电子万年历系统设计
The design of Electronic calendar system
专 业：电子信息科学与技术
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电子万年历系统设计
摘 要：近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，并且给人类生活带来了根本性的改变。尤其是单片机技术的应用产品已经走进了千家万户。电子万年历的出现给人们的生活带来的诸多方便。虽然在日常生活中，各种信息处理终端如电脑、手机等给我们提供了准确的时间信息。但是在大多数场合却仅仅局限于个人的适用范围之内。在家居生活中，一款悬挂余居室墙壁上大方得体的电子钟不仅能为我们提供准确的时间显示，而且魅惑了环境，给单调的居室带来了现代化的气息，因而成为许多家庭的必备之选。
本文设计了一种基于八位串行输入-并行输出移位寄存器74HC164芯片，以STC89C52单片机为核心、数码显示的电子万年历，主要介绍了时钟芯片、温度传感器、仿真模块，以及万年历硬件和软件的设计，实现了准确显示，公历年、月、日、农历月、日、时、分、秒功能。
关键字：单片机；时钟芯片；温度传感器；仿真
The Design of Electronic Calendar System
Abtract: In recent years, with computer penetration in the social sphere and the development of large-scale integrated circuits, MCU applications are constantly deepening, as it has a function of strong, small size, low power consumption, cheap, reliable, easy to use , And other characteristics, and therefore particularly suited to control the system and to human life brought about fundamental changes. SCM is by the application of technology products have entered the tens of thousands of households. The emergence of electronic calendar to the lives of people of many convenience. While in everyday life, dealing with all kinds of information terminals such as computers, mobile phones has provided us with accurate time information. However, in most occasions is limited to individuals within the scope of the application. In home life, hoisted more than a generous living room walls of the appropriate electronic bell can not only provide us with accurate time, and tantalized by the environment, bring to the monotonous room a modern flavor, so many families must Of the election.
In this paper, a design based on eight serial input - output parallel shift register 74 HC164 chip to STC89C52 microcontroller as the core, digital display electronic calendar, mainly on the clock chip temperature sensor, simulation modules, hardware and calendar And software design, to achieve an accurate, the calendar year, month, day and the Lunar month, day, hours, minutes and seconds functions.
Key words：MCU；Clock chip；Temperature sensor；Simulation
