1、xx大學本科生畢業設計說明書（畢業論文）題 目：單片機多功能電子鐘的設計硬件設計學生姓名：昊天學 號：20011616專 業：電子信息工程班 級：010203指導教師：劉華摘 要電子鐘主要是利用現代電子技術將時鐘電子化、數字化。與傳統的機械鐘相比，具有時鐘精確、顯示直觀、無機械傳動裝置等優點，因而得到廣泛應用。另外，在生活和工農業生產中，人們對電子鐘的功能又提出了諸多要求：報時、鬧鐘、日歷、溫度顯示，這就需要電子時鐘的多功能性。根據人們的不同要求，本設計主要為實現一款可正常顯示時鐘/日歷、測量環境溫度、帶有定時鬧鈴的多功能電子時鐘。筆者通過查閱大量的資料。對當前電子鐘開發技術進行了認真的比較和

2、分析，最終確定采用單片機技術實現多功能電子時鐘。本設計基于at89c51芯片作為核心，7位led數碼管顯示，使用ds1302時鐘日歷芯片完成時鐘/日歷的基本功能，同時利用ds18b20溫度傳感器測量環境溫度。這種設計方法的優點是電路簡單，性能穩定，實時性好，時間和溫度精度高，性價比高，開發較為容易。關鍵詞：電子時鐘；多功能；ds1302時鐘日歷芯片；at89c51；溫度傳感器the design with investigation of the multi-function electron clock the design of the hardware abstractthe elect

3、ronic clock mainly uses the electronic technology make the clock computerization, the digitization.compared with the traditional mechanical bell, it has the clock precision, intuitive display, the advantages of no mechanical transmission device, which is widely used.in addition, living and industria

4、l and agricultural production, people on the clocks function has also put forward many demands: alarm clock, calendar, temperature display, so electronic clock need multi-function.according to the different requirements of the people, the design for the main implementing a clock/calendar can be disp

5、layed normal, collecting personal ambient temperature, with the timing alarm of the multi-function electronic clockthrough access to a lot of information.comparing and analysising the development technology of the electron clock, the design determines to use the mcu technology to realize the multi-f

6、unctional electron clock. this design application at89c51 as a core chips, 7 led digital displaying, using ds1302 real-time clock chip to complete the basic function of the clock/calendar. at the same time the design use of ds18b20 temperature sensors to collect the environmental temperature. the me

7、thod has the advantage of being simple circuit, reliable performance, good real-time, high precision of the time and temperature, cost-effective to develop more easily.key words: electronic clock; multi-function; ds1302; at89c51; temperature pickup 目 錄摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 多功能電子時鐘研究的背景和意義11.2 電子

8、時鐘的功能2第二章 電子時鐘設計方案分析32.1 ne555時基電路設計方案32.2 單片機設計方案4第三章 基于單片機的電子時鐘硬件設計53.1 主要ic芯片選擇53.1.1 微處理器選擇常用時鐘日歷芯片比較 ds1302簡介 ds1302引腳說明 ds1302的控制字和讀寫時序說明 ds1302的片內寄存器93.1.2 環境溫度傳感器選擇 常用溫度傳感器比較 ds18b20簡介 ds18b20內部結構113.2 電子時鐘硬件電路設計133.2.1 時鐘電路設

9、計143.2.2 環境溫度采集電路設計143.2.3 顯示電路153.2.4 按鍵電路設計163.2.5 鬧鈴電路設計173.2.6 復位電路設計18第四章 電子時鐘軟件設計204.1 主程序設計204.2 子程序設計204.2.1 實時時鐘日歷子程序設計204.2.2 環境溫度采集子程序設計214.2.3 顯示子程序設計244.2.4 鍵盤掃描子程序254.2.5 鬧鈴子程序設計25結 論29參考文獻30附錄a 多功能電子時鐘元器件一覽表31附錄b 多功能電子時鐘硬件原理圖32致 謝33第一章 引 言一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰。從古至今，時間是人們生活中不可缺少的重要伴侶。如果沒有時間的

10、概念，社會將停滯不前。從古代的圭表、水漏，到后來的機械鐘表以及當今的電子鐘，都充分顯現出了時間的重要。因此利用當今先進的科技致力于電子鐘的研究將能更好的服務于人們的生活。1.1 多功能電子時鐘研究的背景和意義電子技術是十九世紀末、二十世紀初開始發展起來的新興技術，二十世紀發展最迅速，應用最廣泛，成為近代科學技術發展的一個重要標志。在其推動下，現代電子產品正在以前所未有的革新速度，向著功能多樣化、體積最小化、功耗最低化的方向迅速發展，電子技術的發展有力的推動社會生產力的發展。 郭沫若先生曾說：時間就是生命，時間就是速度，時間就是力量。時間對我們來說總是那么寶貴，在我們的日常工作、學習、生活中，時

