LCD实时时钟设计.doc

四川职业技术学院单片机应用技术课程设计报告题 目： 实时时钟 系 别： 电子信息工程系 专 业： 应用电子技术 班 级： 姓 名： 指导教师： 时 间： 四川职业技术学院课程设计（论 文）任务书 电子电气工程系 应用电子技术 专业 年级 班姓名： 学号： 任务日期： 年 月 日课程设计(论文)题目： 实时时钟 课程设计(论文)内容与要求：一、任务设计一个采用LCD1602显示的简易数字钟。二、要求1、能够使用键盘对时间进行调节。2、采用DS1302作为系统计时芯片。三、说明本设计分为三个子任务：1、显示电路及驱动程序的设计2、控制电路设计及系统统调3、实时时钟电路及对应驱动程序设计指导教师: 课 程 设 计 成 绩 评 定 表本设计评语： 指导教师（签名）： 年 月 日本设计成绩：指导教师（签名）： 年 月 日 目 录一、总体概述11课题分析12 课题来源1二、 MCS51单片机的结构21 控制器22存储器的结构.33 并行I/O口64 时钟电与时序6 5 单片机的应用领域5三、电路的硬件设计71 复位电路72 时钟电路7 3 定时电路74 系统控制电路105 按键调试电路126 LCD液晶显示器127 元件清单.10四、总体设计161 方案设计.10 1.1 系统分析10 1.2 系统方案102 软件设计.11 2.1 软件功能.11 2.2 时间的调试.113 成果图 12五、源程序.13六、课程设计体会.17七、参考文献17实时时钟摘 要：本设计的成品是一个采用数码管作为显示器件和采用DS1302作为系统计时芯片单片机实时时钟。数字钟电路主要由AT89S52单片机最小系统电路、LED数码管、DS1302时钟芯片和按键构成，它能实现时钟自动走时，用键盘对日期、时间进行调节。关键字：按键 AT89S52 DS1302 单片机 一、总体概述1、课题背景单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。本文讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。2、 课题来源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。它的功能强大，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。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，我们设计了一个由单片机控制的实时数字钟。它可以为人们显示时间，提供帮助，而且它可以任意设置时间。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。二、MCS-51单片机的结构简介MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。1、控制器控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。2、存储器的结构MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构,即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便、有利。在8051/8751单片机中,不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便。MCS-51的存储器空间可划分为如下几类:程序存储器单片机系统之所以能够按照一定的秩序进行工作,主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。程序实际上是一串二进制码,程序存储器可以分为片内和片外两部分。8031由于无内部存储器,所以只能外扩程序存储器来存放程序。MCS-51单片机复位后,程序存储器PC的内容为0000H,故系统必须从0000H单元开始取指令,执行程序。程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址。一般在该单元存放一条绝对跳转指令,跳向用户设计的主程序的起始地址。 内部数据存储器MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM,作为用户的数据寄存器,它能满足大多数控制型应用场合的需要,用作处理问题的数据缓冲器。MCS-51单片机的片内存储器的字节地址为00H-7FH。MCS-51单片机对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令,从而使得用户在设计程序时非常方便。地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区,每个区含8个8位寄存器,编号为R7-R0。用户可以通过指令改变PSW中的RS1,RS0这二位来切换当前的工作寄存器区,这种功能给软件设计带来极大的方便,特别是在中断嵌套时,为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。 特殊功能寄存器(SFR-Special Function Register)特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的状态,实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器。SFR综合的、实际的反应了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。SFR实质上是一些具有特殊功能的片内RAM单元,字节地址范围为80H-FFH。特殊功能寄存器的总数为21个,离散的分布在该区域中,其中有些SFR还可以进行位寻址。128个字节的SFR块中仅有21个字节是由定义的。对于尚未定义的字节地址单元,用户不能作寄存器使用,若访问没有定义的单元,则将得到一个不确定的随机数。3、 并行I/O口MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。P0口是双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL门电路。P1口是8位准双向I/O口，可驱动4个门电路。P2口是8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个门电路。P3口是8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL门电路。P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向I/O口做输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，称为双向三态I/O 口。4、时钟电路与时序时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这列信号很多。