1、在其推动下，现代电子产品正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展，电子技术的发展有力的推动着人类社会发展。机械式钟表虽然也可以告知人们时间，也可以定时，显示日历。但是由于受到机械结构、动力和体积的限制，在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。 电子钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置，广泛应用于个人家庭，室外广场，汽车站和火车站等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度，远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功
2、能。诸如定时自动报警、0按时自动打铃、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，更为先进的电子钟的研究有着良好的发展前景和市场潜力。随着社会的进步，人们越来越青睐功能多样化的产品。温度实时显示系统技术已经发展成熟，比如空调遥控器上当前室温的显示、热水器温度的显示等等。如果能够在电子钟上利用电子技术实时性的准确的显示环境温度，那将为我们的生活、工作、和工业生产中带来极大的便利，同时也可以让我们随时的了解周围环境的变化以及必要措施的施行。单片机之所以广泛被应用于各个领域,尤其是用于本设计，与单片机构成计算机应用系统所
3、形成的下述特点有关：1、单片机构成的应用系统有较大的可靠性。这些可靠性的获得除了依靠单片机芯片本身的高可靠性以及应用有最少的联接外，还可以方便地采用软、硬件技术；2、系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统，应用系统有较高的软、硬件利用系数； 3、由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测、控功能由软件实现，故具有柔性特征，不须改变硬件系统就能适当地改变系统功能；4、有优异的性能、价格比。基于以上特点,本设计采用单片机来实现电子万年历功能。1.2 设计任务电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时间精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和
4、工作当中。当今市场上的电子时钟品类繁多，外形小巧别致,倍受人们青睐。也有体型较大的，诸如公共场所的大型电子报时器,家庭较大装饰型电子时钟等。电子时钟首先是数字化了的时间显示器或报时器，在此基础上，人们可以根据不同场合的要求，在时钟上加置其他附加功能，比如定时闹铃、万年历、环境温度、湿度检测、环境空气质量检测、USB扩展口功能等。本次设计是基于ARM7TDMI2103微处理芯片和DS1302实时时钟芯片完成万年历的电路设计及软件设计。该万年历能够显示阳历的年、月、日、星期、时、分、秒,以及闹钟功能，并且可根据需要对各个位进行调节，能够显示室内温度。本电子万年历的主要功能为：1、具有时间显示和手动
5、校对功能，24小时制；2、具有显示年、月、日和手动校对功能；3、具有闹铃功能；4、掉电后无需重新设置时间和日期；5、室内实时温度显示。2总体方案设计2.1总体框图设计根据设计任务，本设计为电子万年历仪器，以中央处理器与时钟芯片进行交互得到准确的走时为核心；第二，结合输出显示模块，包括输出显示日历及输出闹钟两部分；第三，对万年历进行调整，以及对闹钟的设置需要用到调节模块；第四，温度模块。这样就能完成万年历的总体功能，根据总体方案设计，本设计的系统原理图如图2-1所示。图2-1万年历总体框图总体框图中说明的系统功能主要有三个部分，即现实时间显示、闹钟提醒和温度显示。时钟芯片中预存了系统设置的时间信
6、息，系统上电后，ARM处理器即可采集时钟芯片的初始时间和时基显示时间信息；调节模块将调节信息发送至ARM处理器中，ARM处理器综合调节信息和时钟芯片模块上采集的时基信号，这样可以得到现实时钟信号；调节模块还可以设置一个时间，这个时间可以存储在ARM处理器中，只要现实时间和这个设置的时间吻合，就作用于喇叭上，实现闹钟功能；温度模块将温度信号经处理电路后得到ARM处理器能够检测的电平信号，之后传送至ARM处理器上；ARM处理器将检测的时钟信号和温度信号输出至显示模块，即可实现时钟和温度的可视。如此，该系统就成功实现要求的功能。2.2主要模块分析和选择2.2.1显示模块 显示模块的功能是显示日历（包
7、括闹钟时间）和温度信息，现在主流的显示主要有液晶显示和LED数码管显示，下面简要说明两种显示技术的各自的优势，而后选择一种作为本系统所用的显示系统。方案一：使用液晶显示屏（LCD）显示时间数字。 液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。缺点是控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二：使用传统的LED数码管显示。 数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮1、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同
8、时其精度比较高，称重轻，精确可靠，操作简单。数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。缺点是占用引脚多。就时钟而言，通常采用LCD 显示或者LED显示。对于一般的短时LCD，需要专门的驱动电路，但是电路设计简单，连接方便，数字感应信号强，软件编程简单，节省I/O接口，如图2-2所示。根据以上的论述，本系统采用方案一，用LCD1602作为显示输出模块。图2-2接口电路设计2.2.2调节模块调节模块要求能够调整日历的显示日期以及闹钟的报警时间。调整键盘模块在对日期和时间进行切换，对日期和时间进行调节校准过程中，系统需要产生激励电流，因此需要用按键。现在比较成熟的键盘方案有以下两种：
