学位论文-—at89s52单片机控制的智能型金属探测器.doc

目录 摘 要.1 ABSTRACT.2 第一章 绪论.3 1.1 选题的意义.3 1.2 国内外研究现状及存在问题.3 1.3 设计的基本思路.4 第二章 分析探测金属的理论依据.5 2.1 线圈介质条件的变化.5 2.2 涡流效应.6 第三章 硬件电路设计.7 3.1 系统组成.7 3.2 硬件电路功能描述.8 3.3 整机工作原理描述.27 第四章 系统软件设计.28 4.1 软件设计思想.28 4.2 数字滤波及算法说明.29 4.3 主程序流程图.30 4.4 主要子程序模块设计.31 第五章 主要技术指标分析.41 总结.42 致谢.43 参考文献.44 附录.46 平顶山工学院毕业设计（论文）1 摘 要 木文着重介绍了一种基于 AT89S52 单片机控制的智能型金属探测器的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能。该金属探测器以 AT89S52 单片机为核心，采用线性霍尔元件 UGN3503 作为传感器，来感应金属涡流效应引起的通电线圈磁场的变化，并将磁场变化转化为电压的变化，并与设定的电压基准值相比较后，判定是否探测到金属。系统软件采用汇编语言编写。在软件设计中，采用了数字滤波技术消除干扰，提高了探测器的抗干扰能力，确保了系统的准确性。此外，文中还对影响金属探测器的灵敏度与稳定性的因素进行了探讨，仪器的工作频率、检测线圈的尺寸及匝数等是影响灵敏度的主要因素；而应用现场的环境温度、湿度及线圈的制作工艺和供电电源的稳定程度是仪器稳定性的影响因素。关键词关键词：单片机单片机；金属探测器金属探测器；线性霍尔元件线性霍尔元件 平顶山工学院毕业设计（论文）2 ABSTRACT This paper describes the composition of hardware and software,working principles and the functions of an intelligent metal detector which mainly consists of AT89S52 single Chip Micyoco and linear Hall-Effect Sensor.The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor as probe to detect the magnetic field change of the centre of a search coil resulted from eddy current effect and turn this magnetic field change into voltage change.The SCM measures the peak value of voltage and compares it with reference voltage.The determine whether detect metal or not.In case of detection of metallic mass,the Metal Detector provides an acoustical and optical alarm.The systems software adopts the assembler language to be written.Inside the software,the digital filter technology is utilized to eliminate the jamming.So the stability of system and the measuring veracity are improved.The effect of all factors on sensitivity and stability of Metal Detector are discussed in this paper.It is concluded that the operating frequency,the size of the search coil and turns are the main factors effected on the sensitivity of the instrument,the environment temperature and humidity in site,the winding technology of coils and the stability of power supply are the factors effected on stability of instrument.KEYWORDS:SCM(Single Chip Micyoco);metal detector;linear hall-effect sensor 平顶山工学院毕业设计（论文）3 第一章 绪论 1.1 选题的意义 金属检测系统作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域。在食品生产过程中对金属混入物的检测或交通部门对旅客的安全检查主要靠金属探测仪。