1、毕业设计论文基于PROTUES的单片机多功能电子万年历的仿真设计本 科 毕 业 设 计基于PROTUES的单片机多功能电子万年历的仿真设计Simulation and design of multifunction electronic calendar based on the PROTUSE of single chip microcomputer学 院： 电子工程学院 专业班级： 电子信息工程 电子092班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013年 6 月毕业设计（论文）中文摘要摘 要：电子万年历在我们平时生活中的使用非常广泛，给人们的生活带来诸多便利，在各种场所随处可见。 它可以采
2、用直观的数字显示出日期及温度等信息，同时他还有计时以及时间校准等功能。该电子万年历主要的核心部件是AT89C51单片机， 采用数字温度传感器DS18B20用来测量温度、时钟芯片采用DS1302芯片、共阴数码管来显示。AT89C51单片机是由艾特梅尔公司设计出的，基本无损耗；DS1302时钟芯片是美国达拉斯公司推出的时钟芯片，具有修复闰年漏掉的日子等多种功能，他它还可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，并且具有使用误差小，寿命长等优点；DS18B20温度芯片是一种测量精度高的传感器，连接这种特征的传感器只需要一个导线用来数据传输。本设计的显示装备选用的是共阴级数码管，可以实现显示年、月、日
3、、星期、时、分、秒及温度等内容。关键词：AT89C51单片机 DS1302 时钟芯片DS18B20温度传感器毕业设计（论文）外文摘要Abstract: E-calen dar day time is a very wide range of tools,giving great conwenience to people, commonly found in various places. It can be used in visual digital display the dateand temperature information, at the same time ,It has
4、the functions of timing and time calibration., but also a time-calibration and other functions. The core components of the electronic calendar is AT89C51 single chip, using DS18B20 temperature sensor is used to measure the temperature, the clock chip is used DS1302 chip, common cathode LED display.
5、AT89C51 MCU is designed by Atmel company, the power consumption is very small; DS1302 clock chip is the United States DALLASs low-power real-time clock chip, has the leap year compensation and other functions, which can of the year, month, day, week, hour, minutes and seconds, and the error is small
6、, long service life; DS18B20 temperature chip is a digital temperature sensor with a measurement accuracy high, a simple circuit to connect the characteristics of such sensors only need a data cable for data transmission; This display equipment of the design is chosen the Common cathode digital tube
7、, which can display year, month, day, week, time, minutes and seconds and temperature, etc.Keywords: AT89C51 single-chip microcomputer DS1302 clock chip DS18B20 temperature chip 1 绪论1.1 引言随着现代社会人们的生活水平的提高以及公作生活节奏越来越快，导致了人们对精确时间的要求越来越苛刻，这就带动了精确时钟的消费和需求。2000年以来，电子万年历成为了计时产品的一杆旗帜，人们把它称为21世纪时钟产业的第三次革命。第