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，并且给人类生活带来了根本性的改变。尤其是单片机技术的应用产品已经走进了千家万户。电子万年历的出现给人们的生活带来的诸多方便。虽然在日常生活中，各种信息处理终端如电脑、手机等给我们提供了准确的时间信息。但是在大多数场合却仅仅局限于个人的适用范围之内。在家居生活中，一款悬挂余居室墙壁上大方得体的电子钟不仅能为我们提供准确的时间显示，而且魅惑了环境，给单调的居室带来了现代化的气息，因而成为许多家庭的必备之选。
本文设计了一种基于八位串行输入--并行输出移位寄存器74HC164芯片，以STC89C52单片机为核心、数码显示的电子万年历，主要介绍了时钟芯片、温度传感器、仿真模块，以及万年历硬件和软件的设计，实现了准确显示，公历年、月、日、农历月、日、时、分、秒功能。
本设计采用时钟芯片产生时间，精度准确，误差很小。温度采用温度传感器采集温度，并数字化显示。显示模块采用数码管显示。单片机采用STC89C52在线可编程单片机。无需程序烧写器。方便快捷。还有模拟仿真软件Proteus，可对设计模块实时仿真。方便更改。大大缩短了设计周期。
STC89C52完全兼容MCS-51，还有新的功能，比如新增两级中断优先级，多一个外中断，内置EEPROM，512B内存等。还支持ISP下载，不用编程器，只要一个MAX232和一些廉价的元件就能写程序，可擦写10万次。比51起最大的优点能支持在线下载,在线烧写程序,而不必专门买昂贵的编程器,只需要ISP下载线就可以了。
图1 STC功能逻辑图
STC单片机比51单片机性能有以下优越性:
(1) 高抗静电(ESD)，6000伏静电测试，直接打在芯片管脚上，安然无恙。
(2) 超强抗干扰,轻松过2KV/4KV，快速脉冲干扰(EFT)。
(3) 超强加密，保密性能良好。
(4) STC 5V单片机,宽电压，5V - 3.8V给复位信号，正常工作。
(5) STC 单片机,Power 直接在用户系统上用ISP在线下载方式，将用户程序(6) 下载进STC单片机Down,掉电时功耗<0.1uA(C版本)。
(7) I/O 口输入/ 输出口经过特殊处理，很多干扰是从I/O 进去的,每个I/O 均有对VCC,对GND二级管箝位保护。
(8) 单片机内部的电源供电系统经过特殊处理，很多干扰是从电源进去的。
图 2 STC89C52引脚图
鉴于SCT89C52和AT98C51引脚分布相同,以上仅介绍SCT89C52一些优于AT98C51的性能，在此，就不对单片机多做介绍了，详细参数可以参考SCT89C52 PDF资料图,或者相关书籍,或者上网查阅相关网站,在此,推荐一官方网站:www.mcu-memory.com
根据家居生活中的实际需要，万年历应该具有如下功能。
1、 时间显示
时间显示是万年历设计最重要的功能。万年历应该不仅能准确显示时、分、秒，而且还要能够显示年、月、日和星期。
2、 时间调整
万年历在第一次使用时，需要根据当前时间进行时间调整，设定起初始时间，设置完成之后，它会在设定值基础上进行准确的计时和显示。在万年历断电或出现其他故障排除后，也需要根据当前时间进行时间调整。
3、 定时闹钟
定时闹钟是万年历的一个辅助功能。可以通过键盘设定定时时间，这样当万年历运行到设定的定时时间时，会发出语音提示，提示时间为1分钟。可以根据需要设定闹钟功能的开启和关闭。
4、温度显示
温度显示是万年历的另外一个辅助功能。万年历上设置有一个温度传感器，用于检测环境温度，提示用户注意温度的变化，做好诸如防寒保暖等措施。
5、掉电运行
万年历采用市电或者电池供电。当发生停电或者电池量耗尽等情况时，它通过内置的纽扣电池给时钟供电以保持正确的时钟数据，但关闭其他部分的电源，这样在来电或者更换电池之后不必重新设定时间。在市电运行正常时，可以根据需要更换备用的纽扣电池而不影响时钟运行。
应用于单片机控制的实时时钟系统根据基准信号产生的途径，可以分为两种：一是利用单片机中的定时器作为实时时钟基准；二是利用专用实时时钟日历芯片产生基准时钟信号。STC89C52单片机带有实时时钟接口，可以通过外接32768Hz的晶振分频后产生基准始终系好，这为万年历的设计提供了一种新的选择。采用上述方式产生时钟基准信号的设计方案及其比较如表1所示。
表1 万年历方案及评估
通过上述方案设计及性能评估可知，又实时时钟日历芯片产生基准计时信号构成的万年历虽然成本上比其他两种方案产生基准信号的方式略高，但是由于实时时钟日历芯片具有集成度高、走时准确、自动日历及闰年调整并集成有闹钟功能，这样使得程序设计变得非常的简单，故在设计中采用方案3。
根据万年历的功能要求和选定的设计方案，设计出如图3所示的控制系统结构。
图3 万年历系统结构框图
本设计采用STC89C52作为控制系统的核心。按照图1所确定的系统结构，选择合适的功能部件，以完成完整的系统控制电路设计。控制系统需要选择实时时钟日历单元、温度传感器单元、键盘和显示单元三部分。表2是万年历设计具体的设备选型表。
表2 万年历设计设备选型表
控制面板即万年历外形图，如图4所示。
图4万年历控制面板