目前，就连考试也开始启用金属探测器来防止考生利用手机等通讯工具进行作弊。食品在生产加工过程中，常因设备的磨损、零件的脱落等造成金属粉末、金属粒子或针状不定形的金属异物混入食品中，给食品安全性带来极大危害，对食品生产企业的信誉造成极大损失。因此，常采用金属探测器对产品进行检测，杜绝金属异物在产品中的存在。为了人们能够吃到安全的食品，设计一种智能金属检测系统来检测对人们身体健康构成危害的金属异物势在必行。1.2 国内外研究现状及存在问题 1.2.1 国内外研究现状 随着科学技术的发展，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。金属探测器的一个重大技术进步就是分段限时技术的出现，世界几大著名的金属探测器生产厂商，如 EIPaso、Ceia USA、Ranger&Metorex 等，均投入了相当的资金从事这项研究、开发工作。它利用探测器的侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置，可以用在诸如法庭以及其他不允许发出声音的地方，虽然关闭了探测器的音量，但它仍能显示并提醒操作人员何时何处有金属物品存在。平顶山工学院毕业设计（论文）4 金属探测器对工业生产及人身安全起着重要的作用。而为了能够准确判定金属物品藏匿的位置，就需要金属探测器具有较高的检测精度。目前，国外虽然已有较为完善的系列产品（如 EIPaso、Ceia USA、Ranger&Metoerx 等厂商的产品），但价格极其昂贵；国内传统的金属探测器则是利用模拟电路进行检测和控制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界环境如温度、湿度、电焊等诸因素的干扰。1.2.2 存在问题 传统的方法是传感器探头由 LC 正弦波振荡电路组成，当金属物经过探头或将探头在金属物附近移动时，由于磁场变化在金属体内产生涡流，导致 LC 振荡电路失谐，从而使振荡输出电压发生改变，据此信号系统可探测到附近金属物的存在。这种电路一般采用模拟电路设计，抗干扰能力差，影响整个系统的稳定性，导致波形失真甚至停止振荡。由于模拟电路比较复杂，所用的器件太多，导致在金属接近磁敏探头时，探测的灵敏度低，环境变化或元件老化造成电路工作点漂移。1.3 设计的基本思路 本文介绍的基于单片机控制的智能型金属探测器，采用灵敏度极高的线性霍尔元件作为传感器，检测由于金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化，提高了检测精度；处理部件则采用 AT89S52 单片机作为检测和控制核心，对检测结果进行分析判断，有效地保证了检测原理的实施；此外，利用软件滤波的方法代替了传统探测器复杂的模拟电路器件，大大提高了系统的可靠性、灵敏度和抗干扰性。适用于固体食品生产过程中对金属混入物的检测，也可用于探测隐藏于墙内、护墙板内侧、空洞和土壤中的上述物品和其他金属物。平顶山工学院毕业设计（论文）5 第二章 分析探测金属的理论依据 金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。根据电磁感应原理，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将出现涡流效应。2.1 线圈介质条件的变化 当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化，如图 2-1，对于半径为 R 的单匝与圆形电感线圈，当其中通过交变电流cosmIIwt时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度 B 为：22230sin42RxIRIRBdBdBdlrrr =22033222222cos2()2()rmR IIRwtxRxR （2-1）式中 0r；介质的磁导率；r相对磁导率；0真空磁导率。对于紧密缠绕 N 匝的线圈，线圈中心轴线上一点的磁感应强度则为：203222cos2()rmNR IBwtxR （2-2）由公式（2-2）可知，当在线圈有效探测范围内没有金属物存在时，1r（非金属的相对磁导率），线圈中心磁感应强度 B 保持不变，当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，r会变大，B 随r也会变大。平顶山工学院毕业设计（论文）6 图 2-1 圆形电感线圈轴线上磁场的计算 2.2 涡流效应 根据电磁理论，我们知道，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此，将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大，交变电流的频率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度 B 的变化。对于非铁磁性的金属，包括抗磁体（如:金、银、铜、铅、锌等）和顺磁体（如锰、铬、钦等），1r，较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：铁、钻、镍）r很大，也较大，可认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。