基于单片机的电子时钟和温度计设计（含PCB图）

1、中国计量学院 本科毕业设计（论文） 基于单片机的电子时钟和温度计设计 mcu-based design of electronic clock and thermometer 郑郑 重重 声声 明明 本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的 内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在 文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 学生签名： 日期： 致 谢 本次毕业设计成功完成，要感谢中国计量学院现代科技学院机电系给以

2、资金和 其他方面的大力支持。特别感谢金英莲老师在毕业设计过程中对我的帮助和指导。 金英莲老师的鼓励和理解，以及在技术上不厌其烦的指导，使我对自己所做的事充 满信心和干劲。 尤其是金英莲老师启发性的教育方式使我在毕业设计中学到了很多思考问题和 解决问题的方法，而这些所具有的价值要远远超过专业知识本身，这些也是我终身 受用的。 在这里再次向金英莲老师表示衷心的感谢！同时也向在我的毕业设计中帮助过 我的同学们表示感谢，我的成功与他们都是分不开的！ 感谢在我大学四年学习和生活中帮助过我的老师们、同学们和朋友们！ 谢谢！ i 基于单片机的电子时钟和温度计设计 摘要摘要：钟表的数字化给人们生产生活带来了极

3、大的方便，研究数字钟及扩大其应用， 有着非常现实的意义。本文介绍了基于单片机的电子时钟和温度计设计。系统以 stc89c52 为核心，具有日期、星期、时间设置及显示、秒表功能、闹钟功能、背 光灯延时设置、环境温度测量及显示功能。硬件电路包括 stc89c52 单片机小系统 电路、lcd1602 液晶显示电路、键盘电路、ds18b20 温度传感器测温及显示电路、 ds1302 电路、蜂鸣器电路几部分模块。再通过 c 语言编程对各模块进行调试，最 后达到设计要求的效果。 关键词：关键词：电子时钟；stc89c52 单片机；lcd1602 液晶显示；ds18b20；温度测量； ds1302 时钟芯片

4、 mcu-based design of electronic clock and thermometer ii abstract： digital watch has brought great convenience to the life of the people. studying digital clock and expanding its applications have a very practical significance. in this paper,it introduced the design of the multi-functional electroni

5、c clock system and thermometer.the system with stc89c52 as the core component has the function of day,week, time to set up and display, the function of stopwatch,alarm,the backlight delay to set up and display, ambient temperature measurement, temperature display.hardware circuit included stc89s52 s

6、mall circuit system, lcd1602 lcd circuit, keyboard scanning circuits, ds18b20 temperature sensors and temperature display circuit , ds1302 circuit and buzzer circuit modules.and through the c programming language debugging of each module,the final results meet the design requirements. keywords: elec

7、tronic clock;stc89c52 scm;lcd1602 lcd;ds18b20; temperature measurement;ds1302 clock chip 目目 次次 iii 摘要 .i abstract.ii 目 次.iii 1 引言.1 1.1 研究现状.1 1.1.1 研究方向.1 1.1.2 国内外研究现状.2 1.1.3 发展趋势.3 1.1.4 研究意义.3 1.2 研究思路.5 1.2.1 理论基础和分析.5 1.2.2 研究设想.5 1.2.3 设计流程和预期成果.5 2 单片机的应用及发展现状.7 3 系统硬件设计.8 3.1 系统功能描述.8 3.2

8、器件选型.8 3.3 系统模块组成电路.12 3.3.1 单片机最小系统电路.13 3.3.2 液晶显示电路.14 3.3.3 ds18b20 测温电路.14 3.3.4 键盘电路模块.15 3.3.5 系统硬件实物图.15 4 系统软件设计.17 4.1 c51 语言及其特点.17 4.2 整体程序框图.17 4.3 系统程序流程图.17 5 系统调试.24 5.1 调试过程.24 5.2 调试结果.24 6 总结.28 7 参考文献.29 附录 a：电路原理图.30 附录 b：pcb 图.31 附录 c：实物图.32 附录 d：源代码.33 学位论文数据集.65 iv 中国计量学院现代科技

9、学院本科毕业设计（论文） 1 1 1 引言引言 20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透 了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同 时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。随着科技 的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人 们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、 电子秒表、温度检测等功能。单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的，人 们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉1。 电子时钟是采用数字电路实现对时间、日期数字显示的计时装置，是人们

