基于单片机的数字时钟电路毕业论文.doc

摘 要 本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片 at89c52 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，设计了多功能数字时钟系统。该时钟系统主要由时钟模块、 块、液晶显示模块以及键盘控制模块组成。系统具有简单清晰的操作界面，能在 4v7v 直流电源下正常工作。能够准确显示时间（显示格式为时时：分分：秒秒，24 小时制） ， 可随时进行时间调整，具有闹钟时间设置、闹钟开/关、止闹功能，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。 关 键 词 ： lcd 显 示 单 片 机 时 钟 芯 片 ds1302 abstract this design principle based on scm technology to a central controller at89c52 microcontroller, through hardware design and preparation software program, designed to produce a multi-functional digital clock system. the clock system is composed of clock module, alarm module, the ambient temperature detection module, liquid crystal display module, keyboard control module and the signal prompt module. system is simple and clear interface, can 4v 7v dc power supply to work. able to accurately display time (display format is hh: mm: seconds seconds, 24-hour clock), the time may be adjusted at any time, with the alarm time set, alarm on / off, alarm function only can the clock where the ambient temperature measurement and displayed. into hardware and software design guidelines and give full play mcu functions, most of the functionality through software programming to implement, simple circuit, high stability of the system. meanwhile, the clock system also has low power consumption, and low cost, and highly practical. as the system uses fewer components, single chip occupied by the i / o port small, so the system has some scalability. key words : lcd display, scm, ds1302, 目 录 1 绪论 1 1.1 课题的提出及研究意义 .1 1.2 数字时钟的发展现状 .2 1.3 课题研究目的和研究内容 .5 2 多功能数字时钟硬件设计 5 2.1 主控制模块 .6 2.2 显示模块 .9 2.3 时钟模块 11 2.4 电源转换模块 17 2.5 本章小结 18 3 电路仿真与制作 .18 3.1 电路仿真 18 3.2 电路板制作 19 3.3 本章小结 19 4 软件设计部分 .20 4.1 时钟程序的设计 20 4.2 本章小结 21 5 总 结 .21 参 考 文 献 23 致 谢 .24 附 录 25 1 绪论 人 类 的 生 活 和 工 作 均 离 不 开 时 钟 。 从 古 代 的 滴 漏 更 鼓 到 近 代 的 机 械 钟 ， 从 电 子 表 到 目 前 的 数 字 时 钟 ， 为 了 准 确 的 测 量 和 记 录 时 间 ， 人 们 一 直 在 努 力 改 进 着 计 时 工 具 。 钟 表 的 数 字 化 ， 大 力 推 动 了 计 时 的 精 确 性 和 可 靠 性 。 1.1 课题的提出及研究意义 1.1.1 课题的提出 近 些 年 ， 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 要 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 、 数 字 闹 钟 等 等 。 数 字 钟 成 为 人 们 日 常 生 活 中 不 可 少 的 必 需 品 ,由 于 数 字1 集 成 电 路 的 发 展 和 石 英 晶 体 振 荡 器 的 广 泛 应 用 ,使 得 数 字 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 。 