基于单片机的可调数字万年历设计方案

1 基于单片机的可调数字万年历设计方案 1 引言 随着社会与科技的快速发展， 人们 的 生活水平 得到了 提高 ， 生活节奏 得到了 加快， 人们 对时间的要求也 越来越高，精准数字计时的消费需求也是越来越多。 因此， 新产品、新技术层出不穷，不断创新，不断发展，越来越多的高科技产品的产生来适应人们的需求，这使电子技术的发展更是日新月异。 以前人们是利用观察太阳来看时间，接着摆钟的出现使人们对时间有了更进一步的了解，现在人们是用电子钟来记录时间，在这漫漫的发展过程中，人类不断地研究，不断地创新 . 二十一世纪 是科技与创新的新时代，用 来计时的电子产品也越来越多，其中 最具代表性 最受欢迎的 的计时产品就是电子万年历， 它不仅具有一般计时产品的功能，还具有闹铃、报警等创新功能。 目前 它 已经不再 仅仅 局限于以书本 的 形式出现。 而是 以电脑软件或者电子产品 的 形式出现的万年历被称为电子万年历。 它 与传统书本形式的万年历相比， 不仅方便快捷，简单直观，还有很卓越的功能，所以 电子万年历得到了越来越广泛的应用，采用电子时钟作为时间显示已经成为一种时尚 。 它是近代世界钟表业界的第三次革命。第一次是摆和摆轮游丝的发明，相对稳定的机械振荡频率源使钟表的走时差从分级缩小到秒级，代表性的产品就是带有摆或摆轮游丝的机械钟或表。第二次革命是石英晶体振荡器的应用，发明了走时精度更高的石英电子钟表，使钟表的走时月差从分级缩小到秒级。第三次革命就是单片机数码计时技术的应用（电子万年历），使计时产品的走时日差从分级缩小到 1/600 万秒，从原有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 ，给消费者带来了很大的方便 ！ 所以 电子万年历 就是 钟表计时业界跨跃性的 一朵奇葩。 目前市场上 的 电子时钟 种类 繁多， 但 大 多数 都只 是只针对时间显示，功能单一不能满足人们日常生活需求 ，所以现在不能仅局限于这种电子钟 。我国生产的电子万年历有很多种，总上来说以研究多功能电子万年历为主，使万年历除了原有的显示时间，日期等基本功能外，还具有闹铃，报警等功能。商家生产的电子万年历更从质量，价格，实用上考虑，不断的改进电子万年历的设计，使其更加的具有市场。 对于美 国 可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能，而且 使用 寿命长，误差小。对于数字电子万年历采用直观的数字显示，可以同时显示年、月、日、周日、时、分、秒和温度等信息，还具有时间 校准 等 功能 。该电路采用 耗小，能在 3压可选用 35综上所述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，更能满足人们的需求，这使电子钟具有很广阔的市场前景。 2 2 设计方案 述 本文 主要 提出了一种基于 此设计 方案 是 以 控核心， 并采用集成化的 时钟芯片 键、 此设计主要 采用软件和硬件结合的方法，控制 码管输出，分别用来显示年、月、日、时、分、秒， 并且 在硬件系统中设有独立按键和 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、选择时间等 。其可以实现以下几个基本功能： （ 1） 具有显示年、月、日、星期、时、分、秒等功能； （ 2） 具有年、月、日、星期、时、分、秒校准功能； （ 3） 时间与阴、阳历能够自动关联； （ 4） 具有温度计功能； 这 种万年历 是 基于 片机 的设计，其 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。 它 最大特点 就 是硬件电路简单，安装方便易于实现，软件设计独特 ,可靠 。对于 片机 ，它 是由 司推出的一种小型单片机 ，其 95年出现在中国市场 ，它的 主要特点 有以下几点： （ 1） 采用 这样可以 降低了制造成本 ，具有优异的性能价格比。 （ 2）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、 I/片机的逻辑控制功能 及运行速度均高于同一档次的微机。 （ 3）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 （ 4）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 （ 5）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 (6)外部总线增加了 一步缩小了体积，简化了结构。 计方案的选择 （ 1）单片机芯片 的选择方案： 方案一 : 采用传统的 片作为硬件核心，它主要是采用 内部具有 4储空间 ,能够在 3而且能够与 虽然此 单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大， 但是运用于电路设计中时由于不具备 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。 方案二： 采用 带有非易失性 是一种高性 能、低功耗的 8位 场应用最多。其主要特点如下： 8以擦除 1000次以上，数据保存 10 年。 方案三 : 3 采用 内 以 3V 的超底压工作；同时也与 储空间，同样具有 89功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。 （ 2）时钟芯片的选择方案： 方案一 ： 直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方案虽然减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。所以不采用此方案。 方案二： 采用 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 作电压 00（ 3）温度传感器的选择方案 : 方案一： 可以采用热敏电阻， 热敏电阻是开发早、种 类多、发展较成熟的敏感元器件 ，可以 使用热敏电阻作为传感器， 热敏电阻由半导体陶瓷材料组成， 它 利用的原理是温度引起电阻变化 。 用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行 A/设计方案需用 A/加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。 方案二： 采用数字式温度传感器 类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，单总线 易于与单片机连接， 具有经济性好，抗干扰能力强， 适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点。 