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文档简介

1基于AVR单片机的数码万年历BASEDONSINGLECHIPDIGITALCALENDAROFAVR指导老师韩丽英分院电子工程分院专业通信工程作者名称杨文飞学号06321162摘要随着科技的快速发展,时间的流逝,至从观太阳、摆钟到现在电子钟,人类不断研究,不断创新纪录。美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能的低功耗实时时钟电路DS130。它可以对年、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DS1302的使用寿命长,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AVR单片机作为核心,功耗小,能在3V的低压工作,电压可选用35V电压供电。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,具有广阔的市场前景。关键词DS1302DS18B20AVR3ABSTRACTALONGWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,THEPASSAGEOFTIME,FROMTHEVIEWOFTHESUN,UNTILNOW,HUMANELECTRICCLOCKPENDULUMCLOCKS,CONSTANTINNOVATIONUNCEASINGLYSTUDYAMERICANDALLASCOMPANYHASJUANFINECURRENTCHARGEOFLOWPOWERREALTIMECLOCKDS1302CIRCUITITCANBEFORYEAR,MONTH,DAY,SUNDAY,WHEN,MINUTESANDSECONDSONTIME,ALSOHASAVARIETYOFFUNCTIONSSUCHASCOMPENSATION,LEAPDS1302ANDTHESERVICELIFEISLONG,SMALLERRORFORDIGITALELECTRONICCALENDARUSINGVISUALDIGITALDISPLAY,CANALSOSHOWSTHATYEAR,MONTH,DAY,SUNDAY,WHEN,MINUTESANDSECONDSANDTEMPERATUREINFORMATION,BUTALSOHASTIMEETCFUNCTIONTHISCIRCUITAVRSCMADOPTEDASTHECORE,LOWCONSUMPTION,CANWORKINTHELOWVOLTAGE3V,CANCHOOSE35VVOLTAGEPOWERSUPPLYTOSUMUPTHECALENDARISCONVENIENT,INTUITIVEANDREADTHATVARIOUSFUNCTIONS,SIMPLECIRCUIT,LOWCOST,ANDMANYOTHERADVANTAGES,ACCORDWITHTHEDEVELOPMENTTRENDOFELECTRONICINSTRUMENTS,ANDHASABROADMARKETPROSPECTKEYWORDSDS1302DS18B20AVR4目录ABSTRACT3第一章设计要求与论证方案511设计要求512系统基本方案选择和论证5121单片机芯片的选择方案和论证5122显示模块选择方案和论证5123时钟芯片的选择方案和论证6124温度传感器的选择方案与论证613电路设计最终方案决定6第二章系统的硬件设计与实现721电路设计框图722系统硬件概述723主要单元电路的设计7231单片机主控制模块的设计7232时钟电路模块的设计9233温度采集模块设计9234电路原理及说明10235显示模块的设计12第三章系统的软件设计1331程序流程框图13第四章指标测量164硬件测试164软件测试1644测试结果分析与结论17441测试结果分析17442测试结论17第五章作品总结18致谢词19参考文献20附录一程序215第一章设计要求与论证方案11设计要求()基本要求具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能;时间与阴、阳历能够自动关联;具有温度计功能;具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能;2创新要求具有上、下课响铃功能;具有防御报警功能;12系统基本方案选择和论证121单片机芯片的选择方案和论证方案一采用AVR芯片作为硬件核心,采用FLASHROM,内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,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,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二采用AVR,片内ROM全都采用FLASHROM;能以3V的超底压工作;同时也与MCS51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,同样具有AVR的功能,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。所以选择采用AVR作为主控制系统122显示模块选择方案和论证方案一采用LED显示屏,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LED显6方案二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三采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,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。所以采用了LED数码管作为显示。