数字电子日历设计

引言

1.1单片机的组成及特点

单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和

多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块

单片机芯片就是一台计算机。

单片机通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数

据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们

将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或

存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答

信号线等。单片机中的CPU、存储器等部件将在后面章节陆续介绍。

由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因

而在各个领域都得到了迅猛的开展。单片机主要发如下特点：

(1)有优异的性能价格比。

(2)高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采

用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外,

其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

(3)为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O

口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

(4)低电压，便于生产便携式产品。

(5)部总线增加了IC(Inter-IntegratedCircuit)及SPI(SerialPeripheral

Interface)等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

(6)单片机的系统扩展和系统配置较典型、标准，容易构成各种规模的应用系统。

1.2单片机的应用

由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。

它的应用普及各个领域，主要表现在以下几个方面：

1.单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度

和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

2.单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是械工业开展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、

讦算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机

作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机

器的自动化、智能化程度。

3.单片机在实时控制中的应用

单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武港、

机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力

和控制功能，可使系统保持在最正确工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

4.单片机在分布式多机系统中的应用

在比拟复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由假设干台功能各异的

单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这

种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和

控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

5.单片机在人类生活中的应用

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机

等并使提高了电器的智能化程度，增加了更多的功能。

综合所述，从前必须由模拟电路或数字电路实现的大局部功能，现在已能用单片机通

过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术

的一次革命。

本设计主要以单片机为主，单片机已成为计算机开展和应用的一个重要方面。单片机

应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

2设计方案

2.1设计思路

设计的题目是电子日历的控制。根据设计要求日历显示正常的年、月、日、时、分、

秒。要想实现上述功能，就必须将硬件系统和软件系统有机的结合在一起。

硬件系统系要有单片机AT89c51、DS12C887.74LS154等。

AT89C51主要功能是存储程序、根据程序的内容对各个端口进行判断并做出相应的处

理。DS12c887主要的功能是控制年、月、日、时、分、秒的显示效果。

利用单片机将RC复位电路、动态显示电路、电源电路等正确的连接在一起，并通过单

片机的编程来实现本次设计任务中的要求。

2.2系统总体框图

设计电路采用ATMEL的AT89c51芯片来做CPU,用AT89c51的内部EPROM作为程序存储器。

显示局部位码的扩展采用74LS154,七段数码管的驱动采用LLN2003A控制局部采用普通独立

按键。

在确定系统的大体形式之后，画出系统的总框图如图2.1所示。

图2.1系统总框图

系统总体框图包括：单片机、控制电路、复位电路、显示电路、电源局部。

3硬件设计

硬件电路主要包括：时钟芯片、单片机、显示电路、译码器以及电源等儿局部。

时钟芯片选择：选用DSl2c887实时芯片。

单片机的选择：选用AT89c8051单片机，配备11.0592MHz晶振。PL0—P1.4作数码管的

位选口，P0.0—P0.6作数码管的段选口。