8、一次革命的代表是摆和摆轮游丝，这个发明使时钟的走时差由分变成了秒。第二次革命主要运用了石英振荡器，让钟表的精度更高，让月差由分级缩小到秒级。第三次革命就是数码产品的运用这里指电子万年历的出现和使用，使时钟产品的精度进一步提高，由传统的指针模式变成更简单明确的数字模式，加上温度，星期以及闹铃等的多功能显示，是的电子时钟更加的人性化，越来越符合人们的日常消费需求。综上所述，我们可以看出电子万年历获得了跨越性的进步。在我国电子万年历的种类很多，在原来的只显示时间日期这些基本作用的基础上又额外增加了闹铃和报警等功能。生产商们为了赚取更大的利益，调高电子万年历的市场，他们在考虑了价格、质量及实用性的基础
9、上对万年历大力的创新和改进。采用单片机和时钟芯片结合的方法，以AT89系列单片为电子万年历的核心，利用软硬结合的方法，用来控制数码管显示出日期和时间，这种设计方案具有设计出的电路比较简单，软件设计独特,可靠等优点。AT89C51是由艾特梅尔公司生产出的一种单片机。其之所以能在中国得到极快的推广和采用Flash存贮器技术，成本低，且软件、硬件与MCS-51兼容等优点。本文主要介绍了基于AT89C51的单片机电子万年历。此万年历不但可以精确的显示日期时间以及星期和温度等内容外，而且还能进行时间校准。1.2 可行性分析技术可行性：该电子万年历主要的核心部件是AT89C51单片机， 采用DS18B20
10、温度传感器用来测量温度、时钟芯片采用DS1302芯片、显示设备为共阴极数码管。现实可行性：首先就是软硬件能够成功的实现并仿真。而且市场前景比较好，特别是随着生活节奏的提高，人们对于时间的精确度要求也越来越高，而且随着电子技术的飞速发展，如今单片机已经和我们的生活融入一体。只要我们使用电子产品，我们就离不开单片机对我们人类的巨大作用。经济可行性：成本低，性价比高。2 系统总体方案及硬件设计2.1 系统设计要求要求本设计以51单片机为核心控制，采用软件和硬件结合的方法，设计出的万年历可以显示日期、时间、温度等功能。要求完成硬件原理图设计和软件编程，并运用Protuse软件仿真实现。2.2 总体设计
11、方案图2.2.1 总体电路原理图本设计核心控制是AT89C51，具有操作简单的优点；采用DS1302为时钟电路的核心，且其消耗很低、性能很高、精度很高还具有掉电保存功能，在2.5V和5.5V电压之 间工 作，能够精准的计时日期、时间和星期；温度的采集由DS18B20构成。总体电路原理图如图2.2.13 系统硬件设计3.1 单片机概述单片微型计算机 简称单片机，简称为MCU，是典型的嵌 入 式 微 控 制 器，单片机是计算机系统的缩小版，他是把系统集成到一个芯片上，因此又称之为单片微控制器。单片机由存放数据和程序的存储器，发布命令的控制器，执行算术和逻辑操作的运算器，以及输入输出设备这四部分构成
12、，可以看做是一台微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。总的来说，单片机具有体积小，功能强，物美价廉等优点，为人们再学习和设计上提供了诸多便利，因为一个芯片就是一台计算机。想了解计算机原理与结构的同学从单片机入手是最好的入门老师。在工业领域单片机被首次利用。单片机为了适应对体积要求比较严格的设备，这就必须让单片机的体积更小，最开始人们尝试把外围设备和CPU合到一个芯片上；首次出现在世人眼前的是INTEL的8080，后来以最成功的8051为基础又设计出了简单且功能优越的MCS51系列的单片机 ；尽管在21世纪以来又陆续设计研发出各种高端的单片机，但已8051为基础的单片机
13、仍然很流行。单片机可以毫不夸张的说是世界上最主流的处理器，专用处理器已经不再是最适合嵌入式，已经被单片机取代，单片机和专用处理器已经在这个社会的发展推动下慢慢的分为两个道路。在如今人们的生活中单片机已经和我们身边的电子产品息息相关，到处都有他的身影。我们身边比较常见的电子产品有手机、电脑、计算器、电子万年历等电子产品都有单片机，以上常见的电子产品一般只需要一片或几片单片机，一些复杂的工业设计一般要有上百片的单片机来工作；可见单片机的数量远超过个人计算机和电脑的总量，数量十分的可观，甚至比我们人口数都多。单片机在短短几十年内崛起，这里用8位的单片机作为起点可以把单片机发展分成三阶段：第一阶段（1
14、974-1978）：起始阶段。以因特尔公司的MCS-48为代表。这个时期的单片机片内部一般由八位CPU、并行输入输出口、八位定时/计数器组成，寻址范围小于等于4K，没有串行口。第二阶段（1978年-1983）：多功能阶段。在这一阶段推出的单片机内部普遍带有串行输入输出口，十六位定时/计数器以及多级中断处理系统。增加数据存储器和程序存储器的存储空间大小至64K，且还带有数模转换接口。代表产品有因特尔公司的MCS-51、摩托罗拉公司的6801和Zlog公司的Z8等。第三阶段（1983年-目前）：巩固发展原有的八位单片机，以及研发十六位单片机。这一阶段的主要特性是在完善8位单片机的基础上研发十六位单
