中北大學，信息與通信工程學院
引言
隨著生活節(jié)奏的日益加快,，人們的時間觀也越來越重,，同時對電子鐘表,、日歷的需求也隨之提高。因此,，研究實用電子時鐘及其擴展應用,，有著非常現(xiàn)實的意義,，具有很大的實用價值,。
本系統(tǒng)程序由主程序、中斷服務函數(shù)和多個子函數(shù)構成,。主函數(shù)主要完成各子函數(shù)和中斷函數(shù)的初始化,。定時中斷函數(shù)主要完成時鐘芯片的定時掃描及鍵盤掃描。時鐘芯片的讀寫函數(shù)主要是將時間,、日歷信息讀出來,，并把要修改具體值寫入時鐘芯片內(nèi)部。
系統(tǒng)的硬件設計與電路原理
電路設計框圖
系統(tǒng)硬件概述
本電路是由AT89S52單片機為控制核心,，具有在線編程功能,、低功耗、能在3V的超低壓工作,。時鐘電路由DS1302提供,，它是一種高性能、低功耗,、帶RAM的實時時鐘電路,，它可以對年、月,、日,、周日、時,、分,、秒進行計時，工作電壓為2.5V～5.5V,。采用三線接口與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)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器,?？僧a(chǎn)生年、月,、日,、周日、時、分,、秒,，具有使用壽命長、精度高和低功耗等特點,，同時具有掉電自動保存功能,。
主控制模塊
單片機主控制模塊的設計
AT89S52單片機為40引腳雙列直插芯片，有四個I/O口P0,，P1,，P2，P3,，MCS-51單片機共有4個8位的I/O口（P0,、P1、P2,、P3）,，每一條I/O線都能獨立地作輸出或輸入。
時鐘電路模塊
時鐘電路模塊的設計
DS1302的引腳排列如圖3所示,，其中Vcc1為后備電源,，Vcc2為主電源。在主電源關閉的情況下,，也能保持時鐘的連續(xù)運行,。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1+0.2V時,，Vcc2給DS1302供電,；當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電,。X1和X2是振蕩源,，外接32.768KHz晶振。RST是復位/片選線,，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送,。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯,，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次,，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段,。
圖1 整體電路框圖
圖2 主控制系統(tǒng)
圖3 時鐘控制系統(tǒng)
時鐘電路模塊工作原理
DS1302在每次進行讀、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/寫時序如圖4所示,。表1為DS1302的控制字,，此控制字的位7必須置1，若為0則不能對DS1302進行讀寫數(shù)據(jù),。對于位6,，若對程序進行讀/寫時RAM=1，對時間進行讀/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,，進行讀操作時,，該位為1；該位為0則表示進行的是寫操作,?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸入/輸出的。表2為DS1302的日歷,、時間寄存器內(nèi)容：“CH”是時鐘暫停標志位,，當該位為1時，時鐘振蕩器停止,，DS1302處于低功耗狀態(tài),；當該位為0時，時鐘開始運行,。“WP”是寫保護位,，在任何的對時鐘和RAM的寫操作之前，WP必須為0,。當“WP”為1時,，寫保護位防止對任一寄存器的寫操作。
DS1302的控制字節(jié)
DS1302的控制字如表1所示,?？刂谱止?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如果為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表示要進行寫操作,，為1表示進行讀操作,，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出,。
數(shù)據(jù)輸入輸出（I/O）
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,。如圖4所示。
表1 DS1302的控制字格式
圖4 DS1302讀/寫時序圖
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，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。
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),。
時鐘模塊實現(xiàn)功能
該模塊為系統(tǒng)提供精準的秒,、分、時,、日,、月、年等實時時間信息,，星期則由編程計算得到,。
溫度采集模塊
溫度采集模塊設計
如圖5所示。采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,，它具有測量精度高,，電路連接簡單特點，此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸,，使用Ｐ1.7與DS18B20的I/O口連接加一個上拉電阻,，Vcc1接電源，Vcc2接地,。
DS18B20的測溫原理
