【文章內(nèi)容簡介】 小于 100 小時倒計時、世界 16 個城市現(xiàn)在時查詢、 1900 年到 2099 年月歷查詢、八位數(shù)四則運算、百分比計算 M+、 M和 MRC 存儲運算功能貨幣換匯計算。可見，多功能智能化數(shù)字萬年歷是以后萬年歷發(fā)展的方向，基 于微控制芯片的數(shù)字萬年歷可以滿足人們對萬年歷的多功能、界面友好和 智能化的要求， 數(shù)字控制技術(shù) 將引起萬年歷新的重大改變。 本課題所做的工作 首先 ，本課題 對系統(tǒng)主要功能進行分析，確定該系統(tǒng)的主要功能是：陽歷 日期、時間顯示、農(nóng)歷 日期顯示、星期顯示、環(huán)境溫度顯示和定時鬧鈴 ，并可以修改時間，在 修改時間的過程中，可以對月份天數(shù)自動判斷。 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 2 其次 ， 系統(tǒng)設(shè)計要做的工作是電源分析和設(shè)計，該設(shè)計選用的集成芯片都采用 +5V電源 供電， 所以，要先對常見 220V 交流電源進行變換，得到較為穩(wěn)定的、 可以滿足系統(tǒng)要求的 +5V 穩(wěn)壓電源。 最后，要對選用的芯片進行學習，尤其是其工作時序 ，這是實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵。溫度檢測采用 DS18B20，由于 DS18B20 是 單總線溫度傳感器，所以，對其控制需要較嚴格的時序。通過查閱資料和仿真掌握單總線數(shù)字溫度傳感器的時序要求和 工作流程，該系統(tǒng) 主要應(yīng)用了 DS18B20 的跳過 ROM 匹配、溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度指令 等 。 時鐘芯片采用 DS1302，為三總線時鐘芯片， 為了能夠使其正常工作，要學習其中的寄存器格式、寄存器特殊位作用 、讀取時間寄存器數(shù)據(jù)、 寫入時間寄存器數(shù)據(jù)等。DS1302 時鐘芯片內(nèi)部沒有集成備用電源，所以，要對其掉電保護環(huán)節(jié)進行考慮和設(shè)計。 顯示器件選用點陣 帶 字庫型 12864 液晶模塊，由于液晶模塊在寫入指令或數(shù)據(jù)后，要經(jīng)過一段時間才能完成內(nèi)部動作，所以，對其 讀寫控制時要有必要的延時，以等待液晶模塊完成內(nèi)部動作，才能使寫入 的數(shù)據(jù)或指令有效。帶字庫型液晶模塊有基本指令集和擴充指令集，本設(shè)計不需要顯示圖片 ，所以，采用基本指令集。在時間設(shè)定環(huán)節(jié)，要有設(shè)定提示，本系統(tǒng)以 游標閃爍 方式 提示用戶當前所修改的數(shù)據(jù)，為此，要對游標閃爍控制 方式進行學習。 第 2 章 數(shù)字萬年歷硬件設(shè)計 微控制芯片采用 Atmel 公司的 AT89S52，其內(nèi)部 含有 8k 字節(jié) Flash，支持 USBISP編程，十分方便。溫度傳感器選用 DS18B20，它支持 3V～ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。時鐘芯片選用美國 Dallas 公司推出的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片 DS1302。顯示部分選用界面友好的 YM12864R 液晶模塊，其內(nèi)部采用 ST7920A 控制器，內(nèi)置 8192 個中文漢字（ 16 16），編程方便，可以節(jié)約很多的程序存儲器空間。 微控制器選擇 今天，微處理器已經(jīng)無處不在，無論是錄像機、智能洗衣機、移動電話等家電產(chǎn)品，還是汽車引擎控制，以及數(shù)控機床、導彈精確制導等都要嵌入各類不同的微處理石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 3 AT89S5212345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND20VCC403938373635343332EA31ALE30PSEN292827262524232221AT89S52器。微處理器不僅是微型計算機的核心部件，也 是 各種數(shù)字化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件，其芯片管腳如圖所示。 AT89S52芯片管腳 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器。 AT89S52 具有 8K 在線 系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允 許程序存儲器在 線系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在芯片上，具 有靈巧的 8 位 CPU 和在 線 系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器 、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 4 存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復用 口， 在這種模式下， P0 口 具有內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入 口 使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 引腳號第二功能 ： T2（定時器 /計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（ 系統(tǒng)編程用） MISO（ 系統(tǒng)編程用） SCK（ 系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入 口 使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR）時， P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 Flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號 。