在 日 常 生 活 和 工 作 中 ， 我 们 常 常 用 到 定 时 控 制 ， 如 扩 印 过 程 中 的 曝 光 定 时 等 。 早 期 常 用 的 一 些 时 间 控 制 单 元 都 使 用 模 拟 电 路 设 计 制 作 的 ， 其 定 时 准 确 性 和 重 复 精 度 都 不 是 很 理 想 ， 现 在 基 本 上 都 是 基 于 数 字 技 术 的 新 一 代 产 品 ， 随 着 单 片 机 性 能 价 格 比 的 不 断 提 高 ， 新 一 代 产 品 的 应 用 也 越 来 越 广 泛 ， 大 可 构 成 复 杂 的 工 业 过 程 控 制 系 统 ， 完 成 复 杂 的 控 制 功 能 。 小 则 可 以 用 于 家 电 控 制 ， 甚 至 可 以 用 于 儿 童 电 子 玩 具 。 它 功 能 强 大 ， 体 积 小 ， 质 量 轻 ， 灵 活 好 用 ， 配 以 适 当 的 接 口 芯 片 ， 可 以 构 造 各 种 各 样 、 功 能 各 异 的 微 电 子 产 品 。2 随 着 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 家 用 电 器 和 办 公 电 子 设 备 逐 渐 增 多 ， 不 同 的 设 备 都 有 自 己 的 控 制 器 ， 使 用 起 来 很 不 方 便 。 根 据 这 种 实 际 情 况 ， 设 计 了 一 个 单 片 机 多 功 能 数 字 时 钟 ， 它 可 以 避 免 多 种 控 制 器 的 混 淆 ， 利 用 一 个 控 制 器 对 多 路 电 器 进 行 控 制 ， 同 时 又 可 以 进 行 时 钟 校 准 和 定 点 打 铃 。 它 可 以 执 行 不 同 的 时 间 表 （ 考 试 时 间 和 日 常 作 息 时 间 ） 的3 打 铃 ， 可 以 任 意 设 置 时 间 。 这 种 具 有 人 们 所 需 要 的 智 能 化 特 性 的 产 品 减 轻 了 人 的 劳 动 ， 扩 大 了 数 字 化 的 范 围 ， 为 家 庭 数 字 化 提 供 了 可 能 。 电 子 钟 是 一 种 利 用 数 字 电 路 来 显 示 秒 、 分 、 时 的 计 时 装 置 ， 与 传 统 的 机 械 钟 相 比 ， 它 具 有 走 时 准 确 、 显 示 直 观 、 无 机 械 传 动 装 置 等 优 点 ， 因 而 得 到 广 泛 应 用 。 随 着 人 们 生 活 环 境 的 不 断 改 善 和 美 化 ， 在 许 多 场 合 可 以 看 到 数 字 电 子 钟 。 在 城 市 的 主 要 营 业 场 所 、 车 站 、 码 头 等 公 共 场 所 使 用 lcd 数 字 电 子 钟 已 经 成 为 一 种 时 尚 。 但 目 前 市 场 上 各 式 各 样 的 lcd 数 字 电 子 钟 大 多 数 用 全 硬 件 电 路 实 现 ， 电 路 结 构 复 杂 ， 功 率 损 耗 大 等 缺 点 ， 因 此 有 必 要 对 数 字 电 子 钟 进 行 改 进 。 1.1.2 课题研究的意义 多 功 能 数 字 时 钟 的 用 途 十 分 广 泛 ， 只 要 有 计 时 的 存 在 ， 便 要 用 到 数 字 时 钟 的 原 理 及 结 构 ； 同 时 在 日 期 中 ， 它 以 其 小 巧 ， 价 格 低 廉 ， 走 时 精 度 高 ， 使 用 方 便 ， 功 能 多 ， 便 于 集 成 化 而 受 广 大 消 费 者 的 喜 爱 。 随 着 人 类 科 技 文 明 的 发 展 ， 人 们 对 于 时 钟 的 要 求 在 不 断 提 高 。 时 钟 已 不 仅 仅 被 看 出 一 种 用 来 显 示 时 间 的 工 具 ， 在 很 多 实 际 应 用 中 它 还 需 要 能4 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 时 钟 发 展 的 趋 势 。 在 这 种 趋 势 下 ， 时 钟 的 数 字 化 、 多 功 能 化 已 经 成 为 现 在 时 钟 生 产 研 究 的 主 导 设 计 方 向 。 1.2 数字时钟的发展现状 几 种 常 用 数 字 时 钟 设 计 方 案 ： 一 、 基 于 微 机 系 统 的 数 字 时 钟 设 计 计 时 单 元 由 定 时 /计 数 器 8253 的 通 道 0 来 实 现 。 定 时 采 用 硬 件 计 数 和 软 件 技 术 相 结 合 的 方 式 ， 即 通 过 8253 产 生 一 定 的 定 时 时 间 ， 然 后 再 利 用 软 件 进 行 计 数 ， 从 而 实 现 24 小 时 制 定 时 。 8253 定 时 时 间 到 了 之 后 产 生 中 断 信 号 ， 8253 在 中 断 服 务 程 序 中 实 现 时 、 分 、 秒 的 累 加 。 时 间 显 示 采 用 实 验 平 台 上 的 6 个 led 数 码 管 分 别 显 示 时 、 分 、 秒 ， 采 用 动 态 扫 描 方 式 实 现 。 校 时 和 闹 铃 定 时 通 过 键 盘 电 路 和 单 脉 冲 产 生 单 元 来 输 入 。 按 键 包 括 校 时 键 、 闹 钟 定 时 键 、 加 1 键 和 减 1 键 等 。 