11、間概念愈加顯得重要。在高度發達信息化的21世紀，人們總是那么忙碌。生活工作中班車要準點，上班要準時，開會要有時間限制；工業生產中，每一道工序都要有嚴格的時間限制，這樣才能做到井井有條；嚴謹的科技研究中，時間更是重中之重。能夠準確的了解并且實時性的知道時間，是我們學習、工作、生活中不可或缺的。機械式鐘表雖然也可以告知人們時間，也可以定時，顯示日歷。但是由于受到機械結構、動力和體積的限制，在功能、性能以及造價上都沒辦法與電子時鐘相比。 電子鐘是采用電子電路實現對時、分、秒進行數字顯示的計時裝置，廣泛應用于個人家庭，室外廣場，汽車站和火車站等公共場所，成為人們日常生活中不可少的必需品。由于數字集成電

12、路的發展和石英晶體振蕩器的廣泛應用，使得數字鐘的精度，遠遠超過老式鐘表，鐘表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、0按時自動打鈴、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關烘箱、通斷動力設備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數字化為基礎的。因此，更為先進的電子鐘的研究有著良好的發展前景和市場潛力。隨著社會的進步，人們越來越青睞功能多樣化的產品。溫度實時顯示系統技術已經發展成熟，比如空調遙控器上當前室溫的顯示、熱水器溫度的顯示等等。如果能夠在電子鐘上利用電子技術實時性的準確的顯示環境溫度，那將為我們的生活、工作、和工業生產中帶來極大

13、的便利，同時也可以讓我們隨時的了解周圍環境的變化以及必要措施的施行。1.2 電子時鐘的功能電子時鐘主要是利用電子技術將時鐘電子化、數字化，擁有時間精確、體積小、界面友好、可擴展性能強等特點，被廣泛應用于生活和工作當中。當今市場上的電子時鐘品類繁多，外形小巧別致。也有體型較大的，諸如公共場所的大型電子報時器等。電子時鐘首先是數字化了的時間顯示或報時器，在此基礎上，人們可以根據不同場合的要求，在時鐘上加置其他功能，比如定時鬧鈴，萬年歷，環境溫度、濕度檢測，環境空氣質量檢測，usb擴展口功能等。本設計電子時鐘主要功能為：1. 具有時間顯示和手動校對功能，24小時制；2. 具有年、月、日顯示和手動校對

14、功能；3. 具有鬧鈴功能；4. 具有環境溫度采集和顯示功能；5. 掉電后無需重新設置時間和日期；6. 采用交直流供電電源。交流供電為主，直流電源為后備輔助電源，能自動切換。第二章 電子時鐘設計方案分析電子鬧鐘既可以通過純硬件實現，也可以通過軟硬件結合實現，根據電子時鐘里的核心部件秒信號的產生原理，通常有以下兩種形式：2.1 ne555時基電路設計方案555定時器是美國signetics公司1972年研制的用于取代機械式定時器的中規模集成電路，因輸入端設計有三個5k的電阻而得名。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 cmos 工藝制作的稱為 7555。目前，流行的產品主要有4種：bjt兩個：5

15、55，556（含有兩個555）；cmos兩個：7555，7556（含有兩個7555）。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5v16v 工作，7555 可在 318v 工作，輸出驅動電流約為 200ma，因而其輸出可與 ttl、cmos 或者模擬電路電平兼容。555定時器可以說是模擬電路與數字電路結合的典范。555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等領域5。采用ne555時基電路或其他振蕩電路產生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號或微處理

16、器的外部中斷輸入信號，可構成電子鐘。由555構成的秒脈沖發生器電路見圖2.1。輸出的脈沖信號v0的頻率f為： 式（2.1）可通過調節式2.1中的3個參數，使輸出v0的頻率為精確的1hz。圖2.1 基于的秒脈沖發生器采用555定時器設計電子時鐘，成本低，容易實現。但是受芯片引腳數量和功能限制，不容易實現電子時鐘的多功能性。2.2 單片機設計方案單片機（常用英文字母的縮寫mcu表示）是微型機的一個主要分支，它在結構上的最大特點使把cpu、存儲器、定時器和多種輸入/輸出接口電路集成在一塊超大規模集成電路芯片上。就其組成和功能而言，一塊單片機芯片就是一臺計算機。單片機具有如下特點：有優異的性能價格比；

