LCD时钟温度计的设计.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书目 录 1 前言22 方案设计与论证33 系统硬件电路的设计43.1 中央控制器W78E516B43.2 复位电路和晶振电路的设计43.3 液晶显示电路的设计53.4 温度传感器电路的设计63.5 存储电路的设计73.6 时钟模块的设计83.7 键盘接口的设计83.8 系统原理图94 软件系统的设计94.1 主程序设计94.2 DS1302计时和读写子程序设计134.3 键盘子程序设计 用于时间调整、温度查询164.4 读取温度、温度转换、计算温度子程序设计224.5 显示子程序设计284.6 AT24C16读写温度值存储子程序325 软件调试426 结论437 参考文献448 致谢45 1 前言在测量控制系统中,特别是长时间无人职守的测控系统中,经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据,对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样,没有具体的时间记录,因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间。而在测温系统中，传统的玻璃液体温度计在检定过程中存在误差，而且不能适用于一些特殊场合。为了满足现代工业及生活中实现对测量精度及可靠性的要求，并能够适用于特殊场合，LCD时钟温度计逐渐显出了它的优越性。本系统在硬件设计上，由单片机W78E516B、时钟芯片DS1302、温度传感器DS18B20、存储器AT24C16、液晶显示12232F、按键组成。在软件设计上主要是实现了一个I/O口模拟总线的技术。本设计要模拟相应的总线来实现通讯和控制，通过LCD能很好的显示温度和时间的值。时间处理电路采用了DS1302芯片，它采用了SPI接口。SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI 接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由SDO 输出，SDI 输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO 输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI 读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。 随着传感器和液晶显示器的广泛应用，采用基于单片机的LCD时钟温度系统能让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。2 方案设计与论证按照系统的设计功能要求，本时钟温度系统的设计必须采用单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合按键控制，来控制时钟、温度的存储和查询及显示。初步确定设计系统由单片机主控模块、时钟模块、测温模块、存储模块、显示模块、键盘接口模块共6个模块组成，电路系统框图如图1-1所示。主控器件W78E516B温度检测DS18B20时钟芯片DS1302存储器AT24C16LCD显示器12232F键盘部分图2-1对于单片机的选择，如果用8031系列，由于它没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不可用；51系列单片机的ROM为4K，对于本系统可能有点小，这里采用W78E516B，它与AT89C52单片机产品兼容，有8K字节在系统可编程Flash存储器，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。 时钟功能的实现有两种方案：一是用软件实现，直接用单片机的定时器编程以实现时钟；二是用专门的时钟芯片实现时钟的记时，再把时间数据送入单片机，由单片机控制显示。比较两种方案，用软件实现时钟固然可以，但是程序运行的每一步都需要时间，多一步或少一步程序都会影响记时的准确度，用专用时钟芯片可以实现准确记时。选二方案。时钟和温度的显示可以用数码管，但是数码管的只能显示简单的数字，本系统有很多东西需要显示，所以用显示功能更好的液晶显示器，它能显示更多的数据，用可以显示汉字的液晶显示器还可以增加显示信息的可读性，让人看起来会很方便。3 系统硬件电路的设计根据方案的选择，系统由W78E516B、时钟芯片DS1302、温度检测DS18B20、AT24C16存储电路、液晶显示电路、键扫描电路组成，其各功能模块如下。 3.1 中央控制器W78E516B单片机W78E516B是本系统的核心部分，它控制着数据显示、温度检测、存储数据等功能。W78E516B是具有带ISP功能的Flash EPROM的低功耗8位微控制器。它的指令集同标准8052指令集完全兼容。W78E516B包含64K字节的主ROM、4K字节的辅助ROM、512 字节片内RAM、4 个8 位双向可位寻址的I/O口、一个附加的4 位I/O口P4、3个16 位定时/计数器及一个串行口。