本设计正是基于这样的理论，寻找一种适合的传感器检测感应线圈磁场的变化，并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现单片机的控制。正是本着这样一个设计思路来构建系统的硬件电路。平顶山工学院毕业设计（论文）7 第第三三章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 系统组成 如图 3-1 所示，整个探测系统以 8 位单片机 AT89S52 作为控制核心，其硬件电路分为两个部分，一部分为线圈振荡电路，包括：多谐振荡电路、放大电路和探测线圈；另一部分为控制电路，包括：UGN3503 型线性霍尔元件、前置放大电路、峰值检波电路、ADC0809 模数转换器、AT89S52 单片机、LED 显示电路、声音报警电路及电源电路等。图 3-1 系统结构框图 具体电路连接见附录所示电路原理图。平顶山工学院毕业设计（论文）8 3.2 硬件电路功能描述 3.2.1 线圈振荡电路 C10.01uFC30.01uFC20.01uFL1INDUCTORTRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGND555VCCQ19013HC41uFC50.01uF+9VR12KR22KR318KR43.3KR7200R5675R6200BCE 图 3-2 线圈振荡电路原理图 工作过程中，由 555 定时器构成一个多谐振荡器，产生一频率为 24KHz、占空比为2 3的脉冲信号。振荡器的频率计算公式为：1231(2)ln 2fRR C (3-1)图示参数对应的频率为 24KHz。从多谐振荡器输出的正脉冲信号经过电容1C输入到1Q的基极（1Q为125的 9013H），使其导通，经1Q放大之后，就形成了频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈1L中，在线圈内产生瞬间较强的电流，从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。由于在脉冲信号作用下，1Q处于开关工作状态，而导通时间又非常短，所以非常省电，可以利用+9V 电池供电。平顶山工学院毕业设计（论文）9 3.2.2 数据采集电路 图 3-3 数据采集电路原理图（1）线性霍尔传感器（linear Hall-Effect Sensors）在电路设计中，选用了美国 ALELGRO 公司生产的 UGN3503U 线性霍尔传感器，来检测图 3-2 中通电线圈1L周围的磁场变化。UGN3503U 线性霍尔传感器的主要功能是可将感应到的磁场强度信号线性地转变为电压信号。它的功能框图示于图3-4。图 3-4 UGN3503U 的功能框图 霍尔元件是依据霍尔效应制成的器件。其结构原理如图 3-4 所示。平顶山工学院毕业设计（论文）10 图 3-5 霍尔效应结构原理 在一块半导体薄片上两端通以电流 I 并加上与电流 I 方向垂直的磁场 B，在与电流 I 和磁场 B 都垂直的方向上出现一个电压，如图 3-5 的HU，这种现象就是霍尔效应。这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向半导体片 M、N 两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力方向相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力大小相等。这时，半导体片 M、N 两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压HU。霍尔电压HU可用下式表示：/()HHUR IB d V (3-2)式中 HR霍尔常数（31m C）；I电流（A）；B磁感应强度（T）；d霍尔元件的厚度（m）。令112/()HHKRd VA Wb m，则得到 HHUK IB（V）（3-3）由上式可知，霍尔电压的大小正比于控制电流 I 和磁感应强度 B。HK称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质与几何尺寸有关。因此当外加电压源电压一定时，通过的电流 I 为一恒值，此时输出电压只与加在霍尔元件上的磁场 B的大小成正比，即：平顶山工学院毕业设计（论文）11 HUKB(V)(3-4)此时HKK I为常数。因此，任何引起磁场强度变化的物理量都将引起霍尔输出电压的变化。据此，将霍尔元件做成各种形式的探头，固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再根据霍尔输出电压的变化提取被检信息，这就是线性霍尔元件的基本物理依据和作用。本设计中采用的线性霍尔传感器 UGN3503U 就是将霍尔元件、高增益线性差分放大器和射极跟随器集成在同一半导体基片上，为用户提供了一个由外电压源驱动、使用方便的磁敏传感器。该器件的磁电转换特性曲线：其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度 B 成比例。