9、使用独立式键盘。独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。使用矩阵式键盘。矩阵式键盘是由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。其特点是简单且不增加成本，这种键盘适合按键数量较多的场合。比较两种方案，由于本系统中需要的按键只有设置模式选择键、时间/日期切换键、时间加减键和闹钟选定键,所需按键不多,电路要求简单,所以采用方案一所述的独立式键盘作为调节模块。2.2.3温度采集模块 温度采集模块的主要功能是采集当前环境的温度，通过信号处理电路转换成ARM处理器能够识别的电平信号，而后传送给ARM处理器。常用的测温有下
10、面两种方案，下面先介绍两种方案，而后比较选择更适合的温度采集模块。 方案一：采用热电偶或热敏电阻作感温元件，但热电偶需冷端补偿，电路设计复杂，热敏电阻虽然精度较高，但需要标准稳定电阻匹配才能使用，而且重复性、可靠性都比较差。 采用集成温度传感器DS18B20 。该传感器结构简单，不需外接电路，数据传输稳定，在-10 +85范围内精度为0.5，完全能满足题目1的要求，且分辨率较高，重复性和可靠性好。由于方案二中的精度要求完全满足本系统需求的温度1的要求, 且分辨率较高，重复性和可靠性好，故采用第二种方案作为温度采集。3系统的硬件及电路设计3.1系统的整体硬件原理图根据设计任务，本设计以LPC21
11、03芯片为内核，连接时钟芯片DS1302进行准确的走时； LPC2103接上LCD1602显示模块，显示日历、时间，并连接蜂鸣器输出闹钟；当基本功能设置好后，再利用键盘模块实现对万年历进行调整，以及对闹钟的设置；本系统另一个附加功能为显示室内温度，利用LPC2103芯片与DS18B20连接可测温，并接上显示器（LCD1602）就可成功显示室内温度。根据总体方案设计，本设计的系统原理图如图3-1所示。图3-1整体原理图3.2 LPC21033.2.1 概述本设计中采用LPC2103微处理器作为内核芯片，LPC2103属于ARM7TDMI-S 处理器系列，是ARM 通用32 位微处理器家族的成员之
12、一。ARM 处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。ARM 结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多，这样的简化实现了高的指令吞吐量，出色的实时中断响应，小的高性价比的处理器宏单元。在万年历设计中，微处理器主要是采集温度传感器输入的温度，DS1302输入的时间及日期信息等，最后通过驱动显示器LCD显示及蜂鸣器，在运行的过程中通过键盘扫描的形式不断的采集按键信息，并通过采集的信号处理并改变相应的功能。其基本电路图如图3-2所示。图3-2 LPC2103电路图3.2.2存储器接口ARM7TDMI-S 处理器的存储器接口可
13、以使潜在的性能得到实现，这样减少了存储器的使用，对速度有严格要求的控制信号使用流水线，这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现。这些控制信号使许多片内和片外存储器技术所支持的快速突发访问模式得到充分利用【2】。ARM7TDMI-S 处理器的存储器周期有4 种基本类型：a.内部周期b.非连续的周期c.连续的周期d.协处理器寄存器传输周期3.2.3 ARM7 TDMI-S 的结构1、ARM7TDMI-S 处理器有两个指令集a.32 位ARM 指令集b.16 位Thumb 指令集2、ARM7TDMI-S 处理器使用了ARM 结构v4T3.3 DS1302 芯片及时钟电路设计DS1302在任何数据传送
14、时必须先初始化，把RST脚置为高电平，然后把8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输入。无论是读周期还是写周期，开始8位指定40个寄存器中哪个将被访问到。在开始8个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器之后，另外的时钟周期在读操作时输出数据，在写操作是写入时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加字节数，最大可达248字节数。3.3.1控制寄存器用来控制SQW/OUT 引脚的操作OUT:输出控制。当方波输出失效时，该位控制SQW/OUT 引脚的输出。如果SQWE=0，若OUT=1 则SQW/OUT 引脚的逻辑电平为1，而OUT=0 则SQW/OUT 引
15、脚的逻辑电平为0。SQWE:方波使能。当该位被设置为逻辑1 时，使能晶振输出，方波输出的频率由RS1 和RS0 位的值来确定。当方波输出的频率设为1Hz，则时钟寄存器内容将在方波的下降沿更新。表3-1 方波输出频率RS1RS0SQW OUTPUT FREQUENCY1 Hz14.096 KHz8.192 KHz32.768 KHz3.3.2 DS1302复位和时钟控制 向DS1302写入数据时，数据应在时钟下降沿发生变化，上升沿将数据写入DS1302内部移位寄存器。读取DS1302数据时，数据也在时钟下降沿变化，即在下降沿数据从移位寄存器输出，但当CLK时钟为正半周时，I/O线为高阻态，所以应
16、在上升沿前读取，否则将读出全为FFH。 通过把输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。输入有两种功能：首先，接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器；其次，提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。当为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中置为低电平，则会终止此次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，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。3.3.3 DS1302的控制字节 DS1302 的控制字如表3-2所示。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
