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电子挂历系统硬件设计 摘 要 电子挂历作为装饰品，可以装点、美化我们的生活。随着电子技术和计算机技术 的发展，社会的进步，传统的挂历也该由技术含量高的新型挂历所替代。设计一款电 子挂历，安放于教室、实验室、办公室、宿舍等不同场合，不仅能满足一般的年、月、 日、时、分、秒和环境温湿度显示，而且有 CO 气体检测及适合学校的教学周次显示， 作息时间提醒功能。为学校师生学习生活带来方便。 本电子挂历以 AT89S52 为核心，日历芯片采用 PCF8563，温湿度芯片采用 SHT71，时间显示选择 LCD12864，闹铃报警选用蜂鸣器。 温湿度检测在很多现代科技领域中成为一项重要技术，鉴于此，对基于单片机的 温湿度计系统进行了相关研究。通过单片机控制来实现对周围环境的温湿度进行测量。 系统以 AT89S52 单片机为基础，通过数字式传感器对温度和湿度进行检测；利用单片 机之间的通信功能，将所采集到的温湿度值在 LCD 中显示出来。 一个主控微处理器实现对多个子系统的监测和管理，对各传感器所采集到的数据 进行实时处理。由于温度、湿度传感器的输出特性都呈一定的非线性，则所采集的温 湿度值都要进行修正。 其中实时时钟采用 PCF8563 可实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能。 温湿度检测模块由 SHT71 集成温湿度传感器对现场环境温湿度进行实时检测。人机接 口模块由键盘和 LCD12864 液晶组成，可实现题目要求的时间显示、闹钟设置、环境 温度测量等功能。报警模块由报警蜂鸣器可实现闹铃控制。 关键字：AT89S52，PCF8563，SHT71,LCD12864,TGS2442 Electronic Calendar System Hardware Design ABSTRACT As a adornment, Electronic calendar can decorate and beautify our lives. With the electronic technology and computer technology development, and social progress, the traditional calendar is also need be replaced of the new calendar which has the high technical content. The design of a electronic calendar, which is placed in classrooms, laboratories, offices, dormitories and other on different occasions. Not only to display the normal year, the month, the day, the hour, the minute, the second and the environments temperature and humidity, but also to display CO gas detection and teaching time show schedule reminders for school. It bring convenience to life for the teachers and students. This electronics clock take the AT89S52 as core, the calendar chip adopts PCF8563, the temperature chip uses SHT71, the time display choices LCD12864, and alarm selects buzzer. Detection of temperature and humidity in many areas of modern science and technology to become an important technology, in view of this, The thermometer and hygrometer system which is based on SCM has been related research. The single-chip microcomputer control system is achieved through the surrounding environment of temperature and humidity measurements. MCU system is based on AT89S52 SCM , and detect the temperature and humidity with the digital temperature and humidity. At last, it will display the temperature and humidity which is collected by microcontroller. The design of a microprocessor control system to achieve multiple subsystems monitoring and management of the sensors to