计算机科学与技术专业毕业论文基于51单片机的电子时钟设计.doc

计算机科学与技术专业毕业论文-基于51单片机的电子时钟设计 摘 要随着单片机技术的飞速发展在其推动下现代的电子产品几乎渗透到了社会的各个领域有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高同时也使现代电子产品性能进一步提高时间就是金钱时间就是生命时间就是胜利准确的掌握时间和分配时间对人们来说至关重要时钟是我们生活中必不可少的工具电子钟的设计方法有很多种但是基于单片机并通过LCD显示的电子时钟具有编程灵活精确度高便于携带显示直观等特点 利用STC89C52单片机对DS1302时钟芯片进行读写操作并通过1602字符液晶显示实时时钟信息这样便构成了一个单片机电子时钟关键词单片机电子时钟STC89C52 AbstractWith the rapid development of microcomputer technology in its promotion modern electronics into almost all areas of society a strong impetus to the development of social productive forces and social improvement in the level of information but also to further improve the performance of modern electronic productsTime is a money time is life time is victory Accurate grasp of time and allocation of time is crucial to people The clock is necessary in our life tools Clock Design There are many ways however produced by single chip electronic clock is more flexible programming and easy expansion of electronic capabilities high accuracy easy to carry display visual and so on In this paper through the use of STC89C52 microcontroller by DS1302 clock chips for reading and writing operation and through 1602 character liquid crystal display real-time clock information so that forming a single chip electronic clock Key Words MicrocontrollerSTC89C52Electronic clock 目 录绪论1概述1研究目的1第1章 设计要求与方案论证211 设计要求212 系统基本方案选择和论证2com 单片机芯片的选择方案和论证2com 显示模块选择方案和论证2com 时钟芯片的选择方案和论证313 电路设计最终方案决定3第2章 主要元件介绍421 STC89C52介绍4com STC89C52主要功能及PDIP封装4com STC89C52引脚介绍4com STC89C52最小系统522 DS1302时钟芯片介绍6com DS1302概述6com DS1302引脚介绍7com DS1302使用方法72 3 1602字符液晶介绍9com 1602液晶概述9com 1602引脚介绍10com 1602字符液晶使用方法10第3章 系统硬件设计1331 电路设计框图1332 系统硬件概述13第4章 系统的软件设计1441程序概述1442延时函数1543 对DS1302读写操作函数15com 向DS1302写数据15com 从DS1302读数据1644 显示函数17com02液晶中写一个指令17com写数据17com1602液晶17com 如何在液晶上显示时间日期及周1845按键函数19com 1224小时显示模式切换键21com 功能键函数23com 调整键函数25com 确定键3146 主函数32总结34致谢35参考文献36 绪 论概述时间对人们来说是非常宝贵的准确的掌握时间和分配时间对人们来说至关重要因此自从时钟发明的那刻起就成为人类的好朋友随着时间的流逝科学技术的不断发展和提高人们对时间计量的精度要求越来越高应用越来越广怎样让时钟更好更方便更精确的显示时间这就要求人们不断设计研发出新型的时钟高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器由于电子钟石英表石英钟都采用了石英技术因此走时精度高稳定性好使用方便不需要经常调校数字式电子钟用集成电路计时时译码代替机械式传动用LD显示器代替指针进而显示时间减小了计时误差这种表具有时分秒显示时间的功能还可以进行时和分的校对片选的灵活性好时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用是保证系统正常工作的基础在单片机的应用系统中时钟有两个方面的含义一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号主要由晶振和外围电路组成晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢二是指系统的标准定时时钟即定时时间它通常有两种实现方法一是用软件实现即用单片机内部的可编程定时器计数器来实现二是用专门的时钟芯片实现研究目的通过利用STC89C52单片机和DS1302芯片以及外围的按键和LCD显示器等部件设计一个基于单片机的电子时钟设计的电子时钟通过液晶显示器显示并能通过按键对时间进行设置第1章 