报 警 声 响 用 蜂 鸣 器 产 生 ， 将 蜂 鸣 器 接 到 8255 的 一 个 端 口 ， 通 过 输 出 电 平 的 高 低 来 控 制 蜂 鸣 器 的 发 声 。 系统硬件设计主要利用微机实验平台上的电路模块。硬件电路主要由键盘电路、单脉冲产 生单元、8253 定时计数器、8255 并行接口单元、8259 中断控制器、led 显示电路和蜂鸣 器电路等等。 图 1.1 基于微机系统的数字时钟设计框图 二、基于 vhdl 的数字时钟设计 基 于 vhdl 语 言 ， 用 top_down 的 思 想 进 行 设 计 。 用 cn6 无 进 位 六 进 制 计 数 器 选 择 数 码 管 的 亮 灭 以 及 对 应 的 数 ， 循 环 扫 描 显 示 ， 用 sel61 六 选 一 选 择 器 选 择 给 定 的 信 号 输 出 对 应 的 数 送 到 七 段 码 译 码 器 。 k4 模 块 进 行 复 位 ， 设 置 小 时 和 分 ， 输 出 整 点 报 时 信 号 和 时 ， 分 ， 秒 信 号 。 单 元 模 块 设 计 部 分 对应的数模 块 cn6 信号选择模 块 sel61 七段码译码 器模块 disp 图 1.2 基 于 vhdl 数 字 时 钟 的 设 计 模 块 单 元 模 块 设 计 部 分 分 三 个 部 分 ， 介 绍 数 字 钟 选 择 显 示 数 码 管 和 对 应 的 数 模 块 cn6, 信 号 选 择 模 块 sel61,七 段 码 译 码 器 模 块 disp 和 复 位 ， 秒 ， 分 ， 时 显 示 ， 设 置 模 块 。 三 、 基 于 单 片 机 数 字 时 钟 设 计 基 于 单 片 机 的 数 字 时 钟 设 计 是 模 块 化 设 计 ， 以 单 片 机 做 主 控 制 模 块 ， 控 制 时 钟 芯 片 、 温 度 传 感 器 芯 片 等 ， 又 将 数 据 控 制 输 出 到 显 示 模 块 。 基 于 mcs-51 单 片 机 的 数 字 时 钟 系 统 具 有 显 示 准 确 、 直 观 、 易 于 调 整 等 特 点 。 单 片 机 自 诞 生 以 来 给 全 世 界 人 类 的 生 活 和 工 作 起 到 了 剧 烈 的 变 化 ， 而 mcs-51 单 片 机 是 我 国 使 用 最 早 、 最 易 掌 握 和 应 用 的 一 款 单 片 机 。 通 过 该 系 统 的 设 计 ， 对 单 片 机 的 原 理 和 功 能 有 个 比 较 系 统 和 全 面 的 掌 握 ， 初 步 学 习 到 有 关 工 程 设 计 的 方 法 和 思 路 。 这 样 以 后 的 就 业 面 会 更 加 宽 广 ， 也 可 以 满 足 当 今 社 会 对 单 片 机 开 发 人 才 的 大 量 需 求 5。 目 前 单 片 机 渗 透 到 我 们 生 活 的 各 个 领 域 ， 几 乎 很 难 找 到 哪 个 领 域 没 有 单 片 机 的 踪 迹 。 导 弹 的 导 航 装 置 ， 飞 机 上 各 种 仪 表 的 控 制 ， 计 算 机 的 网 络 通 讯 与 数 据 传 输 ， 工 业 自 动 化 过 程 的 实 时 控 制 和 数 据 处 理 ， 广 泛 使 用 的 各 种 智 能 ic 卡 ， 录 象 机 、 摄 象 机 ， 以 及 程 控 玩 具 、 电 子 宠 物 等 等 ， 这 些 都 离 不 开 单 片 机 。 更 不 用 说 自 动 控 制 领 域 的 机 器 人 、 智 能 仪 表 、 医 疗 器 械 了 。 因 此 ， 单 片 机 的 学 习 、 开 发 与 应 用 将 造 就 一 批 计 算 机 应 用 与 智 能 化 控 制 的 科 学 家 、 工 程 师 。 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 。 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 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 和 数 码 管 显 示 技 术 。 1.3 课题研究目的和研究内容 1.3.1 课题研究目的 日常生活中人们离不开时钟。本文介绍是基于单片机的多功能数字时钟，在传统的时 钟基础上它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点。随着电子产业的发展，时 钟的数字化、多功能化已经成为现在时钟生产研究的主导设计方向。 1.3.2 课题研究内容 采用模块设计法完成多功能数字时钟的设计。基本功能是时钟显示，能准确显示“时” 、 “分” 、 “秒” ，并具有快速校准时、分、秒的功能。时钟显示同时具有实时温度显示。扩展 功能有具整点报时功能以及闹钟功能。 2 多功能数字时钟硬件设计 基 于 单 片 机 的 多 功 能 数 字 时 钟 的 设 计 ， 单 片 机 芯 片 作 为 控 制 系 统 的 核 心 部 件 ， 它 除 了 具 备 微 机 cpu 的 数 值 计 算 功 能 外 ， 还 具 有 灵 活 强 大 的 控 制 功 能 ， 以 便 实 时 检 测 系 统 的 输 入 量 、 控 制 系 统 的 输 出 量 ， 实 现 自 动 控 制 。 在 本 次 设 计 中 采 用 单 片 机 技 术 来 实 现 数 字 钟 的 功 能 。 