10、日常 生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、航站、剧院、办公室等公 共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。但随着时间的推移， 科学技术的不断发展，生活节奏越来越快，竞争日益激烈，人们对时间计量的精度 要求越来越高，应用越来越广。成为人们日常生活中不可少的必需品，因此，研究 电子时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义10。 1.1 研究现状 1.1.1 研究方向 电子时钟的设计方法有多种，可用中小规模集成电路组成电子钟，也可以利用 专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟，还可以利用对 单片机编程来实现电子钟等，其中，利用单片机实现的电子时钟具有硬件结

11、构简单、 编程灵活、便于电子时钟功能的扩展，即可用该电子时钟发出各种控制信号、精确 度高等特点3。 多功能电子时钟除了具有时钟的多种功能外具有对环境温度检测的功能，温度 是表征物体冷却程度的物理量，也是一种最基本的环境参数。在农工业生产及日常 生活中，对温度的测量及控制始终占据着极其重要的地位。目前,典型的温度测控系 统由模拟式温度传感器、a/d 转换电路和单片机组成。由于模拟式温度传感器输出 的模拟信号必须经过 a/d 转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口， 因而使得硬件电路结构复杂，成本较高。而以 ds18b20 为代表的新型单总线数字 式温度传感器集温度测量和 a/d 转换于

12、一体,直接输出数字量，与单片机接口电路结 构简单，广泛使用于距离远、节点分布多的场合，具有较强推广应用价值2。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 2 1.1.2 国内外研究现状 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片, 而是把一个计算 机系统集成到一个芯片上。概括地讲, 一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质 量轻、价格便宜, 为学习、应用和开发提供了便利条件。世纪跨越了三个“电” 的时 代, 即电气时代、电子时代和现已进人的电脑时代。不过, 这里的电脑, 通常是指个 人计算机, 简称机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机, 大多数人却 不怎么熟悉。这种计

13、算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义, 这种计算 机的最小系统只用了一片集成电路, 即可进行简单运算和控制。因为它体积小, 通常 都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中, 起着有如人类头脑的作用, 它出了毛 病, 整个装置就瘫痪了。现在, 这种单片机的使用领域已十分广泛, 如智能仪表、实 时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机, 就能起 到使产品升级换代的功效, 常在产品名称前冠以形容词“智能型” , 如智能型洗衣 机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品, 不是电 路太复杂, 就是功能太简单且极易被仿制。究其原因, 可能就卡在产品

14、未使用单片机 或其它可编程逻辑器件上5。 单片机应用系统因其优异的性能、高可靠性以及成本低廉被广泛应用于航空航 天、工业测控、机器人感觉、数字信号处理、通信等各个技术领域， 然而在比较特 殊的应用系统中， 我们不仅希望单片机系统能够完成数据的采集处理， 而且同时 还想知道产生这些数据的时刻， 以便于更详细地了解和掌握现场情况， 因此为单 片机系统增加数字时钟将是不可回避的一项新型的工程技术6。 随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟 已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化， 有电子闹钟、电子秒表、体温检测等等。单片机在多功能数字钟

15、中的应用已是非常 普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结 构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行 计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘 可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术或者数码管显示技 术7。 数字电子时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，是人们日常生活中 必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、航站、剧院、办公室等公共场所， 给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。但随着时间的推移，科学技术 的不断发展，生活节奏越来越快，竞争日益激烈，人们对时间计量

16、的精度要求越来 越高，应用越来越广。可以说时间的准确已成为各行业安全运行的基础，如果时间 出现误差而不能及时校正，会造成一系列严重的后果和经济损失8 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 3 温度是一种最基本的环境参数，日常生活和工农业生产中经常要检测温度。传 统的方式是采用热电偶或热电阻，但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须 经过a/d 转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硬件电路结 构复杂，制作成本较高。近年来，美国dallas 公司生产的dsl8b20 为代表的新 型单总线数字式温度传感器以其突出优点广泛使用于仓储管理、工农业生产制造、 气象观测、科学研究

17、以及日常生活中。dsl8b20 集温度测量和a/d 转换于一体，直 接输出数字量，传输距离远，可以很方便地实现多点测量，硬件电路结构简单，与 单片机接口几乎不需要外围元件9。 1.1.3 发展趋势 为了适应嵌入式应用的需求，单片微控制器应运而生，发展极其迅速。从 70 年 代至今，单片机发展成为一个品种齐全，功能丰富的庞大家庭。单片机即单片微型 计算机，mcu（micro controller unit） ，它是微型计算机的一个分支，它是在一块芯 片上集成了 cup、ram、rom 存储器、i/o 接口等而构成的微型计算机。因为它主 要应用于工业测控领域，因此，单片机在出现时，intel 公司