设计要求与方案论证11 设计要求具有年月日星期时分秒显示功能具备年月日星期时分秒校准功能具有1224小时切换显示功能 12 系统基本方案选择和论证 com 单片机芯片的选择方案和论证方案一 采用STC89C52芯片作为硬件核心STC89C52内部具有8KB ROM 存储空间512字节数据存储空间带有2K字节的EEPROM存储空间与MCS-51系列单片机完全兼容STC89C52可以通过串口下载方案二 采用AT89S52AT89S52片内具有8K字节程序存储空间256字节的数据存储空间没有EEPROM存储空间也与MCS-51系列单片机完全兼容具有在线编程可擦除技术两种单片机都完全能够满足设计需要STC89C52相对ATS89C52价格便宜且抗干扰能力强考虑到成本因素因此选用STC89C52com 显示模块选择方案和论证方案一采用点阵式数码管显示点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成可用来显示数但体积较大且价格也相对较高从便携实用的角度出发不采用此种方案方案二采用LED数码管动态扫描LED数码管价格便宜对于显示数字最合适但功耗较大且显示容量不够所以也不用此种方案方案三采用LCD液晶显示屏液晶显示屏的显示功能强大可显示大量文字显示多样清晰可见且价格适中所以采用了LCD数码管作为显示com 时钟芯片的选择方案和论证方案一 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减少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DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片可自动对秒分时日周月年以及闰年补偿的年进行计数而且精度高工作电压25V55V范围内25V时耗电小于300nA13 电路设计最终方案决定综上各方案所述对此次作品的方案选定 采用STC89C52单片机作为主控制系统采用DS1302作为时钟芯片采用1602 LCD液晶作为显示器件第2章 主要元件介绍21 STC89C52介绍com STC89C52主要功能及PDIP封装STC89C52是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机STC89C52主要功能如表所示兼容MCS51指令系统可反复擦写Flash ROM32个双向IO口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤com STC89C52引脚介绍 主电源引脚2根VCC Pin40 电源输入接5V电源GND Pin20 接地线外接晶振引脚2根XTAL1 Pin19 片内振荡电路的输入端XTAL2 Pin20 片内振荡电路的输出端控制引脚4根RSTVPP Pin9 复位引脚引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位ALEPROG Pin30 地址锁存允许信号PSEN Pin29 外部存储器读选通信号EAVPP Pin31 程序存储器的内外部选通接低电平从外部程序存储器读指令如果接高电平则从内部程序存储器读指令可编程输入输出引脚32根STC89C52单片机有4组8位的可编程IO口分别位P0P1P2P3口每个口有8位8根引脚共32根P0口Pin39Pin328位双向IO口线名称为P00P07P1口Pin1Pin88位准双向IO口线名称为P10P17 P2口Pin21Pin288位准双向IO口线名称为P20P27 P3口Pin10Pin178位准双向IO口线名称为P30P37图21 STC89C52 PDIP封装图com STC89C52最小系统 最小系统是指能进行正常工作的最简单电路STC89C52最小应用系统电路如图22所示它包含五个电路部分电源电路时钟电路复位电路片内外程序存储器选择电路输入输出接口电路其中电源电路时钟电路复位电路是 保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路缺一不可电源电路 芯片引脚VCC一般接上直流稳压电源5V引脚GND接电源5V的负极电源电压范围在455之间可保证单片机系统能正常工作为提高电路的抗干扰性能通常在引角Vcc与GND之间接上一个10uF的电解电容和一个01uF陶片电容这样可抑制杂波串扰从而有效确保电路稳定性时钟电路 单片机引脚18和引脚19外接晶振及电容 STC89C52芯片的工作频率可在233MHz范围之间选单片机工作频率取决于晶振XT的频率通常选用110592MHz晶振两个小电容通常取值3pF以保证振荡器电路的稳定性及快速性复位电路 一般若在引脚RST上保持24个工作主频周期的高电平单片机就可以完成复位但为了保证系统可靠地复位复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平如图复位电路带有上电自动复位功能当电路上电时由于C1电容两端电压值不能突变电源5V会通过电容向RST提供充电电流因此在RST引脚上产生一高电平使单片机进入复位状态随着电容C1充电它两端电压上升使得RST电位下降最终使单片机退出复位状态正常运行时可按复位按钮对单片机复位图22 STC89C52最小系统22 DS1302时钟芯片介绍com