课题：基于51单片机的多功能数字时钟系统设计
一、概述、设计思路
该设计方案是以MC51单片机为核心，采用LCD液晶屏幕显示系统，辅以闹钟模块，温度采集模块、日期提醒、键盘时间调整预设置等模块，所构建的数字时钟系统，能动态显示实时时钟的时、分、秒，数据显示(误差限制在30每天)，对闹铃方式与温度调节模块进行了重点设计实现SB0、SB1、SB2、SB3四个键实现时钟正常显示，调时，及闹钟时间设置。本系统设计大部分功能有软件来实现，使电路简单明了，系统稳定性也得大大提高。
二、系统组成与工作原理
1、工作原理：
本设计采用STC89C51单片机作为本次课程设计的控制模块。单片机可把由DS18B20、DS1302、AT24C02中的数据利用软件来进行处理，从而把数据传输到显示模块，实现温度、日历和闹铃的显示。以LCD液晶显示器为显示模块，把单片机传来的的数据显示出来，并且显示多样化，在显示电路中，主要靠按键来实现各种显示要求的选择与切换。
2、总是设计框架图：
图二：系统总体电路图
三、单元电路的设计与分析
整个电子时钟系统电路可分为六大部分：中央处理单元（CPU）、复位电路部分、显示部分、键盘输入部分、温度采集部分。
1、MCS-51单片机
VCC：
89S51 电源正端输入，接+5V。
VSS：
电源地端。
XTAL1：
单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
XTAL2：
系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只
要在XTAL1 和XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系
统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一
20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而
死机。
RESET：
89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp：
"EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。
ALE/PROG：
端口3的管脚设置：
P3.0：RXD，串行通信输入。
P3.1：TXD，串行通信输出。
P3.2：INT0，外部中断0输入。
P3.3：INT1，外部中断1输入。
P3.4：T0，计时计数器0输入。
P3.5：T1，计时计数器1输入。
P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。
P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。
2、复位电路
MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
上电复位：上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST 引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。
电路图如下：
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
3、时钟电路
时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。
电路图如下：
MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。
4、显示电路
采用LCD显示，LCD显示具有丰富多样性，灵活性，电路简单、易于控制而且功耗小，
对于信息量多的系统，是比较适合的,LCD液晶显示模块采用LCD1602型号，具有很低的功耗，正常工作室电流仅 2.0mA/5.0V。通过编程实现总动关闭屏幕能够更有效地降低功耗。LCD1602分两行显示，每行可现实多达16个字符，其内部的字符发生器已经存储了160个不同的点阵字符图形，通过内部指令可实现对其显示多样的控制。
5、按键电路
按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O 端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于
高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。
电路图如下：
P1.0口表示功能移位键，按键选择要调整的时十位、时个位、分十位或分个位。
P1.1口表示数字“+“键，按一下则对应的数字加1。
P1.2口表示数字“-”键，按一下则对应的数字减1。
P1.3口表示时间表的切换，程序默认为日常时间表，当按下该开关，使输入为低电平时，表示当前执行的是考试时间表，并有绿发光二极管显示。再按键，使键抬起，输入维高电平时，表示当前执行的是日常作息时间表，用红发光二级管显示。
6、温度采集部分
此部分选用DS18B20 传感器，主要由四部分组成：64 位ROM、温度传感器、非挥
发的温度报警触发器TH 和TL、配置寄存器。有三个管脚：DQ 为数字信号输入/输出端；GND 为电源地；VDD 为外接供电电源输入端。
电源有两种接法：1）远端因入；2）寄生电源方式。它是支持“一线总线”接口的温度传感器，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C 范围内，可编程为9 位—12 位A/D 转换精度，工作电压在3V—5V 之间。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
###软件设计：
#include
#include
//#include "LCD1602.h"
//#include "DS1302.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit DS1302_CLK = P1^7; //实时时钟时钟线引脚
sbit DS1302_IO = P1^6; //实时时钟数据线引脚
sbit DS1302_RST = P1^5; //实时时钟复位线引脚
sbit wireless_1 = P3^0;
sbit wireless_2 = P3^1;
sbit wireless_3 = P3^2;
sbit wireless_4 = P3^3;
sbit ACC0 = ACC^0;
sbit ACC7 = ACC^7;
char hide_sec,hide_min,hide_hour,hide_day,hide_week,hide_month,hide_year; //秒,分,时到日,月,年位闪的计数
sbit Set = P2^0; //模式切换键
sbit Up = P2^1; //加法按钮
sbit Down = P2^2; //减法按钮
sbit out = P2^3; //立刻跳出调整模式按钮
sbit DQ = P1^0; //温度传送数据IO口
char done,count,temp,flag,up_flag,down_flag;
uchar temp_value; //温度值
