廣東省工商高級技工學(xué)校 肖春花

基于AT90S8535單片機的電子萬年歷掛鐘系統(tǒng)設(shè)計

廣東省工商高級技工學(xué)校 肖春花

設(shè)計中選用高性能低功耗的AVR架構(gòu)單片機AT90S8535作為系統(tǒng)的控制核心，并采用高集成度的實時時鐘芯片SD2303和DS1722溫度傳感器來處理時間和溫度檢測任務(wù)，能實現(xiàn)實時時間和溫度的檢測和顯示。AT90S8535單片機帶有SPI接口，能非常便利地實現(xiàn)和DS1722的通信。在設(shè)置鬧鈴時，程序會對所設(shè)置時間的合理性進行檢測，任何不合理的時間設(shè)置將關(guān)閉鬧鈴功能。

電子萬年歷；DS1722溫度傳感器；AT90S8535單片機；實時時鐘芯片SD2303

1.引言

電子萬年歷在家庭居室、學(xué)校、車站和廣場的使用越來越廣泛，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作帶來了極大的方便。電子萬年歷具有信息量大、直觀清晰、經(jīng)濟實用等優(yōu)點，正成為家庭、商場、公共場所等新的消費熱點，具有重要的開發(fā)價值。

2.應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本設(shè)計選用高性能低功耗的AVR架構(gòu)單片機AT90S8535作為系統(tǒng)的控制核心，并選用高集成度的實時時鐘芯片SD2303和DS1722溫度傳感器來處理時間和溫度檢測任務(wù)。AT90S8535單片機帶有SPI接口，能非常便利地實現(xiàn)和DS1722的通信[1]。在與實時時鐘芯片SD2303通信時采用了模擬IIC總線的方式。芯片SD2303能自動產(chǎn)生1秒時鐘基準信號，且自帶日期及閏年調(diào)整功能，計時精度和集成度非常高，這樣使設(shè)計變得非常的簡單。

2.2 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)電子萬年歷掛鐘的功能要求和選定的方案設(shè)計，設(shè)計出如圖1-1所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.3 設(shè)備選型

本設(shè)計采用Atmel公司的高性能低功耗的AVR單片機AT90S8535作為控制系統(tǒng)的核心。表1-2是萬年歷掛鐘設(shè)計具體的設(shè)備選型表[2]。

2.4 控制面板設(shè)計

控制面板即萬年歷掛鐘外形圖。如圖1-2所示。

在萬年歷掛鐘的控制面板上設(shè)置有16個數(shù)碼管，分別用于顯示年、月、日、星期、溫度、時和分。顯示格式如下：

年：4位數(shù)碼管顯示年，如2009表示2009年。

月：2位數(shù)碼管顯示月，如01表示1月份。

日：2位數(shù)碼管顯示日，如31表示31日。

星期：1位數(shù)碼管顯示星期，如7表示星期日。

溫度：3為數(shù)碼管顯示溫度，如H28表示+28℃，L05表示-5℃。

時：2位數(shù)碼管顯示時，如23表示23點。

分：2為數(shù)碼管顯示分，如59表示59分。

為了進行時間設(shè)定和鬧鐘設(shè)定，在控制面板下方設(shè)置有7個鍵，分別為“時間設(shè)置”鍵、“鬧鐘設(shè)置”鍵、“+”鍵、“-”鍵、“上一位”鍵、“下一位”鍵和“確定”鍵，其功能如下所述。

當需要設(shè)置時間時，按下“時間設(shè)置”鍵，這時萬年歷停止計時并將時間清零，在年的最高位上的小數(shù)點點亮表示進行年最高位設(shè)置，用戶可以通過“+”或者“-”來調(diào)整數(shù)字，調(diào)整完后按“下一位”，則年的最高位小數(shù)點熄滅而次高位小數(shù)點點亮，用戶按照上述方法設(shè)置次高位……直到時間設(shè)置完。注意，溫度不可以設(shè)置。設(shè)置完后按“確定”鍵，用戶設(shè)定值將存儲進入單片機并開始以此時間計時。

表1-2 設(shè)備選型表

當需要設(shè)置鬧鈴時，按下“鬧鈴設(shè)置”鍵，這時萬年歷掛鐘仍繼續(xù)計時而面板上的時間將全部顯示為0，同時時間的小時高位小數(shù)點點亮，用戶按照時間設(shè)定的方式設(shè)置鬧鐘的時和分，按下“確定”鍵后，鬧鈴被存儲進單片機。當萬年歷掛鐘走到設(shè)定的鬧鈴時間時，蜂鳴器發(fā)出報警聲。