18、就给单片机取名为嵌入 式微控制器（embedded microcontroller）13。单片机最明显的优势，就是可以嵌入 到各种仪器设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。单片机在近三十年的发 展中形成了种类繁多，性能各异的各系列产品，目前对单片机的需求越来越多，要 求也越来越高10。 智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是 微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ate_）的结晶。目前，国际上已开发出 多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、a/d 传感器、 信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中

19、央控 制器（cpu） 、随机存取存储器（ram）和只读存储器（rom） 。智能温度传感器能 输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（mcu） ，并且可通过软件 来实现测试功能，其智能化取决于软件的开发水平14。 智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化 向智能化及网络化的方向发展11。 21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及 安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发 展12。 1.1.4 研究意义 数字电子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的即使装置，广泛用 中国计量学院现代科技学院

20、本科毕业设计（论文） 4 于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品， 由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，是的数字时钟的精度远远 超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展 了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、 定时广播、自动启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自 动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字时钟及扩大其 应用，有着非常现实的意义4。 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现， 能够独立工作的温 度检测和显示系统应用于诸多

21、领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。 热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低， 检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比,这里设计的数字温度计具有读数方 便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。然而温度检测方面， dallas 公司生产的 ds18b20 当仁不让，超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰 能力强，精度高。ds18b20 的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产 品的选择，一般在使用 ds18b20 时往往采用微处理器的 i/o 端口实现与该器件的通 信。在实际应用中可以取得良好的测温效果11选用 at89c51 型

22、单片机作为主控制 器件，ds18b20 作为测温传感器通过 4 位共阳极 led 数码管串口传送数据,实现 温度显示。通过 ds18b20 直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化 学性能稳定，线性度较好，在 0100最大线性偏差小于 0.1。该器件可直接 向单片机传输数字信号， 便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直接采用测 温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程15。 ds18b20 特性为一个端口即可实现通信。每个 ds18b20 都有一个独一无二的序 列号，实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温，测温范围在-55c+125 c，精度误差为+-0.5c。现场温度直接以

23、“一线总线”的数字式传输，支持 35.5v 的电压范围16。 在日常生活和自动控制系统中，经常遇到对时间和温度实时监控的需求。这就 给具有多种功能的时钟提供了市场。本文就给出了一种基于单片机实现带温度检测 的电子时钟的设计方法和实现过程。单片机正朝着速度更快，运算能力更强，功能 更强大的方向快速发展。在不久的将来，单片机讲以更强大的功能和灵活的性能， 快速的走进我们的生活，扮演着越来越重要的角色13。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 5 1.2 研究思路 1.2.1 理论基础和分析 电子时钟的设计方法有多种，可用中小规模集成电路组成电子钟，也可以利用 专用的电子钟芯片配以显示电路

24、及其所需要的外围电路组成电子钟，还可以利用对 单片机定时中断编程来实现电子钟等，其中，利用专用的电子时钟芯片 ds1302 来 进行对时钟数据的读和写，用时钟芯片可以降低单片机中断的使用从而让单片机系 统运行更快、效率更高，而且使用时钟芯片可以大大加大时钟的精度。 体温计的设计方法也有多种，我国一般电子体温计使用 ntc 温度传感器，因为 它的测量精度、反应速度和电阻年漂移率技术都很好。而另外一种方法是使用 ds18b20 数字温度传感器，该传感器广泛用于工业测量环境，虽然精度不如 ntc 温度传感器的高，但是凭着它输出信号为数字信号、简单的电路设计原理和低廉的 价格，综合考虑本系统使用 ds

25、18b20 传感器。 1.2.2 研究设想 本次设计通过对硬件和软件设计熟悉掌握，通过程序编写完成电子时钟年、月、 日、时、分、秒、星期显示及有时间设置等基本功能的基础上还完成了控制液晶屏 亮屏时间的节能功能，在硬件电路中设计出多个扩展功能，包括环境温度测量、稳 压去耦功能和闹铃功能等。 硬件电路包括单片机最小系统电路、ds1302 时钟芯片电路模块、lcd1602 液 晶显示模块、按键模块、ds18b20 温度传感器模块、蜂鸣器电路模块、稳压去耦电 路；软件部分主要通过 c 程序的编程实现对时钟芯片进行时间数据的读和写然后通 过液晶显示程序将时间显示出来，也通过键盘扫描程序实现功能的转换和屏

