多功能数字时钟的设计

（ 二 〇 一〇 年 六 月 摘要 数字时钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。本次数字时钟电路根据设计要求采用AT89C51单片机作为控制核心，采用DS1302来实现时、分、秒24小时计时，采用DS18B20来实现温度的测量，采用LED实现显示，采用蜂鸣器实现报警功能。文章的核心主要是硬件设计和软件编程两个大的方面。硬件电路设计主要包括中央处理单元电路、时钟电路、温度测量电路、键盘扫描电路、报警电路。软件用汇编语言及C语言来实现，主要包括主程序、时间设置子程序、温度测量子程序、键盘扫描子程序、报警电路子程序等软件模块。电路实现了显示时间、调整时间、测量并显示温度、报警、闹钟定时等功能，达到了设计的要求和目的。并在伟福软件上进行了仿真和调试。 关键词： 数字时钟；AT89C51；DS1302；DS18B20；LED；蜂鸣器 Abstract Digital clock in their daily lives the most common applications and the most widely. The digital clock circuit according to design requirements using AT89C51 microcontroller as the control, using DS1302 to achieve the hours, minutes, seconds, 24 hours time, using DS18B20 to achieve the temperature measurement, using LED to achieve display, using a buzzer to achieve alarm function. The core of the article is mainly hardware design and software programming. Hardware design includes a central processing unit circuit, clock circuit, temperature measurement circuit, the keyboard scanning circuit, alarm circuit. Using assembly language and C language for software design, including the main program and time setting subroutine, temperature measurement subroutine, the keyboard scan subroutine, subroutines and other software modules alarm circuit. Circuit completed show time, adjustment time, measuring and displaying temperature, alarms, alarm clock timer functions. I complete the design requirements and objectives. And I simulate and test them in Wave software. Keywords: digital clock; AT89C51; DS1302; DS18B20; LED; buzzer 目录 2摘要 4目录 1第一章 绪论 11.1 课题研究背景 21.2 课题研究意义 21.3 本文的主要内容 4第二章 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证及设计 42.1 总体方向的选择 42.1.1 基础FPGA的多功能数字时钟的设计 42.1.2 基于VHDL的多功能数字时钟的设计 42.1.3 基于 单片机的多功能数字时钟的设计 52.2 控制芯片及数字时钟芯片的选择 52.2.1 AT89S51及DS12887芯片 52.2.2 AT89C51及DS1302芯片 72.3 温度测量芯片的选择 82.4 显示部分的选择 82.4.1 静态显示 82.4.2 动态显示 92.5 方案小结 10第三章 核心芯片简介 103.1 AT89C51简介 143.2 DS1302简介 143.2.1 DS1302引脚功能与内部结构 153.2.2 DS1302的控制字 163.2.3 DS1302的复位引脚 163.2.4 DS1302的数据输入输出 163.2.5 DS1302的寄存器 183.3 DS18B20简介 183.3.1 DS18B20特性 193.3.2 DS18B20引脚排列 203.3.3 详细说明 25第四章 系统硬件设计 254.1 硬件主要电路设计 264.2 时钟电路的设计 274.3 温度测量电路的设计 284.4 键盘扫描电路的设计 294.5 显示电路的设计 304.6 报警电路设计 314.7 AT89C51复位电路，时钟电路 324.8 单片机系统电路图 33第五章 系统软件设计 34结论 35参考文献 36谢辞 第一章 绪论 计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。单片机在这种情况下诞生了。截止今日，单片机应用技术飞速发展，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。 