1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)基于AT89C51单片机的多功能电子万年历的设计AT89C51 SCM-BASED ELCTRONIC DESIGN CALENDAR学生姓名段峰学院名称信电工程学院专业名称电子信息工程技术指导教师高玉芹2010年5月20日徐州工程学院毕业设计(论文)摘要本文介绍了基于AT89C51单片机的多功能电子万年历的硬件结构和软硬件设计方法。系统以AT89C51单片机为控制器，以串行时钟日历芯片DS1302记录日历和时间，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能。万年历采用直观的数字显示，可以在LED上同时显示年、月、日、周日、时、分、秒，还
2、具有时间校准等功能。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，具有广阔的市场前景。关键字AT89C51；电子万年历； DS1302I徐州工程学院毕业设计(论文)目 录1 绪论11.1课题研究的背景11.2课题的研究目的与意义11.3课题解决的主要内容12 系统的总体设计22.1系统方案的构想与确定22.2 器件的选用22.2.1单片机的选择23 系统硬件的设计43.1系统硬件电路设计43.1.1系统硬件框图43.1.2 AT89C51单片机43.1.3 8位移位寄存器74LS164（串行输入，并行输出）83.1.4 ds1302114 系统的软件设计144.1 主
3、程序144.2 从1302读取日期和时间程序155 PROTEUS使用165.1编程环境PROTEUS165.2用PROTEUS ISIS对电子万年历的硬件电路设计165.3用PROTEUS ISIS进行电子万年历的仿真测试20结论23致谢24参考文献25附录26附录126371 绪论1.1 课题研究的背景随着科技的快速发展，时间的流逝,从观太阳、摆钟到现在电子钟，人类不断研究，不断创新纪录。它可以对年、月、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、时、分、秒和温度等信息，还具有时间校准
4、等功能。该电路采用AT89C51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。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。1.2课题的研究目的与意义二十一世纪是数字化技术高速发展的时代，而单片机在数字化高速发展的时代扮演着极为重要的角色。电子万年历的开发与研究在信息化时代的今天亦是当务之急，因为它应用在学校、机关、企业、部队等单位礼堂、训练场地、教学室、公共场地等场合，可以说遍及人们生活的每一个角落。所以说电子万年历的开发是国家之所需，社会之所需，人民之所需。由于社会对信息交换不断提高的要求及高
5、新技术的逐步发展，促使电子万年历发展并且投入市场得到广泛应用。1.3课题解决的主要内容本课题所研究的电子万年历是单片机控制技术的一个具体应用，主要研究内容包括以下几个方面：（1）选用电子万年历芯片时，应重点考虑功能实在、使用方便、单片存储、低功耗、抗断电的器件。（2）根据选用的电子万年历芯片设计外围电路和单片机的接口电路。（3）在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，使系统电路尽量简单。（4）根据硬件电路图，在开发板上完成器件的焊接。（5）根据设计的硬件电路，编写控制AT89C51芯片的单片机程序。（6）通过编程、编译、调试，把程序下载到单片机上运行，并实现本设计的功能。（7）在硬件电路和
6、软件程序设计时，主要考虑提高人机界面的友好性，方便用户操作等因素。（8）软件设计时必须要有完善的思路，要做到程序简单，调试方便。2 系统的总体设计单片机电子万年历的制作有多种方法，可供选择的器件和运用的技术也有很多种。所以，系统的总体设计方案应在满足系统功能的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要简单使用、易于实现，器件的选用着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗以及低廉的成本。2.1系统方案的构想与确定系统的功能往往决定了系统采用的结构，经过成本，性能，功耗等多方面的考虑决定用三个8位74LS164串行接口外接LED显示器，RESPACK-8对单片机AT89C51进行供电，时间芯片D
7、S1302连接单片机AT89C51。从而实现电子万年历的功能。2.2 器件的选用单片机AT89C51电容RESPACK-8三个74LS164串行接口传感器DS13022.2.1单片机的选择单片机自70年代问世以来以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，用广泛的应用领域拉动得到蓬勃发展，单片机功能正日渐完善。单片机的应用，使许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说当今世界正在经受一场以单片机技术为标志的新技术革命浪潮的冲击。主要单片机类型如下：(1)MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机主要是指Intel公司生产的以51位内核的单片机芯片，具有8位CPU、4K字节
8、ROM、128字节RAM、可扩展外部64K字节RAM和ROM、2个16位的定时器/计数器、4个8位并行I/O口、1个全双工串行I/O口、21字节的专用寄存器、5个中断源、片内自带振荡器、片内单总线等功能部件。（2）AT89C51单片机AT89C51单片机的主要特性如下：l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4K字节的在线编程Flash存储器，1000次擦写周期l 4.05.5V的工作电压范围l 全静态工作模式：033MHzl 三级程序存储器锁l 1288字节内部RAM l 32个可编程I/O口线l 2个16位定时/计数器l 6个中断源l 全双工串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式l 中
9、断可从空闲模式唤醒系统l 看门狗（WDT）及双数据指针l 掉电标识和快速编程特性l 具有掉电状态下的中断恢复功能l 灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）由于AT89C51单片机片内有4K字节的在线编程Flash存储器，可以擦写1000次，具有掉电模式，而且具有掉电状态下的中断恢复功能，对设计开发非常实用。所以选用AT89C51单片机作为电子万年历芯片的控制单片机。3 系统硬件的设计根据上述所确定的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的总体结构框图如图所示。3.1系统硬件电路设计3.1.1系统硬件框图系统硬件框图如图3-1时钟芯片DS1302串口AT89C51P2口LED显示器