17、1 集成度高、體積小、有很高的可靠性；2 控制功能強；3 低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品；4 外部總線增加了i2c、spi等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結構；5 單片機的系統擴展、系統配置較典型、規范，容易構成各種規模的應用系統。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能ic卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫

18、療器械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域傳統。利用單片機的智能性，可方便地實現具有智能的電子鐘設計。單片機均具有時鐘振蕩系統，利用系統時鐘借助微處理器的定時器/計數器可實現電子鐘功能。然而系統時鐘誤差較大，電子鐘的積累誤差也可能較大，所以可以通過誤差修正軟件加以修正，或者在設計中加入高精度時鐘日歷芯片，以精確時間。另外很多功能不同的單片機是兼容的，這就更便于實現產品的多功能性。第三章 基于單片機的電子時鐘硬件設計在比較了第二章的兩種實現方案之后，考慮單片機

19、具有體積小、質量輕、價格便宜、功耗低、控制能力強以及運算速度快速等優點，故采用單片機作為本設計的硬件基礎。3.1 主要ic芯片選擇3.1.1 微處理器選擇目前在單片機系統中，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-51內核，硬件資源相互兼容，品類齊全，功能完善，性能穩定，體積小，價格低廉，貨源充足，調試和編程方便，所以應用極為廣泛。例如比較常用的at89c2051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/計數器，6個中斷源，可編程串行uar

20、t通道，并能直接驅動led輸出。僅僅是為了完成時鐘設計或者是環境溫度采集設計，應用at89c2051單片機完全可以實現。但是將兩種功能結合在一片單片機上，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at89c51單片機。at89c51單片機是一款低功耗，低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內含4kb（可經受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）技術制造，其輸出引腳和指令系統都與mcs-51兼容。片內的flash存儲器允許在系統內可改編程序或用常規的非易失性存儲器編

21、程器來編程。因此，at89c51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6。at89c51具有以下主要性能：1. 4kb可改編程序flash存儲器；2. 全靜態工作：024hz；3. 1288字節內部ram；4. 32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口；5. 6個中斷優先級； 2個16位可編程定時計數器；6. 可編程串行通道；7. 片內時鐘振蕩器。此外，at89c51是用靜態邏輯來設計的，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

22、/計數器、串行口和中斷系統都繼續工作。在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，只保存片內ram中的內容，直到下一次硬件復位為止8。圖3.1 at89c51芯片pdip封裝引腳圖at89c51為適應不同的產品需求，采用pdip、tqfp、plcc三種封裝形式，本系統采用雙列直插pdip封裝形式，如圖3.1。時鐘日歷芯片選擇常用時鐘日歷芯片比較在電子時鐘設計中，常用的實時時鐘芯片有ds12887、ds1216、ds1643、ds1302。每種芯片的主要時鐘功能基本相同，只是在引腳數量、備用電池的安裝方式、計時精度和擴展功能等方面略有不同。ds12887

23、與ds1216芯片都有內嵌式鋰電池作為備用電池； x1203引腳少，沒有嵌入式鋰電池，跟ds1302芯片功能相似，只是相比較之下，x1203與at89s51搭配使用時占用i/o口較多。ds1643為帶有全功能實時時鐘的8k8非易失性sram，集成了非易失性sram、實時時鐘、晶振、電源掉電控制電路和鋰電池電源，bcd碼表示的年、月、日、星期、時、分、秒，帶閏年補償。同樣，ds1643擁有28只管腳，硬件連接起來占用微處理器i/o口較多，不方便系統功能拓展和維護。故而從性價比和貨源上考慮，本設計采用實時時鐘日歷芯片ds1302。 ds1302簡介ds1302是美國dallas公司推

24、出的一種高性能、低功耗的實時時鐘日歷芯片，附加31字節靜態ram，采用spi三線接口與cpu進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號和ram數據。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。需要強調的是，ds1302需要使用32.768khz的晶振。 ds1302引腳說明圖3.2 ds1302芯片引腳圖其的引腳功能參照表