单片计算机即单片微型计算机。（Single-Chip Microcomputer ）,是集CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。 本文通过对一个基于单片机的能实现时间，闹钟，测量温度，报警等功能的多功能数字时钟的设计学习，详细介绍了单片机应用中的数据转换显示，液晶显示原理。从而达到学习、了解单片机相关指令在各方面的应用。系统由AT89C51、DS1302时钟芯片、DS18B20、8位数码管、键盘等部分构成，能进行时、分、秒的显示，也具有年、月、日的显示，定时时间报警、测量温度功能。 1.1 课题研究背景 人类的生活和工作均离不开时钟。从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了准确的测量和 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 时间，人们一直在努力改进着计时工具。钟表的数字化，大力推动了计时的精确性和可靠性。在单片机构成的装置中，数字时钟是必不可少的部件。它的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱。随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。 近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。 1.2 课题研究意义 基于MCS-51单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点。 单片机自诞生以来给全世界人类的生活和工作起到了剧烈的变化，而MCS-51单片机是我国使用最早、最易掌握和应用的一款单片机。通过该系统的设计，对单片机的原理和功能有个较系统和全面的掌握，初步学习到有关工程设计的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和思路。这样以后的就业面会更加宽广，也可以满足当今社会对单片机开发人才的大量需。 纵观传统的电路设计，大部分是采用分立元件进行设计，既复杂成本又高。随着集成化的发展，现在系统的设计都是在模块化的基础上设计系统的。 本课题是基于智能化和模块化的前提下设计数字时钟的，通过对设计目标的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，分立出各个模块，然后根据各个模块的功能，选择适当的芯片进行设计的。 本课题的研究，对智能化、模块化设计具有较强的推广应用价值。 1.3 本文的主要内容 本文的主要内容是利用51单片机设计一个数字时钟系统，使其实现以下功能： 1.数字显示 利用八段数码管实现世界的数字化显示，显示包括时、分、秒、星期、年、月、日、温度以及闹钟定时时间。 2.闹钟功能 能够实现预定时间的设定，到时报警提醒，手动终止报警和无人应答自动终止报警。 3.温度测量功能 能够实现环境温度的测量且显示。温度测量包括单路温度测量和多路温度测量。 第二章 方案论证及设计 2.1 总体方向的选择 2.1.1 基础FPGA的多功能数字时钟的设计 基于FPGA的数字时钟设计方法：DCM（数字时钟管理器）。DCM使用完全数字反馈系统确保多个时钟同步，使用完全数字延线技术可以精确控制时钟的频率和相位。用户可以编程控制时钟任意倍率和分频及任意相位移动，使用非常方便可靠。 缺点：设计较为复杂，成本高，无法实现温度测量功能 2.1.2 基于VHDL的多功能数字时钟的设计 利用VHDL硬件描述语言设计的多功能数字时钟的思路，在MAX+PLUSⅡK开发环境中编译和仿真了所设计的程序，并在可编程逻辑器上下载验证。 缺点：结构简单，实现功能不全面 2.1.3 基于 单片机的多功能数字时钟的设计 基于MCS-51单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点。系统的设计是在模块化的基础上设计系统的。基于智能化和模块化的前提下设计数字时钟的，通过对设计目标的分析，分立出各个模块，然后根据各个模块的功能，选择适当的芯片进行设计的。对智能化、模块化设计具有较强的推广应用价值。 通过以上三种设计方案的比较,我们可以看到,设计方案三综合性能良好。所以选用第三种设计方案 2.2 控制芯片及数字时钟芯片的选择 2.2.1 AT89S51及DS12887芯片 使用并行接口时钟芯片DS12887设计时钟电路。该设计方案用AT89S51主控，利用并行时钟芯片DS12887为核心计时芯片，组成数字时钟电路。该电路能够准确计时，还附加许多其它功能，在掉电时能保存用户设置参数和故障状态参数等重要参数。设计电路图如下 图2.1 S12887与CPU接口电路 该设计虽然能完成所要求的任务，综合性能也较好，但其并行接口方式占用大量接口资源，给其它设计带来诸多不便。 2.2.2 AT89C51及DS1302芯片 使用串行接口时钟芯片DS1302设计时钟电路。该设计方案以单片机AT89C51为主控芯片，以串行时钟芯片DS1302为核心计时芯片，组成数字时钟电路。该电路不但能准确地计时，而且，其三线接口可以节省接口资源，在断电后不丢失时间和数据信息。该设计方案的接口电路如图所示 图2.2 DS1302与C51的接口电路 通过以上两种设计方案的比较,我们可以看到,设计方案二接口简单,计时可靠,综合性能良好。所以选用第二种设计方案。 