它的灵敏度典型值为 13.5mV/mT，静态输出电压为 2.5V，输出电阻为 0.05k，mini-SIP 封装。具有灵敏度高，线性度好;结构牢固，体积小，重量轻，耐震动，功耗小，寿命长，率高（可达1MHz）；输出噪声低等特点。用它作探头可测量，61010TT的交变和恒定磁场。在测量磁场时，将元件的第一脚（面对标志面从左到右数）接电源（工作电压为 5V），第二脚接地，第三脚接高输入阻抗（10k）电压表，通电后，将电路放入被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须让磁力线垂直于电路表面，当没有磁场（TB0）时，静态输出电压是电源电压的一半（即2ccV），当外加磁场的南极靠近器件标志面时，会使输出电压高于静态输出电压；当外加磁场的北极靠近器件标志面时，会使输出电压低于静态输出电压，但仍然是正值。利用线性霍尔传感器 UGN3503U 的上述特性，将其接在数据采集电路的前端，并固定在探测线圈1L的中心，即可感应线圈1L的磁场变化，并将磁场的变化信号转化为电压信号的变化而被后级电路拾取和放大。（2）放大和峰值检波电路 由于 UGN3503U 线性霍尔元件采集到的电压信号是一个毫伏级的信号，信号十分微弱，所以，在对其进行处理前，首先要进行放大。在设计中，信号放大电路采用输入阻抗高、漂移较小、共模抑制比高的集成运算放大器 LM324。LM324是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形和引脚排列如图 3-6所示。含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用，四组运放相互独立。平顶山工学院毕业设计（论文）12 图 3-6 UGN3503 外形和引脚排列 UGN3503 线性霍尔元件输出的微弱信号经电容耦合到前级运算放大器 U2A的同相输入端，运算放大器 U2A 把霍尔元件感应到的电压转换为对地电压。在电路设计中，运放 LM324 采用+5V 单电源供电，对于不同强度的信号均可通过调节前级放大电路的反馈电位器1W来改变其放大倍数。经前级运算放大器放大的信号经耦合电容7C输入到后级峰值检测电路中。采用阻容耦合的方法可以使前后级电路的静态工作点保持独立，隔离各级静态之间的相互影响，使得电路总温漂不会太大。峰值检测电路由两级运算放大器组成，第一级运放 U2B 入信号的峰值传递到电容8C上，并保持下来。第二级运放 U2C 缓冲放大器，将输出与电容隔离开来。在设计中，为了获得优良的保持性能和传输性能，同样采用了输入阻抗高、响应速度较快、跟随精度较好的运算放大器 LM324，这样可有效地利用 LM324 的资源，减少使用元器件的数量，降低了成本。当输入电压2iV上升时，2oV跟随上升，使二极管2D、3D导通，1D截止，运放 U2B 工作在深度负反馈状态，给电容8C充电，cV上升。当输入电压2iV下降时，2oV跟随下降，1D导通，U2B 也工作在深度负反馈状态，深负反馈保证了二极管2D、3D可靠截止，cV值得以保持。当2iV再次上升使2oV上升并使2D、3D导通，1D截止，再次对电容8C充电（cV高于前次充电时电压），2iV下降时，2D、3D又截止，1D导通，cV将峰值再次保持。输出oV反映cV的大小，通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将采集到的微弱电压信号放大至0V5V 的直流电平，以满足 A/D 转换器 ADC0809 所要求的输入电压变换范围，平顶山工学院毕业设计（论文）13 然后通过 A/D 转换电路将检测到的峰值转化成数字量。(3)A/D 转换电路 由于采集到的信号是连续变化的模拟量，不能被单片机直接处理，所以，必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，这里选用了经济实用的 ADC0809 型 A/D 转换器来完成模数转换。ADC0809 芯片内部结构和工作时序示于图 3-7 和图 3-8。图 3-7 ADC0809 芯片的内部结构 图 3-8 ADC0809 的工作时序 ADC0809 是 8 位逐次逼近型啊 A/D 转换器，片内有八路模拟开关，可对八路模拟电压量实现分时转换，转换速度为100 s（即 10 千次1 秒）。址锁存允许信号 ALE=1 时，3 位地址信号 A、B、C 送入地址锁存器，选择 8 路模拟量中的一平顶山工学院毕业设计（论文）14 路实现 A/D 变换。本设计中只使用通道 IN0，地址译码器 ABC 直接接地为 000，采用线选法寻址。ADC0809 片内有三态输出缓冲器，可直接与单片机的数据总线相连接，这里将它的数据输出口直接与单片机的数据总线 P0 连接，AT89S52 的P0 口作为数据总线，又作为低 8 位地址总线。ADC0809 的片内没有时钟，时钟信号必须由外部提供，这里利用 AT89S52 提供的地址锁存允许信号 ALE 经计数器74LS163 构成的 4 分频器分频获得。ALE 引脚的频率是单片机时钟频率的 1/6，单片机时钟频率为 12MHz，则 ALE 引脚频率约为 2MHz，再经 4 分频后为 500kHz，所以 ADC0809 能可靠工作。ADC0809 的模拟输入范围：单极性 05V，设计中采用+5V 单电源供电。