10、驱动电路图3-1 系统硬件框图3.1.2 AT89S51单片机本系统采用的是美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机，首先我们来熟悉一下AT89C51单片机的外部引脚和内部结构。1.单片机的引脚功能AT89C51单片机有40个引脚。l Vcc：电源电压+5Vl GND：接地l P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线服用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校
11、验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。l P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 Flash 编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。l P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部
12、信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（MOVX Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash 编程和程序校验期间，P2亦接收低高位地址和其他控制信号。l P3口：P3口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为
13、一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，见表3-1所示：P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表3-1 P3口的第二功能图端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计时器0外部输入）P3.5T1（定时/计时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）l RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0（地址8EH
14、）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。l ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存器允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过多特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置，可禁止ALE操作。该位置后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机
15、执行外部程序时，应设置ALE无效。l PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。l EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的变成电压Vpp.l XTAL1：振荡器反相放
16、大器及内部时钟发生器的输入端。l XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89C51单片机内部结构2.AT89C51单片机与MCS-51完全兼容 l 看门狗（WDT）：WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活WDT，用户必须往WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入01EH 和0E1H。当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。WDT计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。当WDT溢出，它将驱动RSR引
17、脚输出一个高电平。l 可编程串口（UART）在AT89C51中，UART 的操作与AT89C51 和AT89C52 一样。AT89C51系列单片机的串行通信口可以工作于同步和异步通信方式。当工作于异步方式时，它具有全双工的操作功能，也就是说，它可以同时进行数据的发送和接收。串行口内的接收器采用的是双缓冲结构，能够在接收到的第一个字节从接收寄存器读走之前就开始接收第二个字节（当然，如果第二个字节接收完毕，而第一个字节仍然没有被读走，那将会丢掉一个字节）。串行口的发送和接收操作都是通过特殊功能寄存器中的数据缓冲寄存器SBUF进行的，但在SBUF的内部，接收寄存器和发送寄存器在物理结构上是完全独立的
18、。如果将数据写入SBUF，数据会被送入发送寄存器准备发送。如果执行SBUF指令，则读出的数据一定来自接收缓存器。因此，CPU对SBUF的读写，实际上是分别访问2个不同的寄存器。这2个寄存器的功能决不能混淆。l 振荡电路：AT89C51系列单片机的内部振荡器，由一个单极反相器组成。XTAL1反相器的输入，XTAL2为反相器的输出。可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要XTAL1和XTAL2引脚上一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整的振荡信号发生器，此方式称为内部方式。另一种方式由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入，而XTAL2端浮空。在组成一个单片机应用系统时，多数采用这种方
19、式，这种方式结构紧凑，成本低廉，可靠性高。在电路中，对电容C1和C2的值要求不是很严格，如果使用高质的晶振，则不管频率为多少，C1、C2通常都选择30pF。l 定时/计数器：AT89C51单片机内含有2个16位的定时器/计数器。当用于定时器方式时，定时器的输入来自内部时钟发生电路，每过一个机器周期，定时器加1，而一个机器周期包含有12个振荡周期，所以，定时器的技术频率为晶振频率的1/12，而计数频率最高为晶振频率的1/24。为了实现定时和计数功能，定时器中含有3种基本的寄存器：控制寄存器、方式寄存器和定时器/计数器。控制寄存器是一个8位的寄存器，用于控制定时器的工作状态，方式寄存器是一个8位的
