具有温度显示的电子实时时钟万年日历系统的设计与制作

毕业设计（论文）

《具有温度显示的电子实时时钟/万年日历系统的设计与

制作》

专业（系）电气工程系铁道通讯信号方向

班级铁道通讯091

学生姓名陈志军

指导老师赵巧妮

完成日期2011.11.22

摘要

本设计以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心。本文详细的介绍基于89S51单片机带有温度和闹钟的万年历控制系统。利用单片机定时计数器提供秒信号，18B20数字式温度传感器进行温度数据传输，经软件处理，在动态扫描后，利用8个共阳数码管交替显示年月日、时分秒、环境温度值。为了更好的调节和设置，设计了四个按键快速进行时间和闹钟的精准调整。

关键字：单片机；万年历；温度；闹钟；18B20

, . 89S51 . , 18B20 , , , a 8 , , . , .

; ; ; 18B20;

目录

摘要....................................................................................................................... 错误!未指定书签。第1章引言....................................................................................................... 错误!未指定书签。

1.1研究背景...................................................................................................... 错误!未指定书签。

1.2论文研究目标和意义............................................................................... 错误!未指定书签。

1.3论文章节安排 ............................................................................................ 错误!未指定书签。第2章任务与要求 ......................................................................................... 错误!未指定书签。

2.1课题概述...................................................................................................... 错误!未指定书签。

2.1.1 设计内容......................................................................................... 错误!未指定书签。

2.1.2 要求 .................................................................................................. 错误!未指定书签。第3章方案论证与设计............................................................................... 错误!未指定书签。

3.1 总体设计分析 ........................................................................................... 错误!未指定书签。

3.2 方案的选择与设计 .................................................................................. 错误!未指定书签。

3.2.1 显示模块选择方案和论证：..................................................... 错误!未指定书签。

3.2.2 时钟芯片的选择方案和论证： ................................................ 错误!未指定书签。

3.2.3 温度传感器的选择方案与论证:............................................... 错误!未指定书签。

3.3 方案确定 .................................................................................................... 错误!未指定书签。第4章硬件电路设计 .................................................................................... 错误!未指定书签。

4.1 硬件电路设计框图 .................................................................................. 错误!未指定书签。

4.1.1 系统硬件概述................................................................................ 错误!未指定书签。

4.1.2 单片机主控制模块的设计 ......................................................... 错误!未指定书签。

4.1.3 振荡电路......................................................................................... 错误!未指定书签。

4.1.4 复位电路......................................................................................... 错误!未指定书签。

4.1.5 温度采集模块设计....................................................................... 错误!未指定书签。

4.1.6 显示模块的设计 ........................................................................... 错误!未指定书签。

4.1.7 蜂鸣器电路 .................................................................................... 错误!未指定书签。

4.1.8 按键电路......................................................................................... 错误!未指定书签。第5章系统的软件设计............................................................................... 错误!未指定书签。

5.1编程环境与语言： ................................................................................... 错误!未指定书签。

5.2程序流程框图 ............................................................................................ 错误!未指定书签。第6章电路调试............................................................................................... 错误!未指定书签。

6.1调试的设备................................................................................................. 错误!未指定书签。

6.2调试步骤...................................................................................................... 错误!未指定书签。

6.2.1 硬件调试......................................................................................... 错误!未指定书签。

6.2.2 软件调试......................................................................................... 错误!未指定书签。第7章使用说明............................................................................................... 错误!未指定书签。

7.1 使用方法 .................................................................................................... 错误!未指定书签。

7.1.1 系统面板介绍................................................................................ 错误!未指定书签。

7.1.2 调整方法......................................................................................... 错误!未指定书签。

7.1.3 调整框图......................................................................................... 错误!未指定书签。

7.1.3 注意事项......................................................................................... 错误!未指定书签。

7.2故障分析...................................................................................................... 错误!未指定书签。

7.2.1 数码管显示不全、模糊、多出相对较暗的一位 ................ 错误!未指定书签。

7.2.2 调整时按键过于灵敏 .................................................................. 错误!未指定书签。心得体会 ................................................................................................................. 错误!未指定书签。参考文献 ................................................................................................................. 错误!未指定书签。附件....................................................................................................................... 错误!未指定书签。

附件一：总原理图 .......................................................................................... 错误!未指定书签。

附件二：版图 ................................................................................................... 错误!未指定书签。

附件三：元件清单 .......................................................................................... 错误!未指定书签。

附录四：程序代码 .......................................................................................... 错误!未指定书签。