25、3.1。表3.1 ds1302引腳功能說明引腳號名稱功能1vcc1備份電源輸入2x132.768khz晶振輸入3x232.768khz晶振輸出4gnd地5rst控制移位寄存器/復位6i/o數據輸入/輸出7sclk串行時鐘8vcc2主電源輸入 ds1302的控制字和讀寫時序說明在編程過程中要注意ds1302的讀寫時序。ds1302是spi總線驅動方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應寄存器的數據。要想與ds1302通信，首先要先了解ds1302的控制字。ds1302的控制字如表3.2。表3.2 ds1302控制字（即地址及命令字節）bit7bit6bit5bit4bit

26、3bit 2bit 1bit 01rama4a3a2a1a0rd控制字的作用是設定ds1302的工作方式、傳送字節數等。每次數據的傳輸都是由控制字開始。控制字各位的含義和作用如下：1. bit7：控制字的最高有效位，必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數據寫入到ds1302中。2. bit 6：如果為0，則表示存取日歷時鐘數據，為1表示存取ram數據；3. bit 5至bit 1（a4a0）：用a4a0表示，定義片內寄存器和ram的地址。定義如下：當bit 6位=0時，定義時鐘和其他寄存器的地址。a4a0=06，順序為秒、分、時、日、月、星期、年的寄存器。當a4a0=7，為芯片寫保護寄存器地址。

27、當a4a0=8，為慢速充電參數選擇寄存器。當a4a0=31，為時鐘多字節方式選擇寄存器。當bit 6=1時，定義ram的地址，a4a0=030，對應各子地址的ram，地址31對應的是ram多字節方式選擇寄存器。4. bit 0（最低有效位）：如為0，表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作。控制字總是從最低位開始輸出。在控制字指令輸入后的下一個sclk時鐘的上升沿時，數據被寫入ds1302，數據輸入從最低位（0位）開始。同樣，在緊跟8位的控制字指令后的下一個sclk脈沖的下降沿，讀出ds1302的數據，讀出的數據也是從最低位到最高位。圖3.3 ds1302數據讀寫時序ds1302的數據讀寫方式有兩

28、種，一種是單字節操作方式，一種是多字節操作方式。每次僅寫入或讀出一個字節數據稱為單字節操作，每次對時鐘/日歷的8字節或31字節ram進行全體寫入或讀出的操作，稱其為多字節操作方式。當以多字節方式寫時鐘寄存器時，必須按數據傳送的次序依次寫入8個寄存器。但是，當以多字節方式寫ram時，不必寫所有31字節。不管是否寫了全部31字節，所寫的每一個字節都將傳送至ram。為了啟動數據的傳輸，ce引腳信號應由低變高，當把ce驅動至邏輯1的狀態時，sclk必須為邏輯0，數據在sclk的上升沿串行輸入。無論是讀周期還是寫周期，也無論送方式是單字節傳送還是多字節傳送，都要通過控制字指定40字節中的哪個將被訪問。在

29、開始8個時鐘周期把命令字（具有地址和控制信息的8位數據）裝入移位寄存器之后，另外的時鐘在讀操作時輸出數據，在寫操作時輸入數據，所有的數據在時鐘的下降沿變化。所有寫入或讀出操作都是先向芯片發送一個命令字節。對于單字節操作，包括命令字節在內，每次為2個字節，需要16個時鐘；對于時鐘/日歷多字節模式操作，每次為7個字節，需要72個時鐘；而對于ram多字節模式操作，每次則為32字節，需要多達256個時鐘。這里僅給出單字節讀寫時序，如圖3.3。多字節操作方式與其類似，只是后面跟的字節數不止一個。 ds1302的片內寄存器表3.3 ds1302有關日歷、時間的寄存器讀寄存器寫寄存器bit7b

30、it6bit5bit4bit3bit2bit1bit0范圍81h80hch10秒秒00-5983h82h10分分00-5985h84h010時時1-120-23am/pm87h86h0010日日1-3189h88h0010月月1-128bh8ah00000周日1-78dh8ch10年年00-998fh8ehwp0000000通過控制字對ds1302片內寄存器進行尋址之后，即可就所選中寄存器的各位進行操作。片內各寄存器及各位的功能定義如表3.3。ds1302有關日歷、時間的寄存器共有10個，時鐘/日歷包含在其中的7個寫/讀寄存器內，這7個寄存器分別是秒、分、小時、日、月、星期和年。小時寄存器（8