collect real-time data processing. As temperature, humidity sensors have all of the output of certain nonlinear, the acquisition value of the temperature and humidity must be amended. In which, use PCF8563 as the clock chip can realize display of the year, the month and the day, the hour, the minute and the second information, and it can realize the alarm clock function. The temperature and humidity examination module carries on the real-time examination by the PCF8563 integration sensor. The man-machine interface module is composed by the keyboard and the LCD12864, which can the display of the time, the alarm clock establishment, the temperature of survey and so on, which is title request. Alarm module can be realized by the alarm buzzer alarm control. KEY WORDS: AT89S52， PCF8563，SHT71，LCD12864l，TGS2442. 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 课题的现状及发展趋势 1 1.2 课题的意义 1 1.3 课题的目的 1 2 设计要求与方案论证.2 2.1 设计要求2 2.1.1 基本要求 .2 2.1.2 创新要求 .2 2.2 系统总体设计 2 2.2.1 系统功能要求 .2 2.2.2 系统工作过程 .2 2.2.3 系统总体设计框图 .2 2.3 方案论证与选择 3 2.3.1 总体方案与论证选择.3 2.3.2 时钟模块方案与论证选择4 2.3.3 显示模块方案和论证选择5 2.3.4 温湿度传感器的选择方案与论证5 2.3.5 有害气体检测模块方案与论证选择6 2.3.6 按键模块方案与论证选择6 3 系统的硬件设计与实现.7 3.1 系统硬件概述 7 3.2 主要单元电路的设计 7 3.2.1 单片机主控制模块的设计7 3.2.2 时钟接口电路模块的设计10 3.2.3 温湿度采集模块的设计12 3.2.4 CO 气体检测模块电路设计13 3.2.5 液晶显示电路设计14 3.2.6 蜂鸣器电路接口设计21 3.2.7 按键电路接口设计21 3.2.8 看门狗电路设计22 3.2.9 外形设计23 4 软件设计.25 4.1 程序流程框图.25 4.2 PCF8563 实时时间子程序.25 4.3 计算教学周次子程序 27 4.4 SHT71 温湿度子程序.27 4.5 TGS2442 气体检测子程序.29 4.6 作息时间提醒子程序 30 4.7 按键子程序及时间调整程序 31 4.8 LCD 显示子程序34 5 软件简介.36 5.2 PROTEL DXP 简介36 5.2 KEIL 简介.36 总 结38 致 谢40 参考文献 .41 附录一：地址分配表.42 附录二：系统电路图.44 附录三：系统电路 PCB 图.45 附录三：系统电路 3D 模拟图46 附录三：12864 程序清单和程序47 1 绪论绪论 1.1 课题的现状及发展趋势 电子日历，自从它从被发明的那天起，进成为人们生活中必不可少的一种工具， 尤其是在现在讲究效率的年代，电子日历更是在人类生产、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，人们不仅对于电子日历精度的要求越来越 高，而且对于电子日历功能的要求也越来越多，电子日历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他的功能。诸如闹钟功能、 日历显示功能、温度测量功能、湿度测量功能、电压测量功能、过欠压报警功能等。 钟表的数字化给人们的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、甚至各种定时电气的自动启用等，所 有这些，都是以钟表数字化为基础的。可以说，设计多功能电子日历的意义已不只 在于电子日历本身，更大的意义在于多功能电子日历在许多实时控制系统中的应用。 因此，研究实用电子挂历及其扩展应用，有着非常现实的意义，具有很大的实用价 值。 1.2 课题的意义 电子挂历作为一款时尚、美观、大方的家居饰品已经走进我们的生活。随着电 子技术和计算机的飞速发展，传统的挂历已经悄然而去。设计一款电子挂历，安放 于教室、实验室、办公室、宿舍等不同场合，不仅仅能满足一般的年、月、日、时、 分、秒和环境温度的显示，而且有适合学校的教学周次显示、作息时间的提醒等等。 通过设计，锻炼我们对微型计算机控制系统的综合设计与调试能力，掌握流行的单 片机软件编程与调试技能，使我们通过设计具备一定的科研能力。 