如图 3-9 所示放大后的电压信号送入 ADC0809 的模拟输入通道 IN0 进行 A/D转换。将 P2.7（地址总线的 A15）作为片选信号，由 AT89S52 的写信号WR和 P2.7控制 ADC0809 的地址锁存 ALE 和转换启动 START，当 ADC0809 的 START 启动信号输入端为高电平时，A/D 开始转换，在时钟的控制下，一位一位地逼近，比较器一次次进行比较，转换结束时，送出转换结束信号 EOC（低到高），并将 8 位数字量 D7D0 存到输出缓存器。AT89S52 的读信号RD端发出一个输出允许命令输入到 ADC0809 的 ENABEL（即 OE）端，ENABEL（OE）端呈高电位，用以打开三态输出锁存器，AT89S52 从 ADC0809 读取相应电压数字量，然后存入数据缓冲器中。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40AT89S52CLR1CLK2P13P24P35P46PE7LD9TE10Q411Q312Q213Q114CO15IN31IN42IN53IN64IN75START6EOC7D38OE9CLOCK10VCC11Vref+12GND13D114D215Vref-16D017D418D519D620D721ALE22ADDC23ADDB24ADDA25IN026IN127IN228ADC0809564U3B74LS02231U3A74LS023474LS04VCCP1VCCVCCabcdU4B12MHz 图 3-9 A/D 转换电路 平顶山工学院毕业设计（论文）15 3.2.3 系统控制单元 采用 AT89S52 单片机。AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8K bytes Isp（In-system programmable）的可反复擦写 1000 次的 Flash只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-52 指令系统及 AT89S52 引脚结构（引脚图如图 3-10 所示），芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元。图 3-10 AT89S52 引脚图 AT89S52 片内结构如图 3-11 所示，它具有如下特点：40 个引脚，8K bytes Flash 片内程序存储器，256bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，看门狗定时（WDT）电路，2 个数据指针，3 个 16 位可编程定时计数器，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。此外，AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 12MHz，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM、定时计数器、串行口及外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。其工作电压为+5V，晶振频率采用 12MHz。平顶山工学院毕业设计（论文）16 图 3-11 AT89S52 内部结构 平顶山工学院毕业设计（论文）17 3.2.4 时间显示模块 1.日历芯片（1）DS1302 的结构及工作原理 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达 2.55.5V。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，可用来保存重要数据。该芯片采用串行I/O 接口方式。另外，在读写时钟或 RAM 数据时，可采用单字节或多字节（串模式）方式传送数据。它可在低功率情况下工作，在小于 1，时也可保持数据和时钟信息。DS1302 内部有一个 318 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存 DS1302 是DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。（2）DS1302 内部结构和引脚说明 DS1302 内部主要包括实时时钟（REAL,TIME CLOCK）,输入移位寄存器（INPUT SLRFI，REGIS-TERS）,31 字节静态 RAM、电源控制部分（POWER CONTROL）、命令控制逻辑（COMMAND AND CON-TROL LOGIC）、振荡器和分频器（OSCILLATOR AND DIVIDER）等部分。DS1302 具有 8 脚 DIP 和 SOIC 封装形式，其引脚排列如图 3-12 所示。图 3-12 DS1302 内部结构和管脚图 其中 1 脚 VCC1 和 5 脚 VCC2 为电源电压引脚，单电源供电时接 VCC1 脚，双1 5 2 6 3 7 3 7 4 8 VCC1 VCC2 DS1302 X1 X2 GND SLCK I/O RST 平顶山工学院毕业设计（论文）18 电源供电时，主工作电源接 VCC2 脚，备份电源接 VCC1 脚，备份电源可采用福一镍充电电池，也可用 1uf 以上的大容量电容代替。