毕业设计论文基于单片机的实用数字万年历设计.doc

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1、毕业设计（论文）报告纸目 录第1章 系统综述3第2章 开发平台及模块介绍42.1 开发工具42.2 处理器芯片52.3 LCD显示模块52.4 时钟芯片PCF85637第3章 系统的软硬件设计83.1 硬件电路设计83.1.1 最小系统设计电路83.1.2 时钟模块电路83.1.3 显示模块电路93.2 软件设计103.2.1 系统软件设计内容103.2.2 时钟芯片驱动程序133.2.3 LCD显示子程序16第4章 调试及结果184.1 调试中所遇问题以及解决方法184.2结果18结束语19致谢20参考文献21实用数字万年历设计摘要本文设计了一种实用数字万年历，该系统的设计是以 AT89C5

2、1 单片机为核心控制器，外围连接时钟模块，键盘模块，液晶模块，日历模块等。这种电子时钟不仅具有了一般电子时钟的基本功能，显示年月日时分秒，而且可以进行闹钟设置。系统软件使用单片机C51语言进行编程。关键词：时钟；单片机；液晶；C51语言；万年历 第1章 系统综述电子时钟已成为人们日常生活中必不可少的物品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。随着技术的发展，人们已不再满足于钟表原先简单的报时功能，希望出现一些新的功能，诸如日历的显示、闹钟的应用等，以带来更大的方便，而所有这些，又都是以数字化的电子时钟为基础的。因此，研究实用电子时

3、钟及其扩展应用，有着非常现实的意义，具有很大的实用价值。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使电子钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售，价格便宜，使用也灵活，如可以随意设置时、分、秒的输出，改变显示数字的大小等，并且由于集成电路技术的发展，特别是MOS集成电路技术的发展，使电子钟具有体积小、携带方便，但是这里介绍的实用电子钟可以满足使用者的一些特殊要求，输出方式灵活、功耗低、计时准确、性能稳定、维护方便等优点。实用电子时钟是一个时间控制系统，既能作为一般的时间显示器，同时可以根据需要扩

4、展其功能。本系统上电自检后，实时显示小时、分钟、秒、日历和闹钟开关等指示信息，通过按键可实现校对时间、设置闹钟时间等功能。当闹钟时间到时，单片机通过蜂鸣器来实现声音报警。第2章 开发平台及模块介绍2.1 开发工具该系统的硬件电路图是由Proteus完成的，其主要概述如。Proteus提供了丰富的资源:（1）Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。（2）Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调

5、用。（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。 （4）Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 软件仿真:支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。提供软件调试功能，提供丰富的外围接口器件及其仿真RA

6、M，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。这样很接近实际。在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。 具有强大的原理图绘制功能。电路功能仿真:在Proteus绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的

7、单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 该系统还采用了Keil uVision3进行编程，其概述如下。KEIL(ARM子公司)嵌入式开发工具专业制造商。KEIL软件公司的产品包括C编译器、宏汇编器、实时内核、调试器、模拟器、集成开发环境以及8051、251，M7/ARM9/Cortex-M3和XC16x/C16x/ST10系列微控制器仿真开发装置。Keil ULINK的软件环境为Keil uVision 3。Keil系列软件具有良好的调试界面，优秀的编译效果，丰富的使用资料。使其深受国内嵌入式

8、开发工程师的喜爱。嵌入式的微处理器模拟器可以模拟被支持的微处理器设备，包括指令集、片上外设、外部激发信号。应用程序的变化可以用Vision3逻辑分析器显示,可以看到微处理器pin码的变化状态和外设随着程序变化的状况。2.2 处理器芯片采用AT89C51单片机作为系统的控制核心。时钟功能可以使用液晶显示时间、日历及闹铃，有着智能化的人机界面。由于使用了单片机，整个系统可编程，系统的灵活性大大增加了。另外，本方案可以方便的实现其他功能的扩展。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Me

9、mory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.3 LCD显示模块单片机的主要输出方式除了发光二极管、数码管之外，还有一种重要的输出模式：液晶显示。液晶显示正被广泛

10、应用于便携式消费电子产品领域。LCD（Liquid Crystal Display）液态晶体显示器一般不会单独使用，而是将LCD面板、驱动电路、控制电路集成在一个模块（Moulde）上一起使用，简称LCM。在单片机系统中使用液晶显示模块具有以下的优点。l 显示质量高：不同于阴极射线管显示器（CRT）的不断刷新亮点，液晶显示器每个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，因此画面质量高，不闪烁。l 数字式接口：液晶显示器均为数字式的，方便和单片机系统连接。l 体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子的方向，使折射率发送变化，从而达到显示的目的。比传统显示器要轻便。l 功耗小：液晶显示