1.3 课题的目的 实用电子挂历是一个时间控制系统，既能作为一般的时间显示器，也可作为一 个定时控制器，驱动负载或显示信息，同时可以根据需要扩展其功能。在此项目的 设计研究过程中需综合运用所学的模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理与应 用、EDA 等课程的知识，掌握实用电子日历的设计、组装与调试方法，利用现代的 EDA、单片机等新电子技术以及现代的设计手段，锻炼了机械电子专业学生微星计 算机控制系统的综合设计与调试能力，学习电子线路设计软件，学习单片机系统硬 件的设计、制作与调试，系统地培养了综合设计、操作调试、故障处理的能力，达 到综合素质以及创新能力的提高，使学生通过设计具备一定的科研能力。 2 设计要求与方案论证设计要求与方案论证 2.1 设计要求 2.1.1 基本要求 （1）具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能； （2）时间与阳历能够自动关联； （3）具有温度计功能； （4）具备年、月、日、星期、时、分、秒的调整功能； 2.1.2 创新要求 （1）为了满足我们在学校的日常需要，本系统作息时间提醒的功能； （2）为了满足我们在学期中有一个合理的教学安排，本系统具有教学周次显示； （3）本系统具有湿度检测及显示； （4）有害气体的检测以及报警功能； 2.2 系统总体设计 2.2.1 系统功能要求 本系统是一款安放于教室、实验室、办公室、宿舍等不同场合，不仅仅能满足 一般的年、月、日、时、分、秒和环境温度的显示，而且有适合学校的教学周次显 示、作息时间的提醒、周围环境湿度的显示及 CO 气体检测报警等功能，本设计采 用 LCD 作为显示屏，可以使显示界面更加美观，除此以外，系统中加入了看门狗电 路，使该系统有较好的抗干扰能力，按键方面，本系统提供了五键式设计，使操作 更加的简单方便13。 本系统可以在-55+125范围内工作，完全可以胜任我们日常生活工作中的要 求。它的温度测量范围为：-55+125；湿度测量范围为：0100%RH；当 CO 气 体浓度达到 90ppm 时，蜂鸣器进行声报警。本系统教学周次设定了最高达 55 周，所 以也可以当做年周次显示。 由于所选用的器件基本都是都是低功耗元器件，而且要求的工作电压都为 5V， 所以本系统采用 4 节 5 号 AAA 电池供电。这样就使得系统的可移动性大大增强，使 其可以很方便的放在任何位置，包括没有电源插座的地方。 2.2.2 系统工作过程 系统上电自检后，实时实现小时、分钟、秒以及日历的显示和教学周次等指示 信息的显示，通过按键可实现校对时间、教学周次设定和显示，按键初定五个，分 Comment Freeman1: 别为： a) 调整，当此键按下后进入年、月、日等的调整状态； b) 加一，当调整键按下后对调整目标进行加一调整； c) 减一、当调整键按下后对调整目标进行减一调整； d) 确定、当调整完后按此键退出调整;e) 背光，当光线比较暗时按此键可使 LCD 背光灯亮。当上课或下课时间到时，单片机通过蜂鸣器来实现声报警。 2.2.3 系统总体设计框图 根据题目设计要求，要求实现时间和教学周次的显示及温度、湿度设定等功能。 针对此要求，本系统由以下几个模块构成，系统总体设计框图如图 2-1 所示： 图 2-1 系统总体设计框图 2.3 方案论证与选择 2.3.1 总体方案与论证选择 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集 成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、 内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器， 实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、 复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机 械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电 脑以及鼠标等电脑配件中都配有 12 部单片机，电子挂历也是如此。 方案一: 纯硬件电路系统 各功能采用分离的硬件电路模块实现。用时序逻辑电路实现时钟功能，用 555 定时器实现闹钟的设定。但这种实现方法可靠性差、控制精度低，灵活性小、线路 复杂、安装调试不方便，而且不方便实现对系统的扩展。 方案二: 用可编程逻辑器件（PLD）实现 这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。但是 这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想，无法很好的完成扩展功能的 要求。而且，系统的灵活性不够。 方案三:采用 AT89S52 单片机作为系统的控制核心 时钟功能采用单片集成的时钟芯片 PCF8563 来实现，可以使用液晶显示时间、 日历及闹铃提示信息，有着智能化的人机界面。由于使用了单片机，整个系统可编 程，系统的灵活性大大增加了。另外，本方案可以方便的实现其他功能的扩展。 方案四:PIC 系列 采用 PIC 单片机采用 RISC 结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。 这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同 类 CISC 单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。 