方 案 的 设 计 可 以 从 以 下 几 个 方 面 来 确 定 。 微 处 理 器 的 选 择 ， at89s51 是 2003 年 atmel 推 出 的 新 型 品 种 ， 除 了 完 全 兼 容 8051 外 ， 还 多 了 isp 编 程 和 看 门 狗 功 能 。 显 示 电 路 的 设 计 ， 随 着 科 技 的 发 展 ， 液 晶 显 示 的 使 用 越 来 越 方 便 ， 已 被 普 遍 的 使 用 。 由 于 液 晶 显 示 与 驱 动 都 集 成 在 一 个 芯 片 上 ， 因 此 使 用 起 来 很 方 便 。 在 这 里 采 用 液 晶 显 示 ； 校 时 和 定 时 电 路 的 设 计 ； 实 时 控 制 电 路 是 时 钟 电 路 的 一 个 重 要 组 成 部 分 ， 采 用 的 是 一 个 时 钟 芯 片 ， 单 片 机 从 中 读 取 数 据 送 到 显 示 器 上 显 示 ， 从 而 实 现 数 字 钟 的 功 能 ； 还 有 一 些 其 他 控 制 电 路 如 复 位 电 路 、 时 钟 电 路 等 。 通 过 这 些 控 制 电 路 的 连 接 构 成 了 完 整 的 电 路 . 按 照 系 统 设 计 功 能 的 要 求 ， 初 步 确 定 设 计 系 统 由 电 源 转 换 模 块 、 主 控 制 模 块 、 时 钟 及 温 度 模 块 、 显 示 模 块 、 键 盘 接 口 模 块 共 5 个 模 块 组 成 ， 电 路 系 统 构 成 框 图 如 图 2.1 所 示 ： 电源模块 ds1302 89c51 主控制模块 键扫描电路 显示电路 ds18b20 图 2.1 电 路 系 统 构 成 框 图 2.1 主控制模块 在 本 次 设 计 中 采 用 单 片 机 技 术 来 实 现 数 字 钟 的 功 能 。 方 案 的 设 计 可 以 从 以 下 几 个 方 面 来 确 定 。 微 处 理 器 的 选 择 ， at89s51 是 2003 年 atmel 推 出 的 新 型 品 种 ， 除 了 完 全 兼 容 8051 外 ， 还 多 了 isp 编 程 和 看 门 狗 功 能 。 89c51 是 一 种 带 4k 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 （ fperomfalsh programmable and erasable read only memory） 的 低 电 压 ， 高 性 能 cmos8 位 微 处 理 器 ， 俗 称 单 片 机 。 89c2051 是 一 种 带 2k 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 的 单 片 机 。 单 片 机 的 可 擦 除 只 读 存 储 器 可 以 反 复 擦 除 100 次 。 该 器 件 采 用 atmel 高 密 度 非 易 失 存 储 器 制 造 技 术 制 造 ， 与 工 业 标 准 的 mcs-51 指 令 集 和 输 出 管 脚 相 兼 容 。 由 于 将 多 功 能 8 位 cpu 和 闪 烁 存 储 器 组 合 在 单 个 芯 片 中 ， atmel 的 89c51 是 一 种 高 效 微 控 制 器 ， 89c51 是 它 的 一 种 精 简 版 本 。 89c 单 片 机 为 很 多 嵌 入 式 控 制 系 统 提 供 了 一 种 灵 活 性 高 且 价 廉 的 方 案 。 2.1.1 at89c52 单片机的特性概述 主 要 特 性 ： at89s52 为 atmel 所生产的一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器， 具有 8k 在系统可编程 flsah 存储器。 （一） 、at89s52 主要功能列举如下： 1、拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash 2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12mhz） 3、内部程序存储器（rom）为 8kb 4、内部数据存储器（ram）为 256 字节 5、32 个可编程 i/o 口线 6、8 个中断向量源 7、三个 16 位定时器/计数器 8、三级加密程序存储器 9、全双工 uart 串行通道 （二） 、at89s52 各引脚功能介绍： vcc： at89s52 电源正端输入，接+5v。 vss： 电源地端。 xtal1： 单芯片系统时钟的反相放大器输入端。 xtal2： 系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 xtal1 和 xtal2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入 一 20pf 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。 