51单片机课程设计(DS1302时钟、18B20温度计)

摘要:

该设计实现了24小时制的时间显示及设定、年月日星期的显示及设定、闹钟的设定、温度的检测及显示等功能。设计共分为四大部分，分别是控制部分、时钟部分、温度检测部分和人机交互部分。以单片机

（AT89C51）组成的最小系统为整个设计的控制核心，单片机通过对时钟芯片（DS1302）的控制完成时钟的功能，通过对温度传感器（18B20）的控制完成温度检测的功能，最后通过对数码管、蜂鸣器及按键的控制完成时间和温度的显示以及调整时间、设定闹钟等功能。

关键词：电子钟；温度计；单片机

目录

摘要: (1)

第一章设计任务 (3)

第二章电路设计 (3)

2.1电路方案的比较 (3)

2.2根据设计绘制框图及原理图 (5)

第三章工作原理 (7)

3.1 单片机的工作原理 (7)

3.2 DS18B20的工作原理 (8)

3.3DS1302的工作原理 (10)

3.4数码管的工作原理 (12)

第四章调试与验证 (12)

4.1程序调试 (12)

4.2仿真验证 (15)

参考文献 (15)

附录 (16)

附录一使用说明 (16)

附录二元件清单 (16)

附录三 pcb版图 (17)

附录四程序清单 (18)

第一章设计任务

1、基本要求

（1）能够实现时间的正确显示，并且可以对表进行调整。

（2）能够实现年月日及星期的显示，并且可以对日期进行调整。

（3）能够实现对温度的及时检测，并且可以正确显示。

（4）用protel99se绘制设计的原理图，并生成PCB图。

（5）用protues实现对设计的仿真。

2、提高要求

（1）能够实现闹铃的设定。

（2）为了使显示画面更美观，信息量更大，尝试使用液晶显示器（1602或12864）对时间和温度进行显示。

（3）将硬件实物做出来。

第二章电路设计

2.1电路方案的比较

1、时钟电路的设计

方案一：时钟电路可由555定时器组成，通过555定时器构成1Hz脉冲发生电路（如图2-1），然后将脉冲机输入单片机，经单片机计算生成时钟。脉冲信号从555的3号引脚输出，通过电阻和电容可以得到不同频率的脉冲。其计算方法为t pl=R2C2ln2；t ph=(R1+R2)C2ln2。

图2-1 555秒脉冲发生电路

方案二：用单片机控制专用时钟芯片DS1302（如图2-2），通过对时钟芯片的初始化设置、写数据、读数据等操作，实现对时钟信息的获取。、

图2-3 DS1302与单片机连接图

比较：两个方案虽然都能实现时钟的功能，但是方案一由于电阻电容及其自身的精度影响，其生成的秒脉冲精度相对差一些，且将秒脉冲信号换算成时钟的编程也相对复杂，而方案二能够较好地弥补方案一的不足。所以本设计中的时钟电路采用方案二的设计。

2、温度检测电路的设计

方案一：利用热敏电阻对温度特殊的温度效应，可以通过一个比较简单的电路将温度信号转换成相应的电压信号，为了使电压信号更便于精确测量，可以利用运放将电压信号放大，再经模数转换将电压信号送入单片机，最后通过单片机的计算得出温度值，送入数码管显示。

方案二：利用单片机对温度传感器DS18B20的控制，获取温度传感器所采集的温度信号（如图2-3）。

图2-3 DS18B20与单片机连接图

比较：方案一原理容易理解，但实际操作很有难度。不仅自己设计电路精度不能保证，而且外围电路复杂，成本也较高。而由图2-3可以直观看出方案二简单方便，且精度较高，所以本设计中的温度检测电路采用方案二。

2.2根据设计绘制框图及原理图

1、由本设计的任务要求可知，本设计中需要单片机与温度传感器和时钟芯片进行数据交互，需要输入部分（按键）和输出部分（数码管、闹铃）实现人机互动。如设计框图（图2-4）所示。