鬧鈴的設(shè)置時間可以通過按“鬧鈴設(shè)置”鍵來查看，任何不符合走時的鬧鈴設(shè)置將關(guān)閉鬧鈴功能。如設(shè)置“60時20分”將關(guān)閉鬧鈴功能。這時取消鬧鈴功能的一種方法。

3.硬件電路設(shè)計

3.1 電子萬年歷掛鐘的硬件設(shè)計電路(如圖1-3所示)

AT90S8535單片機是AT90系列AVR單片機中內(nèi)容接口豐富、功能齊全、性價比較高的產(chǎn)品。

3.2 實時時鐘電路設(shè)計[3-4]

SD2303是深圳威帆公司一種具有內(nèi)置晶振、支持兩線串行接口的高精度實時時鐘芯片。該系列芯片可保證時鐘精度為±5ppm(在25±1℃下)，即年誤差小于2.5分鐘；該芯片內(nèi)置時鐘精度調(diào)整功能，可以在很寬的范圍內(nèi)校正時鐘的頻率偏差，能以最小分辨率3.052ppm來進行校正，通過與溫度傳感器的結(jié)合可以設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值，實現(xiàn)在寬溫范圍內(nèi)高精度的計時功能；內(nèi)置電池、串行NVSRAM，其中內(nèi)置的一次性電池可保證在外部掉電情況下時鐘使用壽命超過5年，內(nèi)置串行NVSRAM為非易失性SRAM，擦寫次數(shù)可達100億次。該系列芯片可滿足對實時時鐘芯片的各種需要，是高精度實時時鐘的理想選擇。它與AT90S8535單片機的連接可從圖1-3中可看出。

圖3-1 主程序流程

圖3-2 按鍵檢測和處理程序流程

3.3 溫度檢測電路設(shè)計

DS1722是美國MAXIM公司的一款A(yù)PI/三線串行接口的數(shù)字溫度傳感器，無需外圍元件即可完成對環(huán)境溫度的檢測。它可以通過Motorola公司倡導(dǎo)的SPI總線或者三線串口方式同處理器進行通信。通信方式由用戶選擇。它的測溫范圍為-55℃～120℃，精度為±2℃。DS1722提供8～12位的可編程轉(zhuǎn)換值，即分辨率從1.0℃～0.0625℃。溫度值直接以數(shù)字形式輸出。DS1722可以工作在單次轉(zhuǎn)換和自由（連續(xù)）轉(zhuǎn)換模式下。當工作在單次轉(zhuǎn)換模式下時，每啟動一次轉(zhuǎn)換，DS1722便將采集到的溫度數(shù)據(jù)存儲在寄存器里面；當工作于自由轉(zhuǎn)換模式下時，DS1722連續(xù)采集溫度數(shù)據(jù)，并將最近一次的采集數(shù)據(jù)存儲起來。它與AT90S8535單片機的連接也可從圖1-3中可看出[5]。

3.4 顯示電路設(shè)計

按照圖1-2設(shè)計的控制面板，萬年歷掛鐘需要顯示16位的年、月、日、周、時、分和溫度數(shù)據(jù)。為了合理利用AT90S8535的I/O口，顯示電路設(shè)計采用了一片4-16線譯碼器驅(qū)動ULN2803來控制數(shù)碼管的顯示。

3.5 鍵盤及鬧鈴電路設(shè)計[6]

萬年歷掛鐘需要通過鍵盤完成時間校準和鬧鐘設(shè)置等任務(wù)。為簡化設(shè)計，這里采用了獨立式鍵盤輸入數(shù)據(jù)，如圖2-17所示。AT90S8535的PC3～PC0在程序中設(shè)置為上拉輸入，這樣，在沒有按鍵按下時這些I/O口為高電平輸入，當有按鍵按下時，對應(yīng)的I/O口被拉低，檢測I/O口電平狀態(tài)即可判斷按鍵按下與否。報警電路采用I/O通過三極管驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)。

4.軟件設(shè)計

萬年歷掛鐘系統(tǒng)控制程序從功能上來說包含系統(tǒng)初始化程序、實時時鐘日歷芯片的讀寫程序、溫度傳感器芯片的讀寫程序、鍵盤和顯示程序及其他一些輔助事務(wù)處理程序。以上這些程序被安排在一個文件中。