11、器的功耗主要在内部电极和驱动IC上，因而耗电量很小。本系统采用的是1602型的LCD显示模块。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线，VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。液晶显示器如图1所示，引脚功能见表1。 图1 液晶显示器外形表1 引脚功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0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“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选

12、择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极2.4 时钟芯片PCF8563

13、实时时钟选择PHILIPS 公司的PCF8563芯片实现，它是一款工业级低功耗的CMOS 实时时钟日历芯片。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbit/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563 是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话传真、机便携式仪器等产品上。PCF8563具有以下基本特征：(1) 低工作电流：典型值为0.25A（VDD=3.0V，Tamb=25时）；(2) 400KHz 的I2C 总线接口（VDD=1.85.5V 时）；(3) 可编程时钟输出

14、频率为：32.768KHz，1024Hz，32Hz，1Hz；(4) 内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路；(5) 四种报警功能和定时器功能；(6) I2C 总线从地址：读，0A3H；写，0A2H。PCF8563的芯片引脚排布及引脚介绍如图2所示：图2 PCF8563芯片引脚排布及说明第3章 系统的软硬件设计3.1 硬件电路设计3.1.1 最小系统设计电路单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：（1）电源正常；（2）时钟正常；（3）复位正常。在AT89C51单片机的40个引脚中，电源引脚2根，晶振引脚2根，控制引脚4根，可编程输入输出引脚32根。最小系统连接图如图

15、3所示。图3 AT89C51最小系统连接图3.1.2 时钟模块电路 PCF8563 芯片的工作原理如下：它有16个8位寄存器，一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768KHz 的振荡器（带有一个内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC 提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHz I2C总线接口。I2C 总线从地址：读，0A3H；写，0A2H。所有16个寄存器设计成可寻址的8 位并行寄存器，但不是所有位都有用。前两个寄存器（内存地址00H，01H）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H08H 用于时钟计数器（秒年计数器），地址0

16、9H0CH 用于报警寄存器（定义报警条件），地址0DH 控制CLKOUT 管脚的输出频率，地址0EH 和0FH 分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器，编码格式为BCD，星期和星期报警寄存器不以BCD 格式编码。当一个RTC 寄存器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟/日历芯片的错读。连接原理图如图4所示。图4 PCF8563连接原理图3.1.3 显示模块电路1602B可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。LCD

17、显示模块与单片机的连接如图5所示。图5 LCD连接图3.2 软件设计3.2.1 系统软件设计内容本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、闹钟设定子程序、时钟显示子程序。在整个系统中，在单片机的30H、31H和32H中存储当前时间的小时、分钟和秒。用LCD显示当前的时间，必须用到分字和合字，因此在33H、34H、35H、36H、37H和38H中存储当前时间的时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位和秒个位，方便显示。本设计有由四个轻触按键组成的小键盘，这些按键可以任意改变当前的状态。按功能移位键一次，表示当前要校对小时的十位；按第二次，表示当前校对的是小时的个位；按第三次，则表示校对的是分钟的十位

18、；第四次，表示的校对的是分钟的个位。按下数字“+” 键和数字“-”键可在当前校对的数字上相应加上1或者减去1。系统软件采用C语言编写。时钟的最小计时单位是秒，但使用定时器的方式1，最大的定时时间也只能达到131ms。我们可把定时器的定时时间定为50ms。这样，计数溢出20次即可得到时钟的最小计时单位：秒。而计数20次可以用软件实现。秒计时是采用中断方式进行溢出次数的累积，计满20次，即得到秒计时。从秒到分，从分到时是通过软件累加并进行比较的方法来实现的。要求每满1秒，则“秒”单元中的内容加1；“秒”单元满60，则“分”单元中的内容加1；“分”单元满60，则“时”单元中的内容加1；“时”单元满2