低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小,，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變,，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入,，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù),，進而完成溫度測量,。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前,，首先將-55℃所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中,，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù),，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1,，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù),，如此循環(huán)直到減法計數(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,。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性,，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程,，直至溫度寄存器值達到被測溫度值,。
表2 DS1302的日歷、時間寄存器
圖5 DS18B20溫度采集
顯示模塊的設計
本次設計采用的是LED動態(tài)顯示方式,，由于PROTEUS內(nèi)沒有LED,，故用LCD代替LED進行仿真，與主控制芯片AT89C52相連,。如圖6所示,。
系統(tǒng)的軟件設計
圖6 LED動態(tài)掃描顯示
圖7 主程序流程圖
主程序流程框圖
Keil C與Proteus的聯(lián)調與測試結果
Proteus7.6是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，可以仿真51系列,、AVR,、PIC等常用的MCU及其外圍電路（如LCD，RAM,，ROM,，鍵盤,，馬達，LED,，AD/DA,，部分SPI器件，部分IIC器件等）,，使用Proteus7.6和Keil C可以像使用仿真器一樣調試程序,。
Proteus的工作過程
運行Proteus的ISIS程序后，進入該仿真軟件的主界面如圖8所示,。在工作前,，要設置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目,。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令,，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調整其相對位置,、元件參數(shù)設置,、元器件間連線、編寫程序,；在source菜單的Define code generation tools菜單命令下,，選擇程序編譯的工具、路徑,、擴展名等項目,；在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機硬件電路的對應程序,；通過debug菜單的相應命令仿真程序和電路的運行情況,。
圖8 Proteus的啟動界面
Proteus軟件所提供的調試手段
Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號,。對于單片機硬件電路和軟件的調試,，Proteus提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調試以看具體的執(zhí)行情況,。
軟件和硬件結合的應用系統(tǒng)
軟件和硬件的結合,，就是一個單片機的應用系統(tǒng)了。在這一階段,，硬件電路的設計已經(jīng)不是最為關鍵的了,，而軟件系統(tǒng)的設計、調試和運行才是實驗的主要內(nèi)容,。因此可以以建議性的意見給出具體的硬件電路,，并提出該電路所需要完成的具體工作，進行軟件的設計和調試,。
Keil C的介紹
keil C的運行界面
運行Keil C后的運行界面如圖9所示,。
圖9 keil C的運行界面
Keil C與proteus聯(lián)調測試
1,、安裝keil與proteus7.6,；
2,、打開proteus,，畫出相應電路,。在proteus的tools菜單中選中use remote debug monitor,；
3,、在keil中編寫MCU的程序,；
4,、進入keil的project菜單option for target '工程名',。在DEBUG選項中右欄上部的下拉菜選中Proteus VSM Monitor-51 Driver；
5,、在keil中進行debug,，同時在proteus中查看直觀的結果，LCD顯示,；
6,、把keil里的文件編譯后輸出hex的文件，在proteus中把單片機的加載程序文件換成keil中的hex文件,，然后運行,。
運行結果
結果顯示
由圖1整體電路框圖可知，LED顯示結果,，如圖10所示,。
圖10 結果顯示
調節(jié)顯示
日期和時間的修改由4個按鍵構成。鍵P0為調節(jié),；P2^0,，模式切換鍵（向左移）向左移；鍵P2^1,，加法按鈕,；鍵P2^2，減法按鈕,；鍵P2^3,，立刻跳出調整模式按鈕。
按動PO時秒閃爍進入調節(jié)系統(tǒng),，如圖11所示,。
按動P2^0向左移，對分進行調節(jié),，如圖12所示,。
按動P2^1向左移，對時進行加調節(jié),，如圖13所示,。
圖11 秒調節(jié)
圖12 分調節(jié)
圖13 時加調節(jié)
圖14所示,，是未調之前的顯示，按動P2^2向左移,，對年進行減調節(jié),，如圖15所示
按動P2^3向左移，退出調節(jié)恢復如圖16所示,。
圖14 未調之前顯示
圖15 年減調節(jié)
圖16 退出調節(jié)系統(tǒng)
總結
本文設計了一個多功能的電子萬年歷,。電路是由AT89S52單片機為控制核心，與時鐘芯片DS1302,、溫度芯片DS18B20,、按鍵、LED顯示等模塊組成硬件系統(tǒng),。在硬件系統(tǒng)中設有３個獨立按鍵,，根據(jù)使用者的需要可以隨時對時間進行校準、選擇時間,、溫度顯示等,，綜上所述此萬年歷具有讀取方便、顯示直觀,、功能多樣,、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點,，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢,，具有廣闊的市場前景。
在整個設計過程中,，充分發(fā)揮個人的主觀能動性,，自主學習，學到了許多沒學到的知識,，增加了動手能力的考驗,，達到了預期的目的?？傊?，這次設計使我的能力得到了全方位的提高。