可以去除 A/D 模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。 （ 4）显示模块的选择方案： 方案一： 采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合 ,如采用在显示数字显得太浪费 ,且价格也相对较高 ,所以也不用此种作为显示。 方案二： 采用 液晶显示屏的显示功能强大 ,可显示大量文字 ,图形 ,显示多样 ,清晰可见 ,但是价格昂贵 ,需要的接口线多 ,所以在此设计中不采用 方案三： 采用 对于显示数字最合适 ,而且采用动态扫描法与单片机连接时 ,占用的单片机口线少。 终设计方案选择 通过以上各个方案的比较，对此次作品的最终方案选定为 : 采用以 时钟芯片实现时钟 ;数字式温度传感器作为温度采集模块 ; 3 电路组成及工作原理 路设计框图 统的硬件 本电路主要是由 片机为控制 核心， 片机具有在线编程功能，低功耗，能在 3钟电路由 片提供，它是一种高性能、低功耗、带 实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 用三线接口与 行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 据。 部有一个31*8的用于临时性存放数据的 产生年、月、日、周日、时、分、秒，具有使用寿命长，精度高和低功耗等特点，同时具有掉电自动保存功能；温度的采集 模块是由 于显示模块，由个数码管， 7474用动态扫描显示方式对数字的进行显示。 一、单片机主控制模块 （ 1）概述 单片机 0引脚双列直插芯片 ,有四个 I/O 口 1,3, 片机共有 4个 8位的 I/每一条 I/与 片机产品兼容 、8K 字节在系统可编程 储器、 1000 次擦写周期、 全静态操作： 033 三级加密程序存储器 、 32 个可编程 I/O 口线 、三个 16 位定时器 /计数器 八个中断源 、全双工 行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。 （ 2） 所示： 5 图 1 脚图 4个 8位的 I/功能介绍 : ： 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 辑电平。对 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， 也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下， 有内部上拉电阻 。 在 程时， 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。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 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（ 在 程和校验时，接收低 8 位地址字节 。 此外， 别作定时器 /计数器 2 的外部 计数输入（ 2）和时器 /计数器 2 的触发输入（ 2 第二功能 具体如下所示 ： 2（定时器 /计数器 外部计数输入），时钟输出 2时器 /计数器 捕捉 /重载触发信号和方向控制） 系统编程用） 系统编程用） 系统编程用） ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 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（ 。 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 ， 送出高八位地址。在这种应用中， 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 问外部数据存储器时，输出 存器的内容。 在 程和校验时， 也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 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（ 在 程和校验时， 6 也接收一些控制信号。此外， 还接收一些用于 存编程和程序校验的控制信号 。亦作为 殊功能（第二功能）使用，第二功能 具体 如下所示 ： 行输入口 ) 行输出口 ) 中断 0) 中断 1) O(定时 /计数 器 0) 1(定时 /计数器 1) R(外部数据存储器写选通 ) D(外部数据存储器读选通 ) （ 3） 单片机 电路中的连接如图 2 所示 ,18 引脚和 19 引脚接时钟电路 ,外部晶振和微调电容的一端 ,在片内它是振荡器倒相放大器的输入 ,外部晶振和微调电容的另一端 ,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。第 9 引脚为复位输入端 ,接上电容 ,电阻及开关后够上电复位电路 ,20 引脚为接地端 ,40引脚为电源端。 图 2 电路中的连接图 二、时钟电路模块 (1) 时钟芯片 时钟芯片 程序前都必须初始化，先把 “ 0”，接着把 1”，最后才给予 /写时序如下图 4所示。图 5为 控制字，此控制字的位 7必须置 1，若为 0则不能把对 于位 6，若对程序进行读 /写时 ，对时间进行读 /写时， 。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；该位为 0则表示进行的是写操作。控制字节总是从最低位开始输入 /输出的。表 6 为 日历、时间寄存器内容：“ 时钟暂停标志位，当该位为 1时，时钟振荡器停止， 该位为 0时，时钟开始运行。“ 写保护位，在任何的对时钟和 。当“ 1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。 （ 2）时钟芯片 所示。 各引脚的功能为： 7 1、 5V 电源。当 2 3、 外接晶振脚 （ 4、地（ 5、 位脚 6、 I/O：数据输入输出口； 7、 行时钟，输入； 8 、 用电池端； 图 3 脚图 （ 3）时钟芯片 电路中的连接图如 图 4 所示 。 主电源 /后备电源双电源引脚 ， 其中 单电源与电池供电的系统中提供低电源，并提供低 功率的电磁备份 ， 为后备电源， 电源。 在这种运行方式中， 连接到后备电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。