在万年历的控制面板上设置有16个数码管，分别用于显示年、月、日、星期、温度、时和分。显示格式如下。
年：4位数码管显示年，如2008表示2008年。
月：2位数码管显示月，如06表示6月份。
日：2位数码管显示日，如10表示10日。
星期：3位数码管显示星期，如7表示星期日。
温度：3位数码管显示温度，如H28表示+28℃，L05表示－5℃。
时：2位数码管显示时，如23表示23点。
分：2位数码管显示分，如59表示59分。
为了进行时间设定和闹钟设定，在控制面板下方设置有7个按键，分别为“时间设置”建、“闹铃设置”键、“＋”键、“－”键、“上一位”键、“下一位”键和“确定”键，其功能如下所示。
当需要设置时间时，按下“时间设置”键，这时万年历停止计时并将时间清零，在年的最高位上的小数点点亮表示进行年最高位设置，用户可以通过“＋”或者“－”来调整数字，调整完后按“下一位”，则年的最高位小数点熄灭而次高位小数点点亮，用户按照上述方法设置次高位……直到时间设置完。注意，温度不可以设置。设置完后按“确定”键，用户设定值将存储进入单片机并开始以此时间计时。
当需要设置闹铃时，按下“时间设置”键，这时万年历仍继续计时而面板上的时间将全部显示为“0”，同时时间的小时高位小数点电亮，用户按照时间设定的方式设置闹钟的时和分，按下“确定”键后，闹铃被存储进单片机。当万年历走时走到设定闹铃时间时，蜂鸣器发出报警声。
闹铃的设置时间可以通过按“闹铃设置”键来查看，任何不符合走时的闹铃设置将关闭闹铃功能。如设置“06时20分”将关闭闹铃功能。这是取消闹铃功能的一种方法。
万年历的硬件设计电路如图5所示。下面对各部分分别予以说明。
图5 硬件电路图
万年历采用支持两线式串行接口、带温度补偿的高精度实时时钟日历芯片SD2303,它与STC89C52单片机的连接如图6所示。
图6 实时时钟电路
SD2303是一种具有内置晶振、支持两线串行接口的高精度实时时钟芯片。该系列芯片可保证时钟精度为±5ppm（在25±1℃下），即年误差小于2.5分钟；该芯片内置时钟精度调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的频率偏差，能以最小分辨率3.052ppm来进行校正，通过与温度传感器的结合可以设定适应温度变化的调整值，实现在宽问范围内高精度的计时功能；内置电池、串行NVSEAM，其中内置的一次性SRAM，擦写次数可达100亿次。该系列芯片可满足对实时时钟芯片的各种需要，是高精度实时时钟的理想选择。
SD2303具有如下特点：
（1） 低功耗：典型值0.5uA（VDD=3.0V）。
（2） 工作电压为1.8～5.5V,工作温度为-40～85℃。
（3） 年、月、日、星期、时、分、秒BCD码输入输出，并可通过独立的地址访问各时间寄存器。
（4） 自动日历到2099年（包括闰年自动换算功能）。
（5） 可设定并自动重置的两路定时闹钟功能。
（6） 周期性中断脉冲输出：2Hz、1Hz、每分、小时、月输出可选择不同波形的中断脉冲。
（7） 可控的32768Hz方波信号输出。
（8） 内置时钟精度数字调整功能。
（9） 30秒时间调整功能。
（10） 内部晶振停振检测功能：保证时钟的有效性。
（11） 内置总线1秒自动释放功能，保证了时钟数据的有效性及可靠性。
（12） 内置电源稳压，内部及时电压可低至1.2V。
（13） 内置晶振，出厂前已对时钟进行校准，保证精度±5ppm，即时钟误差小于2.5分钟。
（14） 工业级型号为SD2303API，封装形式为8-DIP封装。
SD2303实时时钟日历芯片的引脚配置如图7所示。
图7 SD2303的引脚配置
表3给出了SD2303的引脚功能说明。
表3 SD2303引脚功能表
SD2303将时间数据和控制命令存储在不同地址的寄存器内，具体的地址分配如表4所示。
表4 SD2303寄存器列表
（1）秒寄存器（内部地址0x00）。
秒计数范围为0x00～0x59（BCD码格式），当计数从0x59变为0x00时，分寄存器值加1.默认操作是指当XSTP位为1（上电、掉电或者停振后再起振）时，执行读操作。
（2）分寄存器（内部地址0x01）。
分计数范围为0x00～0x59，当计数从0x59变为0x00时，时寄存器值加1。
（3）时寄存器（内部地址0x02）。
时计数范围为0x01～0x12（12小时制）或0x00～0x23（24小时制）。当计数从11PM变成12AM（12小时制）或0x23变成0x00（24小时制）时，天寄存器值加1。
（4）周寄存器（内部地址0x03）。
周计数范围为0x00～0x06，其中0x01～0x06表示星期1至星期6，0x00表示星期天。当天计数加1时，星期计数也加1。
（5）天寄存器（内部地址0x04）。
天计数范围为：
0x01～0x31（一月、三月、五月、七月、八月、十月、十二月）
0x01～0x30（四月、六月、九月、十一月）
0x01～0x29（闰年二月）
0x01～0x28（平年二月）
（6）月寄存器（内部地址0x05）。
月寄存器范围为0x01～0x02，当计数从0x12变成0x01时，年寄存器值加1.