我们应选何种型号呢？首先，我们来弄清两个概念：集中指令集（CISC）和精 简指令集（RISC） 。采用 CISC 结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯诺 伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业 控制系统应采用 CISC 单片机。不过，RISC 单片机在今后的几年迅速完善，使其佼 佼者在控制关系复杂的场合也毫不逊色了。MCS-51/52 是 INTEL 公司的两大系列， 其中 8051 是最早最典型的产品，成为单片机学习的代表。 经过以上的比较论证，选用方案三来完成项目设计的要求。 2.3.2 时钟模块方案论证与选择 方案一：基本门电路搭建 用基本门电路来实现时钟发生器，电路结构复杂，故障系数大，不易调试。 方案二：由单片机实现时钟功能 单片机内部具有定时器，可方便实现定时功能。通过计算可知，使定时器每 25ms 产生一次中断，当产生 40 次中断后秒单元将加一，以此类推，从而实现时、 分、秒的走时，并加以显示。但由于系统晶振误差、温漂、中断响应时间的不确定 性及定时器重新装载时间常数所带来的误差，决定它不能用来作为时钟的时间基准。 方案三：专用时钟芯片 目前市场上已有很多实时时钟芯片。如 DS12887、DS1302、PCF8563、X1227 等，芯片内都集成了时钟/日历功能，给时钟系统设计带来很多方便。因此计时功能 以选专用时钟芯片为宜，时钟模块采用方案三来实现。 PCF8583 是飞利浦公司推出的 I2C 总线接口实时时钟芯片，它可独立于 CPU 工 作，不受 CPU 主晶振及共电容的影响，且计时准确。具有 4 年日历时钟，12 或 24 小时格式，时基可用 32.768KHz 或 50Hz,带可编程的闹钟,定时和中断功能的日历时 钟芯片。芯片具有体积小、硬件连线少、带有 256 字节的静态 RAM 等特点。对于 PCF8583 在电压监测仪校验装置中的应用，主要是用它的实时时钟计数功能，以及 标准脉冲输出功能。 在系统硬件设计时，串行总线接口较并行总线接口较为方便，因此系统设计选 用了 PHILIPS 公司的串行接口总线实时时钟芯片 PCF8563 作为计时芯片。 2.3.3 显示模块方案与论证选择 方案一：使用多个数码管显示 LED 数码管是利用二极管发光显示数字和字母，具有亮度大、接口设计比较容 易，价格相对较便宜等优点。但是由于它工作电流较大、不能显示汉字，显示的信 息量有限，若在此题目中应用就会受到很大的限制。 方案二：采用液晶显示。 液晶特别是具有汉字显示功能的液晶显示器，来实现显示功能，不仅可以实现 基本的显示信息，而且可以显示丰富的符号指示信息以及文字指示信息，信息量丰 富且直观易懂。而且液晶显示有功耗低，体积小，重量轻，寿命长，不产生电磁辐 射污染等优点。 采用液晶 1602，1602 字母显示屏，它可以显示 2 行每行 16 个英文字符。12864 中文液晶则可以显示 128*64 点阵。由于在相同的条件下，液晶 12864 可以显示的内 容比液晶 1602 显示的多。 因此系统采用方案二，设计选用 LCD12864。 2.3.4 温湿度传感器的选择方案与论证 1) 温度传感器的选择方案与论证 方案一：传感器+A/D 使用热敏电阻作为传感器，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/D 转换。此设计方案需用 A/D 转换电路，增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。 使用湿敏电阻，利用湿敏电阻阻值随湿度的变化而变化的特性，并进行 A/D 转 换。此设计方案需要 A/D 转换电路。 方案二：数字式传感器芯片 采用数字式温度传感器 DS18B20，此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，易于与单片机连接，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。 2) 湿度传感器的选择方案与论证 方案一：湿敏电阻 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气 吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿 度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻 等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。 方案二：湿敏电容 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚 酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化， 使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是 灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小 型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。 方案三：数字式传感器芯片 采用数字式湿度传感器，典型产品为 HF3223 型。