时钟与I2C总线电路设计及软件编程.doc

毕业设计说明书第I页实时钟与I2C总线电路设计及软件编程摘要实时钟，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在这个讲究效率的年代，时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。然而随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们不仅对于实时钟精度的要求越来越高，而且对于时钟功能的要求也越来越多，实时钟已不仅仅是一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。本文主要以PCF8563时钟芯片为核心制成并通过ZLG7290键盘LED控制器进行显示的数字实时时钟。其中用到的时钟芯片PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。本电路在实验板上进行，采用软件和硬件组合的方法，其最大特点是：硬件电路简单，安装方便易于实现，软件设计独特、可靠。关键词：寄存器，定时器，I2C总线，实时时钟，PCF8563毕业设计说明书第II页ReReal-timeclockandI2C-buscircuitsdesignandSoftwareprogrammingAbstractReal-timeclock,sincethedayitwasinvented,hasbecomeindispensabletopeopleslivesinatool,particularlynowthatithastheefficiencyoftheera,inthehumanproductionandliving,learningandotherfields,theclockhasawiderangeofapply.Butwiththepassageoftime,thecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,notonlydemandingofpeoplefortheaccuracyofreal-timeclockisincreasing,butalsowehavemoreandmoredemandsfortheclockfunctions,real-timeclockisnotjustatoolusedtoshowtime,anditisabletoachievemoreotherfeaturesinmanypracticalapplications.ThispaperintroducesPCF8563clockchipusedasthecoreandZLG7290usedtodisplay.ThePCF8563clockchipisaCMOSlow-powerdevice.Itprovidesaprogrammableclockoutput；apower-failinterruptoutputanddetector,alltheaddressesanddatesaretransferredthroughreal-timeclock/calendarchipSerialI2C-bus.ThebiggestBusspeedis400Kbits/s,afterdataisreadorwritten,embeddedwordaddressregisterwillautomaticallygenerateincremental.Thecircuitiscarriedontheexperimentboardusingsingsoftwareandhardwareportfolio,andthelargestfeaturesareasfollows:simplehardwarecircuit,easyinstallation,softwaredesignuniqueandreliable.Keywords:Register,Timer,Real-TimeDock,I2C-bus,PCF8563毕业设计说明书第III页目录1绪论.11.1课题背景及目的.11.2国内外研究现状.11.3课题的研究方法.11.4课题研究内容及构成.22元器件介绍.32.1时钟芯片PCF8563特性概述.32.2键盘LED驱动芯片ZLG7290.43硬件电路设计.63.1时钟芯片PCF8563的基本原理和功能描述.63.2I2C总线.83.2.1I2C总线特点.83.2.2I2C总线的工作原理.83.3键盘LED驱动芯片ZLG7290.93.3.1功能描述.103.3.2寄存器详解.113.4CAT24WC02的数据操作格式和总线协议.144软件电路设计.154.1PCF8563的接口电路.154.2ZLG7290应用原理图.17结论.19致谢.20毕业设计说明书第IV页参考文献.21附录.22黄河科技学院毕业设计说明书第1页1绪论1.1课题背景及目的随着人类科技文明的发展，人们对于实时时钟功能的要求在不断地提高。实时时钟在现如今已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代实时时钟发展的趋势。在这种趋势下，实时时钟的数字化、多功能化已经成为现代实时时钟生产研究的主导设计方向。本课题讨论的是以51单片机为核心，结合时钟芯片PCF8563，采用ZLG7290键盘LED控制器等部件设计的实时时钟。