（7）月寄存器（内部地址0x05）。
年寄存器范围为0x00～0x99，其中0x00、0x04、0x08…0x92、0x96为闰年。
（8）时间调整寄存器（内部地址0x07）。
位7：XSL_位为晶振选择为。SD2303内置晶振，此位必须固定为0。
位6～位0：时间调整位。时间调整电路是在当秒计数到0x00、0x20、0x40时刻，根据预先设定的数据（F5～F0）改变1秒时钟内的计数个数。通常每32768个脉冲位1秒（对寄存器预定初值，才能激活整个调整电路）。
当F6为0时，产生1秒的寄存器计数脉冲将增加为32768+[（F5、F4、F3、F2、F1、F0）-1]*2个；当F6为1时，产生1秒的寄存器计数脉冲将增加为32768-[（/F5、/F4、/F3、/F2、/F1、/F0）+1]*2个。
当（F6、F5、F4、F3、F2、F1、F0）预设为（*、0、0、0、0、*）时，产生1秒的寄存器计数脉冲个数不变。
当（F6、F5、F4、F3、F2、F1、F0）=（0、1、0、1、0、0、1）且当时钟运行到0x00、0x20、0x40秒时刻时，寄存器计数脉冲变为32768+（41-1）*2+32848个；
当（F6、F5、F4、F3、F2、F1、F0）=（1、1、1、1、1、1、0）且当时钟运行到0x00、0x20、0x40秒时刻时，寄存器计数脉冲变为32768-（1+1）*2+32764个；
当（F6、F5、F4、F3、F2、F1、F0）=（0、0、0、0、0、0、1）且当时钟运行到0x00、0x20、0x40秒时刻时，寄存器计数脉冲个数不变；
因为每20秒增加或者减少的计数脉冲个数最少为2个，故时钟调整寄存器的最小调整精度为2/（32768*20）=3.015ppm。
时钟调整电路仅仅是调整时钟走时，并不影响晶振本身频率调整，故32768Hz的脉冲输出不会改变。
（9）闹铃A分寄存器（内部地址0x08）。
闹铃A分寄存器计数范围同分寄存器。
（10）闹铃A时定时器（内部地址0x09）。
D5位在12小时制中置0表示AM，置1表示PM；在24小时制中表示小时的十位。在12小时制中，午夜的零点应该设置为0x12，中午0点应该设置为0x32。
（11）闹铃A周定时器（内部地址0x0a）。
闹铃A周定时器的AW6～AW0位对应星期6至星期1以及星期天。如置位AW6和AW0位，表示在星期六和星期天闹铃起作用。当AW6～AW0全部位0时，关闭闹铃。
（12）闹铃B分寄存器（内部地址0x0b）。
闹铃B分寄存器范围同闹铃A寄存器。
（13）闹铃B时定时器（内部地址0x0c）。
闹铃B时定时器范围同闹铃A时定时器。
（14）闹铃B周定时器（内部地址0x0d）。
闹铃B周定时器范围同闹铃A周定时器。
（15）控制寄存器1（内部地址0x0e）。
位7：AALE为闹铃A使能位。AALE置1时使能闹铃A中断，置0时禁止中断。
位6：BALE为闹铃B使能位。BALE置1时使能闹铃B中断，置0时禁止中断。
位5～位4：SL2和SL1位中断输出选择位，如表5所示。
表5 SD2303中断输出选择
位3：TEST位为SD2303测试位。TEST位置0时，SD2303处于正常工作模式；TEST位置1时，SD2303工作于测试模式。一般TEST位应该置0。
位2～位0：CT2和CT0为周期性中断选择位。如表6所示。
表6 SD2303周期性终端选择
脉冲模式中断时输出2Hz和1Hz的时钟脉冲，波形关系如图8所示。
图8 脉冲中断波形输出
电平模式中断时输出每秒、每分、每小时或每月的中断波形，如图9所示。
图9 电平中断波形输出
（16）控制寄存器2（内部地址0x0f）。
位5：12/24位为时间格式选择位。12/24位置1时为24小时制，置0时为12小时制。
位4：ADJ位为秒调整位。ADJ位置1时为秒调整操作，置0时表示正常工作。XSTP位检测晶振停振与否。在掉电或者晶振后该位自动置1，检测该位可以判断时钟数据的有效性。XSTP置位后XSL、F6～F0、CT2～CT0、AALE、BALE、SL2～S1、SLEN和TEST位全部复位，INTRA停止输出而INTRB输出32768Hz的时钟脉冲。正常工作时应将XSTP位写0复位。
位3：CLEN位为32kHz时钟输出使能位。当发生CLEN位置1时允许32kHz时钟输出，置0时禁止32kHz时钟输出。
位2：CFG位为周期性中断标志位。当发生周期性中断时，该位置1。在电平模式下将CTFG位写0将中止中断过程。写入后INTRA或INTRB将变成高电平。
位1和位0：AAFG和BAFG位为闹铃A和闹铃B的中断标志位。仅当AALE/BALE置1时，才能产生闹铃中断。当时钟时间和预设闹铃时间一致时，该位置1。将AAFG/BAFG写0可以中止中断过程。写入后INTRA或INTRB将变成高电平。