DS1302概述DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能低功耗带RAM的实时时钟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25V55V同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力采用三线接口与CPU进行同步通信图23 DS1302封装图com DS1302引脚介绍各引脚功能为Vcc 主电源Vcc2备用电源当Vcc2 Vcc102V时由Vcc2向DS1302供电当Vcc2 Vcc1时由Vcc1向DS1302供电SCLK串行时钟输入端控制数据的输入与输出IO 三线接口时的双向数据线 CE 输入信号在读写数据期间必须为高com DS1302使用方法 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脉冲读写时序如图5所示表2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6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的控制字节DS1302的控制字如表所示控制字节最高有效位位7必须是逻辑1如果它为0则不能把数据写入DS1302中位6为 0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传输1RAMA4A3A2A1A0RDCKWR表22 DS1302控制字 3 数据输入输出IO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其读写时序如图示图24 DS1302读写时序4DS1302寄存器DS1302中与时间日期有关的寄存器共有12个其中7个存放数据的格式为BCD码格式其读写地址如下表所示读寄存器写寄存器Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7范围81H80HCH10秒秒00-5983H82H10分分00-5985H84H12010时时0-2324AMPM1-1287H86H10日日1-3189H88H10月月1-128BH8AH00000周1-78DH8CH10年年00-998FH8EHWP0000000表23 DS1302时钟寄存器第一行秒寄存器CH为时钟暂停标志位该位为1时时钟停止该位为0时时钟运行第二行分寄存器bit0bit6表示分钟数因采用BCD编码所以低四位最大能表示的数字为9计数满向高三位进1第三行时寄存器1224用来定义DS1302小时的运行模式12小时模式下bit5为1表示PM下午bit5为0表示AM上午第八行控制寄存器bit7是写保护位WP当WP为1时写保护位可防止对任一寄存器的写操作在任何的对时钟和RAM的写操作之前WP位必须为0 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C0HFDH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 3 1602字符液晶介绍com 1602液晶概述工业字符型液晶同时显示目前市面上绝大多数基于HD44780液晶芯片控制原理是完全相同的1602液晶模块显示屏是蓝色背光白色字体 图25 1602字符液晶com 1602引脚介绍编号符号引脚说明编号符号引脚说明1GND电源地2VCC电源正极3VO液晶显示对比度调节端4RS数据命令选择端5RW读写选择6E使能信号7D0数据口8D1数据口9D2数据口10D3数据口11D4数据口12D5数据口13D6数据口14D7数据口15BLA背光电源正16BLK背光电源负表24 1602字符液晶引脚说明各个引脚具体功能说明第1脚GND为地电源第2脚VCC接5V正电源第3脚VO为液晶显示器对比度调整端接正电源时对比度最弱接地电源时对比度最高对比度过高时会产生重影使用一个1K的电位器调整对比度第4脚RS为寄存器选择高电平时选择数据寄存器低电平时选择指令寄存器第5脚RW为读写信号线高电平时进行读操作低电平时进行写操作第6脚E端为使能端当E端由高电平跳变成低电平时液晶模块执行命令第714脚DB0DB7为8位双向数据线第1516脚背光灯电源com 1602字符液晶使用方法1基本操作时序操作输入输出读状态RSLRWHEHD0D7状态字写指令RSLRWLD0D7指令码E高脉冲无读数据RSHRWHEHD0D7数据写数据RSHRWLD0D7数据E高脉冲无表25 1602字符液晶读写状态表图26 1602液晶写时序图图27 1602液晶读时序图2RAM1602液晶控制器芯片内部带有80个8位的RAM缓冲区其地址和屏幕的对应关系 1602液晶模块内部的字符发生存储器CGROM 已经存储了160个不同的点阵字符图形如下表所示这些字符有阿拉伯数字英文字母的大小写常用的符号和日文假名等每一个字符都有一个固定的代码比如大写的英文字母A的代码是01000001B41H显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来我们就能看到字母A XXXX00000Pp-PXXXX00011AQaqqXXXX00102BRbrXXXX00113CScsXXXX01004DTdtXXXX01015EUeuoXXXX01106FVfvXXXX01117GWgwXXXX1000 8HXhxfXXXXX1001 9IYiy-1yXXXX1010JZjz千XXXX1011Kk 万XXXX1100 LlXXXX1101- Mm ÷XXXX1110 NnXXXX1111O-o表26 1602字符液晶字库表第3章 系统硬件设计31 电路设计框图图31 硬件框图32 系统硬件概述本电路以STC89C52单片机为控制核心以STC89C52最小系统为基础时钟电路由高精度低功耗的DS1302提供采用三线接口与CPU进行同步通信输入部分采用四个独立式按键S1S2S3S41602液晶显示部分D0D7口与单片机P0口相连具体线路连接详见附录1第4章 