引言

1.1研究背景

当今社会逐渐步入信息化时代，快节奏、高效率成为当今时代的主题。人们在日常的工作和生活中对各种信息量的需求也在不断加大，为了满足人们的这种需求，电子万年历应运而生。电子万年历整合了人们所需的日期、时间、气温、日程安排的闹钟等诸多常用信息，最大限度的方便了人们的信息获取，可以对工作和生活做出有效的安排。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

1.2论文研究目标和意义

本文分析的是具有温度显示的电子实时时钟/万年日历系统的设计，可以显示年月日时分秒与环境温度信息，具有可调整日期、时间和闹钟功能。采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,我们可以通过对电子万年历的研究进一步熟悉和掌握51单片机与其外围电路的应用，加强自己的动手能力，把理论和实际操作联系起来，在实践中达到理论知识的融会贯通，并进一步提高自身在电子技术方面的理论研究与实践能力。

研究数字钟与扩大其应用，有着非常现实具有现实意义，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

1.3论文章节安排

本论文大致可分为三大部分：第一部包含第一章至第三章，系统介绍了论文研究的目的与意义，并最终确立方案；第二部分包含第四章至第七章，给出实际硬件电路的分析，求证、与调试，还有使用说明；第三部分为是论文总结与未来相关展望。

第2章任务与要求

2.1课题概述

本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以与软件程序的编制，设计制作出一个多功能数字时钟系统。该时钟系统主要由时钟模块、闹钟模块、显示模块、键盘控制模块等组成。能够准确显示时间（显示格式为时时：分分：秒秒，24小时制），可随时进行时间调整，能显示温度。

2.1.1 设计内容

1）显示准确的北京时间（时、分、秒）与公历日期显示功能（年、月、日）；

2）可通过按键切换年、月、日与时、分、秒的显示状态；

3）可随时可以调校年、月、日或时、分、秒；

4）可每次增减一进行时间调节，也可快速增减进行时间调节；

5）有闹钟功能（可控制闹钟的开关）；

6）可显示环境温度。

2.1.2 要求

⑴绘制系统组成框图，确定设计方案；

⑵了解电路所需集成芯片的功能，参数和工作原理；

⑶绘制整机电路图；

⑷制作实物并完成软、硬件调试；

⑸提交毕业设计论文。

第3章方案论证与设计

3.1 总体设计分析

本课题设计的是具有温度显示的电子实时时钟/万年日历系统，利用单片机最小系统以与显示模块、温度传感模块等结合软件实现各项功能。

3.2 方案的选择与设计

为实现本设计的要求可以采用以下几种方案：

1.显示模块方案：

方案一：采用液晶显示屏；

方案二：采用点阵式数码管显示；

方案三：采用数码管显示；

2.时钟芯片方案：

方案一：单片机定时计数器提供；

方案二：1302时钟芯片提供；

3.温度传感器方案：

方案一：热敏电阻；

方案二：数字式温度传感器18B20；

3.2.1 显示模块选择方案和论证：

方案一：

采用液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多。

方案二：

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，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高。

方案三：

采用数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用的单片机口线少。

3.2.2 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、时、分、秒

计数。采用此种方案减少芯片的使用，节约成本，实现的时间误差较小，单片机芯片得到充分利用。

方案二：

采用1302时钟芯片实现时钟，1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以与闰年补偿的年进行计数，而且精度高,位的做为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300.

3.2.3温度传感器的选择方案与论证:

方案一：

使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行转换。。此设计方案需用转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。

方案二：

采用数字式温度传感器18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。

3.3 方案确定

我们根据手头现有资源，经济性，功能实现性选取方案。

综上各方案所述,对此次设计的方案选定:

显示采用方案三（数码管显示）；时钟采用方案一（单片机定时计数器提供秒信号）;温度传感器采用方案二（18B20数字式温度传感器）。

第4章 硬件电路设计

4.1 硬件电路设计框图

图4-1 硬件电路设计框图

4.1.1 系统硬件概述

本电路是由89S51单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V 超低压工作；采用三线接口与进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或数据。温度的采集由18B20构成；显示部份由8个数码管,用动态扫描显示方式对数字的显示。

4.1.2 单片机主控制模块的设计

89S51单片机为40引脚双列直插芯片,有四个口P0123, 51单片机共有4个8位的口（P0、P1、P2、P3），每一条线都能独立地作输出或输入0接上拉电阻。单片机的最小系统如图4-2所示,18引脚和19引脚接时钟电路1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出.第9引脚为复位输入端,接上电容,电阻与开关后够上电复位电路,20引脚为接地端,40引脚为电源端。

