基于51系列單片機及DS1302時鐘芯片的電子時鐘-C語言-Proteus仿真-報告

陜西理工學院課設報告實時時鐘DS1302應用設計高也（陜西理工學院 物理與電信工程學院電子信息工程專業(yè),2011級3班，陜西 漢中 ）指導教師：王文洋摘要 本設計主要為實現(xiàn)一款可正常顯示時鐘/日歷、帶有定時鬧鈴的多功能電子時鐘。本文對當前電子鐘開發(fā)手段進行了比較和分析，最終確定了采用單片機技術(shù)實現(xiàn)多功能電子時鐘。本設計應用AT89C52芯片作為核心，LM016L液晶屏顯示，使用DS1302實時時鐘日歷芯片完成時鐘/日歷的基本功能。這種實現(xiàn)方法的優(yōu)點是電路簡單，性能可靠，實時性好，時間精確，操作簡單，編程容易。關(guān)鍵詞 AT89C52；DS1302；LM016L目 錄1、基于單片機的電子時鐘硬件選擇分析31.1主要IC芯片選擇31.1.1微處理器選擇31.1.2 DS1302簡介42、電子時鐘硬件電路設計52.1.主控部分(單片機MCS-51)52.2時鐘電路設計62.3整點報時功能72.4 LED顯示電路83、proteus軟件仿真及調(diào)試103.1電路板的仿真103.2軟件調(diào)試114、硬件調(diào)試與功能說明124.1 硬盤調(diào)試124.2 系統(tǒng)性能測試與功能說明124.3 系統(tǒng)時鐘誤差分析125、課設心得13參考文獻14附錄A 硬件電路原理圖15附錄B源程序16附錄C 元器件清單261、基于單片機的電子時鐘硬件選擇分析考慮單片機貨源充足、價格低廉，可軟硬件結(jié)合使用，能夠較方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能性，故采用單片機作為本設計的硬件基礎。1.1主要IC芯片選擇1.1.1微處理器選擇目前在單片機系統(tǒng)中，應用比較廣泛的微處理器芯片主要為8XC5X系列單片機。該系列單片機均采用標準MCS-52內(nèi)核，硬件資源相互兼容，品類齊全，功能完善，性能穩(wěn)定，體積小，價格低廉，貨源充足，調(diào)試和編程方便，所以應用極為廣泛。例如比較常用的AT89C2052單片機，帶有2KB Flash可編程、可擦除只讀存儲器（E2PROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機。擁有15條可編程I/O引腳，2個16位定時器/計數(shù)器，6個中斷源，可編程串行UART通道，并能直接驅(qū)動LED輸出1。僅僅是為了完成時鐘設計或者是環(huán)境溫度采集設計，應用AT89C2052單片機完全可以實現(xiàn)。但是將兩種功能結(jié)合在一片單片機上，就需要更多的I/O引腳，故本設計采用具有32根I/O引腳的AT89C52單片機。AT89C52單片機是一款低功耗，低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4KB（可經(jīng)受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM），器件采用CMOS工藝和ATMEI公司的高密度、非易失性存儲器（NURAM）技術(shù)制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-52兼容。片內(nèi)的FLASH存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此，AT89C52是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應用在各個控制領域。AT89C52具有以下主要性能：1. 4KB可改編程序Flash存儲器；2. 全靜態(tài)工作：024Hz；3. 1288字節(jié)內(nèi)部RAM；4. 32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；5. 6個中斷優(yōu)先級； 2個16位可編程定時計數(shù)器；6. 可編程串行通道；7. 片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89C52是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式（Idle Mode）和掉電方式（Power Down Mode）。在空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復位為止。AT89C51為適應不 同的產(chǎn)品需求，采用PDIP、TQFP、PLCC三種封裝形式，本系統(tǒng)采用雙列直插PDIP封裝形式。