reset： at89s52 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电 平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，at89s51 便能完成系统重置 的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址 0000h 处开始读入程序代码而执行程序。 ea/vpp： “ea“为英文“external access“的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平 动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部 eprom 中）来执行程序。因此在 8031 及 8032 中，ea 引脚必须接低电平，因 为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接 成高电平。此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 eprom 时，可以利用此引脚 来输入 21v 的烧录高压（vpp） 。 ale/prog： ale 是英文“address latch enable“的缩写，表示地址锁存器启用信号。 at89s52 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器（如 74ls373） ，将端口 0 的地址总线（a0a7）锁进锁存器中，因为 at89s52 是以多工的方式送出地 址及数据。平时在程序执行时 ale 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6， 因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录 8751 程序代码时，此 引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。 psen： 此为“program store enable“的缩写，其意为程序储存启用，当 8051 被设成 为读取外部程序代码工作模式时（ea=0） ，会送出此信号以便取得程序代码， 通常这支脚是接到 eprom 的 oe 脚。at89s52 可以利用 psen 及 rd 引脚分 别启用存在外部的 ram 与 eprom，使得数据存储器与程序存储器可以合并在 一起而共用 64k 的定址范围。 port0（p0.0p0.7）： 端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极（open drain）双向输出入端口，共有 8 个位，p0.0 表示位 0，p0.1 表示位 1，依此类推。其他三个 i/o 端口 （p1、p2、p3 ）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，p0 在当做 i/o 用时可以推动 8 个 ls 的 ttl 负载。如果当 ea 引脚为低电平时（即取用外部 程序代码或数据存储器） ，p0 就以多工方式提供地址总线（a0 a7 ）及数据总 线（d0d7） 。设计者必须外加一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为 a0a7，再配合端口 2 所送出的 a8a15 合成一完整的 16 位地址总线，而定 址到 64k 的外部存储器空间。 port2（p2.0p2.7）： 端口 2 是具有内部提升电路的双向 i/o 端口，每一个引脚可以推动 4 个 ls 的 ttl 负载，若将端口 2 的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使 用。p2 除了当做一般 i/o 端口使用外，若是在 at89s52 扩充外接程序存储器或 数据存储器时，也提供地址总线的高字节 a8a15，这个时候 p2 便不能当做 i/o 来使用了。 port1（p1.0p1.7）： 端口 1 也是具有内部提升电路的双向 i/o 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个 ls ttl 负载，同样地若将端口 1 的输出设为高电平，便是由此端口来输入 数据。如果是使用 8052 或是 8032 的话，p1.0 又当做定时器 2 的外部脉冲输入 脚，而 p1.1 可以有 t2ex 功能，可以做外部中断输入的触发脚位。 port3（p3.0p3.7）： 端口 3 也具有内部提升电路的双向 i/o 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个 ttl 负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控 制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。 其引脚分配如下： p3.0：rxd ，串行通信输入。 p3.1：txd，串行通信输出。 p3.2：int0，外部中断 0 输入。 p3.3：int1，外部中断 1 输入。 p3.4：t0 ，计时计数器 0 输入。 p3.5：t1 ，计时计数器 1 输入。 p3.6：wr ：外部数据存储器的写入信号。 p3.7：rd，外部数据存储器的读取信号。 