123时钟芯片的选择方案和论证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DS1302时钟芯片实现时钟,DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片,可自动对秒、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RAM做为数据暂存区,工作电压25V55V范围内,25V时耗电小于300NA124温度传感器的选择方案与论证方案一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。方案二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。13电路设计最终方案决定综上各方案所述,对此次作品的方案选定采用AVR作为主控制系统7DS1302提供时钟数字式温度传感器LED数码管动态扫描作为显示第二章系统的硬件设计与实现21电路设计框图图21电路设计框图22系统硬件概述本电路是由AVR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DS1302提供,它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,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25V55V。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。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。可产生年、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;温度的采集由DS18B20构成;显示部份由个数码管,74LS138、74LS47译码器构成。使用动态扫描显示方式对数字的显示。23主要单元电路的设计231单片机主控制模块的设计高性能、低功耗的8位AVR微处理器AVR主控制模块DS1302时钟模块LED数码管动态扫描显示模块温度采集模块键盘模块8先进的RISC结构131条指令大多数指令执行时间为单个时钟周期32个8位通用工作寄存器全静态工作工作于16MHZ时性能高达16MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器非易失性程序和数据存储器16K字节的系统内可编程FLASH擦写寿命10,000次具有独立锁定位的可选BOOT代码区通过片上BOOT程序实现系统内编程真正的同时读写操作512字节的EEPROM擦写寿命100,000次1K字节的片内SRAM可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密JTAG接口与IEEE11491标准兼容符合JTAG标准的边界扫描功能支持扩展的片内调试功能通过JTAG接口实现对FLASH、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程如图1所示PB0XCK/T2AIN3O4S5M67RE9DLFVUMEGA图22主控制系统9232时钟电路模块的设计X123VCGND4RST5I/O6LK78U0YAP图23DS1302的引脚图图2示出DS1302的引脚排列,其中VCC1为后备电源,VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC102V时,VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时,DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源,外接32KHZ晶振。RST是复位/片选线,通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能首先,RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次,RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RSTS置为低电平,则会终止此次数据传送,I/O引脚变为高阻态。上电动行时,在VCC大于等于25V之前,RST必须保持低电平。中有在SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平,I/O为串行数据输入端(双向)。SCLK始终是输入端。233温度采集模块设计如图3所示。采用数字式温度传感器DS18B20,它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07与DS18B20的I/O口连接加一个上拉电阻,VCC接电源,VSS接地。10图24DS18B20温度采集234电路原理及说明1时钟芯片DS1302的工作原理DS1302在每次进行读、写程序前都必须初始化,先把SCLK端置“0”,接着把RST端置“1”,最后才给予SCLK脉冲;读/写时序如下图4所示。图5为DS1302的控制字,此控制字的位7必须置1,若为0则不能把对DS1302进行读写数据。对于位6,若对程序进行读/写时RAM1,对时间进行读/写时,CK0。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DS1302的日历、时间寄存器内容“CH”是时钟暂停标志位,当该位为1时,时钟振荡器停止,DS1302处于低功耗状态;当该位为0时,时钟开始运行。“WP”是写保护位,在任何的对时钟和RAM的写操作之前,WP必须为0。当“WP”为1时,写保护位防止对任一寄存器的写操作。2DS1302的控制字节DS1302的控制字如表1所示。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DS1302中,位6如果0,则表示存取日历时钟数据,为1表示存取RAM数据;位5至位1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出RAMRD1A4A3A2A1A0表1DS1302的控制字格式3数据输入输出(I/O)11在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,数据输入从低位即位0开始。