15、片机，开拓创新，满足更多客户以及各个领域的需求。单片机之所以比较容易修改主要是因为他是依靠程序来运行。单片机通过编写程序来控制芯片，实现了别的器件很难实现或者根本不能实现的功能，具有高智能高效率等优点，是其他器件所不能比拟的。现在人们对于汇编语言不是很看重，一般采用C语言进行编程，这样大大提高的编程的工作效率，首先最重要的是一定要了解单片机的具体性能和特点。高级的工程师都是以汇编语言为基础然后再学习C语言编程。虽然C语言比较容易理解方便阅读，但是他和汇编语言比起来执行效率要低百分之十到百分之二十，所以汇编和C语言各有千秋，我们要在应对不同的问题选取最合适的语言实现最高效率的工作。 在单片机的编
16、程中，目前占主要地位的还是ASM语言，它是仅次于二进制机器的最低级语言了，选择这种低级语言的原因就是单片机海量的存储设备，也没有计算机那样的中央处理器。令单片机不可接受的是即使是一个小程序的按键模块程序，也会达到几十K，所以单片机必须要高效率的利用，而汇编就不存在这个问题 。 一个最基本的微型计算机部分组成如下： 中央处理器是由控制器、算术逻辑运算单元和寄存器组成； 存储器是由RAM（读写）和ROM（只读）； 并行和串行I/O接口； 其它硬件端口，包括：定时/计数器、中断逻辑、总线等。3.2 AT89C51单片机简介AT89C51 是 美 国 艾特梅尔 公 司 生产 的8 位 单 片 机，具有
17、很高的性价比，能够在各个场合领域灵活运用。本设计采用是AT89C51单片机，由于51单片机的极强兼容性所以单片机内部组成部分都基本相同。AT89C51的管脚图见图3.2.1中的左图。图3.2.1 AT89系列单片机3.2.1 主要性能参数和MCS51系列的指令系统具有完全的兼容性4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全 静 态 操 作：0Hz24MHz三级加密程序存储器6个中断源1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个十六位定时计数器低功耗和掉电模式3.2.2 功能性概述：AT89C51 具有振荡器及时钟电路，32 个IO 口线，可支持两种软件可选的节电工作模式，4k 字
18、节Flash 闪存，一个全双工串行通信口，128字节内部RAM，一个5向量两级中断结构，片内振荡器及时钟电路，且具有降至0Hz的静态逻辑操作，两个十六位定时计数器等功能 。3.2.3 引脚功能说明Vcc：电源电压GND：地P0 口：P0 口是一组8位双向输入输出端口。P0可驱动8个TTL逻辑门电路。当P0口作为输入端口值为1时变成高阻抗状态。在访问外部RAM或ROM时会激活内部的上拉电阻 。P1口：P1是一组8位双向输入输出口，P1可驱动4个TTL逻辑门电路7。当P1口作为输入口此时端口为1，且激活内部上拉电阻使端口变成高电平状态，此时一个会被外部信号拉低电平输出电流。P2口：P2是一组8位双
19、向输入输出端口，P2可驱动4个TTL逻辑门电路。当P1口作为输入口此时端口为1，且激活内部上拉电阻使端口变成高电平状态，此时一个会被外部信号拉低电平输出电流。当P2口访问外部ROM或16位地址的外部RAM时，P2口送出高8位地址数据。当P2口访问8 位地址的外部RAM时，P2 口线上SFR区中R2寄存器的信息，一直保持不变8。P3口：P3口是一组8 位双向输入输出端口。P3可驱动4个TTL逻辑门电路。当P3口作为输入口此时端口为1，且激活内部上拉电阻使端口变成高电平状态，此时一个会被外部信号拉低电平输出电流。P3口除了可以做输入输出端口线外，更重要的是他第二功能7，见下表1所示：表1 P3口的
20、特殊功能P3口还接收一些用于Flash闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入端口。当振荡器复位器件时，要让RST脚维持两个机器周期的高电平时间。/EA/VPP： /EA端口为低电平时，则在此期间访问外部ROM。当/EA端口为高电平时，此间访问内部ROM。且在特定的闪存编程时，可以提供12V的编程电源。ALE/PROG：在端口访问外部存储器时，地址锁存器的输出电平用于锁存地址的地位字节。在编程期时，ALE端以振荡器频率的1/6周期输出正脉冲信号 。/PSEN：外部ROM的选通信号。XTAL1：振荡器反相放大器和晶振电路的输入端口。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端口。3.3 晶振电路此
21、电路为晶振电路，由两个电容和一个晶振组成，本电路中电容C4和C5取30PF，为晶振的负载电容，和晶振的两个引脚分别连接同时接地。晶振的两个管脚同时和AT89C51单片机的XTAL1口和XTAL2口连接。晶振电路相当于单片机的心脏，这里晶振取12MHZ为单片机提供时钟周期用来驱动程序的执行，没有了晶振电路，单片机就没法工作。晶振的内部一般是个反相器，内部有电阻，在上电时，帮助晶振起阵 。如下图3.3.1所示图3.3.1 晶振电路3.4 复位电路RST引脚是高电平有效的复位信号输入端口。本电路还采用上电加按钮复位，以至于能及时处理系统死机等问题，保证系统能够正常的工作。如下图3.4.1所示。图3.