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 。 2.2 显示模块 随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用，所以本次设计采用 液晶显示。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有 电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直 接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、 pda 移动通信工具等众多领域。 由于液晶显示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。数字钟要显示现在 的日历时间包括年、月、日、星期、时、分、秒，在这里采用 1602lcd 液晶显示。 2.2.1 1602lcd 显示器的结构 1 1602lcd 主 要 技 术 参 数 显 示 容 量 为 162 个 字 符 ； 芯 片 工 作 电 压 为 4.5 5.5v； 工 作 电 流 为 2.0ma（ 5.0v） ； 字 符 尺 寸 为 2.954.35（ wh） mm。 2 接 口 ， 信 号 说 明 1602lcd 采 用 标 准 的 16 引 脚 （ 带 背 光 ） 接 口 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 vss 电源地 9 d2 date i/o 2 vdd 电源正极 10 d3 date i/o 3 vl 液晶显示偏压信号 11 d4 date i/o 4 rs 数据/命令选择端（v/l） 12 d5 date i/o 5 r/w 读/写选择端（h/l） 13 d6 date i/o 6 e 使能信号 14 d7 date i/o 7 d0 date i/o 15 bla 背光源正极 8 d1 date i/o 16 blk 背光源负极 图 2.3 1602 液晶接口引脚定义 1、 2 组 电 源 一 组 是 模 块 的 电 源 一 组 是 背 光 板 的 电 源 均 为 5v 供 电 。 2、 vl 是 调 节 对 比 度 的 引 脚 调 节 此 脚 上 的 电 压 可 以 改 变 黑 白 对 比 度 3、 rs 是 很 多 液 晶 上 都 有 的 引 脚 是 命 令 /数 据 选 择 引 脚 该 脚 电 平 为 高 时 表 示 将 进 行 数 据 操 作 ； 为 低 时 表 示 进 行 命 令 操 作 。 4、 rw 也 是 很 多 液 晶 上 都 有 的 引 脚 是 读 写 选 择 端 该 脚 电 平 为 高 是 表 示 要 对 液 晶 进 行 读 操 作 ； 为 低 时 表 示 要 进 行 写 操 作 。 5、 e 同 样 很 多 液 晶 模 块 有 此 引 脚 通 常 在 总 线 上 信 号 稳 定 后 给 一 正 脉 冲 通 知 把 数 据 读 走 ， 在 此 脚 为 高 电 平 的 时 候 总 线 不 允 许 变 化 。 6、 d0d7 8 位 双 向 并 行 总 线 ， 用 来 传 送 命 令 和 数 据 。 7、 bla 是 背 光 源 正 极 ， blk 是 背 光 源 负 极 。9 2.2.2 1602lcd 数据原理 读状态 输入 rs=l，r/w=h，e=h 输出 d0d7=状态字 写指令 输入 rs=l，r/w=l，d0d7=指令码，e=高 脉冲 输出 无 读数据 输入 rs=h，r/w=h，e=h 输出 d0d7=数据 写数据 输入 rs=h，r/w=l，d0d7=数据，e=高脉 冲 输出 无 图 2.4 1602lcd 基本操作时序 1602lcd 的 指 令 码 （ 命 令 码 ） 此 液 晶 上 电 的 时 候 需 要 初 始 化 典 型 的 指 令 码 是 38h， 也 就 是 上 电 的 时 候 需 要 调 用 void write_cmd(unsigned char command)这 个 函 数 写 指 令 码 ， 用 法 是 write_cmd(0x38); 执 行 完 这 个 函 数 可 以 把 液 晶 初 始 化 成 16x2 显 示 5x7 的 点 阵 8 位 总 线 接 口 。 以 下 指 令 码 用 法 相 同 。 此 液 晶 支 持 的 指 令 码 有 指令码 功能 0 0 1 1 1 0 0 0 设置 162 显示，57 点陈，8 位数据接口 第 一 行 指 令 主 要 能 完 成 的 功 能 是 控 制 液 晶 显 示 否 ， 光 标 显 示 否 ， 光 标 闪 烁 否 。 