2.3 温度测量芯片的选择 DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗低、抗干扰能力强、使用简单等优点。它的ROM中存有其芯片的唯一标识码，即任意两个DS18B20的标识码是不同的，特别适合于微处理芯片构成多点温度测控系统。它支持“一线总线”接口，使用户可以轻松地组建传感器网络。其内部采用在板温度测量专利技术，测量范围为-55~+125℃，精度为0.5℃。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的稳定报警触发器TH和TL、配置寄存器。 该芯片非常适合本设计，予以采用。 2.4 显示部分的选择 用单片机驱动LED数码管显示有很多方法，按显示方式分有静态显示和动态显示。 2.4.1 静态显示 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出去后，数码管始终显示该数据(不变)，CPU不再控制LED。到下一次显示时，再传送一次新的显示数据。 静态显示的接口电路采用一个并行口接一个数码管，数码管的公共端按共阴极或共阳极分别接地或接VCC。这种接法，每个数码管都要单独占用一个并行I/O口，以便单片机传送字形码到数码管控制数码管的显示。显然其缺点就是当显示位数多时，占用I/O口过多。 为了解决静态显示I/O口占用过多的问题，可采用串行接口扩展LED数码管的技术。静态显示方式的优点是显示的数据稳定，无闪烁，占用CPU时间少。其缺点是由于数码管始终发光，功耗比较大。 2.4.2 动态显示 动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的COM端，使每个显示器轮流电亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。动态驱动一般用于多位LED数码管显示，主要是节省驱动管脚，减少器件 通过以上两种设计方案的比较,我们可以看到,设计方案二可靠,综合性能更好。所以选用第二种设计方案。 2.5 方案小结 通过上面的方案选择，我使用串行接口时钟芯片DS1302设计时钟电路，使用DS18B20设计温度测量电路。该设计的硬件电路由主控部分(单片机AT89S51)、计时部分（实时时钟芯片DS1302）、测量温度部分（DS18B20）显示部分（动态显示）、电源部分几个部分组成。各部分之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现设计所需求的功能。 第三章 核心芯片简介 3.1 AT89C51简介 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示主要特性： 　　 •与MCS-51 兼容 •4K字节可编程闪烁存储器 　　•寿命：1000写/擦循环 　　•数据保留时间：10年 　　•全静态工作：0Hz-24MHz 　　•三级程序存储器锁定 　　•128×8位内部RAM 　　•32可编程I/O线 　　•两个16位定时器/计数器 　　•5个中断源 　　•可编程串行通道 　　•低功耗的闲置和掉电模式 •片内振荡器和时钟电路 管脚说明： 　　VCC：供电电压。 　　GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入 P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 　　/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 　　/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 　　XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 　　XTAL2：来自反向振荡器的输出。 　　振荡器特性: 　　XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.2 DS1302简介 DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5V。时钟可工作在24小时格式或12小时（AM/PM）格式。 DS1302与单片机的接口使用同步串行通信，仅用3条线与之相连接。可采用一次传送一个字节或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／后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 3.2.1 DS1302引脚功能与内部结构 DS1302的引脚功能如表1所示，外形及内部结构如图3.1所示： 表3.1 DS1302引脚功能表 引脚号 引脚名称 功能 1 VCC2 主电源 2、3 X1、X2 振荡源，外接32768Hz晶振 4 GND 地线 5 RST 复位/片选线 6 I/O 串行数据输入/输出端（双向） 7 SCLK 串行时钟输入端 8 VCC1 后备电源 图3.1 DS1302管脚图及内部结构图 3.2.2 DS1302的控制字 DS1302的控制字节如图3.2所示： 7 6 5 4 3 2 1 0 1 RAM A4 A3 A2 A1 A0 RAM 图3.2 DS1302控制字节的含义 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。 3.2.3 DS1302的复位引脚 通过把 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。 