AAFG/BAFG与INTRA/INTRB的关系如图10所示。
图10 闹铃中断波形图输出
SD2303采用I2C三线串口接口，可参考I2C协议中的串行数据传输标准，下面仅给出SD2303的读写操作时序。SD2303的I2C器件代码为0x64。D0=1表示读操作，D0=0表示写操作。
（1）向SD2303寄存器写数据。
单片机向SD2303寄存器写数据时序如下：
● 单片机发出START开始信号。
● 单片机送7位器件地址0110010，第8位送写命令0，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机送1字节数据，高4位为SD2303的寄存器地址，低4位为写传输模式0000，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机送1字节数据，发送完成后收到SD2303的应答信号。
● 如果需要送多字节数据，重复上一步动作。
● 单片机发出停止信号STOP结束I2C数据传输。
向SD2303寄存器0x04和0x05写数据的过程如图11所示。
图11 SD2303写数据时序
（2）从SD2303寄存器读数据。
单片机从SD2303寄存器读数据可以通过如下3种方式进行：
a）从SD2303指定寄存器地址中读数据。
从SD2303指定寄存器地址中读数据时序如下：
● 单片机发出START开始信号。
● 单片机送7位器件地址0110010，第8位送读命令0，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机送1字节数据，高4位为SD2303的寄存器地址，低4位为写传输模式0000，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机发出一个新的START开始信号。
● 单片机送7位器件地址0110010，第8位送写命令1，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机接收1字节数据，接收完成后向SD2303发送应答信号0。
● 如果需要送多字节数据，重复上一步多年动作。
● 单片机接收最后1字节数据，接收完成后向SD2303发送非应答信号1。
● 单片机发出停止信号STOP结束I2C数据传输。
从SD2303指定寄存器地址0x04开始读3字节数据的过程如图12所示。
图12 SD2303读数据时序
b）从SD2303指定寄存器地址中读数据。
从SD2303指定寄存器地址中读数据时序如下：
● 单片机发出START开始信号。
● 单片机送7位器件地址0110010，第8位送写命令0，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机送1字节数据，高4位为SD2303的寄存器地址，低4位为写传输模式0100，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机接收1字节数据，接收完成后向SD2303发送应答信号0。
● 如果需要送多字节数据，重复上一步多年动作。
● 单片机接收最后1字节数据，接收完成后向SD2303发送非应答信号1。
● 单片机发出停止信号STOP结束I2C数据传输。
从SD2303指定寄存器地址0x04开始读3字节数据的过程如图13所示。
图13 SD2303读数据时序
c）直接读取数据（只能从0x0f地址开始读取）。
直接读取数据的时序如下：
● 单片机发出START开始信号。
● 单片机送7位器件地址0110010，第8位送读命令1，然后收到SD2303的应答信号ACK。
● 单片机接收1字节数据，接收完成后向SD2303发送应答信号0。
● 如果需要送多字节数据，重复上一步多年动作。
● 单片机接收最后1字节数据，接收完成后向SD2303发送非应答信号1。
● 单片机发出停止信号STOP结束I2C数据传输。
直接读取数据只能从0x0f 地址开始，然后是地址0x00、0x01…，如图14所示。
图14 SD2303读数据时序
万年历种的温度检测采用带SPI/三线串行接口的DS1722温度传感器芯片，它与STC89C52单片机的连接如图15所示。
图15 温度检测电路
DS1722是美国MAXIM公司的一款SPI/三线串行接口的DS1722温度传感器，无需外围元件即可完成对环境温度的检测。她可通过Motorola公司倡导的SPI总线或者三线串口方式同处理器进行通信。通信方式可自行选择。
DS1722温度传感器的测量范围位－55℃～120℃，精度为±2℃。DS1722提供8～12位的可编程转换值，即分辨率从1.0℃～0.0625℃。温度值直接以数字形式输出。
