电子时钟及简易温度计的设计本科毕业论文设计.doc
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乐山师范学院毕业论文(设计)
本科生毕业论文(设计)
系(院)物理与电子信息科学系
专业电子信息工程
论文题目电子时钟及简易温度计的设计
电子时钟及简易温度计的设计
【摘要】本设计主要以单片机AT89S52为核心,辅以时间芯片DS1302,温度传感器DS18B20,LCD1602液晶显示屏,设计了一个电子时钟及简易温度计。
本设计在制作完成后,基本实现了要求中的全部功能,实现了电子时钟和温度测量二合一的功能,一物多用,在家庭生活中有相当不错的使用价值。
【关键词】单片机DS1302DS18B20LCD1602
1引言
随着科学技术的发展,目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理。
广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机,全自动洗衣机的控制,以及遥控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了[1]。
所谓单片机,通俗的来讲,就是把中央处理器CPU(CentralProcessingUnit),存储器(memory),定时器,I/O(Input/Output)接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
单片机又称为“微控制器MCU”。
中文“单片机”的称呼是由英文名称“SingleChipMicrocomputer”直接翻译而来的[2]。
本产品的主要特色是采用单片机AT89S52来控制的,配合时钟芯片DS1302,温度传感器DS18B20,液晶显示屏1602,从而实现电子时钟和温度测量二合一的电路。
1、采用LCD1602液晶模块对DS1302工作的数据进行时间显示,并且时间不准确时可对其进行调时;
2、采用温度传感器DS18B20作为实时温度测量,并实时显示在液晶模块1602上。
在这个社会,时间和健康成为主体的年代,实时时间和温度的变化时时影响着你。
这款简易的设计小巧又方便,很适合大家使用。
2系统原理图及硬件电路分析
2.1单片机AT89S52简介
2.1.1主要特性
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器[3]。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高有效的解决方案[4]。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止[5]。
2.1.2引脚图
如图2.1,其中主要用到的引脚为20脚接地,40脚接高电平;9脚接复位电路并置于高电平;18、19脚接外部振荡器让单片机工作;32~39脚即P0.0~P0.7为数据的输出口,与液晶的D0~D7口相接。
图2.1AT89S52外部引脚图
2.1.3振荡器特性
AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器,XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端[6]。
石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器[7]。
如图2.2。
图2.2AT89S52振荡器连接图
2.2时钟电路
DS1302是美国DALLAS公司推出的低功耗时钟芯片。
它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能。
DS1302是具有绢细电流充电能力的低功耗实时时钟电路,它以其接口简单、价格低廉、使用方便而被广泛地采用。
它的主要特点是采用串行数据传输,可为掉电保护电源提供可编程的充电功能,并且可以关闭充电功能。
采用普通32.768kHz晶振。
所以用这个芯片来实现时间功能是完全能满足电路的要求的。
DS1302用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上,能实现数据与出现该数据的时间同时记录。
这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。
在测量控制系统中,特别是长时间无人职守的测控系统中,经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。
记录及分析这些特殊意义的数据,对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。
传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样,没有具体的时间记录,因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间;若采用单片机计时,一方面需要采用计数器,占用硬件资源,另一方面需要设置中断、查询等,同样耗费单片机的资源,而且某些测控系统可能不允许。
而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。
DS1302工作电压宽达2.5~5.5V。
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。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品,与DS1202兼容,但增加了主电源/后备电源双电源引脚,同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
2.2.1DS1302的结构及工作原理
图2.3为DS1302的引脚排列及内部结构图,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≥2.5V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始终是输入端。
图2.3DS1302的引脚排列及内部结构图
2.2.2DS1302的控制字
如图2.4所示:
图2.4控制字节的含义
DS1302的控制字节说明如下:
控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入到DS1302中;(位6)如果为0,则表示存取日历时钟数据,为1表示存取RAM数据;(位5)至(位1)指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作,为1表示进行读操作,控制字节总是从最低位开始输出[8]。
2.2.3复位
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提供了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。
如果在传送过程中置RST为低电平,则会终止此次数据传送,并且I/O引脚变为高阻态。
上电运行时,在Vcc≥2.5V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。
2.2.4数据输入输出
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302,数据输入从低位即位0开始。
同样,在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据,读出数据时从低位0位至高位7,数据读写时序见图2.5。
图2.5数据读写时序
2.2.5DS1302的寄存器
DS1302共有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式。
其日历、时间寄存器及其控制字见表2.1。
表2.1DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字
寄存器名
命令字
取值范围
各位内存
写操作
读操作
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
00~59
CH
10SEC
SEC
分钟寄存器
82H
83H
00~59
0
10MIN
MIN
小时寄存器
84H
85H
01~12或00~23
12/24
0
10/AP
HR
HR
日期寄存器
86H
87H
01~28,29,30,31
0
0
10DATE
DATE
月份寄存器
88H
89H
01~12
0
0
0
10M
MONTH
周日寄存器
8AH
8BH
01~07
0
0
0
0
0
DAY
年份寄存器
8CH
8DH
00~99
10YEAR
YEAR
此外,DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。
DS1302与RAM相关的寄存器分为两类,一类是单个RAM单元,共31个,每个单元组态为一个8位的字节,其命令控制字为COH~FDH,其中奇数为读操作,偶数为写操作;再一类为发方式下的RAM寄存器,此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节,命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。
2.2.6DS1302在测量系统中的硬件电路
DS1302与CPU的连接仅需要三条线,即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。
Vcc2在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。
Vcc2在双电源系统中提供主电源,在这种运用方式下Vcc1连接到备份电源,以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。
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。
采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录,其软硬件设计简单,时间记录准确,既避免了连续记录的大工作量,又避免了定时记录的盲目性,给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便,可广泛应用于长时间连续的测控系统中。
2.3调时部分
时钟,难免有不准时的时候,当你时钟显示的时间出现差错的时候,就需要对其进行调时。
本系统的调时部分如图2.6。
图2.6时钟调时部分
其中P3.1口连接出的按键MODEL为选择调时模块按键,可选择日期的年、月、日以及时间的时、分、秒;P3.4口连接出的按键ADD为对所选模块进行加成按键,按一次即对所选模块进行加一处理,直至时间调整到准确值。
2.4温度传感器
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器,在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。
这款温度传感器是具有线路简单,体积小,方便易用等特点,温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位AD转换精度,测量温度分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
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