26、幕的切 换，还可以通过对 ds18b20 检测结果进行编程从而达到分辨率为 0.1 的效果，利用 对 ds1302 时间设置来实现背光灯的延时和秒表功能。结合硬件、软件的分步调试， 达到要求的控制效果。 1.2.3 设计流程和预期成果 设计分为硬件和软件两大部分完成。首先在 protel 99se 上进行原理图和 pcb 板 的绘制和修改并制作出印制电路板，在电气检查无误的情况下，购买所需要的元器 件。接着把元器件焊接到各个功能电路的模块上，并结合程序进行调试。最后将各 个功能的电路程序组合起来，然后再进行总程序的调试直到调试成功。 预期能达到以下结果： 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（

27、论文） 6 （1） 实现年、月、日、时、分、秒、星期显示且有时间、日期和星期的设置； （2） 实现闹钟设置功能和秒表功能； （3） 实现液晶背光灯延时控制从而达到节能效果、按键声效果和屏幕切换功能； （4） 实现环境温度检测和显示功能。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 7 2 单片机单片机的应用及发展现状的应用及发展现状 单片机的应用具有面大量广的特点。国际上从 70 年代开始，国内自 80 年代以 来，单片机已广泛地应用于国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品智 能化的更新换代起着重要的推动作用。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几 个方面： （1）单片机在智能仪表中

28、的应用： 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程 度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 （2）单片机在机电一体化中的应用： 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、 计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。 单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点， 可大大提高机器的自动化、智能化程度。 （3）单片机在实时控制中的应用： 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、 机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。

29、单片机的实时数据处 理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质 量。 （4）单片机在分布式多机系统中的应用： 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的 单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片 机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行 实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的 前端工作。 （5）单片机在人类生活中的应用： 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录 机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，

30、增加了功能，倍受人们喜爱。单 片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重 要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须 由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现 了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 8 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.1 系统功能描述 基于单片机的定时和控制装置在许多行业中有着广泛的应用，而电子时钟是其 中最基本最具有代表性的控制系统，而温度检测广泛用于工业环

31、境。在基于单片机 控制系统的电子电路中，除了基本的单片机系统和外围电路外，还需要外部的控制 和显示装置。硬件电路包括 stc89c52 单片机、lcd1602 液晶显示电路、按键电路、 蜂鸣器电路、ds1302 时钟芯片电路模块、ds18b20 温度传感器几部分电路模块。 该系统设计可以完成如下功能： （1） 实现年、月、日、时、分、秒、星期显示且有时间、日期和星期的设置； （2） 实现闹钟设置功能和秒表功能； （3）实现液晶背光灯延时控制从而达到节能效果、按键声效果和屏幕切换功能； （4）实现环境温度检测和显示功能。 3.2 器件选型 本系统设计用到的器件包括单片机 stc89c52 芯片一

32、块，ds1302 时钟芯片一块， 温度传感器 ds18b20 一个，lcd1602 液晶显示屏一块，一个蜂鸣器，3v 电池一块, 12hz 的晶振一个，排针排线若干组，电容电阻若干，导线若干，二级管若干,自己 设计的 pcb 板一块，按钮 5 个。下面对其它器件的一些重要方面进行相关说明。 （1） 系统控制核心 stc 系列单片机以其优良的性能、高可靠性、低价格、低功耗、抗静电、抗干 扰，成为取代 mcs51 单片机的主流机型之一，有着十分广阔的应用前景。本次设计 系统控制核心采用 stc89c52 芯片。 stc89c51rc/rd+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功 耗

33、的单片机，内部已扩展了 ram，指令代码完全兼容传统 8051，而 stc89c52 最 具典型性，具有 8k flash 存储器 512 字节 ram 数据存储器，可在线重复编程， 擦写次数不少于 1000 次，或使用通用的非易失性存储器编程器；通用的 8 位 cpu 与在线可编程 flash 集成在一块芯片上，从而使 stc89c52 功能更加完善，应用更 加灵活；与只拥有 128 字节的片内 ram 的 at89c52 系列单片机相比，stc89c52 单片机片内 ram 有 512 字节，3 个定时器，8 个中断源，片内程序存储器有 8kb； 具有较高的性价比，使其在嵌入式控制系统中有