系统的软件设计41程序概述DS1302时钟芯片具有通电自动计时的功能向DS1302中写入一个初值如写入20110501 000000 图41 主程序框图42延时函数void delay uint z uint xyfor x zx 0x- for y 110y 0y- 由for循环构成的延时函数z的取值为这个函数的延时ms数如delay 200 大约延时200ms delay 500 大约延时500ms因下文多次用到固在此先作说明43 对DS1302读写操作函数在对DS1302时钟芯片操作前应对其操作时序有所了解参看前文DS1302介绍DS1302采用串行方式与单片机进行通信一个机器周期只能读写一个字节的一位因此在单片机与DS1302芯片间传输一字节8位数据要分8次进行且先从低位开始传输com 向DS1302写数据写数据字节子函数void write_1302_byte uchar temp 用来发送8位数据信息 uchar ifor i 0i 8i 循环8次 写入数据 sck 0sda temp0x01每次传输低字节temp 1右移一位sck 1在SCK上升沿的时候字节写入DS1302 1302写数据子函数void write_1302 uchar addduchar dat rst 0_nop_ sck 0_nop_ rst 1_nop_ write_1302_byte addd 发送地址write_1302_byte dat 发送数据rst 0 com 从DS1302读数据读DS1302数据函数uchar read_1302 uchar add 输入地址add返回读取的数据 uchar itemp 0x00rst 0sck 0rst 1write_1302_byte add for i 0i 8i 循环8次读取 if sda temp 0x80每次传输低字节等价于temp temp0x80sck 0temp 1右移一位sck 1sck被置高在其下一次变为0时数据被写入 rst 0以下为DS1302复位的稳定时间sck 0sck 1sda 0sda 1return temp 将temp值返回 44 显示函数对1602进行操作前要对其进行初使化初使化完成后它才能正常显示如果想在1602液晶的某一个位置显示一个内容要先对其写入一个指令在什么地方显示然后再对其写入一个数据要显示什么内容对1602的液晶初使化需要用写入指令的方式完成com02液晶中写一个指令void write_com uchar com lcdwr 0lcdwr为读写控制端lcdwr 0这里可不写lcdrs 0 液晶rs接口为0时写指令rs为1时写数据P0 com 将要写的指令赋给P0口delay 5 由1602读写操作时序图先将指令赋给P0口延时后将使能lcden 1 端lcden置高再延时一段时间然后将lcden置低这样指令delay 5 就写入到LCD了lcden 0 com写数据void write_data uchar date 与写指令类似这里lcdrs设为1 lcdrs 1P0 datedelay 5 lcden 1delay 5 lcden 0 com1602液晶此函数首先对液晶进行初使化使其处于待命状态然后将时钟框架显示出来年月日之间的时分秒之间的还有世纪年的高两位void init_1602 uchar numlcdwr 0lcden 0write_com 0x38 设置LCD为162显示57点阵8位数据接口模式write_com 0x0c 开显示不显示光标write_com 0x06 写一个字符后地址指针加1write_com 0x01 显示清0write_com 0x80 将指针指向初始位置for num 0num 14num 循环函数用于将" 20 - - "写入液晶write_data tablenum write_com 0x800x404 将指针指向1602液晶的第二行第四个字段for num 0num 8num 功能与上同用于将" "写入write_data table1num com 如何在液晶上显示时间日期及周DS1302中的时间日期等信息是以BCD码的形式存放的要先将从1302中读取的数据转化成10进制然后显示在液晶上相应的位置显示时间日期子函数void write_sfm uchar adduchar time 用于在1602上显示年月日时分秒 Add为显示位置time为要显示的内容uchar shigeshi time16 将从DS1302中读取的BCD码数据转化成10进制个位和10 ge time16 进制十位write_com add0x80 定义显示在液晶的什么位置write_data 0x30shi 由1602液晶字库可知09的数据码分别对应0x300x39write_data 0x30ge 初使化中设定了写一个字符后地址指针加1因此这里 不用重新光标定位显示周子函数void write_zhou uchar time1 用于在1602上显示周信息与显示 时间日期子函数类似uchar gege time116一周七天因此只需个位write_com 0x8013 write_data 0x30ge 45按键函数此电子时钟共有4个按键S1S2S3与调时有关图按键程序如图11S4为12小时切换键S1功能键在24小时显示模式下该键被第一次按下后进入秒调整液晶显示器上的时间停止走动模式再次按下后进入分调整模式接着是调时模式调年模式调月模式调日模式调周模式当第八次按下该键后退出S2 调整键在调整模式下该键每按一次相应时间或日期加1S3 确定键在调整模式下该键被按下后退出调整模式并将调整后的时间日期写入DS1302S4 显示模式调整键 用于对时间的1224小时模式的切换图42 按键程序图com 