同样,在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据,读出数据时从低位0位到高位7。如下图4所示图25DS1302读/写时序图4DS1302的寄存器DS1302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,其日历、时间寄存器及其控制字见表2。表2DS1302的日历、时间寄存器此外,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RAM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外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类一类是单个RAM单元,共31个,每个单元组态为一个8位的字节,其命令控制字为C0HFDH,其中奇数为读操作,偶数为写操作;另一类为突发方式下的RAM寄存器,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。12235显示模块的设计如图5所示,采用动态扫描显示,由个数码管,38译码器74LS138接1K限流电阻,再接8550三极管接到共阳数码管的COM端作为选通位码,每位选择相应的列。74LS47接240限流电阻,再接共行的LED数码管的断码。图26动态显示13第三章系统的软件设计31程序流程框图图31主程序流程图开始初始化读、写日期、时间和温度分离日期时间温度显示值显示子程序农历自动更新子程序日期、时间修改子程序闰月子程返回定时闹铃子程序14图32计算阳历程序流程图15图33时间调整程序流程图16第四章指标测量41测试仪器序号名称型号1PC机LXBHF769A2双路直流稳压电源CA17303D3V8通用单片机仿真器V8/L4数字万用表DT92085ISP在线编程器4硬件测试电子万年历的电路系统较大,对于焊接方面更是不可轻视,庞大的电路系统中只要出于一处的错误,则会对检测造成很大的不便,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。在本成电子万年历的设计调试中遇到了很多的问题。回想这些问题只要认真多思考都是可以避免的,以下为主要的问题()LED数码管的断码错乱,原因出于没有认真看清A、B、C等引脚信息。解决重新排列74LS47的输出端,相应接入LED数码管,即可解决出现在的断码或乱码。(2)对万年历修改时间或日期时,有时LED数码管被屏蔽掉,造成不亮现象。解决根据仪器的测试,发现电路的驱动能力不足,最后在DS1302时钟芯片的/CS、SCLK、RET端接入51K的上拉电阻后,电路的驱动能力才能满足,即可解决不亮现象。4软件测试电子成年历是多功能的数字型,可以看当前日期(阴、阳历),时间,还有温度的仪器。电子成年历功能很多,所以对于它的程序也较为复杂,所以在编写17程序和调试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改,一步一步的完成,最终解决了软件。在软件的调试过程中主要遇到的问题如下1烧入程序后,LED数码管显示闪动,而且亮度不均匀。解决首先对调用的延时进行逐渐修改,可以解决显示闪动问题。其次,由于本作品使作动态扫描方式显示的数字,动态扫描很快,人的肉眼是无法看出,但是调用的显示程序时,如果不在反回时屏蔽掉最后的附值,则会出现很亮的现象,所以在显示的后面加了屏蔽子令,最后解决了此问题。2修改时间、日期时没有农历没有自动对应上。解决把不相关的程序暂时屏蔽,地农历的子程序独立调试,发现在调用农历自动更新时,对十进制和十六进制处理不好,所以会造成错乱。最后把相应的十进制进行修改,使得可以与十六进制对应,最后解决了此问题3加入温度的程序后,进行修改时间、日期时相应的数码管位没有按要求闪动。解决由于DS18B20是串行通信数据,只用一个口线传输,在处理采集的模拟信号时需要一定的时间,当把万年历的程序相接入时,会对延时有很大的影响。所以在调用温度子程序时,先关闭定时器1中断允许,在温度子程序反回时再打开定时器1中断允许。最终解决了此问题。44测试结果分析与结论441测试结果分析在测试中遇到发光二极管、LED数码管为不显示时,首先使用试测仪对电路进行测试,观察是否存在漏焊,虚焊,或者元件损坏442测试结论经过多次的反复测试与分析,可以对电路的原理及功能更加熟悉,同时提高了设计能力与及对电路的分析能力同时在软件的编程方面得到更到的提高,对编程能力得到加强同时对所学的知识得到很大的提高与巩固18第五章作品总结在整个设计过程中,发挥团队精神,分工合作,充分发挥人的主观能动性,自主学习,学到了许多没学到的知识。较好的完成了作品。达到了预期的目的,在最初的设计中,发挥“三个臭皮匠,顶个诸葛亮”的作用。相互学习、相互讨论、研究。完了最初的设想。在电路焊接时虽然没什么大问题,但从中也知道了焊接在整个作品中的重要性,电路工程量大,不能心急,一个个慢慢来不能急于求成。反而达到事半功倍的效果。对电路的设计、布局要先有一个好的构思,才显得电路板美观、大方。程序编写中,由于思路不清晰,开始时遇到了很多的问题,经过静下心来思考,和同组员的讨论,理清了思路,反而得心应手。在此次设计中,知道了做凡事要有一颗平常的心,不要想着走捷径,一步一脚印。也练就了我们的耐心,做什么事都在有耐心。此次比赛中学到了很多很多东西,这是最重要的。总之,参加电子竞赛我们的能力得到了全方位的提高。19致谢词感谢学院给我们提供了一个展现自己的舞台,给我们一次难得煅炼的机会,使得我们的动手能力和专业技能都有了很大的提高。在做作品的日子里得到了指导教师的悉心指导,在此向我们的指导教师致以诚挚的谢意。感谢提供相关技术帮助的老师和同学,你们的支持和鼓励使我们对这次的作品完成有了信心和动力,也给了我们很多无私的帮助和支持,我们在此深表谢意。