显示电路的选择：采用软件译码器动态显示，共阴极LED数码管。

复位电路的选择：RC复位电路。

译码器的选择：采用4线一16线译码港74LS154。

电源电路的选择：采用直流+5V电源供电。

3.1时钟芯片DS12C887介绍

本次设计采用实时时钟芯片是DSl2c887,这种实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、

秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。此外，

事实上时钟芯片多数带有锂电池做后备电源，具备永不停止的计时功能：具有可编程方波

输出功能，可用做实时测控系统的采样信号等;有的实时时钟芯片内部还带有非易失性RAM,

可用来存放需长期保存但有时也变更的数据。LED数码管电子时钟电路采用24小时记时方

式，日期和时间用16位数码管显示，采用AT89c51单片机，5V电池供电，只要使用一个

按键开关即可进入省电（显示LED数码管）和正常显示两种状态。

显示范围：年份可走99年，如2001—2099；日、月正常显示，能识别闺年闰月；时

间采用24小时制。

显示格式：日期按照年、月、日排列，如2005年12月20日显示为：05T2-20；时间

按时、分、秒排列，如12点30分55秒显示为12-30-55。

显示位数：6位七段LED数码管工作正常和节电显示。

时钟误差：24小时误差3-5秒。

DS12C887时钟芯片采用CMOS技术制成，该芯片带有内部晶体振荡器并内置有锂电池,

因此断电后仍可运行十年以上不丧失数据。时间、日历和定闹具有二进制码和BCD码两种

形式，并可设定12小时或24小时制式以及Motorola和Intel总线时序。DS12C887内含

128字节RAM,其中有10个时钟存放器、4个控制存放器和114字节通用RAM,所有RAM单

元都具有掉电保护功能，因此可被用作非易失性RAM。DSl2c887内部具有定闹中断、周期

中断、时钟更新周期、结束中断等，且三个中断源可分别由软件屏蔽。

3.1.1DS12c887主要功能简介

(1)内含一个锂电池，断电后运行十年以上不丧失数据。

(2)计秒、分、时、天、星期、日、月、年、并有闰年补偿功能。

(3)二进制数码或BCD码表示时间，日历和定闹。

(4)12小时或24小时制，12小时时钟模式带有PM和AM指示，有夏令时功能。

(5)Motorola和Intel总线时序选择。

(6)有128个字节RAM单元与软件接口，其中14个字节作为时钟和控制存放器，114

字节为通用RAM,所有RAM单元数据都具有掉电保护功能。

(7)可编程方波信号输出。

(8)中断信号输出(IRQ)和总线兼容、定闹中断、周期性中断、时钟更新周期、结束

中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。

3.1.2DS12c887引脚说明及原理

DS12C887管脚图如图3.5所示：

MOTVCC

NCSQW

NCNC

ADONC

ADINCs

AD2IRQO-^e—

AD3RSTQ-8Q

AD4DS8

7

AD5NC

AD6R而o--------

AD7AS

GNDcso--------

DS12C887

图3.5DS12C887管脚排列图

VCC：直流电源+5V电压。当5V电压在正常范围内时数据可读写；当VCC低于4.25V,

读写被禁止，计时功能仍继续；当VCC下降到3V以下时，RAM和计数器被切换到内部锂电

泡。

MOT(模式选择)：MOT管脚接到VCC时，选择MOTORLA时序；当接到GFND时。选择INTEL

时序。

SQW(方波信号同)：SQW管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作

为输出信号，其输出频率可通过对存放器A编程改变。

ADO〜AD7(双向地址数据复;用线)：总线接口即MOROROLA微机系列和INTEL微机系列接

口。

AS(地址选通输入)：用于实现信号别离，在ADALE的下降沿把地址锁入DS12c887。

DS(数据选通或读输入)：DSRD客脚有两种操作模式，取决于MOT管脚放的电平，当使

用MOTOROLA时序时，DS时一正脉冲，出现在总线周期的后段称为数据选通；在读周期DS

指示DS12C887驱动双向总的时亥U，在写周期DS的后沿使DS12C887锁存写数据。选择INTEL

时序时DS称作(RD),RD与典型存储器的允许信号(0E)的定义相同。

R/W(读/写输入)：R/W管脚也有两种操作模式。选MOTOROLA时序时，R/W是一电平信

号，指示当前周期是读或写周期；DSO为高电平时，R/W高电平指示读周期，R/W低电平指

示写周期；选INTEL时序，R/W信号是一低电平信号，称为WR。在此模式下，R/W管脚与

逍用RAM的写允许信号(WE)的含义相同。

CS(片选输入)：在访问DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。

TRQ(中断申请输入)：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断条件满足时，

IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开路输入，要求外接上接电阻。

RESET1复位输出)：当该脚保持低电平时间大于200ms,保证DS12c887有效复位。

DS12c887内部由振荡电路、分频电路、周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制

单元，114字节用户非易失RAM,十进制/二进制累加器，总线接口电路，电源开关写保护

单元和内部锂电池等局部组成。Vcc：直流电源+5V电压。当5V电压在正常范围内时，数

据可读写，当Vcc低于4。25V,读写被禁止，计时功能仍继续；当Vcc下降到3丫以下时,

RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。

3.1.3DS12c887的中存放器的功能和作用

DS12887内部RAM和专用存放器地址功能，地址00H〜03H单元取值范围是0011〜3BH(10

进制0〜59)；04H〜05H单元按12小时制取值范围是上午(AM)01H〜OCH(1〜12),下午(PM)