uchar TempBuffer[5],week_value[2];
void show_time(); //液晶显示程序
/***********1602液晶显示部分子程序****************/
//Port Definitions**********************************************************
sbit LcdRs = P2^5;
sbit LcdRw = P2^6;
sbit LcdEn = P2^7;
sfr DBPort = 0x80; //P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口
//内部等待函数************************************************************************** unsigned char LCD_Wait(void)
{
LcdRs=0;
LcdRw=1; _nop_();
LcdEn=1; _nop_();
LcdEn=0;
return DBPort;
}
//向LCD写入命令或数据************************************************************ #define LCD_COMMAND 0 // Command
#define LCD_DATA 1 // Data
#define LCD_CLEAR_SCREEN 0x01 // 清屏
#define LCD_HOMING 0x02 // 光标返回原点
void LCD_Write(bit style, unsigned char input)
{
LcdEn=0;
LcdRs=style;
LcdRw=0; _nop_();
DBPort=input; _nop_();//注意顺序
LcdEn=1; _nop_();//注意顺序
LcdEn=0; _nop_();
LCD_Wait();
}
//设置显示模式************************************************************
#define LCD_SHOW 0x04 //显示开
#define LCD_HIDE 0x00 //显示关
#define LCD_CURSOR 0x02 //显示光标
#define LCD_NO_CURSOR 0x00 //无光标
#define LCD_FLASH 0x01 //光标闪动
#define LCD_NO_FLASH 0x00 //光标不闪动
void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode)
{
LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);
}
//设置输入模式************************************************************
#define LCD_AC_UP 0x02
#define LCD_AC_DOWN 0x00 // default
#define LCD_MOVE 0x01 // 画面可平移
#define LCD_NO_MOVE 0x00 //default
void LCD_SetInput(unsigned char InputMode)
{
LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);
}
//初始化LCD************************************************************ void LCD_Initial()
{
LcdEn=0;
LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); //8位数据端口,2行显示,5*7点阵LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);
LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); //开启显示, 无光标
LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN); //清屏
LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE); //AC递增, 画面不动
}
//液晶字符输入的位置************************
void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y)
{
if(y==0)
LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);
if(y==1)
LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40));
}
//将字符输出到液晶显示
void Print(unsigned char *str)
{
while(*str!='\0')
{
LCD_Write(LCD_DATA,*str);
str++;
}
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/***********DS1302时钟部分子程序******************/
typedef struct __SYSTEMTIME__
{
unsigned char Second;
unsigned char Minute;
unsigned char Hour;
unsigned char Week;
unsigned char Day;
unsigned char Month;
unsigned char Year;
unsigned char DateString[11];
unsigned char TimeString[9];
}SYSTEMTIME; //定义的时间类型
SYSTEMTIME CurrentTime;
#define AM(X) X
#define PM(X) (X+12) // 转成24小时制
#define DS1302_SECOND 0x80 //时钟芯片的寄存器位置,存放时间#define DS1302_MINUTE 0x82
#define DS1302_HOUR 0x84
#define DS1302_WEEK 0x8A
#define DS1302_DAY 0x86
#define DS1302_MONTH 0x88
#define DS1302_YEAR 0x8C
void DS1302InputByte(unsigned char d) //实时时钟写入一字节(内部函数) {
unsigned char i;
ACC = d;
for(i=8; i>0; i--)
{
DS1302_IO = ACC0; //相当于汇编中的RRC
DS1302_CLK = 1;
DS1302_CLK = 0;
ACC = ACC >> 1;
}
}