34、着广泛的应用前景。图 3.1 为 at89s52 的管脚图。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 9 图 3.1 stc89c52 管脚图 vcc : 电源 gnd: 地 p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑 电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式 下，p0具有内部上拉电阻。在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；在程序校验 时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 p1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p1 输出缓冲器能驱动4

35、 个 ttl 逻辑电平。对p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 （iil）。此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和时 器/计数器2的触发输入（p1.1/t2ex）。在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址 字节。 p2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个 ttl 逻辑电平。对p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流

36、（iil）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行 movx dptr）时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内 部上拉发送1。在使用8位地址（如movx ri）访问外部数据存储器时，p2口输出 p2锁存器的内容。在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 p3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个 ttl 逻辑电平。对p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 中国计量学院现代科技学院本科毕

37、业设计（论文） 10 （iil）。p3口亦作为at89s52特殊功能（第二功能）使用， 在flash编程和校验时， p3口也接收一些控制信号。 （2）ds1302 ds1302 是一种常用的时钟芯片，它有时钟计数功能，可以对秒、分钟、小时、 月、星期、年的计数。年计数可达到 2100 年。其管脚排列如图 3.2 所示。 图 3.2 ds1302 芯片管脚图 ds1302 包括时钟/日历寄存器和 31 字节（8 位）的数据暂存寄存器，数据通信 仅通过一条串行输入输出口。实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年 份信息。闰年可自行调整，可选择 12 小时制和 24 小时制，可设置 am、p

38、m。 通过三个管脚端口进行数据的控制和传递：reset、i/o、sclk。通过备用电 源可以让芯片在小于 1mw 的功率下运作。数据传输如图 3.3 所示：（注意两种模式） 图 3.3 ds1302 数据传输时序图 4b （3） 温度传感器 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 11 ds18b20集成了温度传感器、信号调整电路、a/d 采样和转换电路、存储器等 部件。集成电路的测温元件采用测半导体载流子随温度变化的特性原理制成，即测 温元件为正电阻温度系数的热敏电阻。它可以直接以数字量的形式输出被测环境的 温度而不需要配加其它外围电路。另外，多个ds18b20 可以共用一条数据总线与

39、 cpu 进行通信，与传统的温度传感器（ad590、lm35）一个器件需要一条数据线 相比，具有十分突出的优越性。 测温范围- 55 + 125,在- 10 +85时精 度为 0. 5， 可编程的分辨率为912 位,对应的可编程温度分别为0.5、0.25、 0.125、0.0625，转换时间为750ms。 关于ds18b20 的应用，主要是与不同型号的单片机进行对接，从而设计了不同 形式的温度监测系统。例如，对汽车轮胎的温度监测与报警。还有的利用ds18b20 设计了多点分布式温度监测系统，实现了对多点温度的同步监测等。本系统除具有 温度测量与报警功能之外，还通过一定的控制电路实现了对加热系统

40、的自动控制。 ds18b20 的引脚及指令系统ds18b20 的引脚如图3.4所示。其中vdd 和gnd 分别接电源和地，dq 为数据输出。 图 3.4 ds18b20 芯片管脚图 （4） 液晶显示屏 图 3.5 lcd1602 外观图 表 3.1 1602 型 lcd 的接口信号说明 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 12 编号编号符号符号引脚说明引脚说明编号编号符号符号引脚说明引脚说明 1vss 电源地 9d2data i/o 2vdd 电源正极 10d3data i/o 3vl 液晶显示偏压信号 11d4data i/o 4rs 数据/命令选择端 （h/l） 12d5data

41、 i/o 5r/w 读写选择端（h/l） 13d6data i/o 6e 使能信号 14d7data i/o 7d0data i/o15bla 背光源正极 8d1data i/o16blk 背光源负极 基本操作程序： 读状态：输入：rs=l，rw=h，e=h输出：d0d7=状态字 读数据：输入：rs=h，rw=h，e=h输出：无 写指令：输入：rs=l，rw=l，d0d7=指令码，e=高脉冲 输出：d0d7=数据 写数据：输入：rs=h，rw=l，d0d7=数据，e=高脉冲 输出：无 3.3 系统模块组成电路 本设计系统以 stc89c52 单片机为核心，通过 ds1302 来实现年、月、日、

