【正文】 電子萬年歷的仿真與設(shè)計方案一、方案論證 技術(shù)可行性 隨著國內(nèi)超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器及其外圍芯片有了迅速的發(fā)展。集成技術(shù)的最新發(fā)展之一是將CPU和外圍芯片，如程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、并行I/O口、串行I/O口、定時/計數(shù)器、中斷控制器及其他控制部件集成在一個芯片之中，制成單片計算機(jī)（SingleChip Microputer）。而近年來推出的一些高檔單片機(jī)還包括有許多特殊功能單元，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器、通信控制器、鎖相環(huán)、DMA、浮點運(yùn)算單元、PWM控制輸出單元、PWM輸出時的死區(qū)可編程控制功能等。因此，只要外加一些擴(kuò)展電路及必要的通道接口就可以構(gòu)成各種計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)流水線控制系統(tǒng)、作為家用電器的主控制器、分布式控制系統(tǒng)的終端節(jié)點或作為其主控制節(jié)點起中繼的作用、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)等。　　單片機(jī)的出現(xiàn)，并在各技術(shù)領(lǐng)域中得到如此迅猛的發(fā)展，與單片機(jī)構(gòu)成計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所形成的下述特點有關(guān)：　 （1）單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。這些可靠性的獲得除了依靠單片機(jī)芯片本身的高可靠性以及應(yīng)用有最少的聯(lián)接外，還可以方便地采用軟、硬件技術(shù)?！?（2）系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。　 （3）由于構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)是一個計算機(jī)系統(tǒng)，相當(dāng)多的測、控功能由軟件實現(xiàn)，故具有柔性特征，不須改變硬件系統(tǒng)就能適當(dāng)?shù)馗淖兿到y(tǒng)功能?！?（4）有優(yōu)異的性能、價格比。 單片機(jī)的選擇方案一：采用傳統(tǒng)的AT89C52作為電機(jī)的控制核心。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。方案二：采用FTC10F04單片機(jī)，還帶有非易失性Flash程序存儲器。它是一種高性能、低功耗的8位CMOS微處理芯片，市場應(yīng)用最多。其主要特點如下：8KB Flash ROM，可以擦除1000次以上，數(shù)據(jù)保存10年。由于本系統(tǒng)對CPU運(yùn)算速度要求很高，需要執(zhí)行很復(fù)雜的運(yùn)算，方案一成本比較低，適合做設(shè)計，方案二運(yùn)算速度高，性能好，所以兩種方案都有可取之處。選用方案一作為主方案，方案二作為備用方案。時鐘模塊的選擇方案一：用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生1S的時基信號，然后用程序來實現(xiàn)時鐘的時、分、秒計時，同時用程序來產(chǎn)生年、月、日。該方案優(yōu)點是減少使用外設(shè)芯片；缺點是用單片機(jī)模擬時鐘，使編程量增大，且用定時器產(chǎn)生時基信號，精度不高。方案二：使用時鐘芯片DS12C887。優(yōu)點是8位數(shù)據(jù)線并行控制，控制簡單；自帶有鋰電池，外部掉電時，其內(nèi)部時間信息還能夠保持 10年之久。缺點是并行控制，占用太多的IO口，且價格很高，不適合一般的電子制作。方案三：采用DS1302時鐘芯片實現(xiàn)時鐘，DS1302芯片是一種高性能的時鐘芯片，可自動對秒、分、時、日、周、月、年以及閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計數(shù)，而且精度高，位的RAM作為數(shù)據(jù)暫存區(qū)。僅使用3個IO口，占用最少的單片機(jī)資源；其內(nèi)部功能強(qiáng)大。更重要的是其價格便宜，具有非常高的性價比。缺點是串行通信，控制比較復(fù)雜。 綜上，由于本設(shè)計對時間要求較精準(zhǔn)，且具閏年計算功能，因此本設(shè)計選擇方案三，采用時鐘芯片DS1302。 顯示模塊的選擇 方案一：采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描，LED數(shù)碼管價格適中，對于顯示數(shù)字最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機(jī)相連接時，占用的單片機(jī)口線少，但所需要的數(shù)碼管數(shù)量太多，焊接困難極易出錯，所以不采用LED數(shù)碼管作為顯示。方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較合適，如果用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi)，且價格也相對較高，所以也不用此種作為顯示。方案三：采用LCD液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，但是價格昂貴，需要的接口線多。本設(shè)計所需顯示較多且需要文字，又基于設(shè)計要求，所以在本次設(shè)計中采用方案三，使用LCD1602液晶顯示屏。 溫度檢測模塊的選擇方案一：使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個電阻變化的分壓值，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此設(shè)計方案需要A/D轉(zhuǎn)換電路，增加了硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴(yán)格性的，會產(chǎn)生較大的測量誤差。