課程設計（論文）基于51單片機的電子萬年歷

1、基于51單片機的電子萬年歷制作【摘 要】本次設計就是設計一款萬年歷，以at89s52單片機為核心，配備數碼管顯示模塊、按鍵等功能模塊。分別采用a/d轉換器tlc1549和溫度傳感器lm35來實現的。萬年歷采用24小時制方式顯示時間，在數碼管上顯示年、月、日、小時、分鐘、秒等功能。設計的核心主要包括硬件設計和軟件編程兩個方面。硬件電路設計主要包括中央處理單元電路、時鐘電路、執(zhí)行電路等幾部分。軟件用匯編語言來實現，主要包括主程序、鍵盤掃描子程序、時間設置子程序等軟件模塊?！揪w 論】萬年歷，就是記錄一定時間范圍內（比如100年或更多）的具體陽歷與陰歷的日期的年歷，方便有需要的人查詢使用。萬年只是一種

2、象征，表示時間跨度大。這次設計通過對萬年歷系統(tǒng)的設計，詳細介紹了51 單片機應用中的按鍵處理、數碼管顯示原理、動態(tài)和靜態(tài)顯示原理、定時中斷、a/d轉換等原理。該系統(tǒng)能夠顯示年、月、日、小時、分鐘、秒、星期、農歷、溫度，通過按鍵可以修改時間和設定鬧鐘等功能。此系統(tǒng)結構簡單、功能齊全，具有一定的推廣價值。 系統(tǒng)說明1.1方案選擇l 方案一：采用日歷時鐘芯片ds12887來產生時間，數據經單片機處理后送到數碼管顯示。ds12887內部有晶體振蕩器、振蕩電路、充電電路和可充電鋰電池。此外，片內有114b的ram。l 方案二：采用純單片機制作。方案一中因為有了日歷時鐘芯片，這就使得單片機的軟件部分簡單很

3、多。但是考慮到芯片成本高，因此采用方案二。1.2 系統(tǒng)方框圖：如圖1-1所示: 圖1-1 系統(tǒng)方框圖1.3 說明系統(tǒng)由51系列單片機at89s52、按鍵、溫度采集、數碼管顯示、鬧鐘報時，電源等部分構成。單片機部分包括時鐘電路、復位電路；按鍵部分能夠實現對時間的調整和定時時間的設定。四個按鍵的功能分別為:退出、鬧鐘、設置、修改。溫度采集部分包括溫度傳感器、a/d轉換。傳感器采樣進來的信號經a/d轉換后送給單片機，經軟件處理后送至7段共陽數碼管顯示。一旦定時時間到，外接電路中的音樂芯片就會發(fā)出響聲。電源部分共輸出2個電壓，9v和5v。9v電壓給tl431提供電源，5v電壓給各個芯片提供電源。 電路

4、模塊說明2.1 單片機電路2.1.1 時鐘電路時鐘系統(tǒng)是單片機的心臟，在本次設計中，包括中央處理器在內的所有單片機都是時鐘系統(tǒng)所提供的節(jié)拍工作的。 時鐘電路由外接諧振器的時鐘振蕩器、時鐘發(fā)生器及關斷控制信號等組成。時鐘振蕩器是單片機的時鐘源，時鐘發(fā)生器對振蕩器的輸出信號進行二分頻。 cpu的時鐘振蕩信號有兩個來源：一是采用內部振蕩器，此時需要在xtal1和xtal2腳連接一只頻率范圍為033mhz的晶體振蕩或陶瓷振蕩器及兩只30pf電容。二是采用外部振蕩，此時應將外部振蕩器的輸出信號接至xtal1腳，將xtal2腳浮空。利用單片機內部的定時功能來實現時鐘的走時，通過編程實現每50毫秒產生一次中

5、斷，中斷20次后，秒單元加1，秒單元加到60時，跳回到零再繼續(xù)加，同時分單元加1。以次類推，從而實現秒、分、小時、年的走時。本次設計中采用的是內部振蕩器，頻率為12mhz的晶體振蕩器及30pf的瓷片電容。如圖2-1所示。 圖2-1時鐘電路2.1.2復位電路復位是指在規(guī)定的條件下，單片機自動將cpu以及與程序運行相關的主要功能部件、i/o口等設置為確定初始狀態(tài)的過程。如果電路參數不符合規(guī)定的條件或干擾導致單片機不能正確的復位，系統(tǒng)將無法進行正常的工作，因此，復位電路除了要符合廠家規(guī)定的參數外，還要濾除可能的干擾。at89s52單片機內部有一個由施密特觸發(fā)器等組成的復位電路。復位信號是從其9腳，即

