基于DS1302实时日历时钟显示系统的设计 毕业论文

毕业设计（论文）

基于DS1302实时日历时钟显示系统的设

计

教学系：电子信息工程

指导教师：熊利祥

专业班级：电信1074

学生姓名：李琦

二零一一年六月

毕业设计(论文)任务书

毕业设计(论文)开题报告

注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后三周内完成；

2．设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；

3．指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论

郑重声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

本人签名：日期：

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

1 绪论 (3)

1.1 数字电子钟的背景 (3)

1.2 数字电子钟的意义 (3)

1.3 数字电子钟的应用 (3)

2 实时日历电子钟的总体设计 (4)

2.1 系统概述 (4)

2.2 方案选择 (4)

2.2.1 方案1——基于A T89C51单片机的电子万年历设计 (4)

2.2.2 方案2——基于DS1302的电子万年历设计 (4)

3 系统硬件电路的设计 (6)

3.1 系统核心部分——闪电存储型器件AT89C51 (6)

3.1.1 AT89C51具有下列主要性能： (6)

3.1.2 AT89C51的引脚及功能 (6)

3.2 DS1302时钟电路 (8)

3.2.1 DS1302芯片介绍 (8)

3.2.2 DS1302 的应用 (12)

3.3 液晶显示电路 (12)

3.3.1 液晶显示控制驱动器HD44780的特点 (12)

3.3.2 液晶显示控制驱动器HD44780的引脚功能 (13)

3.3.3 液晶显示控制驱动器HD44780的指令系统 (13)

3.3.4 LM041L的电路结构特点 (16)

3.3.5 LM041L的应用 (16)

3.4 键盘电路 (17)

3.5 闹铃电路 (17)

4 系统程序的设计 (19)

4.1 时间程序的设计 (19)

4.2 时间调整程序设计 (19)

4.3 闹钟程序设计 (20)

5 测试结果 (22)

6 结论 (23)

参考文献 (24)

附录1：实时日历电子钟设计电路原理图 (25)

附录2：主程序 (26)

致谢 (46)

摘要

在日新月异的21世纪里，家用电子产品得到了迅速发展。许多家电设备都趋于人性化、智能化，这些电器设备大部分都含有CPU控制器或者是单片机。单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统、通讯设备、日常消费类产品和玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各个方面，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器（冰箱、空调、彩电）等。用单片机来控制的小型家电产品具有便携实用，操作简单的特点。

本文设计的电子万年历属于小型智能家用电子产品。利用单片机进行控制，实时时钟芯片DS1302时钟芯片进行记时，外加存储电路和显示电路，可实现时间的调整和显示。电子万年历既可广泛应用于家庭,也可应用于银行、邮电、宾馆、医院、学校、企业、商店等相关行业的大厅，以及单位会议室、门卫等场所。因而，此设计具有相当重要的现实意义和实用价值。

关键词：单片机；DS1302；智能

ABSTRACT

In the rapidly changing 21st century, home electronics products have been developed rapidly. Many household appliances have tended to be humane, intelligent, most of which containing CPU controller or microcontroller. In recent years,Microcontroller has been the rapid development and large-scale promotion with its high reliability, high cost, low voltage, low power consumption and a series of advantages. It has been widely used in industrial control systems, communications equipment, everyday consumer products and toys. In addition it has gone deep into all aspects of industrial production and every aspect of people's lives, such as plant assembly line control, automation systems, intelligent home appliances (refrigerators, air conditioners, color TV). Using a microcontrollercontrolling of small home appliance product has portable practical, simple operation characteristic.

The paper presents the design of electronic calendar belongs to a small intelligent household https://www.360docs.net/doc/2b13704002.html,ing single-chip microcomputer control, real-time clock chips DS1302for timing, plus off electricity storage circuit and display circuit,it can realize the time of adjustment and display.It is not only widely used in household electronic calendar ,but also be used in banking, telecommunications, hotels, hospitals, schools, businesses, shops, halls and other related industries, the unit conference room, concierge and other places. Thus, this design has very important practical significance and practical value.

