的扩展。再有51系列单片机与52系列的单片机价格差不多。因此，我们选择52系列的单片机。 2.3 显示系统的方案比较 方案1：用数码管或led显示。 方案2：用液晶1602显示。方案3：用液晶12864显示。 时钟和温度的显示可以用数码管或led，而且价格便宜。但是数码管的只能显示简单的设计的系统，与我们设计要求也不相符。有很多东西需要显示，还是用显示功能更好的液晶显示器比较好，它能显示更多的数据，用1602液晶显示数据有限，显示数据的可读性不好，用可以显示汉字的12864液晶显示器还可以增加显示信息的可读性，让人看起来会很方便。 2.4 报警系统的方案比较 方案1：用长鸣的蜂鸣器实现闹钟铃声及温度超限报警。 方案2：用喇叭加语音芯片实现闹钟铃声及温度超限报警。 用喇叭加语音芯片成本很高，但声音还不错，再有喇叭体积庞大。用蜂鸣器，成本低，电路结构简单，而且体积小。限于设计所需要的功能，用蜂鸣器是最佳选择。所以我们采用方案1.2.5 温度系统方案选择方案1：用热敏电阻等测温元件测出电压，再转换成对应的温度。需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。方案2：用ds18b20直接测温。ds18b20温度传感器是美国dallas半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，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912位的数字值读数方式。经比较，我们选择方案2。温度实现只能通过外部的温度传感器来实现。经上网查阅及市场考察，ds18b20体积小，只有3只脚，电路接法简单。内部含有寄存器为我们设计实现上下限报警功能提供保障。精度为0.5c，也符合我们设计的要求。ds18b20也是我们通常使用的型号，因此温度传感器用ds18b20。2.6 键盘控制方案选择方案1：购买集成键盘，采用矩阵形式连接。方案2：购买单个复位开关做成键盘。虽然集成键盘美观，与单片机的接口少，但是它的成本比较高。单片机的io口对于我们的设计绰绰有余。通常我们选用价格便宜单个复位开关做成键盘。3. 时钟温度系统总体设计初步确定设计系统由单片机主控模块、时钟模块、测温模块、报警模块、显示模块、键盘接口模块共6个模块组成，电路系统框图如图1.1所示。 图1.1二硬件设计部分1机最小系统电路设计1.1 单片机芯片选择单片机采用52系列单片机。由atmel公司生产的at89c52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在线系统可编程flash，使得at89c52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。at89c52具有以下标准功能： 8k字节flash，256字节ram，32 位i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（wdt）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。at89c52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。其芯片外观及引脚图如下图2.1示：图2.11.2单片机管脚说明vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c52的一些特殊功能口，如图2.2所示：管脚备选功能p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）图2.2p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。1.3 单片机最小系统 单片机最小系统主要由复位电路，晶振电路，电源等几部分组成。1.3.1复位电路复位电路有两种方式：上电复位和按钮复位，我们主要用按钮复位方式。如下图2.3所示：图2.31.3.2晶振电路晶振电路原理图如2.4图2.4 选取原则：电容选取30pf，晶振为12mhz。1.3.3电源at89c52单片机的供电电源是5v的直流电，为了使电源稳定使用了7805稳压芯片是电源稳定，主电源电路如下图2.5 图2.51.3.4 ea非/vpp 脚我们没有用外部扩展rom,因此ea非/vpp为高电平，即接+5v电源或是悬空，为了简化电路将这个引脚悬空。2.时钟系统电路设计2.1 时钟芯片选择我们采用具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路ds1302。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。它采用主电源和备用电源双电源供电。它的工作电压范围2.05.5v，在2.2v时，小于300na。它内部含有31个字节的静态ram，可提供用户访问。 