unsigned char DS1302OutputByte(void) //实时时钟读取一字节(内部函数) {
unsigned char i;
for(i=8; i>0; i--)
{
ACC = ACC >>1; //相当于汇编中的RRC
ACC7 = DS1302_IO;
DS1302_CLK = 1;
DS1302_CLK = 0;
}
return(ACC);
}
void Write1302(unsigned char ucAddr, unsigned char ucDa) //ucAddr: DS1302地址, ucData: 要写的数据{
DS1302_RST = 0; // Write1302(0x8e,0x00);
DS1302_CLK = 0;
DS1302_RST = 1;
DS1302InputByte(ucAddr); // 地址，命令
DS1302InputByte(ucDa); // 写1Byte数据
DS1302_CLK = 1;
DS1302_RST = 0;
}
unsigned char Read1302(unsigned char ucAddr) //读取DS1302某地址的数据
{
unsigned char ucData;
DS1302_RST = 0;
DS1302_CLK = 0;
DS1302_RST = 1;
DS1302InputByte(ucAddr|0x01); // 地址，命令
ucData = DS1302OutputByte(); // 读1Byte数据
DS1302_CLK = 1;
DS1302_RST = 0;
return(ucData);
}
void DS1302_GetTime(SYSTEMTIME *Time) //获取时钟芯片的时钟数据到自定义的结构型数组
{
unsigned char ReadValue;
ReadValue = Read1302(DS1302_SECOND);
Time->Second = ((ReadValue&0x70)>>4)*10 + (ReadValue&0x0F); //高三位取出读出乘⑩
ReadValue = Read1302(DS1302_MINUTE);
Time->Minute = ((ReadValue&0x70)>>4)*10 + (ReadValue&0x0F);
ReadValue = Read1302(DS1302_HOUR);
Time->Hour = ((ReadValue&0x70)>>4)*10 + (ReadValue&0x0F);
ReadValue = Read1302(DS1302_DAY);
Time->Day = ((ReadValue&0x70)>>4)*10 + (ReadValue&0x0F);
ReadValue = Read1302(DS1302_WEEK);
Time->Week = ((ReadValue&0x70)>>4)*10 + (ReadValue&0x0F);
ReadValue = Read1302(DS1302_MONTH);
Time->Month = ((ReadValue&0x70)>>4)*10 + (ReadValue&0x0F);
ReadValue = Read1302(DS1302_YEAR);
Time->Year = ((ReadValue&0x70)>>4)*10 + (ReadValue&0x0F);
}
void DateToStr(SYSTEMTIME *Time) //将时间年,月,日,星期数据转换成液晶显示字符串,放到数组里DateString[]
{
if(hide_year<2) //这里的if,else语句都是判断位闪烁,<2显示数据,>2就不显示,输出字符串为2007/07/22
{
Time->DateString[0] = '2';
Time->DateString[1] = '0';
Time->DateString[2] = Time->Year/10 + '0';
Time->DateString[3] = Time->Year%10 + '0';
}
else
{
Time->DateString[0] = ' ';
Time->DateString[1] = ' ';
Time->DateString[2] = ' ';
Time->DateString[3] = ' ';
}
Time->DateString[4] = '/';
if(hide_month<2)
{
Time->DateString[5] = Time->Month/10 + '0';
Time->DateString[6] = Time->Month%10 + '0';
}
else
{
Time->DateString[5] = ' ';
Time->DateString[6] = ' ';
}
Time->DateString[7] = '/';
if(hide_day<2)
{
Time->DateString[8] = Time->Day/10 + '0';
Time->DateString[9] = Time->Day%10 + '0';
}
else
{
Time->DateString[8] = ' ';
Time->DateString[9] = ' ';
}
if(hide_week<2)
{
week_value[0] = Time->Week%10 + '0'; //星期的数据另外放到week_value[]数组里,跟年,月,日的分开存放,因为等一下要在最后显示
}
else
{
week_value[0] = ' ';
}
week_value[1] = '\0';
Time->DateString[10] = '\0'; //字符串末尾加'\0' ,判断结束字符
}
void TimeToStr(SYSTEMTIME *Time) //将时,分,秒数据转换成液晶显示字符放到数组TimeString[]; {
if(hide_hour<2)
{
Time->TimeString[0] = Time->Hour/10 + '0';
Time->TimeString[1] = Time->Hour%10 + '0';
}
else
{
Time->TimeString[0] = ' ';
Time->TimeString[1] = ' ';
}
Time->TimeString[2] = ':';
if(hide_min<2)
{
Time->TimeString[3] = Time->Minute/10 + '0';
Time->TimeString[4] = Time->Minute%10 + '0';
}
else
{
Time->TimeString[3] = ' ';
Time->TimeString[4] = ' ';
}
Time->TimeString[5] = ':';
if(hide_sec<2)
{
Time->TimeString[6] = Time->Second/10 + '0';
Time->TimeString[7] = Time->Second%10 + '0';
}
else
{
Time->TimeString[6] = ' ';
Time->TimeString[7] = ' ';
}
Time->DateString[8] = '\0';
}