这几天做了一下电子工艺实习，焊接了PCB然后烧写了相应的程序，现在将实验过程记录下来。
声明1：我是一个单片机小白，下面有任何说的不对的地方，恳请各位指正，谢谢。
声明2：我将控制位选的4个三极管更换了，程序由原来的位选高电平选中，换成了位选低电平选中，在此声明。
声明3：这款PCB还实现了超声波测距、数码管滚动显示学号等功能，请见另一篇博客，代码详见GitHub我已将该项目上传到GitHub，项目地址为： STC11F04E项目。 代码开源，欢迎测试
目录
一、实验平台介绍
本次实验使用的PCB是老师自己画的，老师给了一张并不清晰的原理图截图，如下图所示。可以看到，这块PCB能实现三个功能：使用DS1302显示时间、使用DS18B20显示温度以及使用HC-SR04进行超声波测距(原理图上没有画，实际上它是与DS1302复用了IO和2SLCK引脚)，数值显示都是用数码管。实验用到的主控芯片是：STC11F04E
焊接完成后大概长这样：
二、功能实现
2.1 数码管驱动
2.1.1 原理
点亮单个数码管只需要给数码管的公共端接高电平(低电平)，然后再给需要点亮的那一段接低电平(高电平)就可以了，其中“给需要点亮的那一段接低电平(高电平)”的过程称为“段选”。点亮多个数码管时，不仅需要选择点亮哪一段，还需要告诉单片机你选中的是哪个数码管，称为“位选”。数码管静态显示就是通过“位选”选中，然后“段选”点亮某些数码管。动态显示就是位选和段选切换的快一些，快到我们的眼睛察觉不到动态变化，就可以显示任意数字组合了。
2.1.2 共阴还是共阳
点亮每个数码管之前，都需要知道你的数码管是共阴的还是共阳的，这样才能点亮。测试的方法就是给公共端一个高电位，其他端口给个低点位，如果有一段被点亮了，说明这个数码管是共阳的，否则就是共阴的数码管。
上面是利用Arduino的3.3V和GND接口，测试数码管的过程，可以看到本次实验使用的5611BH数码管是共阳的数码管。
2.1.3 编写驱动程序
先看一下这部分的原理图
可以看到原理图中控制位选的是P1.0~P1.3这四个IO口，控制数码管段选的是74HC164这个芯片。
- （1）位选部分
刚才已经测量过，实验使用的数码管是一个共阳的数码管，所以位选选中的话就需要给每一个公共端高电平。公共端连结了一个三极管，三极管的基极连结P1口，射级连结了VCC，集电极连结数码管的公共端。因此，想要选中某一个数码管，只需使位选P1口输出高电平即可。 - （2）段选部分
段选控制部分用到了一个74HC164芯片，这个芯片的特点就是“串行输入、并行输出”，相当于一个8bit的移位寄存器。AB是数据输入端，它会在时钟的上升沿输入数据；CLK是时钟信号输入；MR是复位端，将它接高电平使能；Q0~Q7是数据并行输出端，会将8Bit的数据并行输出。使用这个74HC164芯片，可以减少单片机IO口的占用，仅使用两个IO口就可以控制一个数码管了。 - （3）程序编写
程序就不详细解释了，我在程序里写了很多注释，现在直接贴上主要部分的代码。
/**********************************************************
* 函数名称：74HC164发送Byte函数
* 日期：2019-9-29
* 姓名：ZhangHJ
* 说明：74HC164移位寄存器输入一字节数据发给寄存器
***********************************************************/
void SendByte_74HC164(uchar byte)
{
uchar num,c;
num=tab[byte];
for(c=0; c<8; c++)
{
DAT=num&0x01; // P3^0 --> 0000 000x
CLK=0; // 制造一个上升沿
CLK=1;
num>>=1; // 将数据发送到寄存器
}
}
上面贴出来的是74HC164发送数据的函数，也就是数码管段选的函数。位选控制的话，直接将P1口全部选中就可以了。
这部分做完后，现在板子可以实现4位数码管同时点亮的功能了，如下图所示。拍照可能数码管不太清楚，但实际看着效果可以。
点击查看静态显示的展示效果视频
2.1.4 数码管动态显示
上面做完之后，就已经实现了数码管的静态显示，也就是4个数码管只能同时显示同一个数，要实现动态显示，就需要对数码管的位选进行详细的控制。
（1）动态原理
一般来说，动态显示的流程是：
循环进行：
- 关闭位选（位选都不选中）
- 开启段选（74HC164向寄存器传送数据）
- 开启位选（选中要显示的数码管）
- 关闭段选（清空段选数据，防止残影）
- 关闭位选（防止残影）
下面就根据这个顺序写一些数码管的动态显示程序。
（2）程序编写
同样只贴出重要的代码，工程文件我上传到了GitHub，会在文末给出。
/**********************************************************
* 函数名称：按字节控制数码管动态显示函数
* 日期：2019-9-30
* 姓名：ZhangHJ
* 说明：实现4个数码管显示 1234 的效果
* 数码管引脚低电平有效,首先关闭位选信号,然后给寄存器发送数据(开启段选),
* 开启位选控制并延时一段时间以显示数字,最后关闭位选信号清屏.