它采用模块式结构，属于频率 输出式集成湿度传感器，在 55%RH 时的输出频率为 8750Hz（型值） ，当上对湿度从 10%变化到 95%时，输出频率就从 9560Hz 减小到 8030Hz。该传感器具有线性度好、 抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。 方案四：数字式温湿度传感器。 采用数字式温湿度传感器，集成温湿度传感器测量精度高，能把温湿度转化成 数字，测得的温湿度值的存储在自带 RAM 中，单片机直接从中读出数据转换成十进 制就是温度，使用方便。 因为本系统要同时测量温度和湿度，如若分别选用温度和湿度传感器，设计和 制作中都比较麻烦，因此选用温湿度传感器 SHT71 测量温湿度。因此选用方案四。 2.3.5 有害气体检测模块方案与论证选择 因本设计主要应用于学校、宿舍、实验室等场合，所以所检测的有害气体主要 为 CO，应选择 CO 气体检测传感器，因此设计选择 CO 气体检测传感器 TGS2442。 2.3.6 按键模块方案与论证选择 方案一：采用独立式按键电路 每个键单独占有一根 I/O 接口线，每个 I/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采 用端口直接扫描方式。但是当按键较多时占用单片机的 I/O 数目较多。 方案二：采用阵列式键盘 此类键盘是采用行列扫描方式，当按键较多时可以降低占用单片机的 I/O 口数目。 由于我们设计的电子钟只有六个按键，选用独立式按键既可以方便的输入信号， 又可以在出现问题的情况下更换或维修按键，而且造价也很低廉。因此我们选用独 立式按键。 电路最终方案： 综上个方案所述，对此设计的方案选定：采用 AT89S52 作为主控制系统， PCF8563 时钟芯片提供时钟，SHT71 作为温湿度传感器，TGS2442 作为 CO 检测传 感器，LCD12864 液晶显示。 3 系统的硬件设计与实现系统的硬件设计与实现 3.1 系统硬件概述 本电路是由 AT89S52 单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在 3V 超低压工作；时钟电路由 PCF8563 提供，它是低功耗的 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，工作电压为 1.05.5V，它采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并 可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据；温度的采集由 DS18B20 构成；显示部份为 LCD12864，使用动态扫描显示方式对数字的显示。 3.2 主要单元电路的设计 3.2.1 单片机主控制模块的设计 AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内 含 8K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256 bytes 的随机存取数 据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易 失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8052 产品 引脚兼容，片内置通用 8 位中 央处理器（CPU）和 Flash 存 储单元。功能强大的 AT89S52，单片机适合于许多 较为复杂控制应用场合。 AT89S52 的主要性能数10： 与 MCS-51 产品指令和引脚 完全兼容 8K 字节可重擦写 Flash 闪速 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 三级加密程序存储器 2568 字节内部 RAM 32 个可编程 I/O 口线 3 个 16 位定时/计数器 8 个中断源 可编程串行 URAT 通道 图 3-1 AT89S52 低功耗空闲和掉电模式 AT89S52 提供以下标准功能：8k 字节 Flash 闪存存储器，256 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，3 个 16 位定时/计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全 双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52 可降至 0Hz 的静态逻辑 操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串口通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内 容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 AT89S52 的引脚如图 3-1 所示： Vcc：电源电压 GND：地 P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用作为 输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P0 写“1”时， 可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转 换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个 