基于单片机的万年历课程设计.docx
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基于单片机的万年历课程设计
中州大学
信息工程学院
课程设计
基于单片机的万年历
专业:
[计算机应用技术]
完成时间:
2013年6月5日
摘要
本文借助电路仿真软件Protues对基于STC89C52单片机的电子万年历的设计方法及仿真进行了全面的阐述。
该电子万年历在硬件方面主要采用STC89C52单片机作为主控核心,由DS1302时钟芯片提供时钟、LCD12864点阵液晶显示屏显示。
STC89C52单片机是由深圳宏晶公司推出的,功耗小,电压可选用4~6V电压供电;DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电功能的低功耗实时时钟芯片,它可以对年、月、日、星期、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;数字显示是采用的LED液晶显示屏来显示,可以同时显示年、月、日、星期、时、分、秒等信息。
此外,该电子万年历还具有时间校准等功能。
在软件方面,主要包括日历程序、时间调整程序,显示程序等。
所有程序编写完成后,在Keil软件中进行调试,确定没有问题后,在Proteus软件中嵌入单片机内进行仿真。
论文主要研究了液晶显示器LED及时钟芯片DS1302,温度传感器DS18B20与单片机之间的硬件互联及通信,对数种硬件连接方案进行了详尽的比较,在软件方面对日历算法也进行了论述。
研究结果表明,由于万年历的应用相当普遍,所以其设计的核心在于硬件成本的节约软件算法的优化,力求做到物美价廉,才能拥有更广阔的市场前景。
关键词:
单片机;DS1302;LCD12864
Abstract
ThispapermainlydiscussthedesignandsimulationofelectroniccalenderbasedonSTC89C52withthehelpofProtues.Onthehardwareside,theelectroniccalendarusingSTC89C52microcontrollerasthemaincontrolcenter,clockprovidedbytheDS1302clockchip,1602LEDdotmatrixLCDdisplay.AtmelCorporationSTC89C52microcontrollerisproductedbyAtmelCorporation,lowpowerconsumption,voltagecanbeselected4V~6Vvoltagepowersupply;DS1302clockchip,launchedintheUnitedStateswithDALLASsmallcurrentchargingfunctionrealtimeclockchip,lowpowerconsumption,itcanbeyears,month,date,day,hour,minute,secondstime,alsohasaleapyearcompensationandotherfunctions,andDS1302longlife,smallerror;LEDdigitaldisplayisusedinLCDdisplaysthatcandisplayin,month,day,week,hours,minutes,secondsandotherinformation.Inaddition,theelectroniccalendarisalsoatimecalibrationfunctions.Intermsofsoftware,includingcalendarprogram,timetoadjustprocedures,displayprocedures.Allprogrammingiscomplete,theKeilsoftwaredebugging,makesurethereisnoproblem,intheProteussoftwareembeddedwithinthesimulatedMCU.
ThisarticlefocusonliquidcrystalscreenLCD12864andclockchipDS1302,temperaturesensorDS18B20whichconnectedandcommunicatedwithMicrocontroller.Severalsolutionswillalsocomparedwitheachother.Onsoftwareside,calendercalculationwillbediscussedaswell.
Theresultsareasfollows:
aselectroniccalenderarewidelyusedinourdailylife.Itshould
bechipandconvenientsoastowinmoreprofit.