6、rst腳輸入的。at89s52單片機規(guī)定，當其處于正常工作狀態(tài)，且振蕩器工作穩(wěn)定后，在rst端有從高電平到低電平，且高電平時間大于兩個機器周期的復位信號時，cpu將完成對系統(tǒng)的復位。有兩點需要注意：一、復位信號是高電平有效，二、高電平的保持時間必須大于兩個機器周期，可見高電平保持時間與振蕩頻率有關。本次設計中采用上電復位電路，上電復位是指在系統(tǒng)上電時，rst端自動產生復位所需要的信號將單片機復位，本次設計中的上電復位電路如圖所示。上電時，rst端高電平的維持時間取決于r(1k)和c(22uf)的值。要使單片機可靠的復位，設計中使其維持的時間足夠長。如圖2-2所示。 圖2-2 復位電路2.2 溫

7、度采集電路2.2.1 溫度傳感器該系統(tǒng)采用lm35作為溫度傳感器，lm35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。因此，lm35比按絕對溫標校準的線性溫度傳感器優(yōu)越得多。lm35系列傳感器生產制作時已經過校準，輸出電壓與攝氏溫度一一對應，使用極為方便。靈敏度為10.0mv/，精度在0.4至0.8（-55至+150溫度范圍內），重復性好，低輸出阻抗，線性輸出和內部精密校準使其與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負電源工作。 圖2-3 lm35的管腳 圖2-4 lm35的電路 特性：1、在攝氏溫度下直接校準2、+10.0mv/的線性刻度系數3、確保0.5的精度(在

8、25)4、額定溫度范圍為-55至+1505、適合于遠程應用6、工作電壓范圍寬,4v至30v7、低功耗,小于60ua8、在靜止空氣中,自熱效應低,小于0.08的自熱9、非線性僅為1/410、輸出阻抗，通過1ma電流時僅為0.1 極限參數：電源電壓 輸出電壓 輸出電流+35v0.2v +6v1.0 100ma2.3.2 a/d轉換l 方案一：采用ad0809ad0809是一種8路模擬輸入8位數字輸出的逐次逼近法a/d器件，可以測量多路的模擬輸入，但也占用比較多的i/o資源。l 方案二：采用tlc1549tlc1549是一種1路模擬輸入帶串行控制的10位模數轉換器，轉換精度高，由于采用串行輸入方式占

9、用比較少的i/o資源。這次設計只需一路的模擬輸入，轉換精度高要求比較高，因此選用方案二。從溫度傳感器采集進來的電壓信號進入到a/d轉換器以形成單片機便于處理的數字信號。在該設計中，采用了美國ti公司生產的10位模數轉換器tlc1549。它采用cmos工藝，具有內在的采樣和保持，采用差分基準電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍，總不可調整誤差達到（）1lsb max(4.8mv)，占地面積小等特點。其引腳圖見圖2-5。圖2-5 tlc1549的管腳排列其工作原理為：在芯片選擇（/cs）無效情況下，i/o clock最初被禁止且data out處于高阻狀態(tài)。當串行接口把/cs拉至有效時，

10、轉換時序開始允許i/o clock工作并使data out脫離高阻狀態(tài)。串行接口然后把i/o clock 序列提供給i/o clock并從data out接收前次轉換結果。i/o clock從主機串行接口接收長度在10和16個時鐘之間的輸入序列。開始10個i/o時鐘提供采樣模擬輸入的控制時序。在/cs的下降沿，前次轉換的msb出現10個時鐘長度 ，那么在10個時鐘的下降沿，內部邏輯把data out拉至低電平以確保其余位的值為零。在正常進行的轉換周期內，規(guī)定時間內/cs端高電平至低電平的跳變可終止改周期，器件返回初始狀態(tài)（輸出數據寄存器的內容保持為前次轉換結果）。由于可能破壞輸出數據，所以在接

11、近轉換完成時要小心防于止/cs被拉至低電平。時序圖如圖2-6所示。 圖2-6 tlc1549工作時的時序圖由于它采用串行輸出的方式，占地面積小，方便靈活，與單片機的接口簡單，所以應用非常廣泛。電路如圖2-7所示。 圖2-7 a/d轉換電路2.3 按鍵電路l 方案一：采用陣列式鍵盤 此類鍵盤是采用行列掃描方式，當按鍵較多時可以減少占用單片機的i/o口數目。 l 方案二：采用獨立式按鍵電路 每個鍵單獨占有一根i/o接口線，每個i/o口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。但是當按鍵較多時占用單片機的i/o數目較多。本系統(tǒng)只需四個按鍵，因此選擇方案二。 如果按鍵采用中斷的話，可以使單片機