芯片具有可编程选择的对备份电池进行微电流充电的功能，有效延长了备份电池的使用寿命。若启用芯片内部的微电流充电器，则在主工作电源正常工作时，由主工作电源向充电电池充电。备份电池电压应略低于主工作电源电压，在系统掉电的情况下，则由备份电池向系统供电，以保证时钟正常运行，并保持时钟/日历信息和 31 个字节静态 RAM中的重要数据信息不丢失；2 脚 X1 和 3 脚 X2 为 32.768KHz 晶振引脚；8 脚 RST为复位端，若其被置为低电平，则中止所有数据传送，I/O 脚变为高阻态，系统复位；7 脚 I/O 为数据输人/输出端；6 脚 SCLK 为串行时钟输入端，所有地址 l命令字节和数据字节都是在时钟 SCLK 的同步控制下从 I/O 脚串行输入输出的。DS1302 通过 SCLK、I/O、RST 三根线与外部进行同步串行通信。VCC1 为后备电源，VCC2 为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302 由VCC1 或 VCC2 两者中的较大者供电。当 VCC2 大于 VCC10.2V 时，VCC2 给 DS1302供电。当 VCC2 小于 VCC1 时，DS1302 由 VCC1 供电。X1 和 X2 是振荡源，外接32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST 输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。如果在传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在 VCC2.5V 之前，RST 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。I/O 为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。SCLK 始终是输入端。（3）DS1302 的寄存器的说明 DS1302 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。此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与 RAM 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类：一类是单个 RAM 单元，共 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 C0HFDH，其平顶山工学院毕业设计（论文）19 中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的 RAM 寄存器，此方式下可一次性读写所有的 RAM 的 31 个字节，命令控制字为 FEH（写）、FFH（读）。DS1302 内部寄存器 CH:时钟停止位 寄存器 2 的第 7 位：12/24 小时标志 CH=0 振荡器工作允许 bit7=1，12 小时模式 CH=1 振荡器停止 bit7=0，24 小时模式 WP:写保护位 寄存器 2 的第 5 位:AM/PM 定义 WP=0 寄存器数据能够写入 AP=1 下午模式 WP=1 寄存器数据不能写入 AP=0 上午模式 TCS:涓流充电选择 DS:二极管选择位 TCS=1010 使能涓流充电 DS=01 选择一个二极管 TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10 选择两个二极管 DS=00 或 11,即使 TCS=1010,充电功能也被禁止 A时钟原理图如图3-13所示 平顶山工学院毕业设计（论文）20 图3-13 A 时钟图（4）地址/命令字节和寄存器格式定义 在数据传送时，首先向 DS1302 写人地址/命令字节，该字节提供地址和命信息，然后输人或输出数据。B7 为数据传送标志位，要完成数据传送，B7 必须为逻辑“1”，否则不能向DS1302 进行写操作。B6 为 RAM 和时钟寄存器选择位，若为逻辑“0”，表明系统要对时钟寄存器进行读写操作；B6 为逻辑“1”,表明系统要对 RAM 进行读写操作。B1B5 确定要进行读写操作的寄存器地址，当 B1B5 均为“1”时，选中多字节串模式传送方式，则时钟/日历数据或者 RAM 数据以多字节串模式进行传送。平顶山工学院毕业设计（论文）21 B0 为读写操作选择位，若为逻辑“0”时，表明将进行写操作，即向 DS1302 输入数据；B0 为逻辑“1”时，则表明将进行读操作，即从 DS1302 输出数据。DS1302片内有 7 个时钟/日历时标寄存器，以压缩 BCD 码格式存放时钟旧历数据。秒寄存器的最高位 B7 是时钟停止标志，当该位为“1”时，时钟晶振停止运行；当该位为“0”时，时钟开始运行。小时寄存器的最高位 B7 是 12/24 小时方式选择位，当为“0”时，选择 24 小时方式；当为“1”时，选择 12 小时方式，该寄存器的B5 是上/下午标志位，B5 为“0”表示上午，B5 为“1”，表示下午。