Keywords:
Microcontroller,DS1302;DS18B20;LCD12864
绪论
随着社会、科技的发展,人类得知时间,从观太阳、摆钟到现在电子钟,不断研究、创新。
为了在观测时间的同时,能够了解其它与人类密切相关的信息,比如温度、星期、日期等,电子万年历诞生了,它集时间、日期、星期和温度功能于一身,具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁等诸多优点,符合电子仪器仪表的发展趋势。
伴随着电子技术的迅速发展,特别是随大规模集成电路出现,给人类生活带来了根本性的改变。
由其是单片机技术的应用产品已经走进了千家万户。
电子万年历的出现给人们的生活带来的诸多方便,作为一种附加功能,现在越来越广泛的被应用于各种电子产品中,具有广阔的市场前景。
通过以往对工业自动化的相关课程学习和理解独立完成制作电子万年历的设计。
电子万年历作为电子类小产品不仅是市场上的宠儿,也是是单片机设计培训中一个很实用的题目。
因为这个课题有很好的开放性和可发挥性,对制作者的要求比较高,不仅考察了对单片机的掌握能力更加强调了对单片机扩展的应用。
而且要求设计的电子万年历在操作上力求简洁,功能上尽量齐全,显示界面也要出色。
所以,电子万年历制作无论从实用目的,还是从培养能力的角度来看都是很有价值的毕业设计课题。
本电子万年历的设计在硬件方面主要采用STC89C52单片机作为主控核心,由DS1302时钟芯片提供时钟、1602LCM点阵液晶显示屏显示。
STC89C52单片机是由Atmel公司推出的,功耗小,电压可选用4~6V电压供电[1];DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电功能的低功耗实时时钟芯片,它可以对年、月、日、星期、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;数字显示是采用的LED液晶显示屏来显示,可以同时显示年、月、日、星期、时、分、秒等信息。
此外,该电子万年历还具有时间校准等功能。
在软件方面,主要包括日历程序、时间调整程序,显示程序等。
所有程序编写完成后,在Keil软件中进行调试,确定没有问题后,在Proteus软件中嵌入单片机内进行仿真。
最后在老师同学的帮助以及自己的努力下完成了此次电子万年历的设计。
第一章功能描述
1.1系统基本方案选择和认证
1.1.1单片机芯片的选择
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
[1]
1.1.2显示模块选择方案
LCD12864分为两种,带字库和不带字库的,个人比较喜欢不带字库的,因为显示汉字的时候可以选择自己喜欢的字体,而带字库的液晶,只能显示GB2312的宋体,当然了,也可以显示其他的字体,不过不是液晶本身字库中带的了,而是用图片的形式显示。
1.1.3时钟芯片的选择方案和认证
方案一:
直接采用单片机定时计数器提供秒信号,使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。
采用此种方案虽然可以减少时钟芯片的使用,节约成本,但是,实现的时间误差较大。
所以不采用此方案。
方案二:
采用DS1302时钟芯片实现时钟,DS130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2.5V~5.5V。
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31×8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。
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程的充电功能,并且可以关闭充电功能。
采用普通32.768kHz晶振[4]。
因此,本设计中采用DS1302提供时钟。
1.1.4温度传感器的选择方案与认证
方案一:
使用热敏电阻作为传感器,用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压,利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性,采集这两个电阻变化的分压值,并进行A/D转换。
此设计方案需用A/D转换电路,增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的,会产生较大的测量误差[5]。
方案二:
采用数字式温度传感器DS18B20,此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,可以避免A/D模数转换模块,降低硬件成本,简化系统电路[6]。
另外,数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
因此,本设计DS18B20温度传感器作为温度采集模块。
1.1.5红外遥控器与红外接收管的选择
红外信号收发系统的典型电路如图1所示,红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中,成为一体化红外接收头。
内部电路包括红外监测二极管,放大器,限副器,带通滤波器,积分电路,比较器等。
红外监测二极管监测到红外信号,然后把信号送到放大器和限幅器,限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平,而不论红外发射器和接收器的距离远近。
交流信号进入带通滤波器,带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波,通过解调电路和积分电路进入比较器,比较器输出高低电平,还原出发射端的信号波形。
注意输出的高低电平和发射端是反相的,这样的目的是为了提高接收的灵敏度。
红外接收头的种类很多,引脚定义也不相同,一般都有三个引脚,包括供电脚,接地和信号输出脚。
根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。
大体积红外接收头IRM38A引脚说明
红外接收头内部放大器的增益很大,很容易引起干扰,因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容,一般在22uf以上。
有的厂家建议在供电脚和电源之间接入330欧电阻,进一步降低电源干扰。
红外发射器可从遥控器厂家定制,也可以自己用单片机的PWM产生,家庭遥控推荐使用红外发射管(L5IR4-45)的可产生37.91KHz的PWM,PWM占空比设置为1/3,通过简单的定时中断开关PWM,即可产生发射波形。
在这次设计中选择HX1838接收管跟红外遥控模块
1.2电路设计最终方案决定
综上各模块的选择方案与论证,确定最后的主要硬件资源如下:
采用STC89C52作为主控制系统;DS1302提供时钟;DS18B20作为数字式温度传感器;LCD12864液晶屏作为显示。
HX1838作为红外接收器
第二章系统的硬件设计与实现
2.1主要单元电路的设计
2.1.1单片机主控制模块的设计
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
如图2.1.1所示
图2.1.1单片机最小系统
2.1.2单片机中断系统
在提及单片机的最小系统后,现对单片机的另一重要应用系统即中断系统做一个比较详细的介绍。
在CPU与外设交换信息时,存在着一个快速CPU与慢速的外设之间的矛盾。
为解决这个问题,发展了中断的概念。
单片机在某一时刻只能处理一个任务,当多个任务同时要求单片机处理时,这一要求应该怎么实现呢?