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入 口 使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下所示。 在 Flash 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。 RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 5 INT1(外中斷 1) TO(定時 /計數(shù)器 0) T1(定時 /計數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 此外， P3 口還接收一些用于 Flash 閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST—— 復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位，其上電復位硬件原理如圖所示。 上電復位硬件原理 ALE/PROG—— 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定 的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位 禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 6 AT89S5212345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND20VCC403938373635343332EA31ALE30PSEN292827262524232221單片機AT89S521KR522ufC130ufC330ufC2+5+512MHZPSEN—— 程序存儲器允許 (PSEN）輸出 ， 是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52 由 外部程序存儲器取指令（或數(shù) 據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 EA/Vpp—— 外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 Vpp。該系統(tǒng)主控制電路硬件原理如圖所示。 系統(tǒng)主控制電路硬件原理 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 7 DS18B20 1 2 3 GND I/O VDD 溫度測量環(huán)節(jié)設(shè)計 如今，溫度傳感器的總類可謂五花八門，各溫度傳感器的精度和控制方式都有所不同，價格也相差很大。如何選擇滿足該系統(tǒng)測量室溫的精度要求，并且價格低廉的溫度傳感器，是一個重要問題。 Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20是 一線總線 接口的溫度傳感器，一線總線具有獨特而經(jīng)濟的特點，性能價格比非常出色 。 該系統(tǒng)需要測量室溫，精度要求不是太高，所以， 該系統(tǒng) 選用 DS18B20 作為溫度傳感器，其管腳排列如圖 所 DS18B20 管腳 微控制器控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前要對DS18B20 進行復位，復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對DS18B20 進行預(yù)定的操作。復位要求微控制器將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒 ，然后釋放，DS18B20 收到信號后等待 16～ 60 微秒 左右，然后發(fā)出 60～ 240 微秒的存在低脈沖，微控制器收到此信號表示復位成功，如果沒有收到復位成功信號，則表示 DS18B20出現(xiàn)問題，可以用來作為系統(tǒng)設(shè)計時的故障提示 、 判斷信號。 DS18B20 的單總線數(shù)據(jù)傳輸特點，決定了它嚴格 的控制時序。微控制器寫 1 時，數(shù)據(jù)線必須先被拉至低電平，然后就被釋放，使數(shù)據(jù)線在 寫時間片開始之后 的 15 微秒 之內(nèi)拉至高電平。微控制器寫 0 時，數(shù)據(jù)線必須先被拉至低電平且至少保持邏輯低電平 60 微秒。微控制器把數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平時，產(chǎn)生讀時間片， 數(shù)據(jù)線必須保持在邏輯低電平至少 1 微秒 ；來 自 DS18B20 的輸出數(shù)據(jù)在讀時間片下降沿之后15 微秒有效。因此 ，為了讀取 從時間片開始算起 15 微秒 的數(shù)據(jù)線狀態(tài)，微控制器必須停止把數(shù)據(jù)線驅(qū)動至低電平。在讀時間片結(jié)束時 ， 數(shù)據(jù)線經(jīng)過外部的上拉電阻拉回至高電平。所有讀時間片的最短持續(xù)期 限為 60 微秒 ， 各個讀時間片之間必須有最短為 1 微秒的恢復時間。其讀寫時序如圖所示。 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 8 讀數(shù)據(jù) 寫 0 60 微秒 15 微秒 45 微秒 15 微秒 45 微秒 15 微秒 DS18B20 寫時間間隙 DS18B20 讀時間間隙 寫 1 +5GND1DQ2VDD3DS18B20DS18B20溫度傳感器 DS18B20讀寫時間間隙 該系統(tǒng)對 DS18B20 進行操作用到的指令為：跳過 ROM 匹配，命令字為 0CCH；溫度轉(zhuǎn)換指令，命令字為 44H；讀溫度指令，命令字為 0BEH。