1224小时显示模式切换键时钟默认在24小时模式下运行定义一个标志位flag1第一次按下切换键把瞬时时间转化成12小时制令flag1 1并写入DS1302芯片此后DS1302芯片在12小时模式下运行第二次按下切换键即返回24小时显示模式令flag1 0把瞬时时间转化成24小时模式并写入DS1302芯片有关DS1302的时间寄存器存放形式参阅前文如24小时模式下的2200存放的形式为0010001012小时模式下的22点也就是1000PM存放形式为10110000在切换的一瞬间我们只需要把小时数据0xb0写入到DS1302这样就能让时钟芯片在12小时模式下运行了需要注意的是12小时模式下只用到后5位来表示时间第6位用来表示AM或PM信息如果真接用24小时模式下的显示方法是会出错的这里我们需要对时进行转化首先提取AMPM信息让其显示然后提取其后5位时间显示时间在主函数部分如果检测到flag1 1就进行转换12转24小进模式与其类似不再赘述if s1num 0s4 0 设置键没被按下且1224小时模式切换键被按下后 delay 5 if s4 0 s2numwhile s4 if s2num 1 24小时切换成12小时 int geshiflag1 1hour read_1302 0x85 ge hour16shi hour16if shi 1ge 1 时小于12 if shi 0ge 0 hour 0x92else hour hour0x9fhour hour0x80 if shi 1ge 2 12点 hour hour0x80hour hour0x20 if shi 1ge 3ge 9 13点19点 hour hour-0x12hour hour0x80hour hour0x20 if shi 2ge 0 20点 hour 0xa8 if shi 2ge 1 hour 0xa9if shi 2ge 2 hour 0xb0 if shi 2ge 3 hour 0xb1write_1302 0x8e0x00 write_1302 0x84hour write_1302 0x8e0x80 if s2num 2 12小时切换成24小时 int ap1ap2hour read_1302 0x85 ap1 hour0x20 ap1 0时 AM ap1 0时 PMap2 hour0x1fif ap1 0ap2 0x12 AM且小时不等于12 hour hour0x1f if ap1 0ap2 0x12 AM 小时等于12即0点 hour 0x00 if ap1 0ap2 0x08 下午8点转化成20点hour 0x20if ap1 0ap2 0x09 下午9点转化成21点hour 0x21if ap1 0ap2 0x08ap2 0x09 PM且不是8点或9点 hour hour-0xa0hour hour0x12 if ap1 0ap2 0x12 12点PM也就是24小时模式下的12点hour hour-0xa0write_1302 0x8e0x00 把转化成24小进模式后的时写入DS1302write_1302 0x84hour write_1302 0x8e0x80 flag1 0s2num 0按键次数清0 com 功能键函数if s1 0s2num 0 如果S1被按下 当在12小时模式下显示时按此键无效 delay 5 if s1 0 以上用于键盘消抖差小误差 flag 1时钟暂停标志位flag 1时液晶时钟计时暂停s1nums1num表示按键被按下的次数按下次数加1while s1 松手后继续执行后面指令if s1num 1 如果S1按下一次秒的个位位置闪烁光标 write_com 0x800x4011 write_com 0x0f if s1num 2 如果S1按下两次先将设置后的秒写到DS1302再在分的个位位置闪烁光标 write_1302 0x8e0x00 禁止写保护write_1302 0x80miao 写入秒信息write_1302 0x8e0x80 开写保护write_com 0x800x408 指针指到分钟显示的位置write_com 0x0f 闪烁光标 if s1num 3 以下同上面类似 write_1302 0x8e0x00 write_1302 0x82fen write_1302 0x8e0x80 write_com 0x800x405 write_com 0x0f if s1num 4 write_1302 0x8e0x00 write_1302 0x84hour write_1302 0x8e0x80 write_com 0x804 write_com 0x0f if s1num 5 write_1302 0x8e0x00 write_1302 0x8cnian write_1302 0x8e0x80 write_com 0x807 write_com 0x0f if s1num 6 write_1302 0x8e0x00 write_1302 0x88yue write_1302 0x8e0x80 write_com 0x8010 write_com 0x0f if s1num 7 write_1302 0x8e0x00 write_1302 0x86ri write_1302 0x8e0x80 write_com 0x8013 write_com 0x0f if s1num 8 write_1302 0x8e0x00 write_1302 0x8azhou write_1302 0x8e0x80 flag 0时钟暂停标志位flag 0退出调整模式 write_com 0x0c 不显示光标s1num 0按键次数清0 com 调整键函数每按一次此键相应的时间或日期加1但是时间日期是以BCD码的形式存放在DS1302时钟芯片的如果直接对其进行操作如秒假如秒的初始时间是00它在DS1302芯