通过中断可以实现多个任务的资源共享。
所谓的中断就是,当CPU正在处理某项事务的时候,如果外界或者内部发生了紧急事件,要求CPU暂停正在处理工作而去处理这个紧急事件,待处理完后,再回到原来中断的地方,继续执行原来被中断的程序,这个过程称作中断。
从中断的定义我们可以看到中断应具备中断源、中断响应、中断返回这样三个要素。
中断源发出中断请求,单片机对中断请求进行响应,当中断响应完成后应进行中断返回,返回被中断的地方继续执行原来被中断的程序。
MCS-51单片机的中断源共有两类,它们分别是:
外部中断和内部中断。
外部中断0(INT0)来自P3.2引脚,通过外部中断0触发方式控制位IT0(TCON.0),来决定中断输入信号是低电平有效还是负跳变有效。
一旦输入信号有效,便使IE0标志置一,向CPU申请中断;外部中断1(INT1)来自P3.3引脚,通过外部中断1触发方式控制位IT1(TCON.2),来决定中断输入信号是低电平有效还是负跳变有效。
一旦输入信号有效,便使IE0标志置一,向CPU申请中断。
内部中断有三个:
TF0,TF1,RI或TI。
TF0(TCON.5),片内定时/计数器T0溢出中断请求标志。
当定时/计数器T0发生溢出时,置位TF0,并向CPU申请中断;TF1(TCON.7),片内定时/计数器T1溢出中断请求标志。
当定时/计数器T1发生溢出时,置位TF1,并向CPU申请中断;RI(SCON.0)或TI(SCON.1),串行口中断请求标志。
当串行口接收完一帧串行数据时置位RI或当串行口发送完一帧串行数据时置位TI,向CPU申请中断[10]。
MCS-51单片机为用户提供了四个专用寄存器,来控制单片机的中断系统。
定时器控制寄存器(TCON),该寄存器用于保存外部中断请求以及定时器的计数溢出。
进行字节操作时,寄存器地址为88H。
按位操作时,各位的地址为88H~8FH,当CPU采样到INT0(或INT1)端出现有效中断请求时,IE0(IE1)位由硬件置“1”。
当中断响应完成转向中断服务程序时,由硬件把IE0(或IE1)清零,当计数器产生计数溢出时,相应的溢出标志位由硬件置“1”。
当转向中断服务时,再由硬件自动清“0”。
计数溢出标志位的使用有两种情况:
采用中断方式时,作中断请求标志位来使用;采用查询方式时,作查询状态位来使用;串行口控制寄存器(SCON),进行字节操作时,寄存器地址为98H。
按位操作时,各位的地址为98H~9FH,当发送完一帧串行数据后,由硬件置“1”;在转向中断服务程序后,用软件清“0”,当接收完一帧串行数据后,由硬件置“1”;在转向中断服务程序后,用软件清“0”。
串行中断请求由TI和RI的逻辑或得到。
就是说,无论是发送标志还是接收标志,都会产生串行中断请求;中断允许控制寄存器(IE),进行字节操作时,寄存器地址为0A8H。
按位操作时,各位的地址为0A8H~0AFH,可见,MCS-51单片机通过中断允许控制寄存器对中断的允许(开放)实行两级控制。
即以EA位作为总控制位,以各中断源的中断允许位作为分控制位。
当总控制位为禁止时,关闭整个中断系统,不管分控制为状态如何,整个中断系统为禁止状态;当总控制位为允许时,开放中断系统,这时才能由各分控制位设置各自中断的允许与禁止。
MCS-51单片机复位后(IE)=00H,因此中断系统处于禁止状态。
单片机在中断响应后不会自动关闭中断。
因此在转中断服务程序后,应根据需要使用有关指令禁止中断,即以软件方式关闭中断。
中断优先级控制寄存器(IP)MCS-51单片机的中断优先级控制比较简单,因为系统只定义了高、低2个优先级。
高优先级用“1”表示,低优先级用“0”表示。
各中断源的优先级由中断优先级寄存器(IP)进行设定。
IP寄存器地址0B8H,位地址为0BFH~0B8H。
2.1.3DS1302工作原理及说明
(1)时钟芯片DS1302的工作原理
DS1302在每次进行读、写程序前都必须初始化,先把SCLK端置“0”,接着把RST端置“1”,最后才给予SCLK脉冲;读/写时序如下图2.3.2所示。
图2.3.1为DS1302的控制字,此控制字的位7必须置1,若为0则不能把对DS1302进行读写数据。
对于位6,若对程序进行读/写时RAM=1,对时间进行读/写时,CK=0。
位1至位5指操作单元的地址。