4.1 主程序設(shè)計

主程序主要完成系統(tǒng)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)、按鍵檢測和處理、時鐘數(shù)據(jù)的讀取和顯示、溫度數(shù)據(jù)的讀取和顯示以及根據(jù)條件判斷是否需要進行定時報警等工作，以完成人機交互的功能[7]。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖3-1所示。

4.2 按鍵檢測和處理程序

按鍵檢測和處理程序為用戶設(shè)置時間和鬧鈴提供人機接口。萬年歷掛鐘提供7個獨立式的按鍵接口，通過采集按鍵的電平狀態(tài)來檢測按鍵的按下與否。在按鍵檢測程序中提供了延時防抖功能。按鍵檢測程序只有在檢測到“時間設(shè)置”鍵或者“鬧鈴設(shè)置”鍵被按下后方進入處理程序。處理程序結(jié)束的條件為檢測到“確認”鍵被按下[8]。

按鍵檢測程序通過點亮數(shù)碼管的小數(shù)點提示正在進行設(shè)置的是哪一位數(shù)據(jù)。處理程序提供了對鬧鈴時間設(shè)置的合法性檢測，而不提供對時間設(shè)置的合法性檢測。只有合法的鬧鈴時間設(shè)置方能啟動鬧鈴功能，任何非法的鬧鈴時間設(shè)置將關(guān)閉鬧鈴功能。按鍵檢測和處理的程序流程如圖3-2所示[9]。

4.3 系統(tǒng)集成與測試

萬年歷掛鐘系統(tǒng)的測試分為4部分：AT90S8535主機電路測試、鍵盤顯示電路的測試、實時時鐘電路的測試和溫度檢測電路的測試。對各部分的測試應(yīng)該編制各自的測試程序[10]。

完成單片機電路測試后，首先應(yīng)該進行按鍵和數(shù)碼管的顯示測試。在萬年歷掛鐘的設(shè)計中采用了16位數(shù)碼管的動態(tài)顯示和7位獨立的按鍵設(shè)計。在主程序中給出了顯示和按鍵檢測的程序，我們可以根據(jù)此編寫測試程序。需要注意的是，由于按鍵沒有接上拉電阻，在編寫測試程序時必須將接按鍵的I/O口設(shè)置為帶上拉的輸入方式，這樣才能保證按鍵狀態(tài)的正確檢測。設(shè)計中采用的是共陰型數(shù)碼管，我們必須修改顯示程序才能正確顯示數(shù)據(jù)。

5.結(jié)論

本次設(shè)計中選用高性能低功耗的AVR架構(gòu)單片機AT90S8535作為系統(tǒng)的控制核心，并選用高集成度的實時時鐘芯片SD2303和DS1722溫度傳感器來處理時間和溫度檢測任務(wù)；萬年歷掛鐘能實現(xiàn)實時時間和溫度的檢測和顯示。通過設(shè)置的7個獨立的按鍵來調(diào)整時間和設(shè)置鬧鈴，利用16個七段LED數(shù)碼管顯示。

SD2303具有內(nèi)置晶振、支持兩線串行接口的高精度實時時鐘芯片。該系列芯片可保證時鐘精度為±5ppm(在25±1℃下)，即年誤差小于2.5分鐘。通過與溫度傳感器的結(jié)合可以設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值，實現(xiàn)在寬溫范圍內(nèi)高精度的計時功能；DS1722溫度傳感器的測溫范圍為-55℃～120℃，精度為±2℃。DS1722提供8～12位的可編程轉(zhuǎn)換值，即分辨率從1.0℃～0.0625℃。溫度值直接以數(shù)字形式輸出，方便的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)以及日常生活的各個方面。

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AT90S8535 microcontroller based on the electronic calendar clock system design

Xiao Chunhua
Guangdong Province business senior technical school 512200 China

Design of high performance and low power consumption AVR architecture AT90S8535 MCU as the core of the control system，and the use of high integrated degree，real-time clock chip SD2303 and DS1722 temperature sensor to the processing time and temperature detection task，can realize the real time and the temperature detection and display.AT90S8535 microcontroller with SPI interface，can be very convenient to achieve and DS1722 communication.In the setting of an alarm when a program on the setting time，the rationality of the inspection，any unreasonable time setting off the alarm function.

calendar；DS1722 temperature sensor；AT90S8535 single chip；real-time clock chip SD230