Key words:Microcontroller; DS1302; intelligent

1 绪论

1.1 数字电子钟的背景

20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

1.2 数字电子钟的意义

数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远生产生活带超过老式钟表, 钟表的数字化给人们来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。-3- 陕西航空职业技术学院毕业设计

1.3 数字电子钟的应用

数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。

2 实时日历电子钟的总体设计

2.1 系统概述

按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由主控模块、时钟模块、存储模块、键盘接口模块、显示模块和闹铃模块共6个模块组成，电路系统构成框图如图2-1所示。主控芯片使用52系列A T89S52单片机，时钟芯片使用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302，存储模块采用美国ATMEL公司生产的低功耗CMOS串行EEPROM存储芯片AT24C02。DS1302作为主要计时芯片，可以做到计时准确。更重要的是，DS1302可以在很小电流的后备（2.5～5.5V电源，在2.5V时耗电小于300nA）下继续计时，并可编程选择多种充电电流来对后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电。

2.2 方案选择

由于电子万年历的种类比较多，因此方案选择在设计中是至关重要的。正确地选择方案可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。

2.2.1 方案1——基于AT89C51单片机的电子万年历设计

不使用时钟芯片，而直接用AT89S52单片机来实现电子万年历设计。AT89C51是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦写1000余次。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A T89S52是一种高效微控制器，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。

若采用单片机计时，利用它的一个16位定时器/计数器每50ms产生一个中断信号，中断20次后产生一个秒信号，然后根据时间进制关系依次向分、时、日、星期、月、年进位。这样就实现了直接用单片机来实现电子万年历设计。

用单片机来实现电子万年历设计，无须外接其他芯片，充分利用了单片机的资源。但是精度不够高，误差较大，掉电后丢失所有数据，软件编程较复杂。

2.2.2 方案2——基于DS1302的电子万年历设计

在以单片机为核心构成的装置中，经常需要一个实时的时钟和日历，以便对一些实时发生事件记录

等。它们已能完全满足单片机系统对实时时钟的要求，但是这些芯片与单片机接口复杂、占用地址, 数据总线接线多、芯片体积大占用空间多、近年来串行接口的各种芯片在单片机系统中应用愈来愈多，串行接口的实时时钟芯片也出现了不少，DS1302是一个综合性能较好且价格便宜的串行接口实时时钟芯片。

利用单片机进行控制，采用DS1302作为实时时钟芯片，其三线接口SCLK、I/O、/RST与单片机进行同步通信，外加掉电存储电路、显示电路、键盘电路，即构成一个基本的电子万年历系统，若还要添加其他功能，在这基础上外扩电路即可。

由于在系统设计时，需要考虑以下几点因素：功耗低、精确度高、软件编程较简单，芯片的体积小、芯片成本低等，而DS1302芯片有上面所述的诸多优点，所以本设计采用方案2。

3 系统硬件电路的设计

按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由主控模块、时钟模块、存储模块、键盘接口模块、显示模块和闹铃模块共6个模块组成，电路系统构成框图如图3-1所示。主控芯片使用52系列A T89S52单片机，时钟芯片使用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302，存储模块采用美国ATMEL公司生产的低功耗CMOS串行EEPROM存储芯片AT24C02。DS1302作为主要计时芯片，可以做到计时准确。更重要的是，DS1302可以在很小电流的后备（2.5～5.5V电源，在2.5V时耗电小于300nA）下继续计时，并可编程选择多种充电电流来对后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电。

图3-1 实时日历时钟电路系统构成框图

3.1 系统核心部分——闪电存储型器件AT89C51

3.1.1 AT89C51具有下列主要性能：

·8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除周期）

·全静态工作：0Hz～24MHz

·三级程序存储器保密

·128×8字节内部RAM

·32条可编程I/O线

·2个16位定时器/计数器

·6个中断源

·可编程串行通道

·片内时钟振荡器

3.1.2 AT89C51的引脚及功能：

AT89S52单片机的管脚说明如图3-2所示。

图3-2 AT89C51的管脚

(1) 主要电源引脚

①VCC 电源端

②GND 接地端

(2) 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

①XTAL1 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

②XTAL2 接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。

(3) 控制或与其它电源复用引脚RST、ALE//PROG、/PSEN和/EA/VPP

①RST 复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

②ALE//PROG 当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。

③/PSEN 程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89S52/LV52由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次/PSEN有效（既输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