位0是读/写操作位,进行读操作时,该位为1;该位为0则表示进行的是写操作。
控制字节总是从最低位开始输入/输出的。
表2为DS1302的日历、时间寄存器内容:
“CH”是时钟暂停标志位,当该位为1时,时钟振荡器停止,DS1302处于低功耗状态;当该位为0时,时钟开始运行。
“WP”是写保护位,在任何的对时钟和RAM的写操作之前,WP必须为0。
当“WP”为1时,写保护位防止对任一寄存器的写操作。
(2)DS1302的控制字
DS1302的控制字如图2.3.1所示。
控制字节的高有效位(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。
图2.3.1DS1302的控制字
(3)数据输入输出
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位到高位7[14]。
如下图2.3.2所示:
图2.3.2DS1302读与写的时序图
(3)DS1302的寄存器
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图2.3.3。
图2.3.3DS1302的日历、时间寄存器
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C0H~FDH,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)。
2.1.4LCD12864工作原理及说明
(1)因为字符型LCD无法将汉字显示出来,所以要在显示汉字的场合一般都要用点阵型LCD。
目前常用的点阵型LCD有122×32、128×64、240×320等。
介绍128×64点阵液晶显示屏的基本应用。
128×64点阵液晶显示屏有三种控制器,分别是KS0107(KS0108)、T6963C和ST7920,三种控制器主要区别是:
KS0107(KS0108)不带任何字库、T6963C带ASCII码,ST7920带国标二级字库(8千多个汉字)。
本设计以不带字库的KS0107(KS0108)控制器为例进行介绍。
图2.4.1所示是128×64点阵型LCD的外形结构及引脚功能
图2.4.112864的串行并行引脚
指令名称
控制信号
控制代码
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
显示开关
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1/0
显示起始行设置
0
0
1
1
×
×
×
×
×
×
页设置
0
0
1
0
1
1
1
×
×
×
列地址设置
0
0
0
1
×
×
×
×
×
×
读状态
1
0
BUSY
0
ON/OFF
RST
0
0
0
0
写数据
0
1
写数据
读数据
1
1
读数据
图2.4.212864的指令信息
图2.4.3是proteus中系统的仿真图
(2)各指令分别介绍如下
2.1.5VS1838B红外模块原理及说明
红外遥控系统结构 。
红外遥控系统主要分为调制、发射和接收三部分,如图 2.5.1所示:
图2.5.1红外遥控系统
红外遥控发射数据时采用调制的方式,即把数据和一定频率的载波进行“与”操作,这样可以提高发射效率和降低电源 功耗。
调制载波频率一般在30khz到60khz之间,大多数使用的是38kHz,占空比1/3的方波,如图2所示,这是由发射端所使用的455kHz晶振决定的。
在发射端要对晶振进行整数分频,分频系数一般取12,所以455kHz÷12≈37.9 kHz≈38kHz。
红外接收头内部放大器的增益很大,很容易引起干扰,因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容,一般在22uf以上。
有的厂家建议在供电脚和电源之间接入330欧电阻,进一步降低电源干扰。
红外发射器可从遥控器厂家定制,也可以自己用单片机的PWM产生,推荐使用超小封装(TSSOP20)的STC12C4052AD 或STC12C5406AD,可产生37.91KHz的PWM, PWM占空比设置为
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