单片机AT89C52

按键控制

数码管显示

和闹铃提示

时钟芯片DS1302

温度传感器

18B20

图2-4 设计框图

2、再设计中，单片机需要外接晶振，需要复位电路等。为使数码管正常显示、蜂鸣器正常发声，需要加一定的放大电路。结合本设计的设计框图和电路方案的比较，可得完整原理图（如图2-5）。

图2-5 原理图

第三章工作原理

3.1 单片机的工作原理

1、单片机数据采集原理

单片机的数据采集主要是通过与时钟芯片和温度传感器的数据交互实现的，另外有按键信息需要采集。对于前者，单片机需要先向芯片中写入相应指令，然后写入地址或其他数据，以便最后再读取所需数据（具体见3.2和3.3的介绍）。对于后者只需要检测按键的高低电平即可，比较简单，在此不再赘述。

2、单片机控制数码管原理

该设计将数码管的a~g、dp端接至单片机的P0口，将数码管的共阳控制端接至单片机的P3.3、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0口。需要注意的是该设计中采用动态扫描的方式实现数码管的动态显示，其原理是通过P0口送入要显示的数据，然后让六个数码管依次闪亮，动态扫描，利用数码管余辉和人的视觉暂留实现显示。

图3-1 数码管与单片机连接图

3.2 DS18B20的工作原理

1、DS18B20简介

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

2、DS18B20结构

DS18B20内部结构如图3-2所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如图3-3所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND 为电源地；VDD为外接供电电源输入端。

图3-2 DS18B20内部结构

图3-3 DS18B20引脚结构

3、DS18B20接口电路及时序

DS18B20与微处理器的典型连接有两种，一种是寄生电源方式，其VDD和GND端均接地；另一种是外接电源方式，VDD接外加电源。本设计中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V～5.5V电源供电。其接口典型电路如图3-4所示。

图3-4 DS18B20与控制器接口电路

DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。其初始化时序和读写指令时序图如图3-5所示。为了实现单片机对温度的准确采集，必须严格按照时序图先对传感器初始化，写入相应指令。具体程序见附录二。

图3-5 DS18B20时序

3.3DS1302的工作原理

1、DS1302简介

DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM 的实时时钟电路，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2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。其内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是同类芯片DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

2、DS1302结构

DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST 必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。DS1302的引脚功能图如图3-6。

图3-6 DS1302引脚图

3、DS1302接口电路及时序

DS1302与处理器的接口电路（图3-7）也是比较固定的，比较简单，但是需要在一号引脚处接一个去耦电阻，这样能够使时钟更准确。

图3-7 DS1302与控制器接口电路

需要注意的是，DS1302的时序比较复杂，共有四个时序，分别是读一个字节、写一个字节、从寄存器度数据、从寄存器写数据（如图3-8）。在编程的时候要尤为注意。否则该芯片无法正常工作。具体程序见附录二。

图3-8 DS1302时序

3.4数码管的工作原理

1 、

数码管引脚图及介绍

图3-9 数码管引脚图 2、 数码管显示原理

该系统采用的是一位公阳数码管，该设计采用三极管9013作为驱动管与控制管。基极通过接1K Ω的电阻接至数码管的公共端，发射极接数码管的七段二级管，集电极接5V 电源。其显示原理是当基极电压为低电平是，无论射极电阻是高电平还低电平，数码管均处于截止状态，而当基极电压为高电平时，则相应的数码管导通，此时通过设置射极电阻的电位就可以实现二极管的点亮与关闭，即射极电阻若为低电平则二极管导通，射极电阻接高电平，则二极管关闭。具体接线图见图3-1。