42、星 期、时、分、秒显示和设置功能和闹钟功能,同时还有秒表功能、液晶背光灯延时控 制实现节能功能和温度检测功能。硬件电路包括 stc89c52 单片机系统模块、 lcd1602 液晶显示模块、按键模块、ds1302 电路模块、ds18b20 温度传感器测温 模块和蜂鸣器模块组成。 基于单片机系统的电子时钟基本结构框图如图 3.6 所示： 单片机 电源 ds1302 时钟芯片 液晶显示模块 温度传感器 ds18b20 按键模块 晶振、复位电路 蜂鸣器声响模块 图3.6 系统的基本结构框图 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 13 3.3.1 单片机最小系统电路 单片机小系统电路包括晶振电

43、路和复位电路。复位电路包括自动复位和开关复 位两种方式。其作用是在单片机在上电时或按下复位按钮时，瞬间电容两端电压不 能突变，使 rst 管脚保持两个周期以上高电平状态，使单片机复位。只要该正脉冲 能够保持约 10ms 以上，单片机就能有效复位了。 晶振电路采用内时钟方式，通常用 12mhz 晶体和电容组成的并联谐振电路作 定时元件。它由两个 30pf 电容，一个 12m 石英晶振组成。电容一般选择 30pf 左右， 其大小对振荡频率有微小影响，可起频率微调作用。在设计时，注意晶体和电容应 尽可能与单片机靠近，减少寄生电容，保证震荡器可靠工作。电路如图 3.7 示： 图 3.7 单片机小系统电

44、路 复位电路中所选择的电容必须在 10uf 左右以上，否则，电容的充电时间不够长， 将影响单片机正常工作。10k 的电阻是为了在手动复位时，防止电源正负端短路， 起到保护和限制电流作用。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 14 3.3.2 液晶显示电路 图 3.8 液晶显示电路 通过一个 10k 的电位器调整对比度,从而达到合适的背光灯对比度。16 管脚接三 极管然后 b 端接 p26，c 端接地。当 p26 端接入为低电平此时三极管导通使背光 灯亮，反之则灭，从而通过定时实现了背光灯节能功能。 3.3.3 ds18b20 测温电路 图 3.9 ds18b20 测温电路 ds18b

45、20 测温原理：ds18b20 通过一种片上温度测量技术来测量温度。 ds18b20 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温度系数的振荡器输出的脉冲始终 在高温度系数振荡器产生的门周期内计数，即用一个高温度系数的振荡器确定一个 门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来 得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到 达 0，则温度寄存器（同样被预置到-55）的值增加，表明所测温度大于-55。同 时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路 用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到 0，如果门周

46、期仍 未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以在测温 时获得比较高的分辨率。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来 实现的。因此，要想获得所需的分辨率，必须同时知道在给定温度下计数器的值和 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 15 每一度的计数值。 图 3.10 温度测量电路的方框图 3.3.4 键盘电路模块 本系统的按键电路如图 3.13 所示，当按键按下则 i/o 口接入低电平来驱动单片 机实现功能。设计按键的功能：屏幕切换功能、模式选择功能、时间设置功能、闹 钟设置功能、秒表控制功能、背光灯设置功能。 图 3.11 按键电路 3.3.5 系

47、统硬件实物图 硬件电路板利用 protel se99 进行对原理图的设计然后制成 pcb 板如图 3.12 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 16 图 3.12 系统实物图 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 17 4 4 系统软件设计系统软件设计 4.1 c51 语言及其特点 c51 语言有比较好的性能，它具有较好的可读性,结构简单,控制方便。用它开发 可以减小开放的周期，提高开放的效率和代码的可读性。本系统采用 c 语言编写。 4.2 整体程序框图 系统程序实现六部分功能：时钟部分实现年、月、日、时、分、秒、星期显示 和设置、闹钟功能、秒表功能、液晶背光灯延时节能功能

48、；温度测量部分实现环境 温度测量及显示；键盘部分主要为模式选择功能；功能整体程序流程框图如图4. 1所 示： 图 4.1 整体程序框图 4.3 系统程序流程图 整个系统程序主要包括：1.模式切换程序；2. 时钟设置程序； 3. 闹钟程序； 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 18 4.液晶背光灯延时设置程序；5.温度测量子程序；6.秒表程序；7.数据显示程序。 （1） 模式切换程序主要实现各功能模式的选择从而实现各功能，流程图如图 4.2： 开始 变量、中断、液晶、时钟和 函数声明初始化 按键扫描 s3按下 背光灯打开 进入功能模 式选择界面 s4按下 键盘扫描 s2按下 模式选择左