22、4.1 复位电路3.5 时钟电路本次设计由晶体振荡器、电容和DS1302时钟芯片共同体组成了时钟电路。本电路中晶振提供标准的秒脉冲，电容是在电路上电时帮助晶振起阵，这里电容取27UF，晶振的频率取为32.768MHz。I/O、SCLK、/RST分别和51单片机的P3.2、P3.1、P3.3管脚连接。时钟电路原理图3.5.1所示。图3.5.1 时钟电路原理图3.5.1 DS1302芯片3.5.1.1 概述DS1302 是达拉斯公司设计出的可通过简单的串行接口与单片机进行通信的充电时钟芯片。实时时钟/日历电路可提供精确的时间和日期，时钟采取二十四或者十二小时进制由AM/PM控制，每年中每月的天数可
23、自动调整。DS1302 只需要三个端口就可实现与单片机的同步串行通信： RES （复位端口），I/O（ 输入输出线），SCLK（串行时钟）。DS1302适用于生活中中各式各样的的仪器仪表等产品领域。功能指标如下所示：实时时钟具有能计算2100 年之前的日期和时间以及星期的能力还有闰年调整的能力 318 位暂存数据存储器 串行输入输出 口方式让管脚数量最小化 能够正常工作的电压为2.05.5V 工作电流为2.0V 时,不大于300nA 读/写时钟或数据存储器 数据时，有单字节传送和多字节传送字符两种传送方式 简单3 线接口 与DS1202 兼容 有备份电源 3.5.1.2 管脚描述图3.5.2
24、DS1302的外部引脚分配X1，X2 -Hz晶振管脚GND -地RST -复位脚I/O：数据输入/输出引脚；SCLK：串行时钟；Vcc1,Vcc2：电源供电管脚，Vcc1为主电源；Vcc2为备份电源。当 Vcc2Vcc1+0.2V 时，由 Vcc2向 DS1302供电，当 Vcc2 Vcc1时，由 Vcc1向 DS1302供电。3.5.1.3 DS1302时钟芯片的初始化DS1302时钟芯片执行读、写程序前都要进行初始化，首先SCLK= 0，然后RST =1，接着才给SCLK提供脉冲。3.5.1.4 DS1302的控制字节DS1302的地址及命令字节如下表2所示。位0取0表示要进行写操作，取1
25、表示进行读操作，控制字节从最低位开始输出；位1到位5表示操作单元的地址；若位6为0，则表示存取时钟数据，否则为存取RAM数据；位7必须是逻辑1，否则数据不能写入把DS1302中。 表2 控制字（即地址及命令字节）3.5.1.5 数据输入输出（I/O）当控制指令字输入后，且下一个SCLK为上升沿时，数据写入DS1302，从低位即位0开始输入数据。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿从位0到位7读出DS1302的数据。如下图3.5.3所示. 当CE 输入为高电平时，所有的数据传输打开。CE 输入有两个功能。第一，CE 打开控制逻辑，访问移位寄存器的地址/命令序列。第二，一个时
26、钟周期是由一个下降沿和上升沿序列组成，数据必须在时钟的上升沿输入，在时钟的下降沿输出。若CE 为低，则I/ O 引脚变为高阻抗状态，数据不能传输。对于数据输入：从开始的八个时钟周期输入写命令字节，在后八个时钟周期的上升沿输入数据字节。数据输入位0 开始。对于数据输出：开始的八个时钟周期，输入一个读命令字节，在后八个时钟周期的下降沿输出数据字节。图3.5.2 数据读写时序3.5.1.6 DS1302的寄存器DS1302 12个寄存器中的七个与时间和日期有关的寄存器以BCD码存放数据。其控制字见表3。表3 DS1302主要寄存器分布表CH定义为时间暂停位，当CH=1 时，DS1302处于低损耗模式
27、，时钟振荡器不运行 ，当CH=0 时，DS1302 正常工作，时钟振荡器启动。12 或24 小时工作模式由小时寄存器的BIT7 来决定，当BIT7 为高电平是时寄存器采用十二小时运行， BIT5 为AM/PM 位，低电平表示AM。WP 是写保护位，除 WP 外的其他位都置为0，进行写操作之前，WP 必须为0，否则不能进行写操作。3.6 DS18B20温度采集模块本设计采用测量精度高，电路连接简单的数字式温度传感器DS18B20，DS18B20传感器仅需要一条数据线进行数据传输。使用DQ与单片机P3.4/T0连接进行数据信号的传输,Vcc接电源提供+5V的电压,GND接地。如下图3.6.1图3.