共 有 以 下 8 种 指 令 0 0 0 0 1 0 0 0 08h 关液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 0 0 0 0 1 0 0 1 09h 关液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 0 0 0 0 1 0 1 0 0ah 关液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 0 0 0 0 1 0 1 1 0bh 关液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 0 0 0 0 1 1 0 0 0ch 开液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 0 0 0 0 1 1 0 1 0dh 开液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 0 0 0 0 1 1 1 0 0eh 开液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 0 0 0 0 1 1 1 1 0fh 开液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 第 二 行 指 令 主 要 能 完 成 的 功 能 是 写 完 字 符 光 标 或 屏 幕 移 动 方 向 指令码 功能 80h+地址码（0-27h，40h-67h） 设置数据地址指针 2.2.3 显 示 模 块 的 数 据 连 接 1602lcd 的 d0d7 的 八 位 数 据 线 分 别 接 单 片 机 89c51 的 p0.0p0.7。 rs 复 位 端 接 p2.0,en 使 能 端 接 p2.2,读 、 写 信 号 端 接 p2.1 图 2.5 显示模块的数据连接图 2.3 时钟模块 单 片 机 控 制 时 钟 模 块 ， 定 时 时 间 ， 它 通 常 有 两 种 实 现 方 法 ： 一 是 用 软 件 实 现 ， 即 用 单 片 机 内 部 的 可 编 程 定 时 /计 数 器 来 实 现 ， 但 误 差 很 大 ， 主 要 用 在 对 时 间 精 度 要 求 不 高 的 场 合 ； 二 是 用 专 门 的 时 钟 芯 片 实 现 ， 在 对 时 间 精 度 要 求 很 高 的 情 况 下 ， 通 常 采 用 这 种 方 法 ， 典 型 的 时 钟 芯 片 有 ： ds1302， ds12887， x1203 等 都 可 以 满 足 高 精 度 的 要 求 。 本 次 设 计 采 用 ds1302 芯 片 2.3.2 ds1302 数据操作原理 ds1302 时钟芯片简介 ds1302 是 dallas 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历 和 31 字节静态 ram，可以通过串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电 路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可 自动调整，时钟操作可通过 am/pm 标志位决定采用 24 或 12 小时时间格式。d s1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根 i/o 线 ：复位（rst ）、i/o 数据线、串行时钟（sclk）。时钟 /ram 的读/写数据以 一字节或多达 31 字节的字符组方式通信。ds1302 工作时功耗很低，保持数据 和时钟信息时，功耗小于 1mw。 ds1302 的内部结构如图 4 所示，主要组成部分为：移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实 时时钟以及 ram。虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其实是一样的，就是对 特定的地址进行读写操作。 ds1302 含充电电路，可以对作为后备电源的可充电电池充电，并可选择充电使能和串入 的二极管数目，以调节电池充电电压。不过对我们目前而言，最需要熟悉的是和时钟相关 部分的功能， ds1302 的工作原理 ds1302 工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（rst）置为 高电平且将 8 位地址和命令信息装入移位寄存器。数据在时钟（sclk）的上升 沿串行输入，前 8 位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟 周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。时钟脉冲的个数在单字节方式 下为 8+8（8 位地址+8 位数据），在多字节方式下为 8 加最多可达 248 的数据 。 ds1302 的寄存器和控制命令 对 ds1302 的操作就是对其内部寄存器的操作，ds1302 内部共有 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 r am 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以外的 寄存器。日历、时间寄存器及控制字如表 1 所示： 7 6 5 4 3 2 1 0 寄存器名称 1 ram/ck a4 a3 a2 a1 a0 rd/w 秒寄存器 1 0 0 0 0 0 0 分寄存器 1 0 0 0 0 0 1 小时寄存器 1 0 0 0 0 1 0 日寄存器 1 0 0 0 0 1 1 月寄存器 1 0 0 0 1 0 0 星期寄存器 1 0 0 0 1 0 1 年寄存器 1 0 0 0 1 1 0 写保护寄存器 1 0 0 0 1 1 1 慢充电寄存器 1 0 0 1 0 0 0 时钟突发寄存器 1 0 1 1 1 1 1 表 1：日历、时钟寄存器与控制字对照表 最后一位 rd/w 为“0”时表示进行写操作，为“1”时表示读操作。 