引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 与 AT89C51 不同之处是，P1.0 和 P1.1 还 可分别作为定时/计数器 2 的外部输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX） ，参见表 3-1 ： 表 3-1 P1.0 和 P1.1 的第二功能 引脚号功能特性 P1.1T2（定时/计数器 2 外部计数脉冲输入） ，时钟输出 P1.1T2EX（定时/计数 2 捕获/重装载触发和方向控制） P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P2 的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某 个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 端口引脚第二功能 P3.0RXD(串行输入口) P3.1TXD(串行输出口) P3.2/INT0（外中断 0） 在访问外部程序存储器或 16 位地址的 外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址 数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器 （例如执行 MOVX R1 指令）时，P2 口 输出 P2 锁存器的内容。 表 3-2 P3 口的第 二功能 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉 电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它 的第二功能，如表 3-2 所示。 RST：复位输入 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许） 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于编程脉冲（PROG） 。 /PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号。 /EA/VPP：外部访问允许。 XTAL1：振荡器反相大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相大器的输出端。 AT89S52 片内存储器中，80HFFH 共 128 个单元为特殊功能寄存器，但并非 所有的地址都被定义，从 80HFFH 共 128 个字节只有一部分被定义，还有相当一 部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入 的数据也将丢失。 AT89S52 共有 6 个中断向量：两个外部中断（INT0 和 INT1） ，3 个定时器中断 （定时器 0、1、2）和串行口中断。 这些中断源可通过分别设置专用寄存器 IE 的置位或清 0 来控制每一个中断的允 许或禁止。IE 也有一个总禁止位 EA，它能控制所有中断的允许或禁止。如表 3-3 和 表 3-4 所示。 表 3-3 寄存器 IE 的位说明 （MSB） （LSB） EAET2ESET1EX1ET0EX0 允许位=1 表示允许中断 允许位=0 表示禁止中断 P3.3/INT1（外中断 1） P3.4T0（定时/计数器 0） P3.5T1（定时/计数器 1） 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) 符号位置功能 表 3-4 寄存器 IE 功能 3.2.2 时钟接口电路设计 本电子挂历系统的重要部分在于时钟功能模块，这里选用串行日历时钟芯片 PCF8563。与采用并行总线与单片机进行数据通信的时钟芯片相比，PCF8563 与单片 机的连线大为减少，极大的节省了单片机的系统资源。时钟芯片与单片机的接口电 路如图 3-2 所示。 PCF8563 是 PHILIPS 公司推出的一款工业级内含 I2C12总线接口功能的具有极 低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出 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 图 3-2 PCF8563 时钟电路 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 IC 总线通信方 式，不但使外围电路极其简洁，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。当然作为时钟芯片，PCF8563 亦解决了 2000 EAIE.7 EA=0,禁止所有中断。 EA=1，各中断的允许或禁止取决于各中断控制位的状态。 IE.6保留位 ET2IE.5定时器 2 中断允许控制位 ESIE.4串行口中断允许控制位 ET1IE.3定时器 1 中断允许控制位 EX1IE.2外中断 1 中断允许控制位 ET0IE.1定时器 0 中断允许控制位 EX0IE.0外中断 0 中断允许控制位 年问题。因而，PCF8563 是一款性价比较高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水 表、气表、移动电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。 