输入有两种功能：首先， 接通控制逻辑，允许地址／命令序列送入移位寄存器；其次， 提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。当 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 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， 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。 3.2.4 DS1302的数据输入输出 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8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302数据，读出数据时从低位0位至高位7，数据读写时序如下图所示： 图3.3 数据读写时序 3.2.5 DS1302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。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RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器分为两类，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，其命令控制字尾COH—FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下得RAM寄存器，次方式可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字尾FEH（写）、FFH（读）。 表3.2 DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字 寄存器名 命令字 取值范围 各位内容 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 分寄存器 82H 83H 00--59 0 10MIN MIN 时寄存器 84H 85H 01-12或00-23 12/24 0 10 HR HR 日寄存器 86H 87H 01-28,29,30,31 0 0 10DATE DATE 月寄存器 88H 89H 01--12 0 0 0 10M MONTH 周寄存器 8AH 8BH 01--07 0 0 0 0 0 DAY 年寄存器 8CH 8DH 00--99 10YEAR YEAR 3.3 DS18B20简介 DS1820 数字温度计提供 9 位温度读数,指示器件的温度。 信息经过单线接口送入 DS1820或从DS1820送出，因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线（和地）。读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DS1820 有唯一的系列号（silicon serial number），因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件，此特性的应用范围包括 HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。 3.3.1 DS18B20特性 • 独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信 • 多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化 • 不需要外部元件 • 可用数据线供电 • 不需备份电源 • 测量范围从-55 至+125，增量值为 0.5 • 以9位数字值方式读出温度 • 在1秒 典型值内把温度变换为数字 • 用户可定义的 非易失性的温度告警设置 • 告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况） • 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统 3.3.2 DS18B20引脚排列 图3.4 引脚说明 GND 地 DQ 数字输入输出 VDD 可选的 VDD NC 空引脚 DNC 不连接 引脚 8脚SOIC 引脚 FR35 符号 说明 5 1 GND 地 4 2 DQ 单线运用的数据输入/输出引脚 漏极开路见寄生电源一节 3 3 VDD 可选VDD的引脚。 表3.3 详细的管脚说明 3.3.3 详细说明 • 综述 图3.5的方框图表示 DS1820的主要部件DS1820有三个主要的数据部件164 位激光 lasered，ROM;2温度灵敏元件和3非易失性温度告警触发器TH和TL器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内把能量贮存在内部的电容器中。在单信号线为低电平的时间期内，断开此电源直到信号线变为高电平重新接上寄生电容电源为止。作为另一种可供选择的方法，DS1820也可用外部5V电源供电。 