1.1.2 DS1302簡介DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘日歷芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達2.55.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。有主電源和備份電源雙引腳，而且備份電源可由大容量電容（1F）來替代。需要強調(diào)的是，DS1302需要使用32.768KHz的晶振2。2、電子時鐘硬件電路設計電子鬧鐘至少要包括秒信號發(fā)生器、時間顯示電路、按鍵電路、供電電源、鬧鈴指示電路等幾部分。硬件電路框圖參照圖2.3。該系統(tǒng)使用AT89C52單片機作為核心，通過讀取時鐘日歷芯片DS1302數(shù)據(jù)，完成此電子時鐘的主要功能時鐘。使用LM016L液晶屏顯示年、月、日、時、分、秒。 AT89C52 顯示 模塊鍵 盤蜂鳴器 鬧 鈴 DS1302 時鐘模塊圖2.1多功能電子時鐘硬件系統(tǒng)框圖鍵盤是為了完成時鐘/日歷的校對和日歷/溫度的顯示功能。由于此電子時鐘要求具有鬧鈴功能，所以設計有鬧鈴電路，進行聲音響鈴。整個電路使用了兩種電源，+5V電源將為整個電路供電。而+3V電源僅作為DS1302的備用電源。當+5V電源被切斷后，DS1302啟用+3V電源，可以保持DS1302繼續(xù)工作。當+5V電源恢復供電，LED依舊顯示當前時間，而不會因為斷電使系統(tǒng)復位到初始化時間，避免了重新校時的麻煩。2.1.主控部分(單片機MCS-52)MCS-52單片機作為主控芯片，控制整個電路的運行。其外圍電路主要有兩部分：復位電路和晶體振蕩器。復位電路的功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。該設計采用含有二極管的復位電路，復位電路可以有效的解決電源毛刺和電源緩慢下降（電池電壓不足）等引起的問題，在電源電壓瞬間下降時可以使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復位。晶體振蕩電路：MCS-52單片機中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為該反向放大器的輸入端和輸出端。這個反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求,但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性。圖2.2 主控部分電路圖2.2時鐘電路設計系統(tǒng)時鐘應用了實時時鐘日歷芯片DS1302，其連接如圖2.3。該硬件電路設計簡單，抗干擾能力強。如圖，AT89C52單片機P1.5直接接DS1302的RST端，上電后，AT89C51的P1.5腳自動輸出高電平。P1.6作為串行時鐘接口，P1.7作為時鐘數(shù)據(jù)的I/O。DS1302采用雙電源供電，平時由+5V電源供電，當+5V掉電之后，由圖中BT1（+3V備用電池）供電。特別需要注意X1和X2兩端連接的晶振Y1，該晶振頻率為32.768KHz。圖2.3系統(tǒng)時鐘電路2.3整點報時功能采用蜂鳴器鬧鈴結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但是發(fā)出的鬧鈴聲音單一。也可以在編程的時候編寫一段音樂程序，待鬧鈴時間到時，調(diào)用該音樂程序給揚聲器，便響起音樂。不過該方法只能做一些簡單音樂，并且音樂程序會占用很多單片機存儲資源。還有一種方法是采用錄音放音芯片1420做鬧鈴，先對錄放音設備錄入一段音樂，當?shù)皆O定時間時，單片機控制錄放音設備放音。采用錄放音電路，鈴聲可以是預先設定的一段自己喜歡的音樂，符合電器設備人性化的要求。且1420芯片可以分段錄音，還具有語音報時功能。另外，也可以購置一塊音樂集成電路，加置在單片機和蜂鳴器之間，當單片機連接鬧鈴電路的管腳送出高電平時，音樂集成電路會給蜂鳴器特定脈沖，使蜂鳴器發(fā)聲。此類集成電路體積較小，使用方便，不足的是音樂簡單、單一4。鬧鈴的鬧鐘不是本設計中的重點，故采用最簡單的方法，占用單片機一根I/O口P3.7，當響鈴標志位為“1”時，P3.7送一定頻率脈沖，使蜂鳴器U11發(fā)出聲音。如圖2.4 圖2.4 鬧鈴電路2.4 LCD LM016L液晶屏顯示電路 LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，LM016L與單片機MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計數(shù)器RAM(AC)3。