PCF8563 的管脚排列图如图 3-3 所示。 PCF8563的管脚描述如表3-5所示8。 PCF8563 采用了 I2C 总线接口，虽然 总线时序关系复杂，但我们可以利用 PHILIPS 公司提供的软件包，使得编程极 为简单，可靠性极强。在设计中我们主 要用到了 PCF8563 的计时功能和报警功 能。 PCF8563 内部共有 16 个寄存器。其中 00H，01H 为控制方式寄存器，02H08H 为 时间寄 图 3-3 PCF8563 管脚 存器，09H0CH 为报警功能寄存器，0DH 为时钟输出寄存器，0EH 和 0FH 为定时 器功能寄存器。其中报警和时间寄存器的位描述如表 3-5 所示。 表 3-5 PCF8563 管脚描述 由此可以看出芯片内 部时间寄存器和报警寄存 器在地址上是连在一起的， 并且数据全部是以 BCD 码 形式存放的，这样使得数 据读写和处理变得相当简 洁和便利。在本设计中， PCF8563 通过 SCL、SDA、/INT 与单片 机相连，SDA、SCL、/INT 均为漏极开路，必须接上 拉电阻。 SCL 为时钟输入端，数据随时钟信号同步输入器件或从器件输出；SDA 为双向 引脚，用于行数据的输入输出；/INT 是中断信号输出端，与单片机的 P3.4 相连，可 通过设置报警寄存器按指定时间在该脚产生报警信号，低电平有效；CLKOUT 是时 钟输出端，其中 CLKOUT 频率寄存器位描述见表 3-7 所示，CLKOUT 频率选择表见 表 3-8 所示，当闹铃时间到时，在 PCF8563 的内部产生中断标志 AF，同时在/INT 端 产生一个中断（低电平有效） ，中断服务程序中通过软件编程使得 CLKOUT 输出 1Hz 的脉冲，启动报警电路，蜂鸣器发出报警声。 表 3-6 报警和时间寄存器的位描述 表 3-7 CLKOUT 频率寄存器位描述 表 3-8 CLKOUT 频率选择表 3.2.3 温湿度采集模块的设计 SHT71 为具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器,可 用来测量相对湿度、温度和露点等参数,具有数字式输出、免 调试、免标定、免外围电路及全互换等特点。该传感器的外 形及管脚示意图如图 3-4 所示,图中 DATA 为串行数据引脚； SCK 为串行时钟输入。 与传统的温湿度传感器不同, SHT71 是基于 CMOSens 技 术的新型智能温湿度传感器,它将温湿度传感器、信号放大调理、 图 3-4 SHT71 A/D 转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内,融合了 CMOS 芯片技术与传感器技 术,使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点,其内部 结构框图如图 3-5 所示。 SHT71 传感器默 认的测量温度和相对 湿度的分辨率分别为 14 位、12 位,通过状 态寄存器可降至 12 位、 8 位。湿度测量范围 是 图 3-5 SHT71 内部结构框图 0100%RH ,对于 12 位的分辨率为 0.03%RH;测温范围为-40+123.8,对于 14 位的 分辨率为 0.01。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中标定,校准系数以程序形 式储存 OTP 内存中,在测量过程中可对相对湿度自动校准,使 SHT11 具有 100%的互 换性。其测量原理:首先利用 2 只传感器分别产生相对湿度、温度的信号;然后经过放 大,分别送至 A/D 转换器进行模数转换、校准和纠错;再通过二线串行接口将相对湿度 及温度的数据送至微控器;最后利用微控器完成非线 性补偿和温度补偿。 如图3-6所示，采用数字式温湿度传感器 SHT71，它具有具有品质卓越、响应迅速、抗干扰 能力强、性价比高等优点，传感器仅需要两条数据 线进行数据传输，使用0.0和P0.1与SHT71连接， 其中DATA线上加一个上拉电阻,Vcc接电源,Vss接地。 本系统利用 P0.0、P0.1 口作为 I/O 口线直接读 取温湿度值。这种方式比其他温度传感器省去了信 号调理、标度转换、A/D 转换等前向通道电路，使电路简化，编程容易；另外他采 用低电压 供电，测温范 图 3-6 SHT71 电路连接图9 围为-55+125，在10+85范围内误差为 0.5，这些特点满足在测量室温方 面的要求。 3.2.4 CO 气体检测模块电路设计 TGS2442 传感器素子采用积层结构。在氧化钌(RuO2)加热器和氧化铝基板之间 有耐热玻璃层，加热器的两电极在隔热体上形成。二氧化锡(SnO2)敏感材层在覆盖 了加热器的绝缘体上形成，输出传感器电阻值的两电极在绝缘体上形成。为了降低 干扰气体的影响，帽的内侧与外侧之间充填了活性炭。 TGS2442 对一氧化碳显示高选择性，所以非常适合 CO 检测。在 CO 存在下， 传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的脉冲电压电路，以 1 秒 的循环驱动。就可以把与该气体浓度相对应的输出信号转换为电导率。 TGS2442 的特点为： 低功耗、尺寸小 对一氧化碳选择性高、灵敏度高 抑制了对酒精的灵敏度 长寿命、低成本 受湿度影响小 如图 3-7 为 TGS2442 的电路连接图。 图 3-7 TGS2442 电路连接图 3.2.5 液晶显示电路设计 12864D 液晶显示模块是 12864 点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形， 可与 CPU 直接接口，具有 8 位标准数据总线、6 条控制线及电源线。 