基于51單片機的1602顯示帶鬧鐘萬年歷設計

摘? 要：本文介紹了基于STC89C52單片機的多功能電子萬年歷的硬件結(jié)構和軟硬件設計方法。本設計由數(shù)據(jù)顯示模塊、溫度采集模塊、時間處理模塊和調(diào)整設置模塊四個模塊組成。系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制器，以串行時鐘日歷芯片DS1302記錄日歷和時間，它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，還具有閏年補償?shù)榷喾N功能。溫度采集選用DS18B20芯片，萬年歷采用直觀的數(shù)字顯示，數(shù)據(jù)顯示采用1602液晶顯示模塊，可以在LCD1602上同時顯示年、月、日、周日、時、分、秒，還具有時間校準等功能。此萬年歷具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。

關鍵字：單片機,時鐘芯片, 溫度傳感器, 1602液晶顯示器

前言

比較以上三種方案：方案一硬件復雜體積大、功耗大；方案二硬件簡單、功耗?。环桨溉布唵?，顯示內(nèi)容多,功耗小,成本低等。本系統(tǒng)設計要求達到功耗小、體積小、成本低，顯示信息多等要求，權衡三種方案，選擇方案三。

3 系統(tǒng)硬件的設計

根據(jù)上述所確定的系統(tǒng)方案構想，下面進行系統(tǒng)硬件電路的具體設計，系統(tǒng)的具體設計在下面會詳細介紹。

3.1 STC89C52單片機

單片微型計算機是隨著微型計算機的發(fā)展而產(chǎn)生和發(fā)展的。自從1975 年美國德克薩斯儀器公司的第一臺單片微型計算機（ 簡稱單片機）TMS-1000 問世以來，迄今為止，單片機技術已成為計算機技術的一個獨特分支，單片機的應用領域也越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制中經(jīng)常遇到對某些物理量進行定時采樣與控制的問題，在儀器儀表智能化中也扮演著極其重要的角色。

如果將8位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段：

第一階段（1976—1978）：單片機的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola、Zilog等。都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機”一詞即由此而來。

第二階段（1978—1982）：單片機的完善階段。Intel公司在MCS-48基礎上推出了完善的、典型的單片機系列MCS-51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結(jié)構。

（1）完善的外部總線。MCS-51設置了經(jīng)典的8位單片機的總線結(jié)構，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有多機通信功能的串行通信接口。

（2）CPU外圍功能單元的集中管理模式。

（3）體現(xiàn)工控特性的地址空間及位操作方式。

（4）指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。

第三階段（1982—1990）：8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。

第四階段（1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面、深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。

單片機是在集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機，這些元件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時鐘部件的集成和I/O接口電路。由于單片機具有體積小、價格低、可靠性高、開發(fā)應用方便等特點，因此在現(xiàn)代電子技術和工業(yè)領域應用較為廣泛，在智能儀表中單片機是應用最多、最活躍的領域之一。在控制領域中,現(xiàn)如今人們更注意計算機的底成本、小體積、運行的可靠性和控制的靈活性。在各類儀器、儀表中引入單片機，使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，提高計算機的運算速度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構，提高其性能價格比。

單片機主要特點：

（1）有優(yōu)異的性能價格比。

（2）集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性和抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。

（3）控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。

（4）低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。

（5）外部總線增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）及SPI(Serial Peripheral Interface)等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結(jié)構。

（6）單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。

優(yōu)異的性能價格比。

1）集成度高、體積小、有很高的可靠性。

單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。

此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。

2）控制功能強。

為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。

單片機的系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。

VCC：STC89C52電源正端輸入，接+5V。

GND：電源地端。

XTAL1:? 單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。

XTAL2： 系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。

RESET：STC89C52的重置引腳，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。

EA/Vpp："EA"為英文"External Access"的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內(nèi)部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。

ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。STC89C52可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0～A7）鎖進鎖存器中，因為STC89C52是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。

PSEN：此為"Program Store Enable"的縮寫，其意為程序儲存啟用，當8051被設成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。STC89C52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，若將端口2的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8～A15，這個時候P2便不能當做I/O來使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LS TTL負載，同樣地若將端口1的輸出設為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當做定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ堋?/p>

其引腳分配如下：

P3.0：RXD，串行通信輸入。

P3.1：TXD，串行通信輸出。

P3.2：INT0，外部中斷0輸入。

P3.3：INT1，外部中斷1輸入。

P3.4：T0，計時計數(shù)器0輸入。

P3.5：T1，計時計數(shù)器1輸入。

P3.6：WR：外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。

P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。

RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。

圖2 STC89C52單片機引腳圖

3.1.1 最小系統(tǒng)設計

最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機完成較復雜的功能。

STC89C52是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用STC89C52單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，結(jié)構如圖2所示，由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。

圖3 單片機最小系統(tǒng)原理框圖

3.1.2 時鐘電路

STC89C52單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖3所示。在STC89C52單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。

圖4 STC89C52內(nèi)部時鐘電路

3.1.3 復位電路

當在STC89C52單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài))。

復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。

最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位。

除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST(9)端與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復位電路見圖4。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10uF,R取10kΩ。

圖5 STC89C52 復位電路

3.2時鐘芯片DS1302接口設計與性能分析

3.2.1 DS1302性能簡介

DS1302是Dallas公司生產(chǎn)的一種實時時鐘芯片。它通過串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)傳送，能夠向單片機提供包括秒、分、時、日、月、年等在內(nèi)的實時時間信息，并可對月末日期、閏年天數(shù)自動進行調(diào)整；它還擁有用于主電源和備份電源的雙電源引腳，在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。另外，它還能提供31字節(jié)的用于高速數(shù)據(jù)暫存的RAM。

DS1302時鐘芯片內(nèi)主要包括移位寄存器、控制邏輯電路、振蕩器。DS1302與單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送依靠RST，I/O，SCLK三根端線即可完成。其工作過程可概括為：首先系統(tǒng)RST引腳驅(qū)動至高電平，然后在SCLK時鐘脈沖的作用下，通過I/O引腳向DS1302輸入地址/命令字節(jié)，隨后再在SCLK時鐘脈沖的配合下，從I/O引腳寫入或讀出相應的數(shù)據(jù)字節(jié)。因此,其與單片機之間的數(shù)據(jù)傳送是十分容易實現(xiàn)的，DS1302的引腳排列及內(nèi)部結(jié)構圖如圖2：

DS1302引腳說明：

X1，X2???????? 32.768kHz晶振引腳

GND??????????? 地線

RST????? ??????復位端

I/O??????????? 數(shù)據(jù)輸入/輸出端口

SCLK?????????? 串行時鐘端口

VCC1?????????? 慢速充電引腳

VCC2?????????? 電源引腳

圖5 DS1302管腳圖