31、5h、84h）的位7用于定義ds1302是運行于12小時模式還是24小時模式。當為12小時制式時，位5為“0”表示am；為“1”表示pm。在24小時制式下，位5是第二個10小時位（2023時）。 秒寄存器（81h、80h）的位7定義為時鐘暫停標志（ch）。當該位置為1時，時鐘振蕩器停止，ds1302處于低功耗狀態；當該位置為0時，時鐘開始運行。一般在設置時鐘時，可以停止其工作，設定完之后，再啟動其工作。控制寄存器（8fh、8eh）的位7是寫保護位（wp），其它7位均置為0。在任何片內時鐘/日歷寄存器和ram，在寫操作之前，wp位必須為0，否則將不可寫入。當wp位為1時，寫保護位防止對任一寄存器

32、的寫操作。因此，通過置寫保護位，可以提高數據的安全性。另外，還有慢速充電控制寄存器和ram寄存器。如表3.4。表3.4充電控制寄存器和ram寄存器各位定義bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0充電控制寄存器tcstcstcstcsdsdsrsrsram寄存器慢速充電寄存器控制著ds1302的慢速充電特性。寄存器的bit4bit7（tcs）決定是否具備充電性能：僅在編碼為1010的條件下才具備充電性能，其他編碼組合不允許充電。bit2和bit3選擇在vcc2和vcc1之間是一個還是兩個二極管串入其中。如果編碼ds是01，選擇一個二極管；如果編碼是10，選擇兩個二極管；其

33、他編碼將不允許充電。該寄存器的bit0和bit1用于選擇與二極管相串聯的電阻值。其中編碼rs=01為2 k，rs=10為4 k，rs=11為8 k，而rs=00將不允許進行充電。因此，根據慢速充電寄存器的不同編碼可得到不同的充電電流。其具體計算如公式3.1： i充電=（v0-vd-ve）/r （3.1）式中：v0所接入的5.0v工作電壓；vd二極管壓降，一個按0.7v計算；r慢速充電控制寄存器0和1位編碼決定的電阻值；vevcc1腳所接入的電池電壓。ram寄存器尋址空間一次排列的31字節靜態ram可為用戶使用，備用電源位ram提供了掉電保護功能。寄存器和ram的操作通過命令字節的bit6加以區

34、別。當bit6為“0”時對ram區進行尋址；否則將對時鐘/日歷寄存器尋址。其操作方法與前述相同91011。3.1.2 環境溫度傳感器選擇 常用溫度傳感器比較在日常生活中和工農業生產中常要用到溫度檢測及控制，傳統的測溫元件有熱電偶和熱電阻，一般用來測量中高溫，輸出的是電壓，將其轉換成對應的二進制溫度碼值，需要較多的硬件支持，硬件電路復雜，軟件調試較為復雜，制作成本高。另外，采集環境的溫度也可采用ic化的溫度傳感器。常用的此類溫度傳感器有ad590和ds18b20。ad590測量到不同溫度之后，將把應溫度轉化為線性電流輸出，為1a/k，正比于熱力學溫度。該傳感器寬量程，為-55+15

35、0；精度高，激光校準精度到0.5；電源范圍寬：+4+30v。ad590優點很多，但是由于它只能將采集來的溫度轉化為電流輸出，所以在實際應用中，需要先將ad590輸出的電流轉化為電壓，再利用a/d轉換元件進行模/數轉換，將模擬量轉化為數字量，最后送入單片機中12。與ad590不同的是，ds18b20數字溫度傳感器能直接將被測溫度轉化成串行數字信號，以供單片機處理，既節省了硬件，又有效避免了模擬方式的干擾問題。它還具有微型化、低功耗、高性能、等優點。通過編程，ds18b20可以實現912位溫度讀數，信息經過單線接口送入ds18b20或從ds18b20送出，因此從單片機到ds18b20僅需要連接一條

36、線。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可由數據線本身提供，而無需外部電源。測量范圍為-55+125，增量值為0.5。電源電壓范圍為+3.0+5.5v。通過編程，用戶還以自行設定告警上下限溫度，告警尋找命令可以識別和尋址那些溫度超出預設告警界限的器件。 ds18b20簡介 ds18b20是美國dallas公司生產的基于單線（1-wire）技術的數字溫度傳感器芯片。其管腳分布如圖3.4。vcc3dq2gnd1ds18b20圖3.4 ds18b20引腳分布圖每片ds18b20在出廠時都設有唯一的產品序列號，此序列號存放在它的內部rom中，微處理器通過簡單協議，就能識別這些序列號，因此多個d