1、LM1602顯示屏的設計 硬件接線圖如下：圖2.5 LM016L電路2、LM1602L采用標準的16腳接口說明如下：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。 3、proteus軟件仿真及調(diào)試3.1電路板的仿真利用keil軟件編寫源程序。在protues中畫好其電路圖如下圖3.1所示。軟件程序的調(diào)試一般可以將重點放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。本次課題，Keil軟件來調(diào)試程序，通過各個模塊程序的單步或跟蹤調(diào)試，使程序逐漸趨于正確，最后統(tǒng)調(diào)程序。圖3.1 實時時鐘仿真圖仿真部分采用protus 6 professional軟件，此軟件功能強大且操作較為簡單，可以很容易的實現(xiàn)各種系統(tǒng)的仿真。首先打開protus 6 professional軟件，在元件庫中找到要選用的所有元件，然后進行原理圖的繪制；繪制好后再選擇wave6000已經(jīng)編譯好的*.hex文件，選擇運行，觀察顯示結(jié)果，根據(jù)顯示的結(jié)果和課題的要求再修改程序，再運行查，直到滿足要求。3.2軟件調(diào)試在硬件調(diào)試完畢的基礎上，需要進一步完善程序，也就是進入軟件調(diào)試階段。在本設計中，軟件調(diào)試主要分兩大部分：實時時鐘日歷子程序調(diào)試、按鍵子程序調(diào)試。將這兩部分調(diào)試成功，那么整個設計的軟件部分也就基本完成了。4、硬件調(diào)試與功能說明單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件和軟件兩部分，但是他們并不能完全分開。一般的方法是排除明顯的硬件故障，再進行綜合調(diào)試，排除可能的軟/硬件故障。4.1 硬盤調(diào)試拿到電路板后，首先要檢查加工質(zhì)量，并確保沒有任何方面的錯誤，如短路和斷路，尤其要避免電源短路；元器件在安裝前要逐一檢查，用萬用表測其數(shù)值，看是否與所用相同；完成焊接后，應先空載上電（芯片座上不插芯片），并檢查各引腳的電位是否正確。若一切正常，方可在斷電的情況下將芯片插入，再次檢查各引腳的電位及其邏輯關(guān)系。將萬用表的探針放到單片機接電源的引腳上檢測一下，看是否符合要求。4.2 系統(tǒng)性能測試與功能說明走時：默認為走時狀態(tài)，按24小時制分別顯示“時時-分分-秒秒”，有2個“-”動態(tài)顯示，時間會按實際時間以秒為最少單位變化。走時調(diào)整：按ksec對秒進行調(diào)整，按一下加一秒；按kmin對分進行調(diào)整，按一下加一分；按khour對時進行調(diào)整，按一下加一小時，從而達到快速設定時間的目的。4.3 系統(tǒng)時鐘誤差分析時間是一個基本物理量，具有連續(xù)、自動流逝、不重復等特性。我國時間基準來自國家授時中心，人們?nèi)粘Ｊ褂玫臅r鐘就是以一定的精度與該基準保持同步的。結(jié)合時間概念和誤差理論，可以定義電子鐘的走時誤差S=S1-S2,S1表示程序?qū)嶋H運行計算所得的秒；S2表示客觀時間的標準秒。S0時表示電子鐘秒單元數(shù)值刷新滯后，即走時誤差為“慢”；反之，S0表示秒單元數(shù)值的刷新超前，即走時誤差為“快”。本次設計的單片機電子鐘系統(tǒng)中，其誤差主要來源包括晶體頻率誤差，定時器溢出誤差，延遲誤差。晶體頻率產(chǎn)生震蕩，容易產(chǎn)生走時誤差；定時器溢出的時間誤差，本應這一秒溢出，但卻在下一秒溢出，造成走時誤差；延遲時間過長或過短，都會造成與基準時間產(chǎn)生偏差，造成走時誤差。5、課設心得 本設計利用單片機AT89C52控制串行實時時鐘芯DS1302構(gòu)成數(shù)字時鐘電路，實現(xiàn)計時功能。該電路使用簡單的三線接口，為單片機節(jié)省大量的接口資源，時鐘芯片帶有后備電池。該時鐘功能強大，性能優(yōu)越，能為很多領域，特別是對時鐘工作的準確性和可靠性有較高要求。軟件完成后，把偉福編譯后的文件通過燒錄器下載到AT89S52芯片，加上電源就可以進行調(diào)試。 各程序模塊具有一定的獨立性，因此可以先調(diào)試模塊，在模塊功能都能實現(xiàn)的前提下，再調(diào)試總程序，這樣能快捷地檢查判斷硬件或軟件上的問題。調(diào)試結(jié)果及解決辦法如下：測試顯示模塊時，液晶屏顯示亂碼。利用Proteus軟件仿真，發(fā)現(xiàn)仿真時顯示正常，再檢查硬件，發(fā)現(xiàn)電源鍵接線錯誤。按原理圖重新焊接后，能正常顯示。測試DS讀寫模塊時，從LCD顯示表明能正確寫入與讀取當前時間，但DS1302的工作情況不太理想，主要表現(xiàn)在實時時間稍微偏快。