1.2国内外研究现状目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。以单片机制成的电子时钟具有计时准确，功耗低的优点，从而得到了各领域界的广泛应用1。单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。单片机正朝着功能更强、速度更快、功耗更低、辐射更小的方向发展。随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件，这也是单片机以后发展的重要趋势。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。1.3课题的研究方法本次设计基于单片机技术原理，以单片机芯片AT89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，正确使用各种元器件(包括MCU、实时钟与I2C总线器件等)，实现实时钟与I2C总线编程的基本功能，并且结合ZLG7290键盘LED控制的各种功能，设计制作出一个具有实际功能的且符合指标要求的实时时钟系统2。黄河科技学院毕业设计说明书第2页1.4课题研究内容及构成本次设计以硬件软件化为指导思想，充分发挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，电路简单明了，系统稳定性高。同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。由于系统所用元器件较少，单片机所被占用的I/O口不多，因此系统具有一定的可扩展性3。该实时时钟系统主要由时钟模块、液晶显示模块、键盘控制模块以及信号提示模块组成。系统具有简单清晰的操作界面，接口电路简洁，芯片驱动程序严格按照芯片时序编写，读写稳定可靠，可为智能仪器提供高准确度的时钟，定时、报警功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路1.0V以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量4。黄河科技学院毕业设计说明书第3页2元器件介绍2.1时钟芯片PCF8563特性概述主控芯片使用51系列AT89C51系列单片机，由先进工艺制造。方便程序的写入，数据保存可以达到10年。时钟芯片采用PCF8563，其主要特性有：低工作电流：典型值为0.25A(VDD=3.0V，Tamb=25C时)；世纪标志；大工作电压范围：1.0V5.5V；低休眠电流：典型值为0.25A(VDD=3.0V,Tamb=25C)；400KHz的I2C总线接口(VDD=1.8V5.5V时)；可编程时钟输出频率为：32.768KHz，1024Hz，32Hz，1Hz；报警和定时器；掉电检测器；内部集成的振荡器电容；片内电源复位功能；I2C总线从地址：读，0A3H；写，0A2H。PCF8563的管脚及内部结构如图2.1所示。1、PCF8563的引脚排列如图2.1所示。其中OSCI为振荡器输入，OSCO为振荡器输出，/INT是中断输出，且为开漏，低电平有效。Vss接地，SDA是串行时钟输入，CLKOUT是时钟输出，VDD接正电源。图2.1PCF8563管脚排列图黄河科技学院毕业设计说明书第4页2、PCF8563片内结构如图2.2所示。它具有16个8位寄存器、一个可自动增量的地址寄存器、一个内置32.768KHZ的振荡器(带有一个内部集成的电容)、一个分频器(用于给实时时钟RTC提供源时钟)、一个可编程时钟输出、一个定时器、一个报警器、一个掉电检测器和一个的I2C总线接口串行接口，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。图2.2PCF8563管脚及内部结构2.2键盘LED驱动芯片ZLG72901、ZLG7290的主要特性直接驱动8位共阴式数码管(1英寸以下)或64只独立的LED；可管理多达64只按键，自动消除抖动，其中有8只可以作为功能键使用；段电流可达20mA，位电流可达100mA以上；利用功率电路可以方便地驱动1英寸以上的大型数码管；具有闪烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能；提供有10种数字和21种字母的译码显示功能，或直接向显示缓存写入显示数据；不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至1mA；与微控制器之间采用I2C串行总线接口，只需两根信号线，节省I/O资源；工作电压范围：3.3V5.5V；工作温度范围：40C85C；黄河科技学院毕业设计说明书第5页封装：DIP-24(窄体)，SOP-24。2、ZLG7290引脚及引脚说明(1)ZLG7290采用24引脚封装，引脚如图2.3所示。图2.3引脚图(2)ZLG7290的各个引脚说明如下表所示。表2.1引脚说明引脚号引脚名称引脚属性引脚描述13，12，21，22，36Dig7Dig0输入/输出LED显示位驱动及键盘扫描线107，2，1，24，23SegHSegA输入/输出LED显示位驱动及键盘扫描线20SDA输入/输出I2C总线接口数据/地址线19SCL输入/输出I2C总线接口时钟线14/INT输出中断输出端，低电平有效15/RES输入复位输入端，低电平有效17OSC1输入连接晶体以产生内部时钟18OSC2输出16VCC电源电源正（3.3V5.5V)11GND电源电源地