这些外围设备都由有8 个中断源和2 级中断能力的中断系统支持。本设计采用40引脚的DIP封装的W78E516B，如图1-1所示。图3-1 40-Pin DIP (W78E516B)3.2 复位电路和晶振电路的设计上电复位采用电平方式开关复位，上电复位用RC电路，电容用20 uF，电阻用10K。如图3-2所示。 W78E516B包含一个内置的晶体振荡器。为使振荡器工作，必须在XTAL1和XTAL2 管脚之间连接一个石英晶体。另外，必须分别在这两个管脚和地之间连一个负载电容。同时，当频率高于24MHz时，需要在XTAL1和XTAL2管脚间接一电阻，以防止DC偏压，及保证时钟的准确性，本设计采用11.0592MHZ的晶振频率，加两个30pF电容。如图3-3所示。 图3-2 图3-33.3 液晶显示电路的设计显示电路采用12232F液晶显示器。12232F是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/ 列驱动器及12832全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示, 带中文字库，也可以显示7.52个(1616点阵)汉字.与外部CPU接口采用串行方式控制。主要技术参数和性能:1.电源:VDD:+3.0+5.5V。（电源低于4.0伏LED背光需另外供电）2.显示内容:122(列)32(行)点。3.全屏幕点阵。4.2M ROM(CGROM)总共提供8192个汉字(1616点阵)。5.16K ROM（HCGROM）总共提供128个字符（168点阵）。6.2MHZ频率。7.工作温度: 0+60 ,存储温度: -20+70串口管脚信号如表3-1所示。表3-1串口接口管脚信号管脚号名称LEVER功能1VSS0V电源地2VDD+5V电源正(3.0V5.5V)3VEE-对比度调整4CLKH/L串行同步时钟：上升沿时读取SID数据5SIDH/L串行数据输入端6CSH/L模组片选端，高电平有效7BL+VDD背光源电压+4.2V+5V8BL-VSS背光源公共端12232F与单片机8031的串行接口如图3-4所示。图3-43.4 温度传感器电路的设计由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点，其性能如下：（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；（2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；（3）无须外部器件；（4）可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；（5）零待机功耗；（6）温度以9或12位数字量读书；（7）用户可定义的非易失性温度报警设置；（8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；（9）负电压特性，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。电路图如图3-5所示。图3-53.5 存储电路的设计 存储电路采用ATMEL公司生产的AT24C16。其特点是：低压和标准电压工作(Vcc=1.8V5.5V)；16kB存储空间；2线串行总线；斯密特触发；噪声抑制滤波输入；Bi方向传输协议；100kHz（1.8V,2.5V,2.7V）和400kHz（5V）兼容传输速率；硬件数据写保护引脚；8位页写模式，允许局部页写操作，器件内部写周期最大10ms，高可靠性，1万次的写周期，100年的保存时间。AT24CXX系列EPROM为I2C总线存储器，具有I2C总线的单片机，编程较简单。由于AT24C16为16K的EPROM，没有用到设备地址引脚，其管脚接法是1、2、3、4接地，5、6分别接单片机的端口P1.5和P1.6，7、8接5V电源。电路图如图3-6所示。 图3-63.6 时钟模块的设计若采用单片机计时,一方面需要采用计数器,占用硬件资源,另一方面需要设置中断、查询等,同样耗费单片机的资源,而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能。DS1302用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上,能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。为了提高计时精度，更重要的就是DS1302可以在很小的后备电源下继续计时，并可编程选择充电电流来对后备电源进行充电，可以保证后备电源基本不耗电，本设计采用了SPI接口。电路图如图3-7所示。P1.0P1.1P1.2图3-73.7 键盘接口的设计由于按键只有4个，所以本设计只需采用独立式键盘，独立连接式按键接口电路配置灵活，软件结构简单。每个键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，未有键按下时，所有的数据输入线都处于高电平状态，当任何一个键压下时，与之相连的数据输入线将被拉成低电平，要判断是否有健压下，只需用位操作指令即可。