PAGEPAGE19課程名稱：微機原理課程設(shè)計題目：基于DS1302芯片萬年歷

摘要DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片,內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM,通過簡單的串行接口與單片機進(jìn)行通信實時時鐘/日歷電路.提供秒、分、時、日、日期.、月、年的信息,每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整時鐘。本次課程設(shè)計的是使用專門的時鐘芯片DS1302在數(shù)碼管上顯示的數(shù)字電子鐘，并能通過按鍵對其進(jìn)行調(diào)時和校準(zhǔn)以及實現(xiàn)年月日。DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它能夠?qū)r，分，秒進(jìn)行精確計時，它與單片機的接口使用同步串行通信，僅用3條線與之相連接，就可以實現(xiàn)STC-51單片機對其進(jìn)行讀寫操作，把讀出的時間數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管上顯示。程序運行時，數(shù)碼管將從當(dāng)前時間開始顯示，通過調(diào)節(jié)K2鍵和K3鍵可以分別對小時和分鐘進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后，時鐘以新的時間為起點繼續(xù)刷新顯示，通過調(diào)節(jié)K1鍵可以切換年月日和時鐘顯示。關(guān)鍵字：STC-51單片機，DS1302，數(shù)碼管，動態(tài)掃描，調(diào)時，切換，秒閃；

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、設(shè)計任務(wù)與要求 41.1設(shè)計任務(wù) 41.2設(shè)計要求 41.3發(fā)揮部分 41.4創(chuàng)新部分 4二、方案總體設(shè)計 52.1設(shè)計目的 52.2硬件功能描述 52.3設(shè)計方案選擇 52.4總體設(shè)計 62.5總體方案及基本工作原理 6三、硬件設(shè)計 73.1STC89C51芯片 73.2電源模塊及晶振模塊 73.3DS1302 83.4數(shù)碼管顯示模塊 93.5蜂鳴器部分 103.6按鍵部分 11四、軟件設(shè)計 134.1軟件流程圖 134.2軟件設(shè)計 13主函數(shù)部分： 13五、系統(tǒng)仿真和調(diào)試 155.1仿真軟件簡介 155.2硬件調(diào)試 155.3軟件調(diào)試 155.4使用說明 16六、設(shè)計總結(jié)與體會 186.1學(xué)習(xí)方面 186.2工作方面 18七、參考文獻(xiàn) 19一、設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計任務(wù)DS1302萬年歷；1.2設(shè)計要求利用DS1302生成萬年歷，時鐘可調(diào)，通過四位數(shù)碼管顯示，并可實現(xiàn)秒閃功能，同時蜂鳴器鬧鈴；1.3發(fā)揮部分設(shè)置按鍵K3用來切換顯示時鐘和年月日；1.4創(chuàng)新部分只設(shè)置了兩個按鍵K1和K2來調(diào)節(jié)時分，時鐘到24歸零，分鐘到60歸零，分鐘有長按迅速調(diào)節(jié)功能。

二、方案總體設(shè)計此電子時鐘利用AT89C51單片機和時鐘芯片DS1302設(shè)計完成。2.1設(shè)計目的通過對萬年歷的設(shè)計，進(jìn)一步熟練掌握單片機編程的方法和思想。通過對萬年歷的設(shè)計，掌握時鐘芯片DS1302的使用方法。通過對萬年歷的設(shè)計，進(jìn)一步掌握獨立式鍵盤的編程控制并認(rèn)識獨立式鍵盤在實際中的運用。通過對萬年歷的設(shè)計，增強對單片機的興趣及動手能力，并在此過程中學(xué)會對程序的逐步調(diào)試。完成一個可調(diào)時，可秒閃的，可以切換顯示的萬年歷時鐘。2.2硬件功能描述數(shù)字時鐘能夠完成24小時計時，還有按鍵切換顯示年月日的功能，計時初始值為11：45，用戶可以通過按鍵調(diào)整時鐘的初值實現(xiàn)校時功能，時鐘內(nèi)設(shè)鬧鐘12：59，暫不支持取消。2.3設(shè)計方案選擇1）計時方案：方案1：采用實時時鐘芯片現(xiàn)在市場上有許多實時時鐘集成電路，如：DS1287、DS2887、DS1302等，這些實時時鐘芯片具備年、月、日、時、分、秒計時功能和多點定時功能，計時數(shù)據(jù)的更新沒秒自動進(jìn)行一次，不需要程序干預(yù)。因此，在工業(yè)實時調(diào)控系統(tǒng)中多采用者一類專用芯片來實現(xiàn)實時時鐘功能。方案2：是用單片機內(nèi)的可編程定時器利用單片機內(nèi)部的定時記數(shù)器進(jìn)行中斷定時、配合軟件延時實現(xiàn)時分秒的計時，該方案節(jié)省硬件成本，但程序設(shè)計比較復(fù)雜。