图3.5 DS18B20方框图 与DS1820的通信经过一个单线接口，在单线接口情况下，在ROM操作未定建立之前不能使用，存贮器和控制操作主机必须首先提供五种ROM操作命令之一： 1 Read ROM(读ROM)；2 Match ROM(符合 ROM)；3 Search ROM(搜索 ROM)；4 Skip ROM(跳过 ROM)； 5 Alarm Search(告警搜索)。这些命令对每一器件的64位激光ROM部分进行操作。如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了ROM 操作序列之后可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。一个控制操作命令指示DS1820完成温度测量，该测量的结果将放入DS1820的高速暂存便笺式存贮器Scratchpad memory，通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果。每一温度告警触发器TH和TL构成一个字节的EEPROM，如果不对DS1820施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器，使用存储器操作命令可以写TH和TL对这些寄存器的读访问通过便笺存储器，所有数据均以最低有效位在前的方式被读写。 • 寄生电源(parasite power) 方框图(图 3.5)示出寄生电源电路当I/O或VDD引脚为高电平时，这个电路便取得电源 。只要符合指定的定时和电压要求I/O将提供足够的功率标题为单总线系统一节，寄生电源的优点是双重的1利用此引脚远程温度检测，无需本地电源2缺少正常电源条件下也可以读ROM，为了使DS1820能完成准确的温度变换，当温度变换发生时，I/O线上必须提供足够的功率，因为DS1820的工作电流高达1mA，5K的上拉电阻将使I/O线没有足够的驱动能力。如果几个DS18B20 在同一条I/O线上而且企图同时变换那么这一问题将变得特别尖锐有两种方法确保DS1820在其有效变换期内得到足够的电源电流。第一种方法是发生温度变换时，在I/O线上提供一强的上拉，如图3.6所示，通过使用一个MOSFET把I/O 线直接拉到电源可达到这一点。当使用寄生电源方式时 VDD引脚必须连接到地向 DS1820供电的另外一种方法是通过使用连接到 VDD引脚的外部电源，如图3.7所示，这种方法的优点是在I/O线上不要求强的上拉，总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。此外，在单线总线上可以放置任何数目的DS1820，而且如果它们都使用外部电源，那么通过发出跳过 Skip ROM命令和接着发出变换Convert T命令可以同时完成温度变换。注意只要外部电源处于工作状态GND地引脚不可悬空。 图3.6 强上拉在温度变换期内向 DS1820供电 在总线上主机不知道总线上DS1820是寄生电源供电还是外部 VDD供电的情况下在DS1820内采取了措施来通知采用的供电方案。总线上主机通过发出跳过Skip ROM的操作约定，然后发出读电源命令，可以决定是否有需要强上拉的 DS1820，在总线上在此命令发出后主机接着发出读时间片，如果是寄生供电 DS1820 将在单线总线上送回0。如果由 VDD引脚供电，它将送回 1，如果主机接收到一个0，它知道它必须在温度变换期间在I/O线上供一个强的上拉。 • 测量温度 DS1820 通过使用在板on-board 温度测量专利技术来测量温度，温度测量电路的方框图见图3.7所示： 图 3.7 使用 VDD提供温度变换所需电流 图3.8 温度测量电路 DS1820 通过门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度，而门开通期由高温度系数振荡器决定计数器予置对应于-55 的基数，如果在门开通期结束前计数器达到零，那么温度寄存器它也被予置到-55的数值将增量指示温度高于-55；同时计数器用钭率累加器电路所决定的值进行予置，为了对遵循抛物线规律的振荡器温度特性进行补偿，这种电路是必需的。时钟再次使计数器计值至它达到零，如果门开通时间仍未结束那么此过程再次重复。 钭率累加器用于补偿振荡器温度特性的非线性，以产生高分辩率的温度测量。通过改变温度每升高一度，计数器必须经历的计数个数来实行补偿。因此为了获得所需的分辩率，计数器的数值以及在给定温度处每一摄氏度的计数个数 （钭率累加器的值）二者都必须知道。 此计算在DS1820内部完成以提供0.5的分辩率温度读数，以16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。表3.4说明输出数据对测量温度的关系数据在单线接口上串行发送DS1820，可以以0.5的增量值在0.5至+125的范围内测量温度。对于应用华氏温度的场合必须使用查找表或变换系数。 注意，在DS1820中温度是以1/2 LSB （最低有效位）形式表示时产生以下9位格式： MSB（最高有效位） （最低有效位） LSB 1 1 1 0 0 1 1 1 0 =-25℃ 最高有效符号位被复制到存储器内两字节的温度寄存器中较高MSB的所有位 这种符号扩展产生了如表3.4所示的16位温度读数。 以下的过程可以获得较高的分辩率。首先，读温度并从读得的值截去0.5位(最低有效位)，这个值便是（TEMP_READ），然后可以读留在计数器内的值。