17、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。表3-2：DS1302 的控制字 数据输入输出（I/O）在控制指令字输入后的下一个SCLK的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开始到高位7。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DS1302，数据输入从低位即位034开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK
18、脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位至高位7，数据读写时序如图3-3所示。3.3.4 DS1302的片内寄存器通过控制字对DS1302片内寄存器进行寻址之后，即可就所选中寄存器的各位进行操作。芯片内各寄存器及各位的功能定义如表3-3所示。表3-3 DS1302有关日历、时间的寄存器读寄存器写寄BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0范围81H80HCH10秒秒00-5983H82H10分分85H84H10时1-120-23AM/PM87H86H10日日1-3189H88H10月月8BH8AH周日1-78DH8CH10年年00-998FH8EHWP-D
19、S1302有关日历、时间的寄存器共有10个，时钟/日历包含在其中的7个写/读寄存器内，这7个寄存器分别是年、月、日、星期、小时、分及秒。小时寄存器（85H、84H）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为12小时制式时，位5为“0”表示AM；为“1”表示PM。在24小时制式下，位5是第二个10小时位（2023时）。 秒寄存器（81H、80H）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。一般在设置时钟时，可以停止其工作，设定完之后，再启动其工作。控制寄存器（8FH、8EH）的位7是写保护位
20、（WP），其它7位均置为0。在任何片内时钟/日历寄存器和RAM，在写操作之前，WP位必须为0，否则将不可写入。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。因此，通过置写保护位，可以提高数据的安全性。另外，还有慢速充电控制寄存器和RAM寄存器。如表3-4所示。表3-4 充电控制寄存器和RAM寄存器各位定义充电控制寄存器TCSDSRSRAM寄存器慢速充电寄存器控制着DS1302的慢速充电特性。寄存器的BIT4BIT7（TCS）决定是否具备充电性能：仅在编码为1010的条件下才具备充电性能，其他编码组合不允许充电。BIT2和BIT3选择在VCC2和VCC1之间是一个还是两个二极管串入其中。如果
21、编码DS是01，选择一个二极管；如果编码是10，选择两个二极管；其他编码将不允许充电。该寄存器的BIT0和BIT1用于选择与二极管相串联的电阻值。其中编码RS=01为2 K，RS=10为4 K，RS=11为8 K，而RS=00将不允许进行充电。因此，根据慢速充电寄存器的不同编码可得到不同的充电电流【5】。其具体计算如公式3-1所示： I充电=（V0-VD-VE）/R （3-1）式中：V0所接入的5.0V工作电压；VD二极管压降，一个按0.7V计算；R慢速充电控制寄存器0和1位编码决定的电阻值；VEVCC1脚所接入的电池电压。RAM寄存器寻址空间一次排列的31字节静态RAM可为用户使用，备用电源
22、位RAM提供了掉电保护功能。寄存器和RAM的操作通过命令字节的BIT6加以区别。当BIT6为“0”时对RAM区进行寻址；否则将对时钟/日历寄存器寻址。其操作方法与前述相同。3.3.5 时钟电路图本设计时钟电路如图3-4所示，分别把RET、SCLK、I/O口对应的接到单片机上，I/O口按制数据的输入和输出，SCLK是按制数据的时钟信号，RST是复位信号，正常工作时复位是高电平，通过程序先给DS1302写入命令，根据命令的输入输出情况，对I/O口读或写数据，完成时间的读写操作。图3-4时钟电路图3.4键盘电路设计3.4.1 键盘接口键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据、查询和控制系统
23、的工作状态，都要用到键盘，键盘是人工干预计算机的主要手段。独立式键盘每个键单独占用一个I/O接口，每条I/O线互不影响，独立操作，便于实现简单接口电路功能。键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能。这种键盘使用方便，但硬件较复杂，PC机所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在单片机应用系统中广泛使用。图3-5键盘电路图在本键盘设计中，键盘原理图如图3-5所示，功能实现是当按下K1时，再通过多次按K4，年月日及星期时间将会闪烁，处
24、于调整状态，些时再按下K1或K2可以调整相应位的值到正确值，当同时按下K1和K5时可以设置闹钟，设置闹钟和调整时间原理一样，设置完后弹起K1键完成设置。如果要使闹钟有效，那么当正常运行时使闹钟键一直处于按下状态。3.4.2 按键设置本电子万年历系统中功能按键共5个，分别为设置键、上调键、下调键、转换键、闹钟键。当按下设置键时，再按下转换开关就可以分别对秒、分、时、日、月、星期、年份进行加1或减1修改。同时按下设置和闹钟时，则修改闹钟的时间。进入修改界面后，弹起设置时是确定键，按下闹钟是闹钟的功能设置为有效（如果想再开闹钟的话，重新设置闹钟时间就可以了）。3.4.3按键开关去抖动问题按键开关在电路中的连接如图3-6a所示。按键未按下时，A点电位为高电平5V；按键按下时，A点电位为低电平。A点电位就用于向CPU传递按键的开关状态。但是由于按键的结构为机械弹性开关，在按键按下和断开时，触点在闭合和断开瞬间还会接触不稳定，引起A点电平不稳定，如图3-6b所示，键盘的抖动时间一般为510ms，抖动现象会引起