方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，此類傳感器為數(shù)字式傳感器，而且僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，易于與單片機(jī)連接，可以去除A/D模塊，降低了硬件成本，簡化系統(tǒng)電路。另外，數(shù)字式溫度傳感器還具有測量精度高，測量范圍廣等優(yōu)點。根據(jù)上述論述，本設(shè)計采用方案二，選擇數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。 設(shè)置模塊的選擇在對日期、溫度和鬧鐘進(jìn)行切換，對日期和時間進(jìn)行調(diào)節(jié)校準(zhǔn)過程中，系統(tǒng)需要產(chǎn)生激勵電流，因此需要用按鍵。 方案一：使用獨立式鍵盤。獨立式鍵盤是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。 方案二：使用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤是由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，行線、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。其特點是簡單且不增加成本，這種鍵盤適合按鍵數(shù)量較多的場合。 根據(jù)以上的論述，因本系統(tǒng)需要的按鍵不多，日期加加減，月數(shù)加減，年數(shù)加減，分?jǐn)?shù)加減，時數(shù)加減，設(shè)置切換鍵，要求簡單，只需要四個按鍵即可滿足要求。所以采用方案一獨立式鍵盤。鬧鐘模塊此模塊采用無源蜂鳴器實現(xiàn)，只要編寫相應(yīng)的程序即可實現(xiàn)發(fā)出不同頻率的聲音。最終方案決定綜上各方案所述,對此次設(shè)計的方案選定：采用AT89C52作為主控制系統(tǒng)；DS1302提供時鐘；LCD1602液晶顯示器作為顯示；以DS18B20作為檢測溫度的傳感器；用蜂鳴器實現(xiàn)鬧鐘響鈴。二、仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計電路設(shè)計框圖AT89C52主控制模 塊設(shè)置模塊1602液晶顯示模塊 鬧鐘模塊DS1302時鐘模塊DS18B20溫度檢測 圖（1） 總體設(shè)計框圖 單片機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)中央處理系統(tǒng)的方案設(shè)計，選用AT89C52單片機(jī)作為中央處理器，如圖（2）所示。該單片機(jī)除了擁有MCS51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點外，內(nèi)部還具有8K的在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器，低功耗的空閑和掉電模式，極大的降低了電路的功耗，還包含了定時器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等硬件，其硬件能符合整個控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲器芯片和定時器件，方便地構(gòu)成一個最小系統(tǒng)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高。DS1302時鐘電路時鐘電路主要由時鐘芯片DS130晶振等幾部分組成，如下圖所示。DS1302采用3線串行接口，占用引腳少，內(nèi)部集成了可編程日歷時鐘，用戶可以根據(jù)需要通過單片機(jī)的控制來自行設(shè)置，支持雙電源供電，可以使用外部主電源和備用電源，備份電源能夠使時鐘芯片繼續(xù)工作。 圖（3） DS1302管腳圖 圖（4） DS1302時鐘電路DS1302各引腳的功能為：8: Vcc1：備用電池端；1: Vcc2：5V電源。當(dāng)Vcc2Vcc1+，由Vcc2向DS1302供電，當(dāng)Vcc2 Vcc1時，由Vcc1向DS1302供電；7: SCLK：串行時鐘，輸入； 6: I/O：數(shù)據(jù)輸入輸出口；5: CE/RST：復(fù)位腳；3: XX2 是外接晶振腳 （）；4: 地（GND）。DS1302有關(guān)日歷、時間的寄存器：圖（5）DS1302有關(guān)日歷、時間的寄存器秒寄存器（81h、80h）的位7定義為時鐘暫停標(biāo)志（CH）。當(dāng)初始上電時該位置為1，時鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；只有將秒寄器的該位置改寫為0時，時鐘才能開始運(yùn)行。小時寄存器（85h、84h）的位7用于定義DS1302是運(yùn)行于12小時模式還是24小時模式。當(dāng)為高時，選擇12小時模式。在12小時模式時，位5是 ，當(dāng)為1時，表示PM。在24小時模式時，位5是第二個10小時位控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是寫保護(hù)位（WP），其它7位均置為0。在對任何的時鐘和RAM的寫操作之前，WP位必須為0。當(dāng)WP位為1時，寫保護(hù)位防止對任一寄存器的寫操作。也就是說在電路上電的初始態(tài)WP是1，這時是不能改寫上面任何一個時間寄存器的，只有首先將WP改寫為0，才能進(jìn)行其它寄存器的寫操作。DS1302讀寫時序 DS1302是SPI總線驅(qū)動方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。DS1302的控制字如圖（6）：圖（6）DS1302的控制字圖控制字的最高有效位（位7）必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入到DS1302中。位6：如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1（A4～A0）：指示操作單元的地址；位0（最低有效位）：如為0，表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作。