第四章 调试与验证

4.1程序调试

在设计过程总，程序加进单片机仿真后总是会出现DS1302工作不正常，仔细研究与DS1302工作有关的五个子程序（写字节、读字节、往寄

引脚编号

功能 1 e 2 d 3 com 4 c 5 dp 6 b 7 a 8 com 9 f 10

g

表3-1数码管引脚说明

存器写数据、从寄存器读数据、DS1302初始化程序），发现没有时序错误。后经查资料，发现将读写字节的程序有两种方式，虽然逻辑相同，但书写格式不同，于是我将以前的程序中的读写字节函数

void clock_out(unsigned char dd) //写一个字节

{

ACC=dd;

clock_clk=0; clock_dat=a0; clock_clk=1;

clock_clk=0; clock_dat=a1; clock_clk=1;

clock_clk=0; clock_dat=a2; clock_clk=1;

clock_clk=0; clock_dat=a3; clock_clk=1;

clock_clk=0; clock_dat=a4; clock_clk=1;

clock_clk=0; clock_dat=a5; clock_clk=1;

clock_clk=0; clock_dat=a6; clock_clk=1;

clock_clk=0; clock_dat=a7; clock_clk=1;

}

unsigned char clock_in(void) //读一个字节

{

clock_clk=1; clock_clk=0; a0=clock_dat;

clock_clk=1; clock_clk=0; a1=clock_dat;

clock_clk=1; clock_clk=0; a2=clock_dat;

clock_clk=1; clock_clk=0; a3=clock_dat;

clock_clk=1; clock_clk=0; a4=clock_dat;

clock_clk=1; clock_clk=0; a5=clock_dat;

clock_clk=1; clock_clk=0; a6=clock_dat;

clock_clk=1; clock_clk=0; a7=clock_dat;

return(ACC);

}

换成以下程序

void write_onechar(unsigned char dd)

{

unsigned char i;

unsigned char dat;

dat=dd;

for(i=0;i<8;i++)

{

clock_clk=0;

clock_dat=(dat&0x01);

clock_clk=1;

dat=dat>>1;

}

}

unsigned char read_onechar()

{

unsigned char i,dat;

for(i=0;i<8;i++)

{

clock_clk=1;

clock_clk=0;

dat=dat>>1;

if(clock_dat==1)

dat=dat|0x80;

}

return(dat);

}

重新进行仿真，发现时钟芯片终于能够正常显示了。但是又有一个新的问题：通过按键k1切换显示完一遍之后，时钟芯片又会出现问题，经检查电路发现时钟芯片的七号引脚和温度传感器的二号引脚都接在了单片机

P2.7引脚上，考虑到不同芯片工作时可能会有干扰，于是将温度传感器的二号引脚接在单片机P1.7上，对程序做相应改动后，重新实验，发现正常工作。

4.2仿真验证

本设计采用protues软件进行仿真，经过反复的调试最终仿真通过。可以实现预期的功能。部分功能演示如图4-1、图4-1所示。

图4-1 时间仿真

图4-2 温度仿真

参考文献

[1]张毅坤.单片微型计算机原理及应用.西安电子科技大学出版社.2008

[2]张立科. 单片机典型模块设计实例导航. 人民邮电出版社. 2005

[3]张立科. 单片机典型外围器件及应用实例. 人民邮电出版社. 2006

[4]戴佳、戴卫恒. 51单片机C语言应用程序设计实例精讲. 电子工业出版社.2006

附录

附录一使用说明

本设计通过调节K1来调节显示内容，依次是时分秒、年月日、周、温度；通过调节 K2来确定调时位数，依次是年、月、日、周、时、分、秒、正常显示；调节键K3为依次加；调节键K4为依次减；通过调节K5调节闹铃时间，依次是时、分、秒、正常显示；K6为人工停止闹铃工作。