DS1722可以工作在单次转换和自由（连续）转换模式下。当工作在单次转换模式下时，每启动一次转换，DS1722便将采集到的温度数据存储在寄存器里面；当工作于自由转换模式下时，DS1722连续采集温度数据，并将最近一次的采集数据存储起来。
DS1722的引脚配置如图16所示。
图16 DS1722引脚配置
表7给出了DS1722的引脚功能说明。
表7 DS1722引脚功能表
DS1722温度传感器采用SPI/三线串行接口通信模式。当SERMODE接VCC时，选择SPI模式；当SERMODE接地时，选择三线串口模式。
在SPI模式下，SCLK、SDI和SDO分别位SPI的串行时钟输入端、串行数据输入端和串行数据输出端。在三线串口通信模式下，SDI必须和SDO相连作为一个I/O口。
DS1722内部设置有3个寄存器，包含一个控制/状态寄存器和两个温度数据寄存器。
（1）控制寄存器。
控制/状态寄存器分配有2个地址。当写控制/状态寄存器时，访问地址为0x80；当读控制/状态寄存器时，访问地址为0x00。
位4：1SHOT为单次转换使能位。如果SD位为1（自由转换使能禁止），将1SHOT位写1，将启动一次温度转换并存储数据。转换结束时1SHOT位被硬件清零。如果SD位为0，对1SHOT位执行写操作无效。上电时1SHOT位为0。
位3～位1：R2、R1、R0位为DS1722温度转换分辨率选择位。如表8所示。上电时（R2，R1，R0）=（0,0,1），即默认为9位分辨率。
表8 SD2303分辨率选择
位0：SD位为DS1722自由转换模式选择位。当SD=0时，DS1722将持续进行温度转换并存储最近一次的转换值到温度数据寄存器。当SD从0变为1时，DS1722Z直到完成当前转换后才回到低功耗状态。上电时SD位为1。
（2）温度数据寄存器。
温度数据寄存器由两个寄存器组成，访问地址分别为0x02和0x01（读、写）。温度数据寄存器存放以摄氏温度为单位的温度数值。温度的整数位存储在0x02地址的寄存器里，而小数位存储在0x01地址的寄存器里。其中S位为符号位，S=1表示零下温度。
表9列出了不同的温度数值以12位分辨率采样时在温度数据寄存器里面存储的格式。如果以较低的分辨率采样时，相应的位将为0。
表9 DS1722温度数据存储格式
DS1722可以通过Motorola SPI和三线串口方式同微处理器通信。当采用SPI通信方式时，数据的最高位MSB最先被传送，而采用三线串口通信方式时数据的最低位LSB被最先传送。
在SPI通信方式下，DS1722为SPI从机，微处理器为主机。只有在片选引脚CE被置高后，移位时钟SCLK方被激活。在许多带SPI接口的微处理器中，时钟极性CPOL是可编程的，但DS1722的时钟极性CPOL则是当片选端CE有效时通过采样SCLK脚的电平来确定的，输入数据在内部选通时被锁存，输出数据在移位边沿被移出。如表10所示。图17给出了不同CPOL时DS1722的数据传输时序。
表10 SPI工作方式时DS1722的状态表
* 时钟极性CPOL在微处理器的SPI控制寄存器中设置。
** 读数据操作数据被移出前高阻态。
图17 不同时钟极性时的数据传出时序
微处理器以SPI方式与DS1722通信时，时钟相位CPHA必须置1。SPI方式下，DS1722单字节数据读写时序如图18和19所示。
图18 DS1722单字节写时序
图19 DS1722单字节读时序
在三线串行通信模式时的操作与SPI时类似。三线串行模式时，SDI和SDO相连构成一个双向I/O口，数据的最低位LSB被最先传送。同SPI相似，每一次的数据传输以地址开始，然后读或者写一字节数据。图20给出了三线串口通信单字节数据传输的时序。
图20 三线串口通信单字节数据传输的时序
按照图4设计的控制面板，万年历需要显示16位的年、月、日、周、时、分和温度数据。为了合理利用STC89C52的I/O口，显示电路设计采用了一片4-16线译码器驱动ULN2803来控制数码管的显示，如图21所示。
图21 显示电路
万年历需要通过键盘完成时间校准和闹铃设置等任务。为简化设计，这里采用了独立式键盘输入数据，如图22所示。STC89C52的PC3～PC0在程序中设置为上拉输入，这样，在没有按键按下时这些I/O口为高电平输入，当有按键按下时，对应的I/O口被拉低，检测I/O口电平状态即可判断按键按下与否。报警电路采用I/O通过三极管驱动蜂鸣器实现。
图22 键盘和报警电路
万年历系统控制程序从功能上来说或包含系统初始化程序、实时时钟日历芯片的读写程序、温度传感器芯片的读写程序、键盘和显示程序及其他一些辅助事务处理程序。
主程序主要完成系统初始化（包括I/O口初始化、SD2303芯片的初始化和DS1722芯片的初始化）、按键检测和处理、时钟数据的读取和显示、温度数据的读取和显示以及根据条件判断是否需要进行定时报警等工作，以完成人机交互的功能。