此值是门开通期停止之后计数剩余，所需的最后一个数值是在该温度处每一摄氏度的计数个数(COUNT_PER_C) ，于是用户可以使用下式计算实际温度： 温度 数字输出（二进制） 安息字输出（十六进制） +125 00000000 11111010 00FAH +25 00000000 00110010 0032H +0.5 00000000 00000001 0001H +0 00000000 00000000 0000H -0.5 11111111 11111111 FFFFH -25 11111111 11001110 FFCEH -55 11111111 10010010 FF92H 表3.4 温度/数据关系 第四章 系统硬件设计 4.1 硬件主要电路设计 本系统设计的硬件电路由主控部分（AT89C51）、计时部分（DS1302）、测温部分（DS18B20）、显示部分（八段数码管）、按键部分（开关按钮）、报警部分（蜂鸣器）6个部分组成。各部分之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现多功能数字时钟的功能。各部分的硬件电路设计如下。设计总电路图见附录一。 图4.1 总体功能框图 4.2 时钟电路的设计 时钟芯片DS1302与单片机AT89C51的接口是由3条线来完成的，单片机AT89C51的P1.6与时钟芯片的数据传输端相连，P1.7用来作为DS1302输入时钟SCLK控制端,P1.5控制DS1302的复位输入端。DS1302接标准32.768KHz石英晶振。DS1302与单片机的接口电路如图所示： 4.3 温度测量电路的设计 DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗低、抗干扰能力强、使用简单等优点。它的ROM中存有其芯片的唯一标识码，即任意两个DS18B20的标识码是不同的，特别适合于微处理芯片构成多点温度测控系统。它支持“一线总线”接口，使用户可以轻松地组建传感器网络。其内部采用在板温度测量专利技术，测量范围为-55~+125℃，精度为0.5℃。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的稳定报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20与单片机的接口电路如图所示： 4.4 键盘扫描电路的设计 4.5 显示电路的设计 采用共阳极数码管，采用8位串入并出74HC164移位寄存器驱动数码管，如下图所示，它的每一个输出引脚具有20mA的驱动能力。对于小型LED数码管，还有串联200~360的限流电阻。其电路图如下所示： 4.6 报警电路设计 4.7 AT89C51复位电路，时钟电路 4.8 单片机系统电路图 前面介绍了系统的各单元的电路设计，下面从总体上设计课题的硬件，其电路图如附录所示。 第五章 系统软件设计 本设计，程序采用汇编语言进行设计。程序中主要有以下几个主要子程序：DS1302初始化、读写程序，DS18B20初始化、读写程序，数码管显示程序。程序清单见附录。 结论 本设计利用单片机AT89C51控制串行实时时钟芯片DS1302构成数字时钟电路，实现计时功能。数字时钟电路使用简单的三线接口，为单片机节省大量的接口资源，时钟芯片DS1302带有后备电池，具备对后背电源进行涓细电流充电的能力，保证电路断电后仍保存时间和数据信息，这些优点解决了目前常用实时时钟占用单片机资源多以及计时不可靠等缺点。 本设计利用AT89C51控制单线数字温度传感器芯片DS18B20构成温度测量电路，实现温度的测量。该电路使用一线接口，为单片机节省大量的接口资源，DS18B20可用数据线充电，不需要备份电源。 该时钟功能强大，性能优越，能为很多领域，特别是对时钟工作的精确性和可靠性有较高要求的场合，提供较好的实时时钟。但是，由于DS1302易受环境影响，会使该电路出现时钟精度不高、时钟混乱等问题，DS18B20测量温度不够精确，这些问题还有待继续研究和改进。 参考文献 [1] 宋克柱．基于FPGA的数字时钟设计．核电子学与探测技术．2008年28卷（第5期） [2] 樊永宁．张晓丽．基于VHDL的多功能数字钟的设计．工矿自动化．2006年第三期 [3] 张元良．王建军．智能仪表开发技术．北京市．机械工业出版社．2009年 [4] 唐精隆．基于MCS-51单片机的数字时钟系统设计．西安工业大学毕业论文．2009年 [5] AT89C51中文资料 [6] DS1320中文资料 [7] DS18B20中文资料 [8] 王胜男．张健．张志坚．多功能数字时钟设计．中国电子商务．2009年8月 [9] 盛蒙蒙. 葛亦斌. 邱烨．马栋．基于单片机实现多功能数字钟的系统设计．电子科学. 009年 [10] 彭小军．用单片机实现电子时钟．新余高专学报．2004年9月． [11] 刘建英．基于单片机应用技术. ．高等教育出版社．2006年4月． [12] 杨刚．周群．电子系统设计与实践．北京电子工业出版社．2004． [13] 余永权．ATMEL89系列单片机应用技术．北京．北京航空航天大学出版社．2002． [14] M.K.Nazeeruddin．M.gratzel．Transition metal complexes for photovoltaic and light emitting applications．Springer berlin/Heidelberg．2007．5．9． [15] Ezra N.hoch．Danny dolev．Ariel daliot．Self-atabilizing Byzantine digital clock synchronization．Springer berlin/Heidelberg．2007．6．27． [16] Amr 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