ds1302可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,可以达到我们设计的基本的要求。内部的寄存器为我们调时，闹钟定时提供了寄存空间。备用用电源也实现了当系统断电后，时钟仍然可以保持。而且它是串行接口，与单片机通信所需要的接口少。不像ds12887等芯片并行通信需要很多io口。2.2 ds1302管脚及寄存器说明2.2.1 ds1302的引脚排列vcc1为后备电源，vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。ds1302由vcc1或vcc2两者中的较大者供电。当vcc2大于vcc10.2v时，vcc2给ds1302供电。当vcc2小于vcc1时，ds1302由vcc1供电。因此，我们vcc1用3v的纽扣电池作为备用电源，vcc2用系统电源作为主电源。x1和x2是振荡源，外接32.768khz晶振。rst是复位/片选线，通过把rst输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。rst输入有两种功能：首先，rst接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当rst为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对ds1302进行操作。如果在传送过程中rst置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o引脚变为高阻态。上电运行时，在vcc2.5v之前，rst必须保持低电平。只有在sclk为低电平时，才能将rst置为高电平。i/o为串行数据输入输出端(双向)。sclk为时钟输入端。 2.2.2 ds1302的寄存器说明ds1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为bcd码形式。此外，ds1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与ram相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。 ds1302与ram相关的寄存器分为两类：一类是单个ram单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为c0hfdh，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的ram寄存器，此方式下可一次性读写所有的ram的31个字节，命令控制字为feh(写)、ffh(读)如下图所示图 2.3 ds1302钟电路ds1302时钟电路如下图2.7所示：图2.7ds1302与单片机的连接仅需3条线：时钟线sclk、数据线i/o和复位线rst。时钟线sclk与p2.4相连，数据线i/o与p2.5相连，复位线rst与p2.6相连。由于ds1302是靠涓细电流充电来实现串行输入输出的，因此，在sclk 、i/o、 rst线上要加上拉电阻，其中，它们的电流应该在500u1ma之间，若电源为5v，则r约为5k，因此，我们的电阻r=4.7k。但是经过查阅有关资料知道如果ds1302不是接p0口可以不接上拉电阻，为了节省成本，所以没有接上拉电阻。 在单电源与电池供电系统中，vcc1提供低电源并提供低功率的备用电源。vcc2提供高电源作为芯片供电的主电源。因此，这里vcc1用3v纽扣电池，vcc2用5v的系统电源。晶振为32.768khz接入x1、x2引脚。3 温度系统电路 3.1 温度芯片的选择温度实现只能通过外部的温度传感器来实现。经上网查阅资料及市场考察，ds18b20体积小，只有3只脚，电路接法简单。它能够直接读出被测温度。内部含有寄存器为我们设计实现上下限报警功能提供保障。用户可定义的非易失性温度报警设置；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；精度为0.5c，也符合我们设计的要求。ds18b20也是我们通常使用的型号，因此温度传感器用ds18b20。3.2 ds18b20内部结构描述ds18b20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的eeram。高速暂存ram的结构为8个字节的存储器，结构如图4.1所示。头两个字节包含测得的温度信息，第三和第四字节是th和tl的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第五个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。ds18b20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图4.2所示。低5位一直为1，tm是测试模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式。