毕业设计（论文）基于单片机的实用数字万年历设计

1、目目 录录 第第 1 章章 系统综述系统综述.3 第第 2 章章 开发平台及模块介绍开发平台及模块介绍.4 2.1 开发工具.4 2.2 处理器芯片.5 2.3 lcd 显示模块.5 2.4 时钟芯片 pcf8563 .7 第第 3 章章 系统的软硬件设计系统的软硬件设计.8 3.1 硬件电路设计.8 3.1.1 最小系统设计电路.8 3.1.2 时钟模块电路.8 3.1.3 显示模块电路.9 3.2 软件设计.10 3.2.1 系统软件设计内容.10 3.2.2 时钟芯片驱动程序.13 3.2.3 lcd 显示子程序.16 第第 4 章章 调试及结果调试及结果.18 4.1 调试中所遇问题以

2、及解决方法.18 4.2结果.18 结束语结束语.19 致谢致谢.20 参考文献参考文献.21 实用数字万年历设计实用数字万年历设计 摘要摘要 本文设计了一种实用数字万年历，该系统的设计是以 at89c51 单片机为核心控制 器，外围连接时钟模块，键盘模块，液晶模块，日历模块等。这种电子时钟不仅具有了 一般电子时钟的基本功能，显示年月日时分秒，而且可以进行闹钟设置。系统软件使用 单片机c51语言进行编程。 关键词关键词：时钟；单片机；液晶；c51 语言；万年历 第第 1 章章 系统综述系统综述 电子时钟已成为人们日常生活中必不可少的物品，广泛用于个人家庭以及车站、码 头、剧院、办公室等公共场所

3、，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。随 着技术的发展，人们已不再满足于钟表原先简单的报时功能，希望出现一些新的功能， 诸如日历的显示、闹钟的应用等，以带来更大的方便，而所有这些，又都是以数字化的 电子时钟为基础的。因此，研究实用电子时钟及其扩展应用，有着非常现实的意义，具 有很大的实用价值。 由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使电子钟具有走时准确、 性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。虽然现 在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售，价格便宜，使用也灵活，如可以随意设 置时、分、秒的输出，改变显示数字的大小等，并且由于集成电路技术的

4、发展，特别是 mos集成电路技术的发展，使电子钟具有体积小、携带方便，但是这里介绍的实用电子 钟可以满足使用者的一些特殊要求，输出方式灵活、功耗低、计时准确、性能稳定、维 护方便等优点。 实用电子时钟是一个时间控制系统，既能作为一般的时间显示器，同时可以根据需 要扩展其功能。 本系统上电自检后，实时显示小时、分钟、秒、日历和闹钟开关等指示信息，通过 按键可实现校对时间、设置闹钟时间等功能。当闹钟时间到时，单片机通过蜂鸣器来实 现声音报警。 第第 2 章章 开发平台及模块介绍开发平台及模块介绍 2.1 开发工具开发工具 该系统的硬件电路图是由 proteus 完成的，其主要概述如。 proteu

5、s 提供了丰富的资源 :（1）proteus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字和 模拟、交流和直流等数千种元器件，有30 多个元件库。（ 2）proteus 可提供的仿真 仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、 spi 调试器、i2c 调试器、信号发生 器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路 中随意的调用。（ 3）除了现实存在的仪器外， proteus 还提供了一个图形显示功能， 可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但 功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输 出阻抗。这些都尽可能减少

6、了仪器对测量结果的影响。 （4）proteus 可提供的调试 手段 proteus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信 号和数字信号。 软件仿真:支持当前的主流单片机，如 51 系列、avr 系列、pic12 系列、pic16 系列、pic18 系列、z80 系列、hc11 系列、68000 系列等。提供软件调试功能 ，提 供丰富的外围接口器件及其仿真 ram，rom，键盘，马达， led，lcd，ad/da，部分 spi 器件，部分 iic 器件。这样很接近实际。在训练学生 时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。利用虚拟仪器在仿真过程中可以测 量外围电路的特