DS1302 時鐘的產(chǎn)生基于外接的晶體振蕩器，振蕩器的頻率為32.768KHZ，該晶振通過引腳X1、X2 直接連接至DS1302，即DS1302 是依靠外部晶振與其內(nèi)部的電容配合來產(chǎn)生時鐘脈沖，由于DS1302 在芯片本身已經(jīng)集成了6pF的電容。所以，為了獲得穩(wěn)定的可靠的時鐘，必須選用具有6pF 負載電容的晶振。然而，許多人在選用晶振時僅僅注意了晶振的額定頻率值，而忽視了晶振的負載電容大小，甚至連許多經(jīng)銷商也不能提供所售晶振的負載電容，所以即使在使用中選用了符合32768Hz 的晶振，但如果該晶振的負載電容與DS1302 提供的6pF不一致時，就會影響晶振的起振或?qū)е抡袷庮l率的偏移。 當所選的晶振負載電容不是6pF 時，可以采用增加輔助電容的方法提高或降低DS1302 振蕩器的電容性負載，使之與晶體所需的電容值匹配，如果已知晶體的負載電容為CI，若CI 小于6pF，則可以增加一個并聯(lián)電容CS 以產(chǎn)生所需要的總負載電容CI，即CI=6pF+CS；若CI 大于6pF，則可以在晶體的一端增加一個串聯(lián)電容CS，以產(chǎn)生所需要的負載電容CI，即1/CI=1/6pF+1/CS，通過計算即可得出應增加的輔助電容大小通過本次課程設計的全過程使我更加地對單片機系統(tǒng)內(nèi)部資源的理解與運用，并較好地實現(xiàn)了DS1302芯片與單片機的融合與工作。單片機的外圍設備就是通過這一周的學習，我感覺有很大的收獲：首先，通過這次課程設計使自己對課本上的知識可以應用于實際，使理論與實際相結(jié)合，加深自己對課本知識的更好理解，同時也段練了自己的動手能力：能夠充分利用電腦去查閱資料，增加了許多課本以外的知識。更加了解了單片機原理及應用。增加了對DS1302和AT89C52芯片引腳結(jié)構(gòu)和功能的理解及運用，在設計電路過程中，要考慮到整體的美觀性，連接電路時對各線路的連接要細致。在驗證面電路效果時，出現(xiàn)了很多問題，其主要問題各個接線點之間錯接沒接上等。在這個過程中，鍛煉了我的細心和耐性。參考文獻1李全利，仲偉峰，徐軍著.單片機原理及應用M.北京:清華大學社,20062DS1302中文手冊3倪曉軍 章韻等.單片機原理與接口技術(shù)教程.北京：清華大學出版社.20094王守忠 聶元銘.51單片機開發(fā)入門與典型實例.北京：人民郵電出版社,2009附錄A 硬件電路原理圖25附錄B源程序 /*DS1302及1602時鐘設計 */#include #include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define SECOND 0x81#define MINUTE 0x83#define HOUR 0x85sbit rs=P20;sbit rw=P21;sbit ep=P22;sbit DS1302_IO= P17; sbit DS1302_SCLK = P16; sbit DS1302_RST = P15; sbit M=P31; /選擇sbit U=P32; / 加sbit D=P33; / 減sbit W=P34;/確定sbit SPK=P37; /蜂鳴器uchar sel=0;uchar code DIS1=10 ji ying ;uchar code DIS2=ke cheng she ji;/*延時*/void delay(uint ms) unsigned int a,b; for(a=0;ams;a+) for(b=0;b124;b+); /*DS1302驅(qū)動*/ void DS1302_Write(uchar D)uchar i;for(i=0;i1;uchar DS1302_Read()uchar TempDat=0,i;for(i=0;i=1; if(DS1302_IO) TempDat=TempDat|0x80;DS1302_SCLK=1;DS1302_SCLK=0; return TempDat;void WDS1302(uchar ucAddr, uchar ucDat) DS1302_RST = 0; DS1302_SCLK = 0; DS1302_RST = 1; DS1302_Write(ucAddr); DS1302_Write(ucDat); DS1302_SCLK = 1; DS1302_RST = 0; uchar RDS1302(uchar ucAddr) uchar ucDat; DS1302_RST = 0; DS1302_SCLK = 0; DS1302_RST = 1; DS1302_Write(ucAddr); ucDat=DS1302_Read(); DS1302_SCLK = 1; DS1302_RST = 0;return 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