2）顯示方案：一個良好的顯示模塊對一個系統(tǒng)來說非常重要，所有操作結(jié)果和計時結(jié)果，都要通過顯示模塊來顯示出來，同時顯示模塊提供了良好的人機交互平臺。常用的顯示模式有LED、8段數(shù)碼管顯示、點陣顯示和液晶顯示。方案1：液晶顯示屏（LED）具有輕薄短小，低耗電量，無輻射危險，平面直角顯示以及形象穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點，但由于液晶其成本偏高，在使用時，不能有靜電干擾，否則易燒壞其液晶的顯示芯片。方案2：LED數(shù)碼管（LEDSegmentDisplays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。LED數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。圖2是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。LED數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。選用時要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。此課程設(shè)計采用DS1302芯片計時，LED數(shù)碼管顯示2.4總體設(shè)計總體框架圖如圖1圖1總體框架圖利用DS1302芯片進(jìn)行計時，并且可以與單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；4位8段數(shù)碼管作為顯示部分；3個按鍵實現(xiàn)輸入；蜂鳴器用于鬧鐘提醒。2.5總體方案及基本工作原理由AT89C51的P0口8位控制數(shù)碼管的段選，P2.4、P2.5、P2.6、P2.7四位控制數(shù)碼管位選；DS1302芯片的I/O、SCLK、RST口分別連接單片機P1.5、P1.6、P1.7三口；3按鍵和蜂鳴器則分別連接P3.5、P3.6、P3.7、P1.4口。工作原理最基本部分是利用DS1302芯片的時鐘功能，單片機只需要給DS1302初值，然后不斷的從DS1302中讀取數(shù)據(jù)并在數(shù)碼管中顯示，減少了單片機內(nèi)部資源的占用。

三、硬件設(shè)計3.1STC89C51芯片STC89C51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含具有如下特點：40個引腳（引腳圖如圖1-1所示），4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDTC）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，STC89C51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。STC89C51單片機引腳圖如圖2圖2單片機引腳圖本系統(tǒng)采用單片機STC89C51為控制核心，系統(tǒng)主要包括播放模塊、按鍵控制模塊和DS1302芯片模塊。下面對各模塊的設(shè)計逐一進(jìn)行論證比較。3.2電源模塊及晶振模塊單片機復(fù)位時只要保持RST引腳接2us的高電平即可。在單片機啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復(fù)位。外接晶振引腳XTAL1和XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的一端。振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。晶振電路結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率。晶振提高頻率越高，單片機運行速度越快。單片機一切指令的執(zhí)行都是建立在晶振提供的時鐘頻率上。另外此系統(tǒng)還設(shè)置了自鎖開關(guān)用來控制整個電路。圖3電源模塊和晶振模塊圖3.3DS1302DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片,內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM,通過簡單的串行接口與單片機進(jìn)行通信實時時鐘/日歷電路.提供秒分時日日期.月年的信息,每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式.DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信,僅需用到三個口線:1RES復(fù)位,2I/O數(shù)據(jù)線,3SCLK串行時鐘.時鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá)31個字節(jié)的字符組方式通信。各引腳功能如下：Vcc1：主電源；Vcc2：備份電源。