7、性，培养学生实际硬件的调试能力。 具有强大的原理图绘制功 能。电路功能仿真 :在 proteus 绘制好原理图后，调入已 编译好的目标代码文件： *.hex，可以在 proteus 的原理图中看到模拟的实物运行状 态和过程。 proteus 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形 象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达 到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度 上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电 路修改、软件调试、运行结果等。 该系统还采用了 keil

8、uvision3 进行编程，其概述如下。 keil(arm 子公司)嵌入式开发工具专业制造商。keil 软件公司的产品包括 c 编译 器、宏汇编器、实时内核、调试器、模拟器、集成开发环境以及 8051、251，m7/arm9/cortex-m3 和 xc16x/c16x/st10 系列微控制器仿真开发装置。 keil ulink 的软件环境为 keil uvision 3。keil 系列软件具有良好的调试界面，优秀 的编译效果，丰富的使用资料。使其深受国内嵌入式开发工程师的喜爱。 嵌入式的微处理器模拟器可以模拟被支持的微处理器设备，包括指令集、片上外设、 外部激发信号。应用程序的变化可以用 v

9、ision3 逻辑分析器显示,可以看到微处理器 pin 码的变化状态和外设随着程序变化的状况。 2.2 处理器芯片处理器芯片 采用at89c51单片机作为系统的控制核心。时钟功能可以使用液晶显示时间、日历 及闹铃，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。 at89c51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。at89c2051是一种带2k字节闪烁可

10、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at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一 种精简版本。at89c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。 2.3 lcd 显示显示模块模块 单片机的主要输出方式除了发光二极管、数码管之外，还有一种重要的输出模式： 液晶显示。液晶显示正被广泛应用于便携式消费电子产品领域。 lcd（liquid crystal dis

11、play）液态晶体显示器一般不会单独使用，而是将 lcd 面 板、驱动电路、控制电路集成在一个模块（moulde）上一起使用，简称 lcm。在单片 机系统中使用液晶显示模块具有以下的优点。 显示质量高：不同于阴极射线管显示器（crt）的不断刷新亮点，液晶显示器每 个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，因此画面质量高，不闪烁。 数字式接口：液晶显示器均为数字式的，方便和单片机系统连接。 体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子的方向，使折射 率发送变化，从而达到显示的目的。比传统显示器要轻便。 功耗小：液晶显示器的功耗主要在内部电极和驱动 ic 上，因而耗电量很小。 本系统采用

12、的是 1602 型的 lcd 显示模块。1602 字符型 lcd 通常有 14 条引脚线 或 16 条引脚线的 lcd，多出来的 2 条线是背光电源线，vcc(15 脚)和地线 gnd(16 脚)，其控制原理与 14 脚的 lcd 完全一样。液晶显示器如图 1 所示，引 脚功能见表 1。 图1 液晶显示器外形 表1 引脚功能 引脚符号功能说明 1vss一般接地 2vdd接电源（+5v） 3v0 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对 比度最高（对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10k 的电位器调整对比度） 。 4rs rs 为寄存器选择，高电平 1 时选择数

13、据寄存器、低电平 0 时选择指 令寄存器。 5r/w r/w 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写 操作。 6e e(或 en)端为使能(enable)端，下降沿使能。 7db0底 4 位三态、 双向数据总线 0 位（最低位） 8db1底 4 位三态、 双向数据总线 1 位 9db2底 4 位三态、 双向数据总线 2 位 10db3底 4 位三态、 双向数据总线 3 位 11db4高 4 位三态、 双向数据总线 4 位 12db5高 4 位三态、 双向数据总线 5 位 13db6高 4 位三态、 双向数据总线 6 位 14db7高 4 位三态、 双向数据总线 7 位（最

14、高位） （也是 busy flag） 15bla背光电源正极 16blk背光电源负极 2.4 时钟芯片时钟芯片 pcf8563 实时时钟选择 philips 公司的 pcf8563 芯片实现，它是一款工业级低功耗的 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 400kbit/s，每次读写数据后， 内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。pcf8563 是一款性价比极高的时钟芯片，它已被 广泛用于电表、水表、气表、电话传真、机便携式仪器等产品上。 pcf8563 具有以下基本特征： (1) 低工作电流