系统主程序的流程图如图23所示。
图23 主程序流程
按键检测和处理程序位设置时间和闹铃提供人机接口。万年历提供7个独立式的按键接口，通过采集按键的电平状态来检测按键的按下与否。在按键检测程序中提供了延时防抖动功能。按键检测程序只有在检测到“时间设置”键或者“闹铃设置”键被按下后方进入处理程序。处理程序结束的条件为检测到“确认”键被按下。
按键检测程序通过点亮数码管的小数点提示正在进行设置的是哪一位数据。处理程序提供了对闹铃时间设置的合法性检测，而不提供对时间设置的合法性检测。只有合法的闹铃时间设置方能启动闹铃功能，任何非法的闹铃时间设置将关闭闹铃功能。
案件检测与处理的程序流程如图24所示。
图24 按键检测和处理程序流程
电子万年历系统的测试分为4部分：STC89C52主机电路测试、键盘显示电路的测试、实时时钟电路的测试和温度检测电路的测试。对各部分的测试应该编制各自的测试程序。
在完成单片机电路测试后，首先应该进行按键和数码管的显示测试。在电子万年历系统的设计中采用了16位数码管的动态显示和7位独立的按键设计。在主程序中给出了显示和按键检测的程序，由于按键没有接上拉电阻，在编写测试程序时必须将接按键的I/O口设置位带上拉的输入方式，这样才能保证按键状态是正确检测。设计中采用的是共阴型数码管，如果在设计中采用共阳型的数码管，必须修改显示程序才能正确显示数据。
在主程序中给出了实时时钟芯片与STC89C52单片机的数据传输函数。可以依据这些函数编写测试程序。
在主程序中同样给出了温度传感器与STC89C52单片机的数据传输函数，可以依据这些函数编写测试程序。
仿真采用Proteus ISIS仿真软件来仿真。首先，先大概介绍下Proteus软件。这里我才用的是Proteus7.1版本的。
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
在proteus中绘制硬件电路图。这里就不多做介绍。绘制硬件图如图25所示：
图25 仿真硬件原理图
调用keil生成的hex文件添加到Proteus ISIS中。方法如下：双击图中的单片机弹出对话框，如图26所示。
图26 添加hex文件开始仿真
添加成功后，就可以运行程序，实施仿真。
程序无误后添加到Proteus中后仿真结果如图27所示：
图27 仿真结果图
经过proteus的在线仿真，现分析如下:
(1) 本次课题硬件和软件设计均无设计上的问题。结果都可以仿真出来。
(2) 经过proteus的在线仿真，发现从设计到仿真直到做出成品来还是有很大的差距。因为，在线仿真毕竟不同于现实中做成品。
(3) 由于proteus软件仿真库中有些元器件没有，如：SD2303和DS1722。并且proteus中自己建立库难度非常大，所以上述温度显示没有仿真到。
(4) 仿真中出现了和现实做板子之间不一致的问题。如：定时、驱动能力和功耗在proteus中没有体现出来，因为proteus中单片机可以不用晶振完全“裸跑”。而在现实中这些都是必须要考虑的问题。
以上几点是我在仿真中出现的问题，在以后的设计中将注意此类问题。
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万年历系统主要程序如下：
//************************FileName:万年历.C**********************//
#include
#include
#define uchar unsigned char //数据类型定义
#define uint unsigned char //数据类型定义
#define SD2303 0x64 //SD2303器件I2C识别码
uchar Table[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x38,0x76};
//显示数据表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 L H
uchar Data[4]={0,0,0,0}; //DS1722
uchar Enter_Flag; //确定
uchar F_Flag; //数据应答标志
void DelayMs(uint i) //延时函数1
{uchar j;
for(;i!=0;i--)
{for(j=2000;j!=0;j--) {;}}
}
void Display(uchar *p) //显示函数
{uchar i,sel=0x00;
for(i=0;i<16;i++)
{PORTC=sel;
PORTA=Table[p[i]];
DelayMs(10);