讀數(shù)據(jù)：讀數(shù)據(jù)時在緊跟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(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)是從最低位到最高位。寫數(shù)據(jù)：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(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入也是從最低位（0位）開始。顯示電路1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊 它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。顯示電路采用LCD1602液晶顯示，如圖(7)所示，圖中只畫出了其相應(yīng)的接口，3腳用于調(diào)節(jié)LCD1602的背光,6為LCD1602的控制口，用于控制其寫入或是讀出指令，7至14腳為LCD1602的數(shù)據(jù)口，將數(shù)傳送到LCD1602中。 圖（7） LCD1602顯示電路LCD1602的特性：+5V電壓，對比度可調(diào)；內(nèi)含復(fù)位電路；提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能；有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM；內(nèi)建有160個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM,8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM；基本操作時序： 讀狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H；輸出：DB0～DB7=狀態(tài)字 ；寫指令：輸入：RS=L，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0～DB7=指令碼 ；輸出：無。讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=H，E=H；輸出：DB0～DB7=數(shù)據(jù) ；寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0～DB7=數(shù)據(jù) ；輸出：無。LCD1602的各種指令不再一一說明。DS18B20溫度檢測電路通過1820進(jìn)行讀數(shù)據(jù)，將讀出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后送到12864顯示。工作原理介紹：DS18B20是單總線的數(shù)字溫度傳感器。其與單片機(jī)的接口只需要一根數(shù)據(jù)線即可。當(dāng)然連線簡單意味著軟件處理上可能要麻煩一點。DS18B20的內(nèi)部存儲器分為以下幾部分 ROM:存放該器件的編碼。前8位為單線系列的編碼(DS18B20的編碼是19H)后面48位為芯片的唯一序列號。在出場的時候就已經(jīng)設(shè)置好，用戶無法更改。最后8位是以上56位的CRC碼。 RAM：DS18B20的內(nèi)部暫存器共9個字節(jié)。其中第一個和第二個字節(jié)存放轉(zhuǎn)換后的溫度值。第二個和第三個字節(jié)分別存放高溫和低溫告警值。(可以用RAM指令將其拷貝到EEPROM中)第四個字節(jié)為配置寄存器。第5~7個字節(jié)保留。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CRC碼。 圖（8） DS18B20的溫度存放 圖（9）DS18B20電路其中S位符號位。當(dāng)溫度值為負(fù)值時，S = 1 ，反之則S = 0 。我們把得到的溫度數(shù)據(jù)乘上對應(yīng)的分辨率即可以得到轉(zhuǎn)換后的溫度值。 DS18B20的通訊協(xié)議： 在對DS18B20進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格保證讀寫的時序。否則將無法讀取測溫結(jié)果。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟:每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令。這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。 復(fù)位要求主機(jī)將數(shù)據(jù)線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16~160us然后發(fā)出60~240us的存在低脈沖，主機(jī)收到此信號表示復(fù)位成功。圖（10）DS18B20的復(fù)位時序圖。 圖（11）讀操作的時序圖 圖（12） 寫操作的時序圖按鍵電路按鍵電路由四個輕觸開關(guān)組成，如圖(12)所示。按鍵用來調(diào)整時間，其一端直接接到單片機(jī)的端口，另一端接地，當(dāng)按下按鍵時，相應(yīng)的端口變?yōu)榈碗娖剑?，，從而作相?yīng)的操作。 圖（13） 按鍵電路蜂鳴器電路鬧鐘模塊采用單片機(jī)輸出一定頻率的方波從而使蜂鳴器發(fā)出聲音。 圖（14） 方波信號 圖（15） 蜂鳴器電路 三、仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計是本設(shè)計的關(guān)鍵，軟件程序編寫的好壞直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行情況的良好。因本程序涉及的模塊較多，所以程序編寫也采用模塊化設(shè)計，C語言具有編寫靈活、移植方便、便于模塊化設(shè)計的特點，所以本系統(tǒng)的軟件采用C51編寫。開始整個軟件系統(tǒng)采用規(guī)?；某绦蛟O(shè)計方法，共分為時間設(shè)定、鬧鈴設(shè)定、倒計時和溫度檢測系統(tǒng)