81H〜8cH(81〜92)按24小时制取值范围使00H〜17H(1〜23)；06H单元取值范围使00H〜

07H(0〜7)；07H单元取值范围01H〜1FH(1〜31)；08H单元取值范围是01H〜OCH(1〜12)；

09H单元取值范围是00H〜63H(0〜99)。DS12C887的RAM和各专用存放器的访问如下实现，

假设片选地址DS=#ODDXXH,那么芯片内部RAM和存放器和地址为#ODDOOH〜#0DD7FH。应指

出的是，尽管DS12c887的专用时标年存放器只有一个，但通过软件编程可利用其内部的不

掉电的RAM区的一个字节实现年度的高两位显示。

存放器A

存放器A各位不受复位的影响，UIP位为只读位，其它各位可读写，存放器的控制字

的格式。

A、UIP位：更新周期标志位。该位为“1”时，表示芯片正处丁或将开始更新周期，

此时程序不准读写师表存放器；该位为“()”时，表示至少在244us后开始更新周期，此时

程序可读芯片内时标存放器。该位是只读位。

B、DVO、DVI、DV2：芯片内部震荡器RTC控制位。当芯片接触复位状态，并将010

写入DVO、DVI、DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。因此，在程序初始化时可

用这三各精确地使芯片在设定的时间开始工作。这与MC146818不同的使DS12C887固定

便用32768Hz的内部晶体,所以DVO="O"、DV1="1"、DV2="0”，即可启动RTC。

C、RS3、RS2、RSI、RSO：周期中断可编程方波输出速率选择位。各种不同的组合可以

产生不同的输出。程序可以通过设置存放器B的SQWF和PIE位控制是否允许周期中断方波

输出。其存放器A输出速率选择位。

3.1.4DS12c887的中断和更新周期

DSC12c887处于正常工作状态时，每秒钟将产生一个更新周期，芯片处于更新周期的标

志是存放器A中的CPU位为葭在更新周期内，芯片内部E寸标存放器数据处于更新阶段，故在

该周期内，微处理潜不能读芯片时标存放器中的内容，同时秒时标存放器内容加1,并检查

其他时标存放器内容是否有溢出。如果有溢出那么相应进位日、月、年。另外一个功能是

检查三个时、分、秒报警时标存放器的内容是否与对应时标存放器的内容相符，如果相符

那么存放器C中的AF位置1。如果报警时标存放器的内容为COH到FFH之间的数据，那么为不

关闭状态。

为了采样时标存放器中的数据，DS12c887提供了两种避开更新周期内访问时标存放器

的方案：第一种是利用更新周期结束发出的中断。它可以编程允许在每次更新周期结束后

发生中断申请，提醒CPU将有998nls左右的时间去获取有效的数据，在中断之后的998nls时间

内，程序可先将时标数据读支芯片内部的不掉电静态RAM中。因为芯片内部的静态RAM和状

态存放器是可随时读写的，在离开中断效劳子程序前应去除存放器C中的IRQF位。另一种是:

利用存放器A中的UIP位来指示芯片是否处于更新周期。在UIP位从低变高244us后，芯片将

进行更新周期，所以检测到UIP位为低电平时，那么利用224us的间隔时间去读取时标信息。

如检测到UIP位为1,那么可暂缓读数据，等到UIP变成低电平再去读数据。

3.1.5DS12c887初始化方法

DS12c887采用连续工作制，一般无须每次都初始化，即使是系统复位时也如此。但初始化

时，首先应禁止芯片内部的更新周期操作，所以先将DS12c887状态存放器B中的SET位置

1,然后初始化00H〜09H时标参数存放器和状态存放器A,此后再通过读状态存放器C、去

除存放器C中的周期中断标志位PE、报警中断标志位AI\更新周期结束中断标志位LI%

通过读存放器D中的VRT位,读状态存放器后VRT位将自动置1,最后将状态存放器R中

的SET位置0,芯片开始计时工作。3.2单片机的选择

单片机实质上是一个芯片，在实际应用中，必须外加各种扩展接口电路、外部设备等

相关硬件和软件，才能构成一个单片机系统。尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围

或是从全国范围来看，使用最为广泛的应属MCS-51单片机。

89C51单片机是在一块芯片中集成了CPU、存储器、定时器/计数器和多种功能的I/O

现等一台计算机所需的根本功能部件。主要包括1个8位CPU、1个片内振荡器及时钟电路、

128BRAM、4KBROM、2个16位定时器计数器、32条可编程的I/O线和一个可编程的全双

工串行接口、5个中断源、2个中断优先级套中断结构。其内部结构示意图如图3.1：

7IN7

并

并

行7XD

行

/□

P0-3接1/□

口接

□

图3.1单片机内部结构示意图

1、中央处理器CPU是单片机的内部核心部件，是一个8位二进制数的中央处理单元,

主要由运算器，控制器和存放器阵列构成。

2、控制器控制器是单片机内部各部件按一定时序协调工作的控制核心，是分析和执

行指令的部件。控制器主要由程序计数器、指令存放器、指令译码器、振荡和定时控制逻

辑电路等构成。

3、存放器阵列存放器阵列式单片机内部的临时存储单元或固定用途单元，包括通用

存放器组和专用存放器组。

4、存储器程序存储器是可读不可写的，用于存放编号的程序和表格常数。

5、数据存储器是即可读也可写的，用于存放运算的中间结果，进行数据暂存及数据缓

冲等。

6、定时器计数器89C51内部有2个16位可编程定时器计数器，简称为定时器0(T0)