sel=sel<<1;
}
}
void NOPNOP(uchar i) //延时函数2
{for(;i!=0;i--) NOP();}
void main(void)
{uchar i;
uchar time[16]={2,0,0,4,1,2,2,7,1,1,7,3,0,0,0,0};
uchar Set_Time[7]={0x50,0x30,0x20,0x03,0x05,0x01,0x05};
//初始化时间 2005-01-05 Wed 20-30-50
uchar SD,DS;
uchar SD2303_Controller1=0x00; //禁止中断
uchar SD2303_Controller2=0x20; //时间格式：24小时制
DDRA=0xff; //A口输出
DDRC=0xff; //C口输出
DDRD=0x80; //D口最高位输出，其他带上拉输入
PORTD=0x7F;
DDRB=0xF3; //B口带第2、3位带上拉输入，其他输出
PORTB=0xF3;
Write_1byte(SD2303,0x0e,SD2303_Controller1);//写控制字
Write_1byte(SD2303,0x0f,SD2303_Controller2);//写控制字
Write_Nbyte(SD2303,0x00,Set_Time,7); //初始化时间
SPCR=0b01011100;
DSWrite_Byte(0x80,0xf0); //DS1722 8位分辨率自由转换模式
while(1)
{Key_Process(); //按键处理
Read_Nbyte(SD2303,0x00,Set_Time,7); //读取时间
time[2]=Set_Time[6]>>4; //年高位；
time[3]=Set_Time[6]&0x0f; //年低位；
time[4]=Set_Time[5]>>4; //月高位；
time[5]=Set_Time[5]&0x0f; //月低位；
time[6]=Set_Time[4]>>4; //日高位；
time[7]=Set_Time[4]&0x0f; //日低位；
time[8]=Set_Time[3]; //星期；
time[9]=Set_Time[2]>>4; //时高位；
time[10]=Set_Time[2]&0x0f; //时低位；
time[11]=Set_Time[1]>>4; //分高位；
time[12]=Set_Time[1]&0x0f; //分低位；
time[13]=Set_Time[0]>>4; //秒高位；
time[14]=Set_Time[0]&0x0f; //秒低位；
Read_Nbyte(SD2303,0x0f,&SD,1); //读取中断标志位
if(SD&0x02) PORTD=PORTD|0x80; //响铃1分钟
else PORTD=PORTD&0x7F; //关闭闹铃
DS=DSRead_Byte(0x02); //读取温度值
Convert(DS,time);
Display(time); //时间显示
}
}
本研究及学位论文是在我的导师程兴国老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。程老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向程老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
本论文从选题到完成，每一步都是在程兴国程老师的精心指导下完成的，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。每一步都倾注了程老师大量的心血。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，朴实无华、平易近人的人格魅力令我敬佩。在此，谨向程老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
大学本科四年，十四门专业课，加上无数的选修，我有幸得以聆听襄樊学院许多优秀教师的精彩课程，学到了专业知识并明白了许多待人接物与为人处世的道理。在困难时的援手、迷茫时的指点、失败时的安慰、成功时的祝福，师生之谊是长辈的关怀又似朋友之间的情谊。
我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！只字片语难以表达，幻化为一句感谢和祝福：
祝福老师身体康安!祝福同学们工作顺心!祝福大家一切顺利!
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