15、：典型值为 0.25a（vdd=3.0v，tamb=25时） ； (2) 400khz 的 i2c 总线接口（vdd=1.85.5v 时） ； (3) 可编程时钟输出频率为：32.768khz，1024hz，32hz，1hz； (4) 内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路； (5) 四种报警功能和定时器功能； (6) i2c 总线从地址：读，0a3h；写，0a2h。 pcf8563 的芯片引脚排布及引脚介绍如图 2 所示： osci：振荡器输入； osco：振荡器输出； /int：中断输出（开漏，低电平有效） ； vss：接地； sda：串行数据 i/o； scl：串行时钟输入； clkout

16、：时钟输出（开漏） ； vdd 正电源。 图2 pcf8563芯片引脚排布及说明 第第 3 章章 系统的软硬件设计系统的软硬件设计 3.1 硬件电路设计硬件电路设计 3.1.1 最小系统设计电路最小系统设计电路 单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件： （1）电源正常；（2）时钟正常；（3）复位正常。在 at89c51 单片机的 40 个引脚中， 电源引脚 2 根，晶振引脚 2 根，控制引脚 4 根，可编程输入输出引脚 32 根。最小系统连 接图如图 3 所示。 图 3 at89c51 最小系统连接图 3.1.2 时钟模块电路时钟模块电路 pcf8563 芯片的

17、工作原理如下：它有 16 个 8 位寄存器，一个可自动增量的地址寄存 器，一个内置 32.768khz 的振荡器（带有一个内部集成的电容） ，一个分频器（用于给实 时时钟 rtc 提供源时钟） ，一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电 检测器和一个 400khz i2c 总线接口。i2c 总线从地址：读，0a3h；写，0a2h。 所有 16 个寄存器设计成可寻址的 8 位并行寄存器，但不是所有位都有用。前两个寄 存器（内存地址 00h，01h）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址 02h08h 用于时 钟计数器（秒年计数器） ，地址 09h0ch 用于报警寄存器（定义报警条件）

18、，地址 0dh 控制 clkout 管脚的输出频率，地址 0eh 和 0fh 分别用于定时器控制寄存器和 定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器， 编码格式为 bcd，星期和星期报警寄存器不以 bcd 格式编码。当一个 rtc 寄存器被读 时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟/日历芯片的错读。 连接原理图如图 4 所示。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:5-a ug-2008 sheet of file:e:workfile例例例例例例例rs

19、485-ca n例例例例例例例例例例rs485-ca n.ddbdrawn b y: 1 2 3 45 6 7 8 os ci os co /in t vss vd d ou t scl sd a u400 pc f8563 32.768k x2 c400 15p vc c r400 5.1k r401 5.1k vc c pc f_scl pc f_sd a 图 4 pcf8563 连接原理图 3.1.3 显示模块电路显示模块电路 1602b 可以显示 2 行 16 个字符，有 8 位数据总线 d0-d7，和 rs、r/w、en 三个控 制端口，工作电压为 5v，并且带有字符对比度调节和背光

20、。lcd 显示模块与单片机的连 接如图 5 所示。 图 5 lcd 连接图 3.2 软件设计软件设计 3.2.1 系统软件设计内容系统软件设计内容 本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、闹钟设定子程序、时钟显示子程序。 在整个系统中，在单片机的 30h、31h 和 32h 中存储当前时间的小时、分钟和秒。 用 lcd 显示当前的时间，必须用到分字和合字，因此在 33h、34h、35h、36h、37h 和 38h 中存储当前时间的时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位和秒个位，方便显示。 本设计有由四个轻触按键组成的小键盘，这些按键可以任意改变当前的状态。按功 能移位键一次，表示当前要校对小时