即 在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。 者中的较大者供电。当于 ， 电。当 于 ， 电。 振荡源，外接 振。 复位 /片选线，通过把 入驱动置高电平来启动所有的数据传送。 入有两种功能 ：首先， 通控制逻辑，允许地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， 有的数据传送被初始化，允许对 果在传送过程中 会终止此次数据传送， I/电动行时，在 有在 低电平时，才能将 （双向）。 图 4 电路中的连接图 8 (4) 控制字节 控制字如表 示。控制字节的高有效位（位 7）必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入 6如果 0，则表示存取日历时钟数据，为 1表示存取 据；位 5至位（ 指示操作单元的地址；最低有效位（位 0）如为 0 表示要进行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输入 /输出。 表 (5) 寄存器 2 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 其日历、时间寄存器及其控制字见表 表 过学习知道 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 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。 关的寄存器分为两类：一类是单个 31 个，每个单元组态为一个 8位的字节，其命令控制字为 中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的 存器，此方式下可一次性读写所有的 1个字节，命令控制字为 )、 )。 (6) 数据输入输出（ I/O） 在控制指令字输入后的下一个 钟的上升沿时，数据被写入 据输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8位的控制指令字后的下一个 出数据时从低位 0位到高位 7。如下图 5所示 9 图 5 /写时序图 三、温度采集模块 （ 1） 线数字温度传感器，即 “ 一线器件 ” ，其具有以下独特的优点： 1) 采用单总线的接口方式 与微处理器连接时 仅需要一条口线即可实现微处理与 双向通讯。 单总线具有经济性好，抗干扰能 力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。 2) 测量温度范围宽，测量精度高 测量范围为 + 125 ； 在 85 C 范围内，精度为 C 。 3) 在使用中不需要任何外围元件。支持多点组网功能，多个 以并联在惟一的单线上，实现多点测温。 4) 测量参数可配置 测量分辨率可通过程序设定 912 位。 5) 负压特性 电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常 工作。 6) 供电方式灵活 以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而 使系统结构更趋简单，可靠性更高。 7) 掉电保护功能 部含有 在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。 8) 有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐 。 （ 2） 所示。 各引脚的功 能为： 地； 出端； 寄生电源接线方式时接地； 10 图 6 脚图 （ 3） 如图 7所示。采用数字式温度传感器 是数字式温度传感器，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，使用 I/O 口连接加一个上拉电阻 , 图 7 电路中的连接图 （ 4） 部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 温度传感器、非挥发的温度报警触发器 配置寄存器。 光刻 的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 地址序列码。 64 位光刻 排列是：开始 8 位（地址： 28H ）是产品类型 标号，接着的 48 位是该 身的序列号，并且每个 序列号都不相同，因此它可以看作是该 地址序列码；最后 8 位则是前面 56 位的循环冗余校验码（ 8+4+1 ）。由于每一个 据都各不相同，因此微控制器就可以通过单总线对多个 行寻址，从而实现一根总线上挂接多个 目的。 64 位光刻 排列如图 8所示： 图 8 64 位光刻 列 的温度传感器完成对温度的测量，用 16位二进制形式提供，形式表达，其中 S 为符号位。如图9： 11 图 9 16 位二进制 四、显示模块 如图 10 所示，显示模块采用动态扫描显示，由个数码管， 3码器 74 1K 限流电阻 ,再接 8550三极管接到共阳数码管的 每位选择相应的列。 74240限流电阻 ,再接共行的 图 10 态扫描显示 五、键盘模块 键盘 模块 在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据、查询和控制系统的工作状态，都要用到键盘，键盘是人工干预计算机的主要手段。键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能。这种键盘使用 方便，但硬件较复杂， 所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在单片机应用系统中广泛使用。此处主要介绍该类非编码键盘及其与 51 型单片机的接口。 统的软件 程序流程框图： 12 图 11 主程序流程图 图 12 计算阳历程序流程图 13 图 13 阴历程序流程图 图 14 时间调整程序流程图 14 4 调试 调试主要分为硬件调试和软件调试，两项调试同为重要，缺一不可，要做到相辅相成，有机的结合在一起。 对于硬件调试， 要做到仔细、耐心与认真，不要急于求成。此次电子万年历设计是一个庞大复杂的电路系统，在焊接过程中很容易出错，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺被带有包皮的导线，则会对电路造成短路现象。所以在焊接过程中要认真仔细，不要因为一个小小的错误导致失败、功亏一篑。在硬件调试过程中，首先要检查焊接是否有缺焊漏焊等 问题，看焊接是否正确，是否与电路图一致，特别是要检查重要元器件在电路中的连接是否正确，然后用万用表一个一个地检测，检查电路是否有问题