當(dāng)Vcc2>Vcc1+0.2V時，由Vcc2向DS1302供電，當(dāng)Vcc2<Vcc1時，由Vcc1向DS1302供電；SCLK：串行時鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出；I/O：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線；CE：輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一，CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。DS1302電路原理如圖4：圖4DS1302原理圖3.4數(shù)碼管顯示模塊1）數(shù)碼管的分類數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（即多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。2）四位八段共陰數(shù)碼管及上拉電阻51系列的單片機如果是普通,沒有強輸出的的話,很難驅(qū)動數(shù)碼管,在實際應(yīng)用中,一般是需要添加三極管驅(qū)動的。數(shù)碼管的電流計算:每個段的電流乘以8,就當(dāng)你用的是紅色管,這樣電流可以設(shè)計在5~10mA,這樣的話,當(dāng)顯示數(shù)字8帶點時,電流就是40~80mA,單片機是很難直接輸出這么大的電流的,所以需要加驅(qū)動.用共陽數(shù)碼管,P0口做輸出就無需加上拉電阻了。此報告中，數(shù)碼管的段選為P0口，正常工作時電流約為5~10mA,所以在P0口接1k的排阻以提供5mA左右的電路使數(shù)碼管正常工作。數(shù)碼管及上拉電阻圖如圖5圖5數(shù)碼管及上拉電阻圖3.5蜂鳴器部分有源蜂鳴器與無源蜂鳴器的區(qū)別：1）內(nèi)部區(qū)別：需要注意的是這里的“源”不是指電源，而是指震蕩源。也就是說，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫。而無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫。有源蜂鳴器往往比無源的貴，就是因為里面多個震蕩電路。2）外觀區(qū)別：兩者的高度略有區(qū)別，有源蜂鳴器，高度為9mm，而無源蜂鳴器的高度為8mm。如將兩種蜂鳴器的引腳都朝上放置時，可以看出有綠色電路板的一種是無源蜂鳴器，沒有電路板而用黑膠封閉的一種是有源蜂鳴器。3）辨別方式：除了從外觀上來看，進(jìn)一步判斷有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，還可以用萬用表電阻檔Rxl檔測試:用黑表筆接蜂鳴器"-"引腳，紅表筆在另一引腳上來回碰觸，如果觸發(fā)出咔、咔聲的且電阻只有8Ω(或16Ω)的是無源蜂鳴器;如果能發(fā)出持續(xù)聲音的，且電阻在幾百歐以上的，是有源蜂鳴器。有源蜂鳴器直接接上額定電源(新的蜂鳴器在標(biāo)簽上都有注明)就可連續(xù)發(fā)聲;而無源蜂鳴器則和電磁揚聲器一樣，需要接在音頻輸出電路中才能發(fā)聲。無源蜂鳴器的優(yōu)點是：1）便宜；2）聲音頻率可控，可以做出“多來米發(fā)索拉西”的效果；3）在一些特例中，可以和LED復(fù)用一個控制口有源蜂鳴器的優(yōu)點是程序控制方便。由于客觀條件與經(jīng)濟(jì)能力有限，本系統(tǒng)采用無緣蜂鳴器，使用S9012三極管驅(qū)動，蜂鳴器原理圖如圖6:圖6蜂鳴器原理圖3.6按鍵部分常用的按鍵有三種：機械觸點式按鍵、導(dǎo)電橡膠式和柔性按鍵（又稱觸摸式鍵盤）。機械觸點式按鍵是利用機械彈性使鍵復(fù)位，手感明顯，連線清晰，工藝簡單，適合單件制造。但是觸點處易侵入灰塵而導(dǎo)致接觸不良，體積相對較大。導(dǎo)電橡膠按鍵是利用橡膠的彈性來復(fù)位，通過壓制的方法把面板上所有的按鍵制成一塊，體積小，裝配方便，適合批量生產(chǎn)。但是時間長了，橡膠老化而使彈力下降，同時易侵入灰塵。柔性按鍵是近年來迅速發(fā)展的一種新型按鍵，可以分為凸球型和平面型兩種。柔性按鍵最大特點是防塵、防潮、耐蝕，外形美觀，裝嵌方便。而且外形和面板的布局、色彩、鍵距可按照整機的要求來設(shè)計。鍵盤編程中主要考慮去抖動的問題：當(dāng)測試表明有鍵被按下之后，緊接著就進(jìn)行去抖動處理。因為鍵是機械開關(guān)結(jié)構(gòu)，由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動。為保證鍵識別的準(zhǔn)確，在電壓信號抖動的情況下不能進(jìn)行行狀態(tài)輸入。為此需進(jìn)行去抖動處理。去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是加去抖動電路，從根本上避免抖動的產(chǎn)生。軟件消抖，在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時程序之后，再檢測此按鍵，如果第二次檢測結(jié)果仍為按下狀態(tài)，CPU便確認(rèn)此按鍵己按下，消除了抖動。但是由于客觀條件與經(jīng)濟(jì)能力有限，本系統(tǒng)采用機械觸點式按鍵。共四個，分別為復(fù)位鍵，切換鍵，調(diào)時鍵，調(diào)分鍵。按鍵部分原理圖如圖7：圖7按鍵原理圖