和定时器1(Tl),TO和口在定时器控制存放器TCON和定时器方式选择存放器TMOD的控制

下，可工作在定时器模式或计数器模式下，每种模式又有不同的工作方式。89C51有两个

16位的可编程定时/计数潜，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

7、并行输入输出(I/O)口89c51共有4组8位I/O口(PO、Pl、P2或P3),用于对

外部数据的传输。

89c51单片机内部总线是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。89c51有40

条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、

控制线、外接晶体线4局部。89C51单片机为双列直插式封装结构，如图3.2所示。

1____39

PioPOO

238

PllPOI

J1-/T

P12P02

436

rPI12^

5_35

P14P04

-6-34

rD11C0rUu

7___33

QP16P06

OJaL0

PI7P07

21

INTiP20

22

之INTOP21

23

P22

1><)A

TlP23

1425

TOP24

26

P25

J1Z/

EA/VPP26

28

P27

19

AY1

18

X2

910

RESETRXD

11

TXD

30

ihRDALE市

WRPSENc29

图3.289c51引脚分配图

Pin40：电源脚。工作电压为+5V

Pin20：接地端

P0口：P0口为一个8位漏极开路的双向I/O口，每脚可以吸收8TTL门电流,当P0口

的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入，P0口能够用于外部数据存储器，它可以被

定义为数据/地址的第八位，在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验

时，P0口输出原码，此时，P0外部必须被拉高。

PlO：Pl口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL

门电流，P1口管脚写入1时，被内部上拉为高，可用作输出，P1口被外部下拉为低电平时,

将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接

收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可以接收、输出4

个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。因此作

为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这就是内部上拉的缘故。P2口当用于外

部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出

地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口

输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可以接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉

为低电平；P3口将输处电流（ILL）,这就是上拉的缘故。

P3口也可以作为AT89c51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0：RXD（串行输入口）

P3.1：TXD（串行输出口）

P3.2：INTO（外部中断0）

P3.3：INTI（外部中断1）

P3.4：T0（定时,/计数器0）

P3.5：T1（定时/计数潜1）

P3.6：WR（外部数据存储潜写选通线）

P3.7：的（外部数据存储器读选通线）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号

RST复位输出：当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

XTAL1：反向振荡器的输入及内部时钟工作电路的输入；

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配

置为片内振荡滞，石英振荡器和陶兖振荡器均可采用，如果采用外部时钟源驱动器件，XTAL2

应不连接，有余的输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的

脉冲没有任何严格的要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。

3.3晶振电路

1.晶体振荡器的作用：石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择

频率，是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。

2.本次设计所用的晶体振荡电路如图3.4所示：

139

PIOPOO

238

PllP01

3P12P0237

436

P13P03

535

P14P04

634

P15P05

733

P16P06

832

P17P07

13c21

：INTIP20

1222

INTCP2123

P22

1524

T1P23

Cl1425

TOP24

26

____3I3IP____]_________P25

31EA/VPP2627

28

P27

Y1czi19

—XI

18

C2T12Mhz

910

RESETRXD

11

II_TXD

—33P30

161RD-ALET

WPSEN429

图3.4晶体振荡电路

此晶振电路所选用的石英品振频率为⑵1HZ。

时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是l/12us）,

是计算机中最根本的、最小的时间单位。

在一个时钟周期内，CPI仅完成一个最根本的动作，对于某种单片机，假设采用了1MHZ

的时钟频率，那么时钟周期为lus；假设采用4MHz的时钟频率,那么时钟周期为250us。

由于时钟脉冲是计算机的根本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步

都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速

度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟

周频率范围也不一定相同。

3.4复位电路

单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态,

在这种情况下都需要复位.复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一

个确定的初始状态，并从这个状态重新开始工作.

89s51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入，高电平有效，在振

荡器工作时，只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位.复位后,PC程序计数

器的内容为0000H,片内RAM中内容不变.复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动

复位电路3种，如图3.3所示.

图3.3单片机复位电路

3.574LS154芯片介绍及ULN2003A的简介

本设计要用到16个七段数码管，单片机的P0端口只有8根线，根本不够用，所以用

74LS154来扩展，74LS154使4一一16译码器，只用单片机的四根线就可以接16个数码管

的位码端，因为74LS154使一个4入16出的译码器，在本设计中共有16个显示数码管，

所以一个74LS154译码器的输出端刚好够用。LED数他管采用共阴极。

在设计中74LS154的输入端有单片机的P1.0〜P1.3口提供段碍控制信号，输出端接数

码管的段码管脚(既图中的。管脚)。

74LS154管脚图如图3.6所示,74LS154真值表如表3.7所示：

Y0

YT

YT

A3Y3-

Y7

Y£

A2Y?d

YT%