19、4，则将时、分、秒的内容全部清零。实时时钟程序设计步骤：（1）选择工作方式，计算初值；（2）采用中断方式进行溢出次数累计；（3）从秒分时的计时是通过累加和数值比较实现的；（4）时钟显示缓冲区：时钟时间在方位数码管上进行显示，为此在内部RAM中要设置显示缓冲区，共6个地址单元。显示缓冲区从左到右依次存放时、分、秒数值；（5）主程序：主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示子程序的方法等待中断的到来。 （6）中断服务程序：进行计时操作；（7）加1子程序：用于完成对时、分、秒的加操作，中断服务程序在秒、分、时加1时共三次调用加1子程序，包括：合字、加1并进行进制调整、分字。3.2.2主程

20、序MAIN流程框图3.2.3 时钟芯片驱动程序时钟芯片采用的是PCF8563芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。驱动程序代码如下：* （1）函数名：void I2CStart(void)* 功能：发送I2C总线的起始位* 输入：无* 输出：无*/void I2CStart(void)EA=0;SDA=1; SCL=1; SomeNOP();SDA=0; SomeNOP();SCL=0;/* （2）函数名：void I2CStop(void)* 功能：发送I2C总线的停止位* 输入：无* 输出：无*/void I2CStop(vo

21、id)SCL=0; SDA=0; SomeNOP();SCL=1; SomeNOP(); SDA=1; EA=1;/* （3）函数名：void WaitAck (void)* 功能：主机等待从机发送来的确认ACK* 输入：无* 输出：true / false*/bool WaitAck(void)uchar errtime=255; /因故障接收方无ACK，超时值为255。SDA=1;SomeNOP();SCL=1;SomeNOP();while(SDA) errtime-; if (!errtime) I2CStop(); SystemError=0x11; return false; SC

22、L=0;return true;/* （4）函数名：void I2CSendByte (uchar ch)* 功能：向总线发送一个字节的数据* 输入：要发送的字节数据* 输出：无*/void I2CSendByte(uchar ch)uchar i=8;while (i-)SCL=0;_nop_();SDA=(bit)(ch&0x80); ch=1; SomeNOP();SCL=1; SomeNOP();SCL=0;/* （5）函数名：uchar I2CReceiveByte (void)* 功能：接收总线上发来的一个字节的数据* 输入：无* 输出：接收到的一个字节数据*/uchar I2CR

23、eceiveByte(void)uchar i=8;uchar ddata=0;SDA=1;while (i-)ddata=1;SCL=0; SomeNOP();SCL=1; SomeNOP();ddata|=SDA;SCL=0;return ddata;/* （6）函数名：void GetPCF8563(uchar firsttype，uchar count，uchar *buff)* 功能：读取时钟芯片PCF8563的时间 * 输入：设置要读的第一个时间类型firsttype，设置读取的字节数count，* 再把一次把时间读取到buff中。顺序是：0x02（秒）/ 0x03（分）/* 0x

24、04（小时）/0x05（日）/0x06（星期）/0x07（月）/0x08（年）* 输出：无*/void GetPCF8563(uchar firsttype，uchar count，uchar *buff)uchar i;I2CStart();I2CSendByte(0xA2); /0xA2表示从机的写数据地址WaitAck();I2CSendByte(firsttype);WaitAck();I2CStart();I2CSendByte(0xA3); /0xA3表示从机的读数据地址WaitAck();for (i=0;icount;i+)buff(i)=I2CReceiveByte(); /

25、从总线上读取count字节的数据if (i!=count-1) SendAck(); /除最后一个字节外，其他都要从MASTER发应答。SendNotAck();I2CStop();/* （7）函数名：void SetPCF8563(uchar timetype，uchar value)* 功能：调整PCF8563芯片中的时钟值* 输入：要调整的时间类型timetype，新设置的时间值value（BCD格式）。* 时间类型为：0x02（秒）/ 0x03（分）/ 0x04（小时）/0x05（日）/* 0x06（星期）/0x07（月）/0x08（年）* 输出：接收到的一个字节数据*/void Se

26、tPCF8563(uchar timetype uchar value)I2CStart();I2CSendByte(0xA2); /0xA2表示从机的写数据地址WaitAck();I2CSendByte(timetype); /将时间类型发送到总线WaitAck();I2CSendByte(value); /将新设置的时间发送到总线WaitAck(); /等待从机应答I2CStop();3.2.4 LCD显示子程序本系统所使用的LCD模块内部已集成了驱动电路，在使用时非常方便，只需按照此LCD模块的指令表，将指令写入LCD模块即可实现对应功能。 此LCD模块的控制函数有初始化函数、命令写入函