4个按键分别实现时间调整、分钟加1、小时加1、查询温度功能。用查询法完成读键功能，按键输入都采用低电平有效，I/O口线有确定的高电平。电路图如图3-8所示。图3-83.8 系统原理图根据以上各功能模块得到应用电路总原理图。（见附图） 4 软件系统的设计软件系统的设计包括主程序、DS1302计时和读写子程序、时间调整和温度查询子程序、DS18B20读取温度，温度转换和计算温度子程序、AT24C16读写和温度存储子程序、显示子程序。4.1 主程序设计 系统主程序首先对系统进行初始化，包括设置定时器、中断和端口；然后显示开机画面。由于单片机没有停止指令，所以可以设计系统程序不断地循环执行上述显示效果。 ;-;程序中用到的所有变量的定义;-Second EQU 61H ;秒数据存储单元Minute EQU 62H ;分数据存储单元Hour EQU 63H ;时数据存储单元Day EQU 64H ;日数据存储单元Month EQU 65H ;月数据存储单元Year EQU 66H ;年数据存储单元Week EQU 67H ;星期数据存储单元TOC EQU 68H ;温度数据存储单元;DS1302时钟芯片T_CLK BIT P1.0 ;实时时钟时钟线引脚T_IO BIT P1.1 ;实时时钟数据线引脚T_RST BIT P1.2 ;实时时钟复位线引脚 ;DS18B20温度传感器TEMPER_L EQU 36H ;温度低位TEMPER_H EQU 35H ;温度高位DQ BIT P1.3 ;数字信号输入/输出 ;RT12232F液晶显示CLK BIT P3.1 ; 串行同步时钟,上升沿时读取SID数据SID BIT P3.2 ; 串行数据输入端CS BIT P3.3 ; 模组片选，高电平有效 ;AT24C16存储器SDA BIT P1.6 ;IIC 数据线SCL BIT P1.7 ;IIC 时钟线BUZZER BIT P1.7 ;蜂明器输出LED_WR_OK BIT P2.0 ;写操作完成指示灯LED_RD_OK BIT P2.1 ;读操作完成指示灯LED_IIC_OK BIT P2.2 ;IIC总线应答OK指示灯LED_IIC_ERR BIT P2.3 ;IIC总线不可使用指示灯IIC_ACK BIT 00H ;IIC总线应答标志IIC_ERR BIT 01H ;IIC总线不可使用标志AT24C16_WR EQU 0A0H ;写器件地址AT24C16_RD EQU 0A1H ;读器件地址IIC_PAGE_ADR EQU 30H ;页地址 IIC_SLA EQU 31H ;器件从地址IIC_SUBA EQU 32H ;器件子地址IIC_NUMBYTE EQU 33H ;读/写的字节变量AT24C16 EQU 3FH ;AT24C16器件地址IIC_MTD EQU 40H ;发送数据缓冲区首地址IIC_MRD EQU 50H ;接受数据缓冲区首地址DELAY_COU_1 EQU 34H ;延时变量 3个DELAY_COU_2 EQU 35HDELAY_COU_3 EQU 36HCOUNTER EQU 37H ;计数器PAGE_COUNTER EQU 38H ;页计数器STACK EQU 60H ;栈底;-;-; LCD时钟温度系统 W78E516B，DS1302，DS18B20，RT12232F，AT24C16;-;-ORG 0000H ;程序执行开始地址LJMP MAIN ;跳至MAIN执行ORG 000BH ;定时器T0中断入口地址RETIORG 001BH ;定时器T1中断入口地址RETIORG 0010H;-;主程序;-MAIN: MOV TL1,#0B0H ;初始化定时器T1 MOV TH1,#3CH CLR 13H ;时间的闪动标志位初始化，用于闪动调时程序 CLR 14H MOV P1，#00H ;初始化 MOV P2，#0F0H ;高四位用于键盘，低电平有效 MOV P3,#00HMAIN1： LCALL INIT_1820 ;调用DS18B20初始化程序 NOP LCALL INIT_LCD ;调用LCD初始化子程序，显示开机画面 NOP LCALL SET1302 ;调用DS1302初始化程序，1302计时 NOP LCALL AT2416 ;调用AT24C16读写程序 NOPMAIN2： LCALL DIS_COM ;调用显示刷新子程序JNB P2.4，KEY ;判断是否有键按下，若有，则调用键盘子程序 LCALL GET_TEMPER ;从DS18B20读出转换后的温度值 JNB P2.5，KEY ;再判断是否有键按下，若有，则调用键盘子程序 LCALL GET1302 ;从DS1302 读时间 AJMP MAIN2 ;- 4.2 DS1302计时和读写子程序设计本设计采用了DS1302实时钟芯片，记录秒、分、小时、日期，单字节或多字节数据传输、SPI方式传输。所以只需从DS1302各寄存器中读出小时、分钟、秒，再处理即可。在首次对DS1302进行操作之前，必须对它进行初始化，然后从DS1302中读取数据，再经过处理后，送给显示缓冲单元。