49、 移 模式选择右 移 s3按下 s4是否按下 否 时间设 置 日期设 置 闹钟设 置 秒表功 能 温度测 试 背光灯 设置 退回主 界面 是 modle1 modle1 modle1 modle1 modle1 modle1 modle1 时间、日期、闹钟、背光灯时间设置显示；温度显示；秒表功能显示 图 4.2 模式切换程序流程图 （2）时间设置程序可以实现时钟的年、月、日、时、分、秒、星期的设置和写入 ds1302 芯片，程序流程图如图 4.3（时间的设置）和图 4.4（日期设置）： 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 19 判断是否s4按下 modle1 判断id大小 id+ 时

50、调整位分调整位 id=7 秒调整位 id=6id=8 键盘扫描 写入ds1302 时、分、秒的显示 图 4.3 时间设置程序流程图 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 20 图 4.4 日期设置程序流程图 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 21 （3）闹钟设置程序实现对闹钟的开和关设置、闹钟设定功能。程序流程图如图 4.5: 图 4.5 闹钟设置程序流程图 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 22 （4）液晶背光灯延时程序实现控制液晶背光灯打开的时间从而实现节能效果，程序 流程图如图 4.6： 图 4.6 背光灯延时程序流程图 （5）秒表程序主要实现秒表的开、暂

51、停和清零效果，程序流程图如图 4.7： 图 4.7 秒表程序流程图 （6） 温度测量子程序流程 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 23 温度传感器程序主要包括读出温度子程序、温度转换命令子程序。读出温度子 程序：程序主要功能是读出 ram 中的 9 字节，在读出时需进行 crc 校验，校验有 错时不进行温度数据的改写。温度转换命令子程序：主要是发温度转换开始命令， 当采用 12 位分辨率。流程图如图 4.8、图 4.9： 发ds18b20复位命令 发跳过rom命令 发温度转换开始命令 结束 图 4.8 读出温度子程序图 4.9 温度转换命令子程序 （7） 液晶显示程序流程 本系统采

52、用的 lcd1602 实现数据的显示，输出稳定，控制简单。程序包括这几 部分：1.定义存储输出数据的全局变量数组;2.初始化;3.判忙；4.写指令；5.写数据。 程序流程图如图 4.10： init_lcd()初始化 read_busy（）读忙 write_comm(unsigned char lcdcomm)写指令函数 结束 write_data(unsigned char lcddata)写数据函数 图 4.10 显示程序流程图 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 24 5 5 系统调试系统调试 5.1 调试过程 （1）时钟显示调试问题 现象：在长时间没有使用硬件的情况下，开启系

53、统时年、月、日、时、分、秒 和星期上的数字大多数是“？”，复位后还是同种情况。 故障原因分析：在长时间没有使用硬件情况下如果一直把 3v 电池装在系统硬 件上会导致 ds1302 芯片接触不灵。 解决方法：解决方案是在不使用系统情况下卸掉 3v 的备用电池然后通过 5v 的 电池作为系统的供电电源。 （2）现象：在使用秒表功能时候，往往会出现较大的误差。 故障原因分析：显示程序或其他程序运行需要消耗时间，在原先秒表最低位定 时 0.01 秒情况下总消耗时间超过了 0.01 秒导致秒表精度出现严重偏差。另外因为 hex 文件生成的时候 kiel 软件输出设置为 11.0592hz 晶振，而实际系

54、统使用 12hz 晶振，也导致出现误差。 解决方法：首先对 kiel 软件输出设置修改为 12hz 晶振；再者，通过多次验 改变定时器的初始化值，从而对其他程序运行消耗的时间进行补偿。 （3）调试结论 如果在系统中出现问题，一般应考虑硬件故障和软件故障。对于硬件故障，可 能是接触不良、采用非交叉线、通讯线路的芯片或者电缆损坏，此时可编制简短的 程序进行测试，在通讯的一方发送，另一方接收，并采用示波器观察对方发来的信 号波形，如果接收不到，则是硬件已经损坏，如果信号与期望差别较大，可能是由 于系统的抗干扰性较差，这可以在发送和接收的两端加入光电隔离。 对于软件故障，主要考虑软件的容错性。为了保证