20、寄存器，用于确定定时器的工作方式，定时器/计数器是16位的计数器，分为高字节和低字节两部分。l RAM：高于7FH内部数据存储器的地址是8位的，也就是说其地址空间只有256字节，但内部RAM的寻址方式实际上可提供384字节。的直接地址访问同一个存储空间，高于7FH的间接地址访问另一个存储空间。这样，虽然高128字节区分与专用寄器 ，即特殊功能寄存器区的地址是重合的，但实际上它们是分开的。究竟访问哪一区，存是通过不同的寻址方式加以区分的。l SFR：SFR是具有特殊功能的所有寄存器的集合，共含有22个不同寄存器，它们的地址分配在80HFFH中。虽然如此，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被
21、占用的单元，其内容是不确定的。如对这些单元进行读操作，得到的是一些随机数，而写入则无效，所以在编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元中，特殊功能寄存器主要有累加器ACC、B寄存器、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针DPTR、I/O端口、串行口数据缓冲器SBUF、定时器寄存器、捕捉寄存器、控制寄存器。l 中断系统：AT89C51单片机有6个中断源，中断系统主要由中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、优先级结构和一些逻辑门组成。IE寄存器用于允许或禁止中断；IP寄存器用于确定中断源的优先级别；优先级结构用于执行中断源的优先排序；有关逻辑门用于输入中断请求信号。在整个中断响应过程
22、中CPU所执行的操作步骤如下：（1）完成当前指令的操作（2）将PC内容压入堆栈（3）保存当前的中断状态（4）阻止同级的中断请求（5）将中断程序入口地址送PC寄存器（6）执行中断服务程序（7）返回3.1.3 8位移位寄存器74LS164（串行输入，并行输出）74LS164为8位移位寄存器,其主要电特性的典型值如表3-2：表3-2 74LS164主要电特性典型值型号fmPn54/7416436MHz185mW54/74LS16436 MHz80mW当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一个为低电平时停止新数据输入，在时钟端（
23、CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用Q0的状态。引出端符号CLOCK 时钟输入端CLEAR 同步清除输入端（低电平有效）A，B 串行数据输入端QAQH 输出端逻辑及封装图，如3-2，3-3 图3-2 逻辑图 图3-3 封装图极限值电源电压7V输入电压5.5V工作环境温度54164-5512574164-070储存温度-65150表3-3真值表 H高电平L低电平X任意电平低到高电平跳变QA0,QB0,QH0规定的稳态条件建立前的电平QAn,QGn时钟最近的前的电平时序图如下3-4 图3-4 时序图推荐工作条件如表3-4:表3
24、-4推荐工作条件 静态特性（TA为工作环境温度范围）如表3-5表3-5工作环境温度范围 1:测试条件中的“最小”和“最大”用推荐工作条件中的相应值。动态特性(TA=25)如表3-6表3-6动态特性 2:fmax最大时钟频率。tPLH输出由低电平到高电平传输延迟时间tPHL输出由高电平到低电平传输延迟时间3.1.4 ds1302 现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本文介绍的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编
25、程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。 DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、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2.5V5.5V。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。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，Vcc2为
26、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Vcc10.2V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32.768kHz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RST置为低电平，则会终止此次数据传送
27、，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。 DS1302 的控制字节的最高有效位(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如果为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。 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DS1902，数据输入从低位即位0开始。同样，
28、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。 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1。 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
29、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)。 DS1302与CPU的连接需要三条线，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。DS1902与89C2051的连接图，其中，时钟的显示用LED。 DS1302与CPU的连接，实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz 的晶振即可。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。另外，还可以在上面的电路中加入DS18B20，同时显示实时温度。只要占用CPU一个口线即可。 LED还可以换成LCD，还可以使用北京卫信杰科技发展有限公司生产的10位多功能8段液晶显示模块LCM101，内含看门狗(WDT
30、)/时钟发生器及两种频率的蜂鸣器驱动电路，并有内置显示RAM，可显示任意字段笔划，具有34线串行接口，可与任何单片机、IC接口。功耗低，显示状态时电流为2A (典型值)，省电模式时小于1A，工作电压为2.4V3.3V，显示清晰。DS1302的实时时间流程。根据流程框图，不难采集实时时间。下面对DS1302的基本操作进行编程： 根据本人在调试中遇到的问题，特作如下说明： DS1302 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作(输入)，