28、 温度采集模块3.6.1 DS18B20概述DS18B20温度传感器是由达拉斯公司生产的，种类繁多，具有体积小，精度高，价格便宜等优点，深受人们喜爱 。3.6.2 DS18B20管脚介绍图3.2 DS18B20管脚介绍DS18B20 有VCC，DQ，和GND三只引脚。如图示3.6.2VCC：可选的+5V电源DQ：数字输入输出，通过DQ和P3.4的连接，将信号从传感器传递给单片机GND：接地3.6.3 DS18B20工作原理及应用DS18B20 由64 位的ROM 单元，和9 字节的暂存器单元组成。DS18B20的超强抗干扰力和温度检测、数字数据输出结合在一个芯片上密切相关。他由温度检测和数据处
29、理组成一个工作周期。DS18B20共九个字节数据存储器，每个字节为八位。Byte0和byte1是温度转换后的数据值信息，byte2和byte3字节是用户EEPROM的镜像。在上电复位时其值将被刷新。Byte4字节则是用户第3个EEPROM的镜像。Byte5、6、7字节是计数寄存器，是内部温度转换、计算的暂存单元。Byte8字节为前8个字节的CRC码 19。图3.3 暂存单元以上是内部9 个字节的暂存单元（包括EEPROM）。字节01 是转换好的温度。字节23 是用户用来设置报警的最高和最低值。字节4 是用来配置转换精度，912 位。字节58 就不用看了。3.6.3.1 字节01：转换好的温度图
30、3.4 温度寄存器格式DS18B20 是16 位温度操作寄存器，其分辨率是0.0625。bit15bit11 是符号位，表示转换的值的符号。 表4 温度/数据关系3.6.3.2 字节23：TH和TL配置TH表示最高温度界限，TL表示最低温度界限。3.6.4 单片机访问DS18B20DS18B20 作为单片机的从机。单片机要想通过一条线访问温度芯片的话需要以下操作步骤：1.DS18B20 复位。2.执行ROM 指令。3.执行DS18B20 功能指令（RAM 指令）DS18B20 的复位表示开始信号。ROM 指令是DS18B20 个别的六十四位序列号的动作实现访问，搜索，匹配功能。一般情况下，可以
31、直接跳过ROM 指令（0xCC）。DS18B20 的几种常用功能。0x44：开始转换温度。转换好的温度会储存到暂存器字节0 和1。0xEE：读暂存指令。3.7 键盘模块3.7.1 单片机键盘简介（1）按键的分类 按键根据结构原理可分为触点式开关按键和无触点式开关按键。触点式开关具有成本低的优点，无触点式使用时间久。 按键根据接口可分为编码键盘与非编码键盘。编码键盘利用硬件来控制键，非编码键盘利用软件来定义和控制。 （2）按键结构与特点 微 机 键 盘 通 常 使 用 机 械 触 点 式 按 键 开 关，其 主 要 功 能是 把 机 械 上 的 通 断 转 换 成 为 电 气 上 的 逻 辑 关 系。也 就 是说，它 能 提 供 标 准 的 TTL 逻 辑 电 平，以 便 与 通 用 数 字 系 统的 逻 辑 电 平 相 容。机械式按键在按下与松开时，一般会有一个时间差会产生一定时间的机械抖动，然后才能进入稳定区。其抖动过程如图3.7.1