37、s18b20可以掛接于同一條單總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度傳感器，特別適合于構成多點溫度測控系統。所以ds18b20多應用與hvac環境控制，建筑物、設備或機械內的溫度檢測，以及過程監視和控制中的溫度檢測。管腳功能描述參見表3.5。表3.5 ds18b20詳細引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1gnd地信號2dq數據輸入/輸出引腳；開漏單總線接口引腳；當被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3vdd可選擇的vdd引腳；當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 ds18b20內部結構 ds18b20的內部結構如圖3.5所示。主要由4部分組成：64位rom、溫度傳感器、非揮發的

38、溫度報警觸發器th和tl、配置寄存器。圖3.5 ds18b20內部結構圖配置寄存器為高速暫存存儲器中的第5個字節。ds18b20在工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換成相應精度的數值，其各位定義如表3.6所示。其中，tm為測試模式標志位，出廠時被寫入“0”，不能改變；r0、r1是溫度計分辨率設置位。表3.6 ds18b20配置寄存器結構表bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0tmr1r011111msb lsb其對應四種分辨率如表3.7所示，出廠時r0、r1被置為“1”，默認設置是12位分辨率，用戶可根據需要給寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。表3.7 配置寄存器與分辨

39、率關系表r0r1溫度計分辨率/bit最大轉換時間/ms00993.750110187.5010113751112750溫度信息的低位、高位字節內容還包括了符號位s（是正溫度還是負溫度）和二進制小數部分，其具體形式如圖3.6。圖3.6 ds18b20溫度值格式表圖3.6所示是12位分辨率的情況，如果配置為低分辨率，則其中無意義位為“0”。在ds18b20完成溫度變換之后，溫度值與存儲在th和tl內的告警觸發值相比較。由于這些是8位寄存器，所以912位在比較時忽略。th或tl的高位直接對應于16位溫度寄存器的符號位。如果溫度測量的結果高于th或低于tl，那么器件內告警標志將置位，每次溫度測量都會更

40、新此標志位。只要告警標志置位，ds18b20就將響應告警搜索命令，這也就允許單線上多個ds18b20同時進行溫度測量，即使某處溫度越限，也可以識別出正在告警的器件。特別需要注意的是，與ds18b20配套使用的是頻率為11.0592mhz單片機晶振，這決定了指令的運行時間，在軟件設計中將根據此指令運行時間編寫各種延時程序13。3.2 電子時鐘硬件電路設計電子鬧鐘至少要包括秒信號發生器、時間顯示電路、按鍵電路、供電電源、鬧鈴指示電路等幾部分。另外，本設計要求該電子鐘能夠采集環境溫度，所以還需要溫度采集芯片。硬件電路框圖參照圖3.7。該系統使用at89c51單片機作為核心，通過讀取時鐘日歷芯片ds1

41、302和溫度傳感器ds18b20的數據，完成電子鐘的主要功能時鐘/日歷和環境溫度采集。使用比較通用的8段共陰數碼管，做7位顯示，分別顯示時/年，分/月，秒/日，及環境溫度值。圖3.7 多功能電子時鐘硬件系統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復位到初始化時間，避免了重新校

42、時的麻煩。3.2.1 時鐘電路設計系統時鐘應用了實時時鐘日歷芯片ds1302，其連接如圖3.8。該硬件電路設計簡單，抗干擾能力強。如圖，at89c51單片機p1.7直接接ds1302的rst端，上電后，at89c51的p1.7腳自動輸出高電平。p1.5作為串行時鐘接口，p1.6作為時鐘數據的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3.8 系統時鐘電路3.2.2 環境溫度采集電路設計本設計中使用ds18b20溫度傳感器進行環境溫度采集和轉化。如圖3.

43、9所示，at89c51單片機的p3.3腳接ds18b20的i/o腳，作為數據的讀入和寫出口。電阻r11作為ds18b20的i/o口的上拉電阻，在讀時隙結束時，i/o引腳將通過此上拉電阻拉回至高電平13。圖3.9 系統環境溫度采集電路3.2.3 顯示電路就時鐘而言，通常可采用lcd顯示或led顯示。對于一般的段式lcd，需要專門的驅動電路，而且lcd顯示的可視性較差；對于具有驅動電路和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點陣），一般采用并行接口，對微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外，at89c51本身沒有專門的液晶驅動接口。led結構簡單，體積小，功耗低，響應速度快，易于匹配，壽命長，可靠性