四、軟件設(shè)計4.1軟件流程圖圖8程序流程圖4.2軟件設(shè)計主函數(shù)部分：1）設(shè)置年月日時分初始值，初始化DS1302芯片，然后將初始值從單片機讀入DS1302芯片中，DS1302芯片從初始值開始工作；2）定時器初始化；3）進(jìn)入主循環(huán)，在定時器內(nèi)設(shè)置標(biāo)志位，標(biāo)志位為1時，從DS1302內(nèi)讀出數(shù)據(jù)進(jìn)單片機內(nèi)，大致間隔時間為100ms，檢測按鍵函數(shù)（按鍵程序，功能鍵共三個，按鍵K1的作用為切換顯示年份月份和時間，按鍵K2作用是使時鐘值加一，等于24時歸零，按鍵K3作用是使分鐘值加一，等于60時歸零，并設(shè)置長按快速切換功能），檢測鬧鐘函數(shù)（鬧鐘程序，當(dāng)時鐘值等于鬧鐘值時，蜂鳴器響一分鐘）；定時器部分:1）讀取標(biāo)志位為主函數(shù)使用；2）定時器設(shè)置定時2ms，中斷調(diào)用顯示函數(shù)，即每2ms調(diào)用顯示函數(shù)一次，用數(shù)碼管動態(tài)掃描的方法，使數(shù)碼管實現(xiàn)動態(tài)顯示。用數(shù)組儲存顯示值，初始值為年份，按鍵K1可分別切換儲存值為當(dāng)前月份和當(dāng)前時間；程序設(shè)計的技巧:1）首先了解DS1302內(nèi)部構(gòu)造及引腳功能，學(xué)會從DS1302讀出數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)；2）根據(jù)單片機的工作特點，充分利用主函數(shù)和定時器工作的靈活性，使程序的設(shè)計更為合理；3）首先完成程序的主體，按鍵檢測和鬧鐘檢測都是在其基礎(chǔ)上添加的。

五、系統(tǒng)仿真和調(diào)試5.1仿真軟件簡介Proteus是由LabcenterElectronics開發(fā)的功能強大的單片機仿真軟件，現(xiàn)在最新版本6.9SP5，其演示版本可在其官方網(wǎng)站http://www.labcenter.co.uk下載。Proteus與其他的仿真軟件相比較，在下面的優(yōu)點：1）能仿真模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐罚?）能繪制原理圖、PCB圖；3）幾乎包括實際中所有使用的儀器；4）其最大的亮點在于能夠?qū)纹瑱C進(jìn)行實物級的仿真。從程序的編寫，編譯到調(diào)試，目標(biāo)版的仿真一應(yīng)俱全。支持匯編語言和C語言的編程。還可配合KeilC實現(xiàn)程序的聯(lián)合調(diào)試，將Proteus中繪制的原理圖作為實際中的目標(biāo)板，而用KeilC集成環(huán)境實現(xiàn)對目標(biāo)板的控制，與實際中通過硬件仿真器對目標(biāo)板的調(diào)試幾乎完全相同，并且支持多顯示器的調(diào)試，即Proteus運行在一臺計算機上，而KeilC運行在另一臺計算機上，通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)遠(yuǎn)程的調(diào)試。5.2硬件調(diào)試硬件調(diào)試是針對單片機部分進(jìn)行的調(diào)試。在上電之前，先確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這部分調(diào)試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況的任務(wù)。注意焊點之間，確保焊點沒有短接在一起，同時注意焊點的美觀，確保沒有開路以及短路的現(xiàn)象出現(xiàn)。在確保硬件電路正常且無異常情況（短路或斷路）的情況下方可上電調(diào)試，上電調(diào)試的口的是檢測單片機控制部分、數(shù)碼管點亮部分、和音頻轉(zhuǎn)換電路硬件調(diào)試。1） 數(shù)碼管LED電路調(diào)試：接通電源，隨機按下按鈕可以看到數(shù)碼福安顯示數(shù)字。2） 鍵盤單片機控制部分調(diào)試：上電后，隨機按動鍵盤可以發(fā)現(xiàn)各個按鍵對應(yīng)的音正確。5.3軟件調(diào)試調(diào)試主要方法和技巧：通常一個調(diào)試程序應(yīng)該具有至少四種性能：跟蹤、斷點、查看變量、更改數(shù)值。整個程序是一個主程序調(diào)用各個子程序?qū)崿F(xiàn)功能的過程，要使主程序和整個程序都能平穩(wěn)運行，各個模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運行必不可少，所以在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個子程序進(jìn)行分別調(diào)試。圖9為萬年歷顯示截圖：左一為年份，右一為月份，左二和右二為時鐘秒閃效果圖10萬年歷顯示圖11仿真截圖注：因為protues仿真軟件中無時鐘數(shù)碼管，所以用普通數(shù)碼管代替，其中數(shù)碼管第二位小數(shù)點可以實現(xiàn)相同的