21、的十位；按第二次，表示当前校对的是小时的个位； 按第三次，则表示校对的是分钟的十位；第四次，表示的校对的是分钟的个位。按下数 字“+” 键和数字“-”键可在当前校对的数字上相应加上 1 或者减去 1。 系统软件采用 c 语言编写。时钟的最小计时单位是秒，但使用定时器的方式 1，最大 的定时时间也只能达到 131ms。我们可把定时器的定时时间定为 50ms。这样，计数溢出 20 次即可得到时钟的最小计时单位：秒。而计数 20 次可以用软件实现。秒计时是采用中 断方式进行溢出次数的累积，计满 20 次，即得到秒计时。从秒到分，从分到时是通过软 件累加并进行比较的方法来实现的。要求每满 1 秒，则“

22、秒”单元中的内容加 1；“秒” 单元满 60，则“分”单元中的内容加 1；“分”单元满 60，则“时”单元中的内容加 1；“时”单元满 24，则将时、分、秒的内容全部清零。实时时钟程序设计步骤： （1）选择工作方式，计算初值； （2）采用中断方式进行溢出次数累计； （3）从秒分时的计时是通过累加和数值比较实现的； （4）时钟显示缓冲区：时钟时间在方位数码管上进行显示，为此在内部 ram 中要设置显示缓冲区，共 6 个地址单元。显示缓冲区从左到右依次存放时、分、秒 数值； （5）主程序：主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示子程序的方 法等待中断的到来。 （6）中断服务程序：进行计

23、时操作； （7）加 1 子程序：用于完成对时、分、秒的加操作，中断服务程序在秒、 分、时加 1 时共三次调用加 1 子程序，包括：合字、加 1 并进行进制调整、分字。 3.2.2 主程序主程序 main 流程框图流程框图 3.2.3 时钟芯片驱动程序时钟芯片驱动程序 时钟芯片采用的是 pcf8563 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。驱动程序代码如下： * * （1）函数名：void i2cstart(void) * 功能：发送 i2c 总线的起始位 * 输入：无 * 输出：无 */ void i2cstart(void

24、) ea=0; sda=1; scl=1; somenop(); sda=0; somenop();scl=0; /* * （2）函数名：void i2cstop(void) * 功能：发送 i2c 总线的停止位 * 输入：无 * 输出：无 */ void i2cstop(void) scl=0; sda=0; somenop(); scl=1; somenop(); sda=1; ea=1; /* * （3）函数名：void waitack (void) * 功能：主机等待从机发送来的确认 ack * 输入：无 * 输出：true / false */ bool waitack(void)

25、uchar errtime=255; /因故障接收方无 ack，超时值为 255。 sda=1;somenop(); scl=1;somenop(); while(sda) errtime-; if (!errtime) i2cstop(); systemerror=0 x11; return false; scl=0; return true; /* * （4）函数名：void i2csendbyte (uchar ch) * 功能：向总线发送一个字节的数据 * 输入：要发送的字节数据 * 输出：无 */ void i2csendbyte(uchar ch) uchar i=8; while

26、 (i-) scl=0;_nop_(); sda=(bit)(ch ch=1; somenop(); scl=1; somenop(); scl=0; /* * （5）函数名：uchar i2creceivebyte (void) * 功能：接收总线上发来的一个字节的数据 * 输入：无 * 输出：接收到的一个字节数据 */ uchar i2creceivebyte(void) uchar i=8; uchar ddata=0; sda=1; while (i-) ddata=1; scl=0; somenop(); scl=1; somenop(); ddata|=sda; scl=0; re

27、turn ddata; /* * （6）函数名：void getpcf8563(uchar firsttype，uchar count，uchar *buff) * 功能：读取时钟芯片 pcf8563 的时间 * 输入：设置要读的第一个时间类型 firsttype，设置读取的字节数 count， * 再把一次把时间读取到 buff 中。顺序是：0 x02（秒）/ 0 x03（分）/ * 0 x04（小时）/0 x05（日）/0 x06（星期）/0 x07（月）/0 x08（年） * 输出：无 */ void getpcf8563(uchar firsttype，uchar count，ucha