44、高，而且顯示亮度高，價格便宜，市場上也有專門的時鐘顯示組合led。故本設計中應用7位8段共陰led實現顯示部分，顯示面板分布如圖3.6。led顯示分動態顯示和靜態顯示：動態顯示方式的硬件電路簡單。但設計上如果處理不當，易造成亮度低，閃爍問題。因此合理的設計既應保證驅動電路易實現，又要保證圖像穩定，無閃爍。動態顯示采用多路復用技術的動態掃描顯示方式，復用的程度不是無限增加的， 因為利用動態掃描顯示使我們看到一幅穩定畫面的實質是利用了人眼的暫留效應和發光二極管發光時間的長短，發光的亮度等因素。靜態顯示，是由微型計算機一次輸出顯示模型后，就能保持該顯示結果，直到下次發送新的顯示模型為止。靜態顯示驅動

45、程序簡單，且cpu占用率低，但每個led數碼管需要一個鎖存器來鎖存每一個顯示位的筆段代碼，硬件開銷大，僅適合顯示位數較少的場合。為了在顯示部分節省單片機i/o口，故采用靜態顯示方式。電路圖參見圖3.10。74ls164是8位移位寄存器，應用該芯片驅動led做顯示部分，其優點在于連線簡單，節省單片機i/o口，軟件編程容易。關于74ls164的具體編程方法，請參見第四章4.2.5顯示子程序設計部分1415。圖3.10 顯示面板led分布圖 3.2.4 按鍵電路設計根據功能需要，本時鐘需要設置以下功能鍵：校對選擇鍵，加1操作鍵，減1操作鍵，顯示日期鍵，顯示溫度鍵，鬧鈴開關鍵。按照鍵盤與cpu的連接方

46、式可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤是各個按鍵相互獨立，每個按鍵占用一個i/o口線，每根i/o口線上的按鍵不會影響其他i/o口上按鍵工作狀態。獨立式鍵盤電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根i/o口，在按鍵數量較多時，i/o口線浪費較大，且電路結構復雜。矩陣式鍵盤適合按鍵較多時使用。由于本設計的電子鐘最多需要7個按鍵，若采用矩陣式鍵盤時會有按鍵浪費，故采用的是獨立式鍵盤。鍵盤電路如圖3.11。對于內置了上拉電阻的i/o引腳來說，外接上拉電阻沒有意義1516。如圖3.11。圖3.11 鍵盤電路其中k1、k2、k7為帶自鎖按鍵，每次按下后，其對應的p2.7、p2.6、p2.1管腳

47、接地，從高電平被拉至低電平。只有再次按下，按鍵彈出，與之連接的單片機管腳才會重新被拉回高電平。k3、k4、k5、k6鍵為自動復位按鍵。每次按下后，會自動彈出。單片機管腳只有在按鍵按下時為低電平，按鍵彈出后重新恢復高電平。按鍵功能參見表3.8。表3.8 按鍵功能表按鍵鍵名功能屬性k1calendar顯示日歷自鎖k2t顯示溫度自鎖k3fun功能選擇自動復位k4up數值加一操作自動復位k5down數值減一操作自動復位k6enter/snooze確認鍵/貪睡自動復位k7alarm鬧鈴開關自鎖按鍵操作說明如下：k1鍵：該鍵為帶自鎖按鍵，在正常顯示時間狀態下，每次將按鍵按下， led數碼管將顯示日期；再次

48、按下，按鍵彈出，重新顯示時間。k2鍵：該鍵為帶自鎖按鍵，在正常顯示時間狀態下，每次將按鍵按下，led數碼管將顯示環境溫度；再次按下，按鍵彈出，重新顯示時間。k3鍵：該鍵為自動復位鍵，在正常顯示時間狀態下，第一次按下后，開始校對小時，以后每次按下都會分別進入對分、秒、鬧鈴時、鬧鈴分、年、月、日的校對狀態。k4鍵：該鍵為自動復位鍵，在校對狀態下，每次按動該鍵，都會使相應校對位進行加1操作。例如：校對小時狀態，每按一下，小時位加1，當加至小時最高值23時，再按k4鍵，小時位回0。調分、秒、年、月、日與皆之相同，只是各位最高值不同。k5鍵：該鍵為自動復位鍵，與k4鍵類似，不同之處是該鍵每次按下將使相應

49、校對位進行減1操作。k6鍵：該鍵為自動復位鍵，在校對狀態下，按下該鍵，從校對狀態返回時間顯示狀態；在響鈴狀態下，按下該鍵，鬧鈴進入貪睡狀態。k7鍵：該鍵為帶自鎖按鍵，按下后鬧鈴開啟，彈出后鬧鈴關閉。3.2.5 鬧鈴電路設計鬧鈴音樂可以直接采用蜂鳴器鬧鈴，如當前時刻與鬧鈴時間相同，單片機向蜂鳴器送出高電平，蜂鳴器發聲。采用蜂鳴器鬧鈴結構簡單，控制方便，但是發出的鬧鈴聲音單一。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