④/EA/VPP 外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则/EA 端必须保持低电平（接到GND端）。当/EA端保持高电平（接VSS端）时，CPU则执行内部程序存

(4) 输入/输出引脚P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7 和P3.0～P3.7

①P0端口（P0.0～P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。

②P1端口（P1.0～P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

③P2端口（P2.0～P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

④P3端口（P3.0～P3.7）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，这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能，这些特殊功能见表3-1。

表3-1 P3端口的特殊功能

3.2 DS1302时钟电路

3.2.1 DS1302芯片介绍

低功耗时钟芯片DS1302可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。

采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都

来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。

（1）DS1302的性能特性

·实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数；

·用于高速数据暂存的31×8位RAM；

·最少引脚的串行I/O；

·2.5～5.5V 电压工作范围；

·2.5V时耗电小于300nA；

·用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送方式；

·简单的3线接口；

·可选的慢速充电（至VCC1）的能力。

DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月和月末的日期自动进行调整，还包括闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24h或带AM（上午）/PM（下午）的12h格式。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302有主电源/后备电源双电源引脚：VCC1 在单电源与电池供电的系统中提供低电源，并提供低功率的电池备份；VCC2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中，VCC1 连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由VCC1或VCC2中较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电；当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。

(2) DS1302数据操作原理

DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高电平，然后把8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输入。无论是读周期还是写周期，开始8位指定40个寄存器中哪个被访问到。在开始8个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器之后，另外的时钟周期在读操作时输出数据，在写操作时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加字节数，最大可达248字节数。

图3-3 DS1302管脚图

如果在传送过程中置RST为低电平，则会终止本次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC >=2.5V之前，RST脚必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。DS1302的管脚图如图3-3所示，内部结构图如图3-4所示，表3-2为各引脚的功能。

GND

SCL

图3-4 DS1302内部结构图

表3-2 DS1302引脚功能表

DS1302的控制字如图3-5所示。控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1；如果它为逻辑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5～1（A4～A0）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入/输出。

图3-5 控制字节的含义

为了提高对32个地址的寻址能力（地址/命令位1～5＝逻辑1），可以把时钟/日历或RAM寄存器规定为多字节（burst）方式。位6规定时钟或RAM，而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址9～31或RAM寄存器中的地址31不能存储数据。在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始。必须按数据传送的次序写最先的8个寄存器。但是，当以多字节方式写RAM时，为了传送数据不必写所有31字节。不管是否写了全部31字节，所写的每一字节都将传送至RAM。数据读写程序如图3-6所示。

图3-6 数据读写程序

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3-3，其中奇数为读操作，偶数为写操作。

表2-3 DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字

时钟暂停：秒寄存器的位7定义位时钟暂停位。当它为1时，DS1302停止振荡，进入低功耗的备份方式。通常在对DS1302进行写操作时（如进入时钟调整程序），停止振荡。当它为0时，时钟将开始启动。

AM-PM/12-24[小]时方式：[小]时寄存器的位7定义为12或24[小]时方式选择位。它为高电平时，选择12[小]时方式。在此方式下，位5是AM/PM 位，此位是高电平时表示PM ，低电平表示AM ，在24[

小]时方式下，位5为第二个10[小]时位（20～23h ）。

3.2.2 DS1302 的应用

实时时钟芯片DS1302采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，也可以关闭充电功能，芯片采用32768Hz 晶振。要特别说明的是，备用电源BT1可以用电池或超级电容（10万μF 以上）。虽然DS1302在主电源掉电后耗电很小，但如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。如果断电时间较短（几小时或几天），可以用漏电较小的普通电解电容代替（100μF 就可以保证1小时的正常走时）。DS1302在第一次加电后，需进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间及闹铃。DS1302的时钟电路如图3-7所示。

图3-7 DS1302时钟电路

3.3 液晶显示电路

液晶显示电路是由HD44780液晶显示控制驱动器组成的LM041L 液晶显示器，下面我们对其分别进行介绍。

3.3.1 液晶显示控制驱动器HD44780的特点

HD44780液晶显示控制驱动器是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器，它可直接与8位微处理器相连。 HD44780是一种带有列驱动输出的液晶显示控制器，它可组成液晶显示驱动控制系统。