12、工作更加靈活、效率更高。由于該系統(tǒng)要用到4個按鍵，考慮到單片機的中斷資源不夠，所以就只用外部int0和int1中斷，另外2個按鍵接p1.0和p1.1口。電路如圖2-8所示。 圖2-8 按鍵電路2.4 顯示電路l 方案一：采用動態(tài)顯示 這種工作方式是分時輪流選通數碼管的公共端，使得各個數碼管輪流導通。當所有數碼管依次顯示一遍后，軟件控制循環(huán)，使每位顯示器分時點亮。這種方式不但能提高數碼管的發(fā)光效率，并且由于各個數碼管的字段線是并聯(lián)使用的，因而大大簡化了硬件線路。 各個數碼管雖然是分時輪流通電，但由于發(fā)光數碼管具有余輝特性及人眼具有視覺暫留作用，所以適當選取循環(huán)掃描頻率時，看上去所有數碼管是同時點

13、亮的，察覺不出有閃爍現象。l 方案二：采用靜態(tài)顯示數碼管工作在靜態(tài)顯示方式下，共陰極或共陽極點連接在一起接地或高電平。每位的段選線與一個8位并行口相連。只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。該工作方式常采用串行口設定方式0輸出，外接74ls164移位寄存器構成顯示電路。 由于該系統(tǒng)用到的數碼管很多，要分3行顯示，如果采用動態(tài)顯示的話，單片機的i/o口資源明顯不夠。而采用靜態(tài)顯示的話，一個數碼管就要對應一片74ls164芯片，這使得成本要花費很多。綜合考慮后，決定采用動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示相結合的方法。 采用3片74ls164級聯(lián)的方法來帶動21個數碼管顯示。第一行中年、月

14、、日的段選線串接在一起接到第一片74ls164，第二行中小時、分鐘、秒、星期的段選線串接在一起接到第二片74ls164，第三行中農歷月、日、溫度的段選線串接在一起接到第三片74ls164。第一片的a、b腳由單片機的rxd腳輸入，第二片的a、b腳接到第一片的qh，第三片的a、b腳接到第二片的qh。三片的clk腳共同接到單片機的txd。位選通信號用8個三極管來控制。千年與十時、農歷十月相連接至w1；百年與時、農歷月相連接至w2；十年與十分、農歷十日相連接至w3；年與分、農歷日相連接至w4；十月與十秒、溫度十位相連接至w5；月與秒、溫度個位相連接至w6；十日與星期相連接至w7；日個位接至w8。發(fā)送第

15、1個數據時，數據暫存在第一片164芯片中；發(fā)送第2個數據時，第1個數據就移到第二片164芯片，而第2個數據就存在第一片芯片中；發(fā)送第3個數據時，第1個數據就移到第三片芯片，第2個數據移到第二片芯片，而第3個數據就存在第一片芯片中。當連續(xù)發(fā)送完3個數據后，把w1打開，這時就顯示第1列的3個數；當第2次發(fā)送完3個數據后，把w2打開，就顯示第2列的3個數；依此下去就可以顯示全部的數據。w1-w8由p2口來控制選通，當選通速度很快時，肉眼就看不出有閃爍現象。電路如圖2-9所示。 圖2-9 顯示電路2.5 電源電路 該部分有2個輸出電壓，9v和5v。220v交流市電通過電源變壓器變換成交流12v低壓，再

16、經過橋式整流電路d1d4和濾波電容2200uf的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器lm7809的vin和gnd兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經過lm7809的穩(wěn)壓和100uf電容的濾波后，便在穩(wěn)壓電源的輸出產生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出9v電壓。9v電壓給可調分流基準芯片tl431提供電源。tl431的主要作用是給a/d轉換芯片tlc1549提供比較精確的參考電壓。9v電源再經過lm7805穩(wěn)壓后，給各個芯片提供電源。電路見圖2-10。三端穩(wěn)壓器是標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工

17、作可靠性高、使用簡捷等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。三端穩(wěn)壓器的工作原理（以78系列為例）如下：它與一般分立元件組成的串聯(lián)式穩(wěn)壓電路基本相似。不同的是增加了啟動電路、保護電路和恒流源。啟動電路是為恒流源建立工作點而設置的。恒流源隨著在基準電壓形成和誤差放大器電路中，是為了使穩(wěn)壓器能夠在比較大的電壓變化范圍內正常可靠工作。在芯片內設置了兩種較完善的保護電路：一是過流保護，一是過熱保護。圖2-10 電源電路德州儀器公司生產的tl431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從vref（2.5v）到36v范圍內的任何值。該

18、器件的典型動態(tài)阻抗為0.2。圖2-11是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（cathode）、 陽極（anode）和參考端（ref）。它在恒壓電路中的應用如圖2-12所示。 圖2-11 tl431圖 圖2-12 tl431的電路編程輸出電壓，達36伏 電壓參考源誤差：典型+/-0.4%25 低動態(tài)輸出阻抗，典型為0.22歐 1.0毫安至100毫安的灌電流能力 典型值為50ppm/的等效全范圍溫度系數 在整個額定工作溫度范圍內可進行工作溫度補償 低輸出噪聲電壓tl431的內部含有一個2.5v的基準電壓，所以當在ref端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖2-