ds1302 内部寄存器列表如表 2 所示： 命令字 各位内容 寄存器名称 写 读 取值范围 7 6 5 4 3 2 1 0 秒寄存器 80h 81h 00-59 ch 10sec sec 分寄存器 82h 83h 00-59 0 10min min 小时寄存器 84h 85h 01-12 或 00-23 12/24 0 a hr hr 日期寄存器 86h 87h 01-28,29,30,31 0 0 10date date 月份寄存器 88h 89h 01-12 0 0 0 10m month 周寄存器 8ah 8bh 01-07 0 0 0 0 0 day 年份寄存器 8ch 8dh 00-99 10year year 表 2： ds14302 内部主要寄存器分布表 ds1302 内部的 ram 分为两类，一类是单个 ram 单元，共 31 个，每个单元 为一个 8 位的字节，其命令控制字为 cohfdh，其中奇数为读操作，偶数为 写操作；再一类为突发方式下的 ram，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）。 我们现在已经知道了控制寄存器和 ram 的逻辑地址，接着就需要知道如何 通过外部接口来访问这些资源。单片机是通过简单的同步串行通讯与 ds1302 通讯的，每次通讯都必须由单片机发起，无论是读还是写操作，单片机都必须 先向 ds1302 写入一个命令帧，这个帧的格式如表 1 所示，最高位 bit7 固定为 1，bit6 决定操作是针对 ram 还是时钟寄存器，接着的 5 个 bit 是 ram 或时 钟寄存器在 ds1302 的内部地址，最后一个 bit 表示这次操作是读操作抑或是 写操作。 物理上，ds1302 的通讯接口由 3 个口线组成，即 rst，sclk，i/o。其中 r st 从低电平变成高电平启动一次数据传输过程，sclk 是时钟线，i/o 是数据 线。具体的读写时序参考图 5，但是请注意，无论是哪种同步通讯类型的串行 接口，都是对时钟信号敏感的，而且一般数据写入有效是在上升沿，读出有效 是在下降沿（ds1302 正是如此的，但是在芯片手册里没有明确说明），如果不 是特别确定，则把程序设计成这样：平时 sclk 保持低电平，在时钟变动前设 置数据，在时钟变动后读取数据，即数据操作总是在 sclk 保持为低电平的时 候，相邻的操作之间间隔有一个上升沿和一个下降沿。 2.3.3 时钟模块的数据连接 设 计 中 时 钟 模 块 ， ds1302 的 x1、 x2 间 接 晶 振 起 时 钟 振 荡 作 用 。 复 位 端 rst 接 89c51 的 p1.5， 串 行 数 据 输 入 端 sclk 接 p1.6， 数 据 双 向 输 入 、 输 出 端 io 接 p1.7 图 2.9 时 钟 模 块 的 数 据 连 接 2.5 电源转换模块 日 常 用 到 的 都 是 220v 的 交 流 电 源 ， 所 以 ， 需 要 用 变 压 器 将 其 转 换 为 线 路 设 计 中 所 用 到 的 直 流 电 源 。 此 转 换 后 的 直 流 电 源 为 +12v,而 线 路 设 计 中 许 多 芯 片 所 用 到 的 电 压 为 +5v,因 此 ,还 需 有 12v 到 5v 的 转 换 电 路 。 此 转 换 采 用 7805（ 三 端 稳 压 器 ） 来 完 成 ， 转 换 图 如 下 ： 图 2.11 7805 电压转换电路 当 vin5v 时 ， vout端 可 得 到 稳 定 的 5v 电 压 。 2.6 本章小结 本 章 通 过 对 设 计 思 想 的 介 绍 ， 分 别 对 主 控 制 模 块 、 显 示 模 块 、 时 钟 模 块 、 以 及 电 源 转 换 模 块 的 设 计 原 理 进 行 分 析 阐 述 。 对 各 模 块 所 需 的 芯 片 、 元 器 件 进 行 介 绍 。 3 电路仿真与制作 3.1 电路仿真 电 路 图 的 绘 制 通 过 proteus7.4 完 成 。 proteus 的 isis 是 一 款 labcenter 出 品 的 电 路 分 析 实 物 仿 真 系 统 ， 可 仿 真 各 种 电 路 和 ic， 并 支 持 单 片 机 ， 元 件 库 齐 全 ， 使 用 方 便 ， 是 不 可 多 得 的 专 业 的 单 片 机 软 件 仿 真 系 统 。 该 软 件 的 特 点 ： 全 部 满 足 我 们 提 出 的 单 片 机 软 件 仿 真 系 统 的 标 准 ， 并 在 同 类 产 品 中 具 有 明 显 的 优 势 。 具 有 模 拟 电 路 仿 真 、 数 字 电 路 仿 真 、 单 片 机 及 其 外 围 电 路 组 成 的 系 统 的 仿 真 、 rs-232 动 态 仿 真 、 c 调 试 器 、 spi 调 试 器 、 键 盘 和 lcd 系 统 仿 真 的 功 能 ； 有 各 种 虚 拟 仪 器 ， 如 示 波 器 、 逻 辑 分 析 仪 、 信 号 发 生 器 等 。 目 前 支 持 的 单 片 机 类 型 有 ： 68000 系 列 、 8