温度 lsb温度 msbth 用户字节1tl 用户字节2配置寄存器保留保留保留 crc图2.8高速咱春ram结构图1字节2字节 3字节 4字节 5字节6字节 7字节 8字节9字节eeromth 用户字节1tl 用户字节2tmr1r011111图 2.9配置寄存器3.3 ds18b20温度系统电路 ds18b20系统电路如下图2.10图2.10ds18b20有两种接法：一是单线接法即只接qt。这种方法应用它内部的寄生电源，因此在qt上要用一个mosfet把i/o线只接拉到电源上。二是从vdd脚加上电源。方法一适合于远距离温度监控，不需要本地电源。而我们只是设计测温系统，选择方法二就行了，还有mosfet极容易烧，我们不用它。vdd接5v电源，vss接地，qt与p3.4相连。4 键盘控制系统设计按键需要4个，分别实现为时间调整、时间的加、时间的减、退出四个功能。用单片机的4个i/o口接收控制信号，其电路图如下图2.11所示：图2.114个按键的一端与地相连，另一端分别与p2.3、p2.2、 p2.1、p2.0相连。这时当按键按下就输入低电平。报警电路系统设计报警电路由蜂鸣器、三极管、电阻 、led等构成电路如下它们与单片机的接口分别是p2.7。6液晶显示系统设计6.1 12864液晶显示电路 现在流行低碳生活，节能减排已成为人们处理事情首先想到的问题，所以这个显示的时候背光控制时间为10s左右，同时关背光的时候关掉显示器的电源，降低功耗。如图2.12所示图2.12三、软硬件调试部分 3.1软件调试 软件调试，我是在keil软件平台和单片机学习板上来完成的。当我写部分程序在keil软件经过调试，开始出现很多错误和警告。通过逐个错误排错及修改。得出下列经验，（1）调用函数最好在头文件中进行申明，主函数写在最后；（2）特别注意一些字母的大小写，一般要用英语文字写，不要用中文汉写，这是最不容易检查的，如我在检查液晶显示程序时，时钟没检查到错误，最后我删掉此行重新写，错误排除了，据我分析可能是中英文变换时出现问题。 经过一系列排错，最后文件没有错误但还有警告。由于c语言中有警告是没关系的，我将hex文件下在到单片机竟显示一些乱码。我有回到文件，经过对警告的分析及上网查阅。将程序稍微修改警告慢慢被排除，最后没有错误和警告了，下载到单片机，发现乱码竟然还出现，还有多个界面叠加显示，里面还有一些乱码。经过分析，叠屏现象是没有对液晶清平所致。于是我又在不同界面程序前加入调用填充空格函数（void clrram_lcd ()）,然后又下载，结果与前面一样，崩溃啊！经过几个小时后，无意间我去掉 调用函数前void。结果叠屏现象解决。但是显示还是乱码。谢天谢地啊！有进步！ 又经过几天，排错，上网查阅与参考程序对照。最后在void r1302()函数中ds1302inputbyte(ucaddr|0x01);掉了|0x01，加上生成hex文件，下载到单片机中。能够正常显示了。界面的闪烁不能闪烁。呵呵！又进一步！ 经过一段时间，我发现界面程序中的a=1与功能设置中a重赋值（a=0）相冲突，最后将if（）语句中a=1改为a=0 。相应的问题也解决了。 最后对程序进行相应的扩展完善，由于按键不灵敏我们加上声音程序。加上另一个闹钟实现设计需求。 通过单片机学习板对照，程序基本实现我所预期的要求，但是界面显示闹钟1，闹钟2闪烁时，液晶竟然出现显示淡化。据分析，可能使程序的问题。由于这部分显示复杂，用了多个if语句，可能出现语句冗余。我只有请教高手啰！ 3.2硬件调试 硬件调试，我用万用表，单片机学习板来完成的。首先，我调试lcd1602显示。我将液晶显示程序下载到单片机内，连好所有的线，通电后，观察显示结果。唉！液晶竟然不显示。我们用万用表测试各连线是否导通及某些点的电压，发现没问题。最后在网上发现我的p0口竟然没接上拉电阻，通过计算电阻应该去5k至10k，我们选用4.7k的电阻。由于没准备多的电阻，我在以前买的电阻找到了4.7k的电阻。开始布局没有为上拉电阻留下空间，我们在单片机插槽里插电阻，解决一些连线的复杂度。后来在调试液晶能够显示了。 然后，我调试ds1302时钟芯片。连上按键模块，液晶显示模块，单片机最小系统，时钟系统，温度系统，连接所有线，通上电源后，我观察到液晶显示 20858585 85：85：85 20.125c 温度能正常显示，时钟不能正常显示。我们还是用万用表检查所用线路，对照电路原理图，最后发现时钟上拉电阻没焊上电源。接上电源后，时钟能够正常显示，按键也能控制。 但是温度要求精确到0.5度，我查阅了大量的资料，发现别人的都只是精确到0.1，并没有精确到0.5的程序可以查考，于是我就在想，我可不可以通过一个有返还值的子函数来实现小数位的数字与5的比较返还0或是5来实现，然后看到c语言上的条件运算符，眼睛突然一亮，可以用条件运算符，这样程序就更简单了，调好程序下载到单片机里，怀着激动的心情接通电源，终于好了，太兴奋了！ 整个硬件调试才完成。 四.总结与体会经过将近一个月的设计，反复地讨论各个环节，反复调试，反复模拟仿真，终于完成lcd液晶时钟设计。虽然达到设计要求，并完成了一定