系統(tǒng)溫度檢測部分硬件原理如圖所示。 系統(tǒng)溫度檢測部分硬件電路 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 9 時鐘芯片環(huán)節(jié) DS1302 是美國 Dallas 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具 有閏年補償功能， 采用三線接口與 CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM數(shù)據(jù)。DS1302 內(nèi)部有一個 31 8 的用于臨時 存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。 DS1302 采用主電源 /后備 電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。 DS1302 電路的接口簡單、價格低廉、工作電壓為 ～ ， 使用方便，被廣泛地采用 ,所以 ，該系統(tǒng)選用 DS1302。 DS1302管腳 DS1302 的引腳排列 ,其中 Vcc1 為后備電源， Vcc2 為主電源， 在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘 的連續(xù)運行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當Vcc2 大于 Vcc1＋ 時， Vcc2 給 DS1302 供電。當 Vcc2 小于 Vcc1 時， DS1302 由 Vcc1供電。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復位 /片選線，通過把 RST輸入驅(qū)動至 高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。 RST 輸入有兩種功能：首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當 RST 為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對 DS1302 進行操作。如果在 傳送過程中 RST 置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送。 I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在 Vcc≥ 之前， RST 必須保持低電平，只有在 SCLK為低電平時，才能將 RST置為高電平。 I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 )，SCLK 始終是輸入端。 在對 DS1302 進行讀寫操作 時 ,要首先了解它的控制字。 DS1302 的控制字如圖210 所示。控制字節(jié)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 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) ；石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 10 位 5 至位 1 表示 操作單元的地址 ； 最低有效位 (位 0)如為 0 表示要進行寫操作，為 1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。在控制指令字輸入后的下一個SCLK 時鐘的上升沿 ，數(shù)據(jù)被寫入 DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0 開始。同樣，在緊跟 8 位 控制指令字后的下一個 SCLK 脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從 低位 0 到高位 7。 DS1302控制字 該系統(tǒng)需要對時間進行讀取和 設(shè)定，所以，在掌握控制字之后，還必須熟悉DS1302 內(nèi)部各寄存器的地址和特殊狀態(tài)位，其內(nèi)部 各寄存器的地址和特殊狀態(tài)位如表 21 所示。 系統(tǒng)設(shè)計選擇 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集是本次畢設(shè)中的數(shù)據(jù)來源部分，數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準確性能夠直接后續(xù)設(shè)計過程中的穩(wěn)定性和準確性。數(shù)據(jù)采集模塊由霍爾傳感器利用霍爾原理 來對 自行車行駛過程中的數(shù)據(jù) 進行 采集 （包括脈沖次數(shù)和變化快慢） ，且輸出為數(shù)字量 可直接輸出到單片機的某一接口 。 霍爾效應(yīng)：一塊半導體薄片，其長度為 l， 寬度為 b， 厚度為 d， 置于磁感應(yīng)強度為 B 的磁場中，如果在其相對的兩邊通入電流 I，且電流與磁場垂直，則在半導體的另兩邊將會產(chǎn)生一個電勢 差 Uh， 即 Uh=(RhIB)/d=KhIB(其中 Rh 為霍爾元件的霍爾系1 RAM CK A4 A3 A2 A1 A0 RAM K 石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設(shè)計 11 數(shù)， Kh 為霍爾元件的靈敏度 )，其中該半導體薄片就是霍爾傳感器。半導體長度方向上的兩個金屬電極稱為控制電極（或輸入電極），沿該方向流動的電流 I 稱為控制電流；寬度方向上的兩個電極稱為霍爾電極（或輸出電極） [4]。 霍爾傳感器是一種