***********************************************************/
void test_light_byte()
{
P1 |= 0x0f; // 关掉位选
SendByte_74HC164(1); // 开启段选
P1 &= 0xf7; // 开启位选
delay_ms(DELAY_TIME); // 延时显示
P1 |= 0x0f; // 关掉位选
SendByte_74HC164(2);
P1 &= 0xfB;
delay_ms(DELAY_TIME);
P1 |= 0x0f;
SendByte_74HC164(3);
P1 &= 0xfD;
delay_ms(DELAY_TIME);
P1 |= 0x0f;
SendByte_74HC164(4);
P1 &= 0xfe;
delay_ms(DELAY_TIME);
}
上面的方法是同时控制1Byte的P1口的高低电平，实现位选控制，同样可以直接使用位控制，来控制数P1的某一个端口，下面给出代码。
/**********************************************************
* 函数名称：按位控制数码管动态显示函数
* 日期：2019-9-30
* 姓名：ZhangHJ
* 说明：实现4个数码管显示 4321 的效果
* 数码管引脚高电平有效,首先设置各位段选信号,然后给寄存器发送数据
* 延时一段时间实现数字显示,最后清除段选信号清屏.
***********************************************************/
void test_light_bit()
{
DPY0 = ON;
DPY1 = OFF;
DPY2 = OFF;
DPY3 = OFF;
SendByte_74HC164(1);
delay_ms(DELAY_TIME);
SendByte_74HC164(10);
DPY0 = OFF;
DPY1 = ON;
DPY2 = OFF;
DPY3 = OFF;
SendByte_74HC164(2);
delay_ms(DELAY_TIME);
SendByte_74HC164(10);
DPY0 = OFF;
DPY1 = OFF;
DPY2 = ON;
DPY3 = OFF;
SendByte_74HC164(3);
delay_ms(DELAY_TIME);
SendByte_74HC164(10);
DPY0 = OFF;
DPY1 = OFF;
DPY2 = OFF;
DPY3 = ON;
SendByte_74HC164(4);
delay_ms(DELAY_TIME);
SendByte_74HC164(10);
}
差不多的流程，同样能实现数码管的动态显示控制。动态显示做完之后，这四个数码管就能显示不同的数字了，效果如下图所示。
点击查看数码管动态显示的效果视频
可以看到，在按键按下后，显示的4321是有残影的。这是因为按位操作显示4321的函数，没有严格按照动态显示的顺序进行编写，没有关闭位选。就先这样吧，不再改了。
数码管能做到这里基本就算完事了，接下来进行DS18B20温度传感器的控制。
2.2 DS18B20 温度传感器驱动
2.2.1 原理
DS18B20是一个常见的温度传感器，特点就是“单总线数据传输”。因为它只有一个数据引脚，要实现单片机之间的数据读取、写入、初始化等操作，时序就非常重要了。非常非常非常重要（重要的事情说三遍）。其他内容看一下资料就好了，资料在我的GitHub里面也有。
2.2.2 程序编写
我们想实现的功能是将DS18B20的温度数值，显示在这4个数码管上。数码管已经玩过了，下面就列举一下DS18B20的驱动程序。
/**********************************************************
* 函数名称：发送复位和初始化命令函数 dsinit
* 修改日期：2019-9-9
* 修改人：ZhangHJ
* 说明：1. 对于单片机: 单片机首先发出480-960us的低电平脉冲,
* 释放总线为高电平(上拉电阻拉高),在随后的480us进行检测,
* 如果出现低电平，说明器件应答正常.B
* 2. 对于DS18B20: 上电后就检测是否有480/960us的低电平脉冲,
* 如果有低电平,在总线释放之后，等待15-60us,
* 将电平拉低60-240us,告诉主机已经准备好.