19、13所示的電路，當r1和r2的阻值確定時，兩者對vo的分壓引入反饋，若v o增大，反饋量增大，tl431的分流也就增加，從而又導致vo下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在vi等于基準電壓處穩(wěn)定，此時vo=(1+r1/r2)vref。選擇不同的r1和r2的值可以得到從2.5v到36v范圍內的任意電壓輸出，特別地，當r1=r2時，vo=5v。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證tl431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 ma 。在該系統(tǒng)中，2個電阻都取1k，主要是給tlc1549提供+5v的參考電壓。電路如圖2-13所示。圖2-13 tl431所構成的電路在該系統(tǒng)中還需加一個掉電保護。掉

20、電保護通?？刹捎靡韵氯N方法：一是加接不間斷電源，讓整個系統(tǒng)在掉電時繼續(xù)工作；二是采用備份電源，掉電后保護系統(tǒng)中全部或部分數據存儲單元的內容；三是采用eeprom來保存數據。由于第一種方法體積大、成本高，對單片機系統(tǒng)來說，不宜采用。第二種方法是根據實際需要，掉電時保存一些必要的數據，使系統(tǒng)在電源恢復后，能夠繼續(xù)執(zhí)行程序，因而經濟實用，故大量采用。eeprom既具有rom掉電不丟失數據的特點，又有ram隨機讀寫的特點。但由于其讀寫速度與讀寫次數的限制，使得eeprom不能完全代替ram。考慮到成本等各方面問題，該系統(tǒng)只外接一個蓄電池。當掉電后，二極管導通，這時電源由蓄電池來提供。 2.6 鬧鐘電

21、路l 方案一：采用蜂鳴器聲音指示。蜂鳴器又分無源和有源兩種。前者需要輸入聲音頻率信號才能正常發(fā)聲，后者則需外加適當直流電源電壓就可以了。l 方案二：采用發(fā)光二極管來代表鬧鐘鬧鈴。l 方案三：外接音樂芯片。一旦定時時間到，單片機就給音樂芯片一個觸發(fā)脈沖，使芯片工作發(fā)出響聲。這三種方案的電路都很簡單，但考慮到方案一中蜂鳴器發(fā)出的響聲不悅耳，因此不采用；方案二用發(fā)光二極管起不到很好的報警提示作用，故也不采用。方案三雖外接音樂芯片使成本提高，但可以起到很好的報警作用，因此采用方案三。2.7 總電路圖:（見圖2-14） 圖2-14 總電路圖3. 程序流程圖3.1主程序流程圖 3.2按鍵掃描程序流程圖3.

22、3設置時間程序流程圖(int0中斷) 3.4修改時間程序流程圖(int1中斷) 3.5時間程序流程圖(t0中斷)3.6溫度采集程序流程圖 3.7鬧鐘程序流程圖3.8公歷轉農歷程序流程圖4.系統(tǒng)調試和設計效果4.1系統(tǒng)調試硬件調試的主要任務是排除硬件故障，其中包括設計錯誤和工藝性錯誤。由于在做板過程中出了點錯誤，導致腐蝕板出現挺多斷線。經萬用表檢查，手工慢慢焊接好后接入電源。再用萬用表檢查各個芯片管腳的電壓是否達到正常的工作電壓,然后判斷是否有存在短路現象等，經一步步修改后把硬件調試好。程序的調試是采用一個模塊一個模塊地進行，首先單獨調試各功能子程序，檢驗程序是否能夠實現預期的功能等；最后逐步將

23、各子程序聯(lián)接起來總調。聯(lián)調需要注意的是，各程序模塊間能否正確傳遞參數，特別要注意各子程序的現場保護與恢復。在程序調試過程當中，主要是判斷進位的問題。要調試它在大小月中進位會不會出現錯誤，尤其是十六進制和十進制之間的問題。有時候沒考慮清楚，在運算過程當中就會經常出現錯誤。在顯示部分中，我是把第一行顯示寫好后，再寫第二行，然后第三行，再把這三行顯示結合在一起。在溫度采集中，要把傳感器采集進來的信號經過a/d轉換后，再進行乘法和除法運算，bcd碼轉換。還有就是判斷閏年和閏月的問題，公歷紀年法中，能被4整除的大多是閏年，能被100整除而不能被400整除的年份不是閏年，能被3200整除的也不是閏年。4.2使用說明剛上電時，由于單片機復位后i/o口輸出高電平，音樂芯片就觸發(fā)導通發(fā)出響聲。4個按鍵的功能分別為：退出、鬧鐘、設置、修改。退出鍵：當數碼管顯示鬧鐘時間時，按下退出鍵后，顯示就切換到當前時間，同時設置鍵中選擇的要修改