另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题。5、复位电路 MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。上电复位：上电复位电路是种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。电路图如下：上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。2、时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是外部时钟方式。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。5、单片机的应用领域单片机应用领域可以归纳为以下几个方面：1智能仪表用单片机系统取代老式的测量、控制仪表，实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化，如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。 2. 测控系统 用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路，完成各种工业控制、数据采集系统等工作。 3电能变换 应用单片机设计变频调速控制电路。 4通信 用单片机开发通信模块、通信器材等。 5机电产品 应用单片机检测、控制传统的机械产品，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，提高了机电产品的可靠性，增强了产品的功能。 6智能接口在数据传输中，用单片机实现外部设备与微机通信。三、电路的设计 1、显示电路及驱动程序的设计在本课题的设计中我们采用LED数码管来对时间和日期的显示，下面将LCD1602的相关知识简要介绍：LCD1602液晶显示器 61 LCD1602液晶显示器的引脚功能简介： 字符型液晶是一种液晶显示器LCD(Liquid Crystal Diodes)模块，简称LCM。模块内部含有控制和驱动电路等部件的液晶模块组件，使用中将其作为一个独立的器件使用。再使用时，将字符和命令通过其接口送到模块内部，模块内的电路控制液晶逐一显示从端口输入的各个字符。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，再单片机应。用中得到了广泛的应用。LCD是通过在上、下玻璃电极之间封入液晶材料，利用晶体分子排列和光学上的偏振原理产生显示效果。上、下电极的电平状态将决定LCD的显示内容，根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形后，就可以获得各种状态显示。在LCD的断电极与背电极间施加电压（通常为4V或5V），可使该段呈黑色，这样可以实现显示。但是，所施加的电压必须周期地改变极性，否则LCD中的液晶将发生化学变化，并导致液晶损坏。因此，在段电极与背电极间应有一个周期改变极性的电压。常用的液晶显示控制器主要有MCS-51、T6963等。由于液晶的驱动电路比较复杂，因此再市场上出现了一种称为液晶显示模块的器件。液晶显示模块是一种液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件，实际上，它是一种商品化的部件。根据国家标准的规定：只有不可拆分的一体化部件才称为“模块”，可拆分的部分称为“组件”，因此，规范的叫法应该称为液晶显示组件。但长期以来，人们都已习惯称其为“模块”。本任务中采用的字符型液晶模块LCD1602作为显示器件，其引脚功能见下表： LCD1602的引脚说明编号符号引脚说明1Vss电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端（H/L）5R/W读/写选择端（H/L）6EN使能信号7D0Data I/O8D1Data I/O9D2Data I/O10D3Data I/O11D4Data I/O12D5Data I/O13D6Data I/O14D7Data I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极6.2 LCD的操作说明 LCD1602的基本操作时序 读状态：输入RS=L,RW=H,EN=N; 输出D0D7=状态字。 写指令：输入RS=L, RW=H, D0D7=指令码， 输出无。 EN=高脉冲； 读数据：输入RS=H, RW=H, EN=H; 输出D0D7=数据。 写指令：输入RS=L, RW=H, D0D7=数据, EN=高脉冲； 输出无。 LCD1602的指令说明 0011 1000：162显示，57点阵，8路数据接口。 0000 0001：显示清屏，数据指针清0，所有显示清0。 0000 0010：显示回车，数据指针清0。 00001DCB: D=1 开显示； D=0 关显示。 C=1 显示回车； C=0 不显示光标。B=1 光标闪烁； B=0 光标不显示。 000001NS: N=1 当读或定一个字符后地址指针加1，且光标加1。 N=0 当读或定一个字符后地址指针减1，且光标减1。 S=1 当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移(N=0)。实现光标不移动而屏幕移动的效果。 S=0 当定一个字符，整屏显示不移动。 80HA7H:设置数据地址指针（第一行）。 C0HE7H:设置数据地址指针（第二行）。驱动程序的设计#include /在LCD1602上显示字符串#define uchar unsigned char #define LINE1 0 /数据定义相关#define LINE2 1#define LINE1_HEAD 0x80#define LINE2_HEAD 0xC0#define LCD_DELAY_TIME 40#define DATA_MODE 0x38#define OPEN_SCREEN 0x0C#define DISPLAY_ADDRESS 0x80#define CLEARSCREEN LCD_en_command(0x01) #define HIGH 1 /命令相关定义#define LOW 0#define TRUE 1#define FALSE 0#define MSB 0x80#define LSB 0x01#define LCDIO P2 /定义端口sbit LCD1602_RS=P13;sbit LCD1602_RW=P11;sbit LCD1602_EN=P12; void LCD_delay(void); /声明函数void LCD_en_command(uchar command);void LCD_en_dat(uchar temp);void LCD_set_xy(uchar x,uchar y);void LCD_write_char(uchar x,uchar y,uchar dat);void LCD_write_string(uchar X,uchar y,uchar *s);void