DS1302 片内还有控制寄存器，微电流充电寄存器，串模式控制寄存器。控制寄存器的最高位B7 是写保护位，在向时钟寄存器或 RAM 中写入数据之前，B7 必须为“0”，如为“1”，则禁止对 DS1302 进行任何写操作，该寄存器中 B0B6 始终被置为“0”。微电流寄存器控制 DS1302 的微电流充电功能，其中微电流充电选择位 B4B7 控制微电流充电器的选择，为防止误操作，只有 1010 格式才能够使充电器工作。DS1302 在上电时，微电流充电器不被使能，只有在软件程序中对其进行选择。二极管选择位B2B3 和电阻选择位B0B1分别选择连在 VCC1和VCC2 之间充电通道上的二极管和电阻的数目。（5）读写操作时序 在数据传送时，首先传送地址/命令字节，确定下一步将要执行读操作还是写操作；将要访问的是时钟寄存器还是 RAM 存储器及其地址；采用单字节传送方式还是多字节（串模式）传送方式。在向 DS1302 写入地址/命令字节之后传送读写操作数据。单字节传送方式读写操作时序如图 3-14 所示。平顶山工学院毕业设计（论文）22 图 3-14 单字节传送方式读写操作时序图 在数据传送时，先将复位端 RST 置为高电平，此时 SCLK 必须为低电平。然后，在第一组 8 个 SCLK 串行时钟周期的上升沿，依次将地址/命令字节的 8 比特串人移位寄存器。若系统要对 DS1302 进行写操作，则把地址/命令字节写人移位寄存器之后，数据字节在下一组 8 个 SCLK 串行时钟周期的上升沿输人 DS1302；若系统要对 DS1302 进行读操作，则把地址/命令字节写入移位寄存器之后，数据字节在下一组 8 个 SCLK 串行时钟周期的下降沿从 DS1302 输出。任何字节均从低位 B0 开始依次输人或输出。（6）DS1302 与微控制器的接口软件及功能应用举例 电路设计中采用了 DS1302 时钟旧历芯片，提供时间和日历用于显示记录，并为定时、持续打印功能提供时钟。该系统采用 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机作为核心控制器件，DS1302 在该系统中的应用电路如图 3-15 所示。DS1302 工作在双电源供电方式下，VCC2 脚提供主工作电源，VCC1 脚接 3.6V镉镍充电电池。通过编程选择微电流充电功能，由 VCC2 在内部向 VCC1 脚提供充电电流，对充电电池充电。在系统掉电时，由备份电源供电维持时钟运行和保持 RAM 中的重要数据不丢失。DS1302 的 SCLK，I/O，RST 端分别与单片机 AT89C52 P1 口的 P2.2，P2.3，P2.4 相连，进行双向串行通信。由于采用真时钟，可以不占用单片机的定时器资源，减轻软件设计量。下面给出用 MCS-52 汇编语言编写的单字节传送方式读、写操作子程序清单。在 DS 1302 写子程序 W-1302 中，累加器 A 中存放地址/命令字节，其首先被写人 DS1302，发出写操作命令；然后把寄存器 R1 中存放的数据字节写入 DS1302，地址/命令和数据字节均是在 SCLK 的平顶山工学院毕业设计（论文）23 上升沿输人给 DS1302 的。在读操作子程序 READ 1302 中，首先将累加器 A 中存放的地址/命令字节写入 DS1302，发出读操作命令；然后 RAM 中的数据或时钟数据在 SCLK 的下降沿从 DS1302 中输出，并将其存放在累加器 A 中。图 3-15 DS1302 与单片机的连接图 最后，经过比较其电路图如 3-16 图 3-16 DS1302 的外接电路 2.时间显示模块 平顶山工学院毕业设计（论文）24 单片机的并行口不能直接驱动 LED 显示器，必须采用专用的驱动电路的芯片。使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力不足，即负载能力不够时显示器就不够亮，而且驱动电路长期在低电流下工作容易损坏。因此在实际使用中必须接入 LED 驱动 LED 驱动分为两种：静态显示，动态显示。静态显示：LED 驱动的选择较为简单，驱动能力与显示器电流相匹配即可，用+5V 共阳，接地共阴即可。动态显示：同样考虑段位的和位位的的驱动能力，而且段的驱动能力决定能力决定位的驱动能力。在应用系统中，设计要求不同，使用 LED 的显示的位数不同。选择 6 位一体的时钟型 LED 显示器用“：”号分开。分别表示“年，月，日”和“时，分，秒”。此次设计选择动态显示。（1）LED 显示器的选择 对于这种结构的 LED 显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位LED 阴极的各段已经在内部接在一起，所以必须使用动态扫描方式。（2）LED 的段驱动芯片的选择。LED 的段驱动电路有很多种，在本设计中，可以选择 BCD-7 段锁存/译码/驱动器做为段驱动电路。这类芯片的型号有 74LS47、74LS244、74LS247、74LS248等，这类芯片具有锁存、译码驱动的功能。即在输入端输入要显示字型的 BCD码，在输出端就可以得到具有一定驱动能力的 7 段显示字型码。（3）LED 的位驱动芯片的选择 LED 位驱动较常用的芯片有 ULN2003A 和 ULN2803。前者是具有 7 个达林顿电路的集