秒、分、小时、日、月、周、年的地址连续。;-;设置DS1302 初始时间,并启动计时。;入口参数：初始时间在Second, Minute, Hour, Day, Month, Week, Year ;-SET1302: CLR T_RST CLR T_CLK SETB T_RST MOV B,#8EH ;控制寄存器 LCALL RTInputByte MOV B,#00H ;写操作前WP=0 LCALL RTInputByte SETB T_CLK CLR T_RST MOV R0,#Second; MOV R7,#7 ;秒 分 时 日 月 星期 年 MOV R1,#80H ;秒写地址S13021: CLR T_RST CLR T_CLK SETB T_RST MOV B, R1 ;写秒 分 时 日 月 星期 年 地址 LCALL RTInputByte MOV A,R0 ;写秒数据 MOV B, A LCALL RTInputByte INC R0 INC R1 INC R1 SETB T_CLK CLR T_RST DJNZ R7, S13021 CLR T_RST CLR T_CLKSETB T_RST MOV B,#8EH ;控制寄存器 LCALL RTInputByte MOV B,#80H ;控制,WP=1,写保护 LCALL RTInputByte SETB T_CLK CLR T_RST RET;-;功 能：从DS1302 读时间;入口参数：时间保存在:Second, Minute, Hour, Day, Month, Week，Year;-GET1302: MOV R0,#Second; MOV R7,#7 MOV R1,#81H ;秒地址G13021: CLR T_RST CLR T_CLK SETB T_RST MOV B,R1 ;秒 分 时 日 月 星期 年 地址 LCALL RTInputByte LCALL RTOutputByte MOV R0, A ;秒 INC R0 INC R1 INC R1 SETB T_CLK CLR T_RST DJNZ R7,G13021 RET;-;功 能：写1302一字节;-RTInputByte: MOV R4,#8Inbit1: MOV A,B RRC A MOV B,A MOV T_IO,C SETB T_CLK CLR T_CLK DJNZ R4,Inbit1 RET;-;功 能：读1302一字节 ;-RTOutputByte: MOV R4,#8Outbit1: MOV C,T_IORRC ASETB T_CLKCLR T_CLKDJNZ R4,Outbit1RET ;-4.3 键盘子程序设计 用于时间调整、温度查询调整时间用3个调整按钮，1个作为移位控制用，另外两个作为分钟和小时调整用，分别定义控制按钮、分钟按钮、小时按钮。在调整时间过程中，要调整的那位与别的位应该有区别，所以增加了闪烁功能，即调整的那位一直在闪烁直到调整下一位。闪烁原理就是让要调整的那一位，每隔一定时间熄灭一次，本设计为50MS。利用定时器计时，当达到50MS溢出时，就送给该位熄灭符，在下一次溢出时，再送正常显示的值，不断交替，直到调整该位结束，此时送正常显示值给该位，再进入下一位调整闪烁程序。温度查询用一个键，根据实际要求将某一天某一个时间的具体温度值可进行查看，以及当天温度的最高、最低温度（可查询10天）。通过按钮确定要显示第几天的温度值，把温度值读到单片机内存，发命令给24C16的读写程序，查找对应的地址单元，把地址单元内容读取出来。;-; 键盘子程序设计 用于时间调整、温度查询;-KEY: MOV R6,#07H MOV 22H,#00H ;标志位清零 LCALL DELAY_1 ;延时,判断是否为抖动 JNB P2.4,KEY1 ;的确有键按下,进入温度查询程序 AJMP MAIN2 LCALL DELAY_1 ; 延时,判断是否为抖动 JNB P2.5,KEY2 ; 的确有键按下,进入时间调整程序 AJMP MAIN2KEY1:LCALL DIS_COM ;调用显示子程序 JNB P2.4,KEY1 ;等待键释放 SETB TR1SETB ET1SETB EACHTEM: LCALL DELAY_1 JNB P2.4,CHTEM JNB P2.6，ADDTEM AJMP CHTEMADDTEM： LCALL DELAY_1LCALL DIS_COM ;显示 JB P2.6，CHTEM INC TOC SETB 10H CLR 11HTIAOTEM： PUSH A ;温度查看加1，并保护现场 MOV A，TOC ANL A，#0FH CLR C CJNE A，#02H，POPA ;最高 最低温度 ANL TOC，#0FH MOV A，TOC ADD A，#10H MOV TOC，A CJNE A，#0AH，POPA ;10天 ANL TOC，#00HPOPA： POP A ;恢复现场 LCALL DELAY_1 LCALL DIS_COM ;显示 JB P2.6,CHTEM AJMP CHTEMKEY2: LCALL DELAY_1LCALL DIS_COM ;调用显示子程序 JNB P3.5 ,KEY1 ;等待键释放 SETB TR1 ;定时器开始计时，开放中断 SETB ET1 SETB EACHMIN: LCALL DELAY ;分钟调整入口 JNB P3.5,CHHR JNB P3.6 ,ADDMIN AJMP CHMINADDMIN: LCALL DELAY JB P3.6,CHMIN INC CMIN SETB 10H CLR 11H TIAOMIN: PUSH A ;分钟加1调整，并保护现场 MOV A,CMIN ANL A,#0FH CLR C CJNE A,#0AH ,PPA ANL CMIN,#0F0H MOV A,CMIN ADD A,#10H MOV CMIN,A CJNE A,#60H,PPA ANL CMIN,#00HPPA: POP A ;恢复现场 LCALL DELAY_1 LCALL DIS_COM ;显示 JB P3.6, CHMIN ;若键释放，则返回到分钟调整入口程序 LCALL DELAY_1 ;显示并延时LCALL DIS_COM JNB P3.6,ADD2 ;若键一直按下，则进入快速调分状态 AJMP CHMIN ;否则进入分钟调整入口程序ADD2: PUSH A ;快速调分程序 MOV A,CMIN ADD A,#01H MOV CMIN,A POP A AJMP TIAOMINCHHR: LCALL DELAY ;等待键释放 JNB P3.5, CHHR CLR 10H SETB 11HCHHR1: LCALL DELAY ;小时调整程序入口 JNB P3.5,OUT JNB P3.6 ,ADDH AJMP CHHR1ADDH: LCALL DELAY ;延时去抖动 JB P3.6,CHHR1 INC CHRTIAOSHI: PUSH A ;小时加1调整程序 MOV A,CHR CJNE A,#24H,HH0 ANL CHR,#00H AJMP OUT11HH0: ANL A,#0FH CLR C CJNE A,#0AH,OUT11 ANL CHR,#0F0H MOV A,CHR ADD A,#10H MOV CHR,AOUT11: POP A ;显示并延时 LCALL DELAY_1 LCALL DIS_COM ;显示 JB P3.6 ,CHHR1 ;判断键释放 ，则返回到小时调整入口程序 LCALL DELAY ;否则显示并延时 LCALL DIS_COM JNB P3.6 ,ADDH2 ;若键一直按下，则进入快速调时状态 AJMP CHHR1 ;否则进入小时调整入口程序ADDH2: PUSH A ;快速调时程序 MOV A ,CHR ADD A,#01H MOV CHR,A POP A AJMP TIAOSHIOUT: LCALL DELAY ;调时结束，置零标志位，关定时器 JNB P3.5,OUT CLR 13H CLR 14H CLR TR1 CLR ET1 CLR EA LJMP MAIN ; 返回;-;T1中断服务程序,用于闪动调时程序;-INTT1: PUSH ACC ;中断现场保护 PUSH PSW MOV TL1,#0B0H ;装定时器T1定时初值 MOV TH1, #3CH DJNZ R6,INTT1OUT ;0.3秒未到退出中断（50MS中断6次） MOV R6,#07H ;重装0.3秒定时用初值 SETB 12H ;0.3秒定时到对闪烁标志取反 JB 12H,FLASH1 ;02H位为1时显示单元熄灭 CLR 13H CLR 14HINTT1OUT: POP PSW ;恢复现场 POP ACC RETI ;中断退出FLASH1: JB 11H,FLASH2 ;01H位为1时，转小时熄灭控制 CPL 13H AJMP INTT1OUT ;转中断退出FLASH2: CLR 13H CPL 14H AJMP INT1OUT ;转中断退出;- DELAY_1:MOV R7,#50 MOV R6,#10DELAY_2: DJNZ R6,$ DJNZ R7,DELAY_1 RET;-4.4 读取温度、温度转换、计算温度子程序设计主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值，温度测量每1s进行一次。读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9个字节，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位分辨率时转换时间约为750毫秒，在本程序设计中采用1秒显示程序延时法等待转换的完成。计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定。对于温度数据的处理方法，从DS18B20读取出的二进制值必须先转换成十进制值，才能用于字符的显示。因为DS18B20的转换精度为912位可选的，为了提高精度采用12位。在采用12位转换精度时，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。下表就是二进制和十进制的近似对应关系表。表 3-1 小数部分二进制和十进制的近似对应关系表小数部分二进制值01234