LCD_init(void);void delay_nms(unsigned int n);display(); /延迟一段时间，等待LCD操作完毕void LCD_delay(void) unsigned char i; for(i=LCD_DELAY_TIME;i0;i-);void LCD_en_command(unsigned char command) /向LCD写入一个命令 LCDIO=command; LCD1602_RS=LOW; LCD1602_RW=LOW; LCD1602_EN=LOW; LCD_delay(); LCD1602_EN=HIGH; void LCD_en_dat(unsigned char dat) /向LCD写入一个数据（字符） LCDIO=dat; LCD1602_RS=HIGH; LCD1602_RW=LOW; LCD1602_EN=LOW; LCD_delay(); LCD1602_EN=HIGH; void LCD_set_xy(uchar x,uchar y) /设置显示位置unsigned char address; if(y=LINE1) address=LINE1_HEAD+x; else address=LINE2_HEAD+x; LCD_en_command(address);void LCD_write_char(uchar x,uchar y,uchar dat) /在指定的位置上显示一个字符LCD_set_xy(x,y);LCD_en_dat(dat);void LCD_write_string(uchar X,uchar Y,uchar *s) /在指定的位置上显示一个字符串 LCD_set_xy(X,Y); /设置显示的起始位置while(*s) /判断字符串是否结束LCD_en_dat(*s); /LCD锁存当前字符s+; /下一个字符void LCD_int(void) /LCD的初始化CLEARSCREEN; /清屏LCD_en_command(DATA_MODE); /设置LCD为8位数据模式LCD_en_command(OPEN_SCREEN); /打开显示（即允许显示）LCD_en_command(DISPLAY_ADDRESS); /设置LCD的显示地址为第一个地址CLEARSCREEN; /清屏delay_nms(40);void delay_nms(unsigned int n) /延迟函数，由参数n指定延时的长度（单位：ms）unsigned int i;unsigned char j;for(i=n;i0;i-)for(j=250;j0;j-);for(j=250;j0;j-); /延时1ms（晶振为12MHz） void main(void) /主函数uchar i,j,k;uchar string=2009.6.19; /定义显示的字符串的内容为Date的内容 IT0=1; /将外部中断0设置为下降沿触发 IT1=1; /将外部中断1设置为下降沿触发 EX0=1; /允许外部中断0产生中断 EX1=1; /允许外部中断1产生中断 EA=1; /允许各中断申请 delay_nms(1000); /等待液晶模块电路初始化完毕LCD_int (); /液晶模块的初始化LCD_write_string(0,LINE1,Date:); /在第一行的第一个字符开始显示：Date：LCD_write_string(5,LINE1,disp1); /在第一行的第五个字符开始显示：disp1的内容 while(1) /延时1秒 for(i=10;i0;i-) for(j=200;j0;j-) for(k=250;k0;k-); calc(); /调用计算程序 LCD_write_string(0,LINE2,Time:); /在第二行的第一个字符开始显示：Time:LCD_write_string(6,LINE2,disp); /在第一行的第一个字符开始显示：disp的内容 2、控制电路设计及系统统调4、 系统控制芯片系统控制芯片是利用单片机的最小系统来工作的。可不要小看了单片机的最小系统它就是能让单片机工作起来的一个最基本的组成电路，可以让单片机活起来的心脏，电路是用AT89S52组成的最小单片机系统。AT89S52是内部具有振荡电路的单片机，只需再18和19脚之间接上石英晶体，给单片机加上工作所需的直流电源，振荡器就开始振荡起来了。振荡电路就是为单片机工作提供了所需要的时钟脉冲信号，使单片机的内部电路、单片机的内部程序开始工作。振荡电路不工作，整个单片机电路就不能正常工作。AT89S52常外接12MHz的石英晶体。18脚和19脚分别对地接了一个20pF的电容，目的是防止单片机自激。下图为单片机的最小系统的电路图：5 按键调试电路 按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。 对于时间的调试电路上我们采用的是外部中断。利用外部中断0控制小时的调试，外部中断1控制分钟的调试。每一按下INT0键，小时就加一，每一按下INT1键，分钟就加一，从而达到了时间的校正。63、 定时电路单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。AT9S52单片机采用的是12MHz晶体，则计数频率为1MHz，即每过1us的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。单片机的定时器/计数器具有4种工作方式，其控制均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和4种工作方式。定时器/计数器工作在方式0时，为13位的计数器，由TLX(X=0、1)的低5位和THX的高8位所构成。TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX。当定时器/计数器工作于方式1，为16位的计数器。本设计是单片机多功能定时器，所以单片机内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。 3、实时时钟电路及对应驱动程序设计本课题的实时时钟电路是采用DS1302作为系统计时芯片DS1302系统计时芯片的简介：DS1302的所有功能都是通过对其内部地址进行操作实现的。DS1302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。DS1302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。2.1.1 DS1302的内部结构DS1302的内部结构主要组成部分为：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。X1，X232.768kHz晶振引脚GND地RST复位I/O数据输入/输出SCLK串行时钟VCC1电池引脚VCC2主电源引脚DS1302的外部引脚功能说明如图3所示：图3 DS1302封装图2.1.2 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