20参考文献1于占河主编电工技术基础M北京化学工业出版社,2006版2张志良主编模拟电子技术基础M北京机械工业出版社,2006版3张志良主编数字电子技术基础M北京机械工业出版社,2007版4康华光主编电子技术基础M北京高等教育出版社,2009版5关健、张晓娟主编电子CAD技术M北京电子工业出版社,2006版6谢自美主编电子线路设计实验测试M武汉华中科技大学出版社,2006版7郭兆正主编单片机遥控防盗报警系统J锦州师范学院学报自然科学版8杨清学主编电子装配工艺M北京电子工业出版社,2003版9李瀚荪主编电路分析基础M北京高等教育出版社,2006版10ADELSSEDRA,KENNETHCSMITHMICROELECTRONICSCIRCUITSM,3RDEDITION,HOLTRINEHARTANDWINSTON,INC,200911NEWRELEASESDATABOOKVOLUMEMV,MAXIM,200812JACOBMILLMAN,ARYINGRABELMICROELECTRONICSM,2NDEDITION,MCGRAWHILL,INC,2021附录一程序INCLUDEINCLUDE“DS1302RAMH“INCLUDE“KEYH“INCLUDE“LCDH“INCLUDE“MUSICH“INCLUDE“TIMEH“INCLUDE“TIMINGH“INCLUDE“USARTH“INCLUDE“DS1302RAMC“INCLUDE“KEYC“INCLUDE“LCDC“INCLUDE“MUSICC“INCLUDE“TIMEC“INCLUDE“TIMINGC“INCLUDE“USARTC“/BITNOISESETFLAG/用于存放闹钟是否起闹的标志UNSIGNEDCHARNOISEMUSICCHOOSE/定义闹钟音乐选择的变量BITNOISEMUSICORPLAYMUSIC/标识设置播放的音乐还是闹钟音乐VOIDSEELUNARANDWEEKVOIDVOIDSETTIMEANDSOLARVOIDVOIDSETNOISEDATAVOIDVOIDSETMUSICPLAYVOIDUNSIGNEDCHARNOISETIMEFLAGVOIDVOIDSEELUNARANDWEEKVOIDLCDCLEAR/清屏LCDSETXY0,0/设置显示农历初始化的数据22LCDPUTFLASHSTRINGLUNARDATATIME2SISOK0/清哦2S到达的标志以及计数器TIME2SCOUNTER0WHILE1FINDTIME/判断各个时间段是否已经到达DS1302READTIMEDATA/读取时间FINDDATAOFWEEK/计算星期SOLARTOLUNAR/国历转换为农历CHANGE/显示数据送缓冲区DISPLAYTWO/显示农历和星期IFTIME2SISOK1/2S到了则返回显示阳历和时间LCDSETXY0,0LCDPUTFLASHSTRINGSOLARDATALCDSETXY1,0LCDPUTFLASHSTRINGTIMEDATADISPLAYONEBREAKVOIDSETTIMEANDSOLARVOIDUNSIGNEDCHARKEY6KEYVALUE/用于存储键值BITSETBIT/有键按下的标志BITSETONBIT/显示的标志UNSIGNEDCHARKEY6I/循环变量SETBIT0/各个标志位清0SETONBIT0KEY6KEYVALUE023TIME10MSISOK0TIME500MSISOK0TIME20SISOK0TIME500MSCOUNTER0TIME20SCOUNTER0/显示初始化LCDSETXY0,0LCDPUTFLASHSTRINGSOLARDATALCDSETXY1,0LCDPUTFLASHSTRINGTIMEDATADS1302READTIMEDATACHANGEDISPLAYONEKEY6I0WHILE1FINDTIME/判断各个时间段是否已经到达IFTIME10MSISOKTIME10MSISOK0KEY6KEYVALUEFINDKEYVALUE/读取键值SWITCHKEY6KEYVALUECASEKEY6TIME20SCOUNTER0/只要有键按下则清020S计数器IFSETBIT/设置时间FINDDATAOFWEEK/计算星期LCDSETXY0,0LCDPUTFLASHSTRINGSOLARDATALCDSETXY1,0LCDPUTFLASHSTRINGTIMEDATADISPLAYONE24BREAKELSEIFTIME500MSISOK/500MS到,取反显示标志TIME500MSISOK0SETONBITSETONBITSWITCHKEY6I/选择显示的位置CASE0LCDSETXY1,14BREAKCASE1LCDSETXY1,11BREAKCASE2LCDSETXY1,8BREAKCASE4LCDSETXY0,14BREAKCASE5LCDSETXY0,11BREAKCASE6LCDSETXY0,8BREAKDS1302CHECKDATAOVEIFSETONBIT/500MS显示数据,500MS显示空格LCDPUTONECHAR0X2025LCDPUTONECHAR0X20ELSELCDPUTONECHARDS1302DATAKEY6I/1048LCDPUTONECHARDS1302DATAKEY6I1048SWITCHKEY6I/选择显示的位置CASE0LCDSETXY1,14BREAKCASE1LCDSETXY1,11BREAKCASE2LCDSETXY1,8BREAKCASE4LCDSETXY0,14BREAKCASE5LCDSETXY0,11BREAKCASE6LCDSETXY0,8BREAKVOIDSETNOISEDATAVOIDUNSIGNEDCHARKEY7KEYVALUE/存储按键键值的变量BITSETBIT/有键按下的标志26BITSETONBIT/显示的标志UNSIGNEDCHARKEY7I/循环变量SETBIT0/各个标志位清0SETONBIT0KEY7KEYVALUE0TIME10MSISOK0TIME500MSISOK0TIME20SISOK0TIME500MSCOUNTER0TIME20SCOUNTER0DS1302READRAMDATA/读取闹钟数据FORKEY7I0KEY7I0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