LCD12864D 是一种 128*64 点阵的液晶显示器。其控制器内部有两个 64*64 位 (512 字节)的 RAM 缓冲区，用户可以通过控制器内部设定的数据地址页指针和列指 针来访问全部 RAM 字节。将 LCD12864D 的数据口和数据总线相连，片选信号、读 写控制信号、使能信号、复位信号等控制线位差，完成信号的传递，具有传输速率 快、传输距离长(可传 1200m)、抗干扰能力强等优点，允许在一对双绞线上一个发送 器驱动多个负载设备 LCD12864D 是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列 驱动器及格 128 64 全点阵液晶显示器组成可完成图形显示，也可以显示 8 4 个(16 16 点阵)汉字。主要技术参数和性能11： （1）电源 VDD +5V 模块内自带-10V 负压 用于 LCD 的驱动电压 （2）显示内容 128(列) 64(行)点 （3）全屏幕点阵 （4）七种指令 （5）与 CPU 接口采用 8 位数据总线并行输入输出和 8 条控制线 （6）占空比 1/64 （7）工作温度 -10 +55 存储温度 -20 +60 外形尺寸：见表 3-9 表 3-9 外形尺寸 图 3-8 接口电路 模块主要硬件构成说明（结构框图） 图 3-9 模块内部结构框图 注 : IC2 控制模块的左半屏 IC1 控制模块的右半屏 IC3 为行驱动器 IC1 IC2 为列驱动器 IC1 IC2 IC3 含有以下主要功能器件，了解如下器件有利于对 LCD 模块之编程。 （1）指令寄存器(IR) IR 是用于寄存指令码 与数据寄存器数据相对应 当 D/I=0 时 在 E 信号下降沿的 作用下指令码写入 IR （2）数据寄存器(DR) DR 是用于寄存数据的 与指令寄存器寄存指令相对应 当 D/I=1 时 在下降沿作 用下图形显示数据写入 DR 或在 E 信号高电平作用下由 DR 读到 DB7 DB0 数据总线 DR 和 DDRAM 之间的数据传输是模块内部自动执行的。 （3）忙标志 BF BF 标志提供内部工作情况 BF=1 表示模块在内部操作 此时模块不接受外部指 令和数据 BF=0 时 模块为准备状态 随时可接受外部指令和数据利用 STATUS READ 指令可以将 BF 读到 DB7 总线 从检验模块之工作状态。 （4）显示控制触发器 DFF 此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制 DFF=1 为开显示 DISPLAY OFF DDRAM 的内容就显示在屏幕上 DFF=0 为关显示 DISPLAY OFF DDF 的状态是指 令 DISPLAY ON/OFF 和 RST 信号控制的。 （5）XY 地址计数器 XY 地址计数器是一个 9 位计数器高 3 位是 X 地址计数器低 6 位为 Y 地址计数 器 XY 地址计数器实际上是作为 DDRAM 的地址指针 X 地址计数器为 DDRAM 的页 指针 Y 地址计数器为 DDRAM 的 Y 地址指针 X 地址计数器是没有记数功能的只能 用指令设置 Y 地址计数器具有循环记数功能各显示数据写入后 Y 地址自动加 1Y 地 址指针从 0 到 63。 （6）显示数据 RAM DDRAM DDRAM 是存储图形显示数据的数据为 1 表示显示选择数据为 0 表示显示非选 择 DDRAM 与地址和显示位置的关系见 DDRAM 地址表 。 （7）Z 地址计数器 Z 地址计数器是一个 6 位计数器。此计数器具备循环记数功能，它是用于显示 行扫描同步，当一行扫描完成，此地址计数器自动加 1 指向下一行扫描数据 RST 复 位后 Z 地址计数器为 0，Z 地址计数器可以用指令 DISPLAY START LINE 预。因此， 显示屏幕的起始行就由此指令控制，即 DDRAM 的数据从哪一行开始显示在屏幕的 第一行此模块的 DDRAM 共 64 行，屏幕可以循环滚动显示 64 行。 模块的外部接口见表 3-10。 表 3-10 LCD 外部接口 指令说明： 指令表 表 3-11 指令码 指令 R/WD/ID7D6D5D4D3D2D1D0 功能 显示 ON/OFF 0000111111/0 控制显示器的 开关不影响 DDRAM 中数 据和内部状态 显示起 始行 0011 显示起始行 0 63 指定显示屏 DDRAM 中哪 一行开始显示 数据 设置 X 地址 0010111X 0 7 设置 DDRAM 中的页 地址(X 地址) 设置 Y 地址 0001Y 地址 0 63 设置地址(Y 地 址) 读 状 态 10 B U S Y 0 ON/ OFF R S T 0000 读取状态 RST 1:复位 0: 正常 ON/OFF 1:显示开 0:显 示关 BUSY 0:READY 1:IN OPERATION 写显示 数据 01显示数据 将数据线上的 数据 DB7 DB0 写入 DDRAM 读显示 数据 11显示数据 将 DDRAM 上 的数据读入线 数据 DB7 DB0 1） 显示开关控制(DISPLAY ON/OFF) 代码 形式 D=1:开显示(DISPLAY ON)意即显示器可以进行各种显示操作。 D=0:关显示(DISPLAY OFF)意即不能对显示器可以进行各种显示操作。 2） 设置显示起始行 代码 形式 前面在 Z 地址计数器一节已经描述了显示起始行是由 Z 地址计数器控制的 A5 A0 的 6 位地址自动送入 Z 地址计数器 起始行的地址可以是 0 63 的任