摘    要

電子萬年歷是一種應(yīng)用非常廣泛日常計時工具，對現(xiàn)代社會越來越重要。此電子萬年歷在硬件方面主要采用AT89C51單片機作為主控核心，由DS1302時鐘芯片提供時鐘、LCD1602液晶顯示屏顯示。AT89C51單片機是由STC公司推出的，功耗小，電壓可選用4～6V電壓供電；DS1302時鐘芯片是美國DALLAS公司推出的低功耗實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進(jìn)行計時，還具有閏年補償?shù)榷喾N功能，而且DS1302的使用壽命長，誤差小；對于數(shù)字電子萬年歷采用直觀的數(shù)字顯示，數(shù)字顯示是采用的LCD1602液晶顯示屏來顯示，可以同時顯示年、月、日、星期、時、分、秒等信息。此外，該電子萬年歷還具有時間校準(zhǔn)等功能。在軟件方面，主要包括日歷程序、時間調(diào)整程序，顯示程序等。所有程序編寫完成后，在Keil軟件中進(jìn)行調(diào)試，確定沒有問題后，燒寫到單片機上進(jìn)行測試。

此設(shè)計主要由時鐘芯片DS1302和溫度傳感器DS18B20采集數(shù)據(jù)到單片機進(jìn)行處理再通過LCD1602顯示出來，本論文主要研究了液晶顯示器LCD1602及時鐘芯片DS1302，溫度傳感器DS18B20與單片機之間的硬件互聯(lián)及通信，對數(shù)種硬件連接方案進(jìn)行了詳盡的比較，在軟件方面對日歷算法也進(jìn)行了論述。

最近幾年來，隨著科技的飛速發(fā)展，單片機領(lǐng)域正在不斷的走向社會各個角落，還帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月異更新。在實時運作和自動控制的單片機應(yīng)用到系統(tǒng)中，單片機如今是作為一個核心部件來使用，僅掌握單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)其具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，加以完善。“單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計”是電子類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)科，它是繼“匯編語言程序設(shè)計”，“接口技術(shù)”等課程之后開出的實踐環(huán)節(jié)課程。

此萬年歷主要具有：年、月、日、星期、時、分、秒、溫度顯示。

1、萬年歷

2、時間

3、星期

4、溫度顯示

（以上四項內(nèi)容同時顯示）

5、四鍵調(diào)時（設(shè)置鍵、上調(diào)鍵、下調(diào)鍵、關(guān)音按鍵）

以AT89C51單片機為核心，起著控制作用。系統(tǒng)包括LCD1602液晶顯示電路、復(fù)位電路、時鐘電路、按鍵電路、溫度傳感器電路、時鐘芯片電路。設(shè)計思路分為七個模塊：復(fù)位電路、晶振電路模塊、AT89C51、LCD1602液晶顯示電路、按鍵電路、溫度傳感器電路、時鐘芯片電路這七個模塊。

系統(tǒng)電源使用直流5伏。

USB是通用串行總線(Universal Serial Bus)接口的簡稱。它是目前使用比較廣泛的電腦接口之一，主要版本有1.0、1.1和最新的2.0三種版本。根據(jù)USB總線的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它可以提供額定功率為5V/500mA的電源供USB設(shè)備使用。

51單片機是對目前所有兼容intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是intel的8031單片機，后來隨著技術(shù)的發(fā)展，成為目前廣泛應(yīng)用的８為單片機之一。單片機是在一塊芯片內(nèi)集成了CPU、RAM、ROM、定時器／計數(shù)器和多功能I/O口等計算機所需要的基本功能部件的大規(guī)模集成電路，又稱為MCU。51系列單片機內(nèi)包含以下幾個部件：

一個８位CPU；一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；

4KB的ROM程序存儲器；

一個128B的RAM數(shù)據(jù)存儲器；

尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB外部程序存儲空間的控制電路；

32條可編程的I/O口線；

兩個16位定時／計數(shù)器；

一個可編程全雙工串行口；

５個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。

如圖2-2-1所示為AT89C51單片機基本構(gòu)造，其基本性能介紹如下：

AT89C51本身內(nèi)含40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中端口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，但不可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。

AT89C51的主要特性如下表所示：

AT89C51為40腳雙列直插封裝的8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3 為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。

P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX @RI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。

P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能P3口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。

RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。

ALE/PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個AL脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。

PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

單片機最小原理圖如圖2-2-2所示。

時鐘信號的產(chǎn)生：在MCS-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘振蕩電路。

時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。

一般地，電容C2和C3取30pF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.2-12MHz。如果晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機的運行速度也就快。

單片機復(fù)位使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)下，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機復(fù)位條件：必須使9腳加上持續(xù)兩個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。

LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖2-2-3所示：

LCD1602的主要技術(shù)參數(shù)：

1、顯示容量:16×2個字符

2、芯片工作電壓:4.5—5.5V

3、工作電流:2.0mA(5.0V)

4、模塊最佳工作電壓:5.0V

5、字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

引腳功能說明

LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如圖2-2-4所示:

圖2-2-4：引腳接口說明表

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(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)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(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7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(fù)極。

1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。

指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。

指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。

指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。

指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

指令8：DDRAM地址設(shè)置。

指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖2-2-6是1602的內(nèi)部顯示地址。

例如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標(biāo)定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。

在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標(biāo)是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。

1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。

圖2-2-7 液晶顯示電路

(1) 時鐘芯片DS1302的工作原理

DS1302在每次進(jìn)行讀、寫程序前都必須初始化，先把SCLK端置 “0”，接著把RST端置“1”，最后才給予SCLK脈沖；讀/寫時序如下圖2.2所示。圖2.1為DS1302的控制字，此控制字的位7必須置1，若為0則不能把對DS1302進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。對于位6，若對程序進(jìn)行讀/寫時RAM=1，對時間進(jìn)行讀/寫時，CK=0。位1至位5指操作單元的地址。位0是讀/寫操作位，進(jìn)行讀操作時，該位為1；該位為0則表示進(jìn)行的是寫操作。控制字節(jié)總是從最低位開始輸入/輸出的。表2.2為DS1302的日歷、時間寄存器內(nèi)容：“CH”是時鐘暫停標(biāo)志位，當(dāng)該位為1時，時鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位為0時，時鐘開始運行。“WP”是寫保護(hù)位，在任何的對時鐘和RAM的寫操作之前，WP必須為0。當(dāng)“WP”為1時，寫保護(hù)位防止對任一寄存器的寫操作。

(2) DS1302的控制字

DS1302的控制字如圖2.1所示。控制字節(jié)的高有效位（位7）必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1指示操作單元的地址；最低有效位（位0）如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。

圖2-2-8 DS1302的控制字                                                                     

(3) 數(shù)據(jù)輸入輸出

在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。如下圖2-2-9所示：

                              圖2-2-9 DS1302讀與寫的時序圖

• DS1302的寄存器
  

DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其日歷、時間寄存器及其控制字見表2.2。

表2.2 DS1302的日歷、時間寄存器

                 

此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。

圖2-2-10 DS1302電路

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖2-1-10所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2-1-10中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。

圖2-2-12 DS18B20電路

按鍵是由一組按壓式或觸摸式開關(guān)構(gòu)成的陣列，是一種常用的輸入設(shè)備。鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩種。

1.編碼鍵盤通過硬件電路產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼，這種鍵盤所需程序簡單，但硬件電路復(fù)雜、價格昂貴通常不被單片機系統(tǒng)采用。

2.非編碼鍵盤常用一些按鍵排列成行列矩陣，其硬件邏輯與按鍵編碼不存在嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而要由所用的程序來決定。非編碼鍵盤的硬件接口簡單，但是要占用較多的CPU時間，通常采用可編程鍵盤管理芯片來克服這個缺點。本設(shè)計使用兩種按鍵，一種是按鍵式非編碼鍵盤和輕觸式非編碼開關(guān)。

在接線時由于有四個引腳，連接時需要用萬用表進(jìn)行測量，然后接通兩個引腳，原理圖如下。

要進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算就必須先進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，也就必須確定按鍵輸入的數(shù)值是什么，這就需要對鍵盤進(jìn)行掃描，從而確定究竟是哪個鍵按下。

該系統(tǒng)由延時子函數(shù)、LCD1602液晶寫命令子函數(shù)、LCD1602液晶寫數(shù)據(jù)子函數(shù)、DS18B20初始化子函數(shù)、DS18B20讀1位數(shù)據(jù)子函數(shù)、讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)子函數(shù)、向DS18B20寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)子函數(shù)、DS18B20開始獲取溫度并轉(zhuǎn)換子函數(shù)、獲取溫度子函數(shù)、初始化子函數(shù)、DS1302地址、數(shù)據(jù)發(fā)送子函數(shù)、DS1302數(shù)據(jù)讀取子函數(shù)、DS1302初始化子函數(shù)、顯示年，月，日，周子函數(shù)、按鍵掃描子函數(shù)、主函數(shù)和數(shù)據(jù)定義這幾部分組成。

圖3-1-1 DS1302讀取日期和時間流程圖

圖3-1-2 DS18B20溫度傳感器流程圖

圖3-1-3 時間調(diào)整程序流程圖

圖3-1-4 整體流程圖

圖3-1-5 DS1302讀寫程序流程圖