图4-2 主控制系统

89S51

数码管动态扫描显示模块

闹钟模块

键盘模块

温度采集模块

4.1.3 振荡电路

本设计51芯片选用内部振荡器方式。由于本设计的时间由内部定时器中断与软件计数相结合产生的，所以从计算方便以与系统的效率上考虑，本设计选用12频率的晶振，电路原理图如图4-3。

图4-3 89C51的振荡电路

4.1.4 复位电路

本设计使用上电复位电路。单片机晶振为12，起振时间将近1，单片机1个机器周期的时间为1。

复位条件：两个以上机器周期的高电平。

复位电路把单片机锁定在复位状态上并且维持一个延时（记作），以便给予电源电压从上升到稳定的一个等待时间；在电源电压稳定之后，再插入一个延时，给予时钟振荡器从起振到稳定的一个等待时间；在单片机开始进入运行状态之前，还要至少推迟2个机器周期的延时间。单片机是高电平的时候复位,一般是用电阻和电容组成的，电容充电的时复位端为高电平,此时单片机开始复位，电容充电完成,此时单片机复位完成。

图4-4 89C51上电复位电路

4.1.5 温度采集模块设计

如图4-5所示。采用数字式温度传感器18B20，它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用Ｐ3.6与18B20的口连接加一个上拉电阻接电源接地。

序号名称引脚功能描述1 地信号

2 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可

以向器件提供电源。

3 可选择的引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

图4-5 18B20温度采集

4.1.6 显示模块的设计

要实现接在P0和P2口上8个数码管的动态显示，必须轮流向各数码管送出段码和相应的位码，利用发光二极管的余晖和人眼的视觉暂留效应，使得人感觉各位数码管同时在显示，实际多位数码管是一位一位轮流显示的，试试轮流的速度非常快，人眼已经无法分辨。数码管扫描频率必须大于42，人的眼睛才不会感觉到闪烁。本设计中向P2发送段码，向P0发送位码，如图4-6所示。

图4-6 数码管动态显示硬件原理图

发光二极管（）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式显示器件（半导体显示器）。分段式显示器（数码管）由

7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。数码管有共阳、共阴之分。图4-7是共阳式数码管的原理图和符号。

图4-7 共阳式数码管的原理图和数码管的符号图

4.1.7 蜂鸣器电路

如图4-6，本设计采用无源蜂鸣器，单片机必须输出固定频率的方波信号，其工作电压范围宽，4-12V，需要外围元件少，电压增益可调范围为20-200.，接在P3.5口。如图4-7所示。

图4-8 蜂鸣器输出电路

4.1.8 按键电路

1、键盘编程扫描法识别按键方法：

1）判别有无键按下；

2）键盘扫描取得闭合键的键值；

3）得到键值；

4）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。

5）将闭合按键的值保存，同时转区执行该闭合键的功能。

2、键盘电路原理图：

图4-9 按键电路原理图

第5章系统的软件设计

5.1编程环境与语言：

本设计的原理图实现是在99 中实现的，本设计的程序在2环境中进行编程与调试的，编程语言51C。

其中中断与软件计数产生时间计数来实现计时，每计时完1秒，秒字节地址中的值增1，满60秒分节地址中的值增1，满60分小时节地址中的值增1······如此不断向高位进位，判断闰年闰月，实现日期时间更新。

5.2程序流程框图

图5-1 主程序流程图

图5-2 闹铃程序流程图

图5-3 按键调整流程图

3s

——

循环

3s

温度值

3s

图5-4 数码管滚动显示流程图

图5-5 日历流程图

第6章电路调试

正确的调试系统才能使各模块电路正常工作，实现高稳定性的显示。要经过反复的调整和测试，才能达到预期的目标。

6.1调试的设备

表6-1

6.2调试步骤

调试具体步骤大致如下：

一、硬件调试;

二、软件调试。

6.2.1 硬件调试

电路的调试具体步骤大致如下：

1.通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。

2.静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，与时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。

3.动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。

6.2.2 软件调试

本设计采用C51编程。C51 软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编，语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。

图5-4 C51启动界面（一）、调试步骤：

1.首先启动C51软件的集成开发环境。

图5-5

2.建立工程文件。

图5-6

3.配置工程。

图5-7 4.安装驱动。

图5-8 5.进行程序刷写调试。图5-9：