附录二元件清单

元件名称元件数量

1位数码管 6

1kΩ电阻10

4.7kΩ电阻 6

按键 6

33p电容 4

104电容 2

100u电解电容 2

10u电解电容 1

9013三极管7

32768Hz晶振 1

12MHz晶振 1

蜂鸣器 1

二极管 1

DS18B20 1

DS1302 1

AT89C52 1

附录三 pcb版图

附录四程序清单

#include

sbit clock_clk=P2^7; //定义1302端口

sbit clock_dat=P2^6;

sbit clock_rst=P2^5;

sbit DQ = P1 ^ 7; //定义18B20端口DQ

sbit wei1=P2^0; //位选

sbit wei2=P2^1;

sbit wei3=P2^2;

sbit wei4=P2^3;

sbit wei5=P2^4;

sbit wei6=P3^3;

sbit K1=P1^0; //跳换显示

sbit K2=P1^1; //设置时间

sbit K3=P1^2; //加一

sbit K4=P1^3; //减一

sbit K5=P1^4; // 闹铃设定

sbit K6=P1^5; // 关闹铃

sbit beep=P3^7; //闹铃

sbit a0 = ACC ^ 0;//为了编程方便定义的位变量

sbit a1 = ACC ^ 1;

sbit a2 = ACC ^ 2;

sbit a3 = ACC ^ 3;

sbit a4 = ACC ^ 4;

sbit a5 = ACC ^ 5;

sbit a6 = ACC ^ 6;

sbit a7 = ACC ^ 7;

unsigned char choose=0;

unsigned char clock_flag=0;

unsigned char alarm_flag=0;

unsigned char min=0x00;

//1302 初值

unsigned char sec=0x00;

unsigned char hour=0x12;

unsigned char day=0x18;

unsigned char mon=0x08;

unsigned char year=0x10;

unsigned char week=0x03;

unsigned char hour_alarm=0; //闹铃初值

unsigned char min_alarm=0;

unsigned char sec_alarm=0;

unsigned char hour_clock=0;

//时钟值

unsigned char min_clock=0;

unsigned char sec_clock=0;

unsigned char year_clock=0;

unsigned char mon_clock=0;

unsigned char day_clock=0;

unsigned char week_clock=0;

unsigned char Tab_Num[] = {0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90};//0-9数字unsigned char code Tab_Num2 [ ] = {0x40, 0x79, 0x24, 0x30, 0x19, 0x12, 0x02, 0x78, 0x00, 0x10}; //0-9带点数字

/////////////////////////////////////////////// /////////////////

void delay(int num)//延时函数

{

while(num--) ;

}

/************************* ****************1 8 B 2

0***************************** **************/

Init_18B20(void)//初始化

18B20

{

unsigned char x = 0;

DQ = 1; //DQ复位

delay(10); //稍做延时

DQ = 0; //单片机将DQ拉低

delay(80); //延时480us

DQ = 1; //拉高总线

delay(10);

x = DQ; //稍做延时后如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败

delay(20);

}

unsigned char ReadOneChar(void)//读一个字节{

unsigned char i;

unsigned char dat = 0;

for (i = 8; i > 0; i--)

{

DQ = 0; // 给脉冲信号

dat >>= 1;

DQ = 1; // 给脉冲信号

if(DQ)

dat |= 0x80;

delay(15);

}

return (dat);

}

void WriteOneChar(unsigned char dat)//写一个字节

{

unsigned char i = 0;

for (i = 8; i > 0; i--)

{

DQ = 0;

DQ = dat&0x01;

delay(5);

DQ = 1;

dat>>=1;

}

}

/************************* ********************1 3 0 2

****************************** ***************/

void write_onechar(unsigned char dd)

{

unsigned char i;

unsigned char dat;

dat=dd;

for(i=0;i<8;i++)

{

clock_clk=0;

clock_dat=(dat&0x01);

clock_clk=1;

dat=dat>>1;

}

}

unsigned char read_onechar()

{

unsigned char i,dat;

for(i=0;i<8;i++)

{

clock_clk=1;

clock_clk=0;

dat=dat>>1;

if(clock_dat==1)

dat=dat|0x80;

}

return(dat);

}

unsigned char

read_clock(unsigned char reg)

//从寄存器reg读数据

{

unsigned char dd=0;

clock_clk=0;

clock_rst=0;

clock_rst=1;

write_onechar(reg);

dd=read_onechar();

clock_rst=0;

clock_clk=1;

return(dd);

}