28、r *buff) uchar i; i2cstart(); i2csendbyte(0 xa2); /0 xa2 表示从机的写数据地址 waitack(); i2csendbyte(firsttype); waitack(); i2cstart(); i2csendbyte(0 xa3); /0 xa3 表示从机的读数据地址 waitack(); for (i=0;icount;i+) buff(i)=i2creceivebyte(); /从总线上读取 count 字节的数据 if (i!=count-1) sendack(); /除最后一个字节外，其他都要从 master 发应 答。 sen

29、dnotack(); i2cstop(); /* * （7）函数名：void setpcf8563(uchar timetype，uchar value) * 功能：调整 pcf8563 芯片中的时钟值 * 输入：要调整的时间类型 timetype，新设置的时间值 value（bcd 格式） 。 * 时间类型为：0 x02（秒）/ 0 x03（分）/ 0 x04（小时）/0 x05（日）/ * 0 x06（星期）/0 x07（月）/0 x08（年） * 输出：接收到的一个字节数据 */ void setpcf8563(uchar timetype uchar value) i2cstart()

30、; i2csendbyte(0 xa2); /0 xa2 表示从机的写数据地址 waitack(); i2csendbyte(timetype); /将时间类型发送到总线 waitack(); i2csendbyte(value); /将新设置的时间发送到总线 waitack(); /等待从机应答 i2cstop(); 3.2.4 lcd 显示子程序显示子程序 本系统所使用的lcd模块内部已集成了驱动电路，在使用时非常方便，只需按照此 lcd模块的指令表，将指令写入lcd模块即可实现对应功能。 此 lcd 模块的控制函数有初始化函数、命令写入函数和数据写入函数，具体代码如 下所述。 /* *

31、（1）函数名：void lcd_init(void) * 功能：初始化 lcd 模块 * 输入：无 * 输出：无 */ void lcd_init(void) lcd_wcmd(0 x01); /清零指令 lcd_wcmd(0 x38); /功能设置，8 位数据，两行显示，57 矩阵 lcd_wcmd(0 x0e); /显示开关，有光标，闪烁 lcd_wcmd(0 x06); /输入方式，增量加 1 /* * （2）函数名：void lcd_wcmd(uchar cmd) * 功能：将命令写入 lcd 模块 * 输入：要写入的命令值 * 输出：无 */ void lcd_wcmd(uchar

32、cmd) rs=0; /rs=0 表示写指令 rw=0; e=1; p2=cmd; /送指令到数据线 delay(5); e=0; /下降沿写入 /* * （3）函数名：void lcd_wbyte(uchar data) * 功能：将单个字节数据写入 lcd 模块 * 输入：要写入的数据 * 输出：无 */ void lcd_wbyte(uchar data) rs=1; /rs=1 表示写数据 rw=0; e=1; p2=cmd; /送指令到数据线 delay(5); e=0; /下降沿写入 /* * （4）函数名：void lcd_wbyte(uchar *buf ) * 功能：连续写

33、8 字节数据写入 lcd 模块 * 输入：要写入的数据缓冲区首址 * 输出：无 */ void lcd_wbyte(uchar *buf ) uchar i rs=1; rw=0; for(i=0;i8;i+) e=1; p2=bufi; delay(5); e=0 第第 4 章章 调试及结果调试及结果 4.1 调试中所遇问题以及解决方法调试中所遇问题以及解决方法 单片机最小系统方面由于是去年学的，因此还花了时间去找，一方面我们没有正确 的原理图，只有一张以前随便画的图，就算有了原理图，也不知道板上错在哪里，所以 只能用万用表一个个的找。通过我们的认真检查，结果发现不管是板上还是图纸上都出 了相当大的错误，图上很多引脚都标注错误了，还是一些小的原因造成 led 显示不正常， 诸如上述的问题还给我们造成了很大的麻烦。 程序设计方面，因为是自己头一次尝试独立完成一份相对规模较大程序，因些也遇 到了不少的麻烦。比如程序地址空间分配问题，因为 51