50、音樂，當到設定時間時，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。鬧鈴的音樂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p2.0， 中間用pnp型三極管s9012連接p2.0和蜂鳴器。當p2.0引腳為低電平時，s9012的發射極和集電極導通，使蜂鳴器發聲。當響鈴標志位

51、為“1”時，p2.0送一定頻率脈沖，使蜂鳴器u11發出聲音16。如圖3.12。圖3.12 鬧鈴電路3.2.6 復位電路設計復位是單片機的初始化操作，以便使cpu和系統中其他部件都處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。除了進入系統的正常初始化之外，當單片機系統在運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，也可按復位鍵重新啟動。復位后，pc內容初始化為0000h，使單片機從0000h單元開始執行程序。單片機復位后，除了pc之外，還對片內的特殊功能寄存器有影響，它們的復位狀態如表3.9所示。單片機復位后不影響內部ram的狀態17。89c51單片機復位信號的輸入端是rst引腳，高電平有效。其有效時

52、間持續24個時鐘周期（2個機器周期）以上。rst端的外部復位電路有兩種操作方式：上電自動復位和按鍵手動復位。上電自動復位是利用電容儲電來實現的，如圖3.13(a)所示。上電瞬間，rc電路充電，rst端出現正脈沖，隨著充電電流的減少，rst的電位逐漸下降。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。按鍵電平復位是相當于rst端通過電阻接高電平，如圖3.13(b)所示；按鍵脈沖復位，利用rc微分電路產生正脈沖，如圖3.13(c)所示12。出于應用方便，本設計采用按鍵電平復位電路。實際電路請參見附錄c，復位按鍵為k8。表3.9 單片機寄存器的復位狀態表寄存器復位狀態寄存器復位狀態pc0000htcon00

53、hacc00hth000hpsw00htl000hsp07hth100hdptr0000htl100hp1、p3ffhscon00hip000000bsbuf不定ie000000bpcon0b(nmos)tmod00h00000b(chmos)a、上電復位 b、按鍵電平復位 c、按鍵脈沖復位圖3.13 上電復位和按鍵復位電路第四章 電子時鐘軟件設計c51單片機可以應用匯編語言和c語言進行編程。，匯編語言與機器指令一一對應所以用匯編語言編寫的程序在單片機里運行起來效率較高。c語言程序可讀性高，更便于理解。本設計使用c語言編程。4.1 主程序設計第一次上電，系統先進行初始化， led顯示初始時間“

54、14：28：00”，并開始走時。初始日期為2008年5月12日，此刻若按k1鍵，led顯示“080512”。單片機依次開始調用鍵盤掃描子程序、ds1302子程序、ds18b20子程序、鬧鈴子程序，經過延時，返回程序開頭循環運行。主程序流程圖如圖4.1。圖4.1 多功能電子鐘主程序流程圖4.2 子程序設計4.2.1 實時時鐘日歷子程序設計該程序主要實現對ds1302寫保護、充電，對年、月、日、時、分、秒等寄存器的讀寫操作。在讀寫操作子程序中都執行了關中斷指令，因為在串行通信時對時序要求比較高，而且在此是用i/o口軟件模擬串行時鐘脈沖，所以在通信過程中最好保證傳輸的連續性，不要允許中斷。其流程圖如

55、圖4.2。圖4.2 實時時鐘日歷子程序流程圖ds1302每次上電時自動處于暫停狀態，必須把秒寄存器的位7置位0，時鐘才開始計時。如果ds1302一直沒有掉電，則不存在此問題。在進行寫操作時，需要先解除寫保護寄存器的“禁止”狀態。當用多字節模式進行操作時，必須寫夠8字節18。4.2.2 環境溫度采集子程序設計ds18b20是一種單線器件，它在一根數據線上實現數據的雙向傳輸，這就需要一定的協議來對讀寫數據提出嚴格的時序要求，而at89c51單片機并不支持單線傳輸。因此，必須采用軟件的方法來模擬單線的協議時序。主機操作單線器件ds18b20必須遵循下面的順序。1. 初始化單線總線上的所有操作均從初始化開始。初始化過程如下：主機通過拉低單線480s以上，產生復位脈