27、数和数据写入函数，具体代码如下所述。/* （1）函数名：void LCD_Init(void)* 功能：初始化LCD模块* 输入：无* 输出：无*/void LCD_Init(void) LCD_Wcmd(0x01); /清零指令 LCD_Wcmd(0x38); /功能设置，8位数据，两行显示，57矩阵LCD_Wcmd(0x0E); /显示开关，有光标，闪烁LCD_Wcmd(0x06); /输入方式，增量加1/* （2）函数名：void LCD_Wcmd(uchar cmd)* 功能：将命令写入LCD模块* 输入：要写入的命令值* 输出：无*/void LCD_Wcmd(uchar cmd)R

28、S=0; /RS=0表示写指令 RW=0; E=1; P2=cmd; /送指令到数据线 delay(5); E=0; /下降沿写入/* （3）函数名：void LCD_Wbyte(uchar data)* 功能：将单个字节数据写入LCD模块* 输入：要写入的数据* 输出：无*/void LCD_Wbyte(uchar data)RS=1; /RS=1表示写数据 RW=0; E=1; P2=cmd; /送指令到数据线 delay(5); E=0; /下降沿写入/* （4）函数名：void LCD_Wbyte(uchar *buf )* 功能：连续写8字节数据写入LCD模块* 输入：要写入的数据缓

29、冲区首址* 输出：无*/void LCD_Wbyte(uchar *buf ) uchar i RS=1; RW=0; for(i=0;i8;i+) E=1; P2=bufi; delay(5); E=0第4章 调试及结果4.1 调试中所遇问题以及解决方法单片机最小系统方面由于是去年学的，因此还花了时间去找，一方面我们没有正确 的原理图，只有一张以前随便画的图，就算有了原理图，也不知道板上错在哪里，所以只能用万用表一个个的找。通过我们的认真检查，结果发现不管是板上还是图纸上都出了相当大的错误，图上很多引脚都标注错误了，还是一些小的原因造成LED显示不正常，诸如上述的问题还给我们造成了很大的麻烦

30、。程序设计方面，因为是自己头一次尝试独立完成一份相对规模较大程序，因些也遇到了不少的麻烦。比如程序地址空间分配问题，因为51单片机内资源有限，往往会发生冲突，此时保护就显得相当重要。诸如上面一些问题给我造成了很大的麻烦，但是经过老师的检查，最终还是找到了错误，并解决了错误。4.2 结果经过认真反复的调试，显示器终于正常显示。显示结果如图6所示图6 显示结果图结束语经过这次万年历的设计，我不但丰富了知识层次，而且我对系统开发的过程也有了很深的理解。不仅把单片机的理论与实践相结合，而且丰富了自己的编程经验。本文设计了一种基AT89C51单片机的万年历设计，能显示年月日时分秒，并能设置闹钟。通过按键

31、的调节还能改变时间，然后，送入AT89C51单片机。整个控制系统的组成按功能是由控制主板，液晶模块，键盘和时钟模块，电源，复位电路组成的。在软件设计方面，我第一次尝试编写程序，虽然对我来说是相当大的挑战，但是我还是认真完成了这次编程，多亏了老师的帮助。在组装方面，一定要认真对照电路图，因为电路图是老师给的，所以在最后实际操作时，也遇到了一些困难，特别是引脚的连接一定要注意。由于毕业设计的时间较短，所以该系统考虑还不够全面，还存在一些问题，这些都有待于进一步完善。希望老师们提出宝贵意见，这对我以后的学习会有莫大的帮助，也是对我大学学习生活的圆满总结与升华。 致谢本文主要描述了实用数字万年历，使我

32、对单片机产生了浓厚的兴趣，我已经开始关注单片机的一系列机遇与挑战。本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人的智慧的产品，没有老师的指引和赠与，没有朋友的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业论文的最后一张，涌上心头的不仅是长途跋涉后抵达终点的欣喜，还有源自心底的诚挚谢意。我首先感谢我的老师白延敏，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。再次由衷感谢答辩组的各位老师对学生的指导和教诲，我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术2008.7，北京航空航天大学出版社；2 郭勇 .EDA技术基础2008.4.机械工业技术出版社；3 童诗白.华成英，模拟电子技术基础，北京高等教育出版社，2001：312-330，387-391，408-411，446-451；4李华.MCS-51系列单片机实用接口技术，北京：北京航空航天大学出版社.1993:138-248.5皮红梅,李英顺.单片机开发中的定时方法.沈阳石油化工高等专科学校学报.2002年12月. 共 21 页 第 21 页