55、数据通信的可靠性，在需要 等待对方应答的地方，可加适当延时。同时为防止程序出现异常，可适当增大存放 缓冲区字符的数组的大小。 此次设计中，花时间最多的是硬件电路 pcb 板的制作和软件程序编写及调试过 程。其中，秒表功能调试遇到精度不高问题；调试过程发现硬件有虚焊的状况。调 试过程中学到了软件编程和硬件搭建的很多技巧。最后该系统设计的要求全部实现 了。 5.2 调试结果 （1）图 5.1 为实时的年、月、日、时、分、秒、星期的显示，其中 on 或 off 代表 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 25 闹钟开或关的状态。 图 5.1 实时时间和日期的显示 （2）图 5.2 和图 5.

56、3 为模式选择模块，模式可以向左或向右移动（按 s2 或 s3 按键） ， 其中从左到右的模式有：时间设置模式、日期设置模式、闹钟设置模式、背光灯开 关设置模式、温度检测模式、秒表模式。 图 5.2 模式选择界面一 图 5.3 模式选择界面二 （3） 图 5.4 为进入时间设置模式后的界面，其中按 s4 是进行时、分、秒设置的选 择，s2 和 s3 为时间减和加的选择按键；exit 为退出设置界面请求。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 26 图 5.4 时间设置界面 （4） 图 5.5 为进入日期设置模式后的界面，按 s4 是对年、月、日、星期设置位的 选择，s2 和 s3 为日

57、期减、加的选择按键，exit 为退出界面请求。 图 5.5 日期设置界面 （5） 图 5.6 和图 5.7 为进入闹钟设置模式后进行闹钟的开关设置和闹钟时间的定时 设置；其中，s4 为定时设置的选位按键 ，s2 和 s3 为时间减和加的设置按键。 图 5.6 闹钟开关设置界面 图 5.7 闹钟定时设置界面 （6） 图 5.8 为进入背光灯延时设置界面，其中可以通过 s2 和 s3 对延时时间进行 减或加设置。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 27 图 5.8 背光灯延时设置界面 （7） 图 5.9 为温度检测和显示的界面，实现了对环境温度的检测和显示效果。 图 5.9 环境温度显

58、示界面 （8） 图 5.10 为秒表功能界面，其中，s2 为秒表打开按键，s3 为暂停按键，s1 为 清零按键，s4 为退出界面按键。 图 5.10 秒表功能界面 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 28 6 6 总结总结 本系统的硬件电路主要由单片机最小系统电路及键盘输入电路、温度测量电路、 时钟芯片电路、lcd1602 液晶显示电路等模块组成，通过 c 语言对系统进行编程， 体现了本设计的实时性和灵活性。系统实现了一下多种功能： （1）实现年、月、日、时、分、秒、星期显示且有时间、日期和星期的设置； （2）实现闹钟设置功能和秒表功能； （3）实现液晶背光灯延时控制从而达到节能效果

59、、按键声效果和屏幕切换功能； （4）实现环境温度检测和显示功能。 本次设计还有一些地方可以改进： (1) 供电电源改成 5v 电池 在生活中，不可能使用 5v 电源箱来作为硬件的供电电源，所以电源应该作出 改变使系统具备安全，简单，容易携带等优点。 (2) 应该在本设计上实现整点报时功能 本次设计在基本功能实现的基础上，能实现时钟整点报时功能，这样可以使时 钟功能体现的更全面。 (3) 可以增加一个无线操控闹钟开关控制 本设计可以加一个功能：通过无线模块实现对系统实现非接触止闹功能，这样 可以给设计增加一个新颖性和实用性。 中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 29 7 7 参考文献参

60、考文献 1 王云涛,王楠.浅谈多功能数字钟的设计j.山东电力高等专科学报,2005, 4 (8):71-72. 2 刘长勇,叶希梅.基于 ds18b20 的温度测量装置的设计.鲁东大学学报（自然科学版） 2009,25（3）:225228; 3 林军,谢晓斌.用 8031 单片机控制的数字钟j.湖北商业高等专科学报,2002, 27 (2):40-44. 4 刑小杰.单片机电子时钟设计.沈阳职业技术学院电器工程系,2006.9:64-66. 5 王振中.现代单片机技术的进展.今日科技 2004.9. 6 邹显圣. 基于 at89c51 单片机数字时钟的研究. 2009 年 9 月.第 22 卷