***********************************************************/
uchar dsreset(void) // send reset and initialization command
{
uint i;
DS = 0; // 先将端口拉低
i=120; // 维持低电平状态480us~960us
while(i>0)i--;
DS = 1; // 然后释放总线(将总线拉高),若DS18B20做出反应,将会将在15us~60us后将总线拉低
i = 0;
while(DS) // 在DS高电平时等待
{
i++;
if(i > 50000) // 等待时间大于60us,说明响应失败
{
return 0;
}
}
return 1;
}
上面这个程序是DS18B20的初始化函数，也就是说，DS18B20在于单片机进行通信之前，需要跟单片机告诉一声，单片机于DS18B20之间建立通信连接之后，才能进行整行的通信。这也是单总线通信的特点。
大概的通信过程是：
- 对于单片机: 单片机首先发出480-960us的低电平脉冲,释放总线为高电平(上拉电阻拉高),在随后的480us进行检测,如果出现低电平，说明器件应答正常。
- 对于DS18B20: 上电后就检测是否有480/960us的低电平脉冲,如果有低电平,在总线释放之后，等待15-60us,将电平拉低60-240us,告诉主机已经准备好。
单片机与DS18B20之间建立通信连接（DS18B20初始化）完成后，单片机想读取DS18B20的寄存器中的数据，还需要写一个读取数据的函数，下面贴出代码。
/**********************************************************
* 函数名称：读1bit数据函数
* 修改日期：2019-9-9
* 修改人：ZhangHJ
* 说明：1.首先单片机端口拉低 >1us,
* 2.然后释放总线,拉高总线,
* 3.等待>15微秒，是为了让 DS18B20 数据稳定,
* 4.读取DS数据,
* 5.接下来进行延时等待采样周期完成。
* 详见DS18B20资料2.8.3.1读/写时间片
***********************************************************/
bit tmpreadbit(void) // read a bit data
{
uint i;
bit dat; // 定义位数据 (dat = 0 or 1)
DS = 0; // 先将端口拉低
_nop_(); // 延时 2us ,要求至少保持1us
DS = 1; // 再将端口拉高
i=8;while(i>0)i--; // 等待DS数据稳定,要求的至少延时15us以上
dat = DS; // 数据传输
i=15;while(i>0)i--; // 等待数据采样周期完成,要求不低于60us
return (dat);
}
上面这个函数，是单片机读取DS18B20一位数据的函数。这个函数的时序要求很严格，这些操作的时间一定要按要求，否则程序将不能正常运行。函数具体的过程也不说了，注释里都有。现在这个函数是读取1bit数据的函数，要想实现1Byte的读取，只需将这个函数循环8次，加上数据移位操作就可以了，代码就不贴了。
上面已经算是单片机可以读取到DS18B20的数据了，但是DS18B20它是怎样得到温度数值的呢？这涉及到了对DS18B20 的寄存器写指令的操作，举个例子，单片机往DS18B20里面写入一字节的指令0x44，18B20就会进行进行一次温度转换。这些操作指令在DS18B20的手册里面都有，我们也不用记住，到时候直接手册就行。所以现在需要写一个写操作的函数，用来给DS18B20写指令，下面贴出代码。
/**********************************************************
* 函数名称：写入1Byte数据函数
* 修改日期：2019-9-11
* 修改人：ZhangHJ
* 说明：1.将对待写入数据dat进行位操作,将dat末位数值赋值给位数据testb
* 2.通过判断testb得到写 0 还是写 1
* 3.若是写 0 操作,将 DS 拉低,进行>60us的延时,再将DS拉高,进行>1us的延时
* 4.若是写 1 操作,将 DS 拉低,进行15~60us的延时,再将DS拉高,进行>60us的延时
* 5.循环执行2、3、4操作8次,写入1字节数据
* 详见18B20资料“2.8.3.1读/写时间片”章节
***********************************************************/
void tmpwritebyte(uchar dat) //write a byte to ds18b20
{
uint i;
uchar j;
bit testb;
for(j=1;j<=8;j++)
{
testb = dat&0x01;
dat = dat>>1;
if(testb) // write 1
{
DS=0;
i=8;while(i>0)i--;; // 延时要求15~60us内
DS=1;
i=15;while(i>0)i--; // 要求不低于60us
}
else
{
DS = 0; // write 0
i=15;while(i>0)i--;
DS = 1;
i++;i++;
}
}
}
写操作同样对时序也是非常非常严格，按手册要求才行。具体的过程同样也没啥可说的，注释里也有。这样就可以对DS18B20写入操作命令，指示DS18B20干活了。
/**********************************************************
* 函数名称：18B20温度转换完整过程函数
* 修改日期：2019-9-11
* 修改人：ZhangHJ
* 说明：1.首先进行18B20初始化
* 2.进行适当延时
* 3.发送跳过光刻ROM指令
* 4.发送RAM指令,进行温度转换
* 5.读取两个8位数据,放到16位寄存器 temp 中
* 6.将读取到的二进制数据(默认为正数),转换为十进制数据
* 7.返回温度数据
* 详见18B20资料“2.8.3.1存储器操作命令”章节
***********************************************************/
uint tmp() // get the temperature
{
float tt;
uchar high,low;
//P1 |= 0x0f;
while(dsreset() == 0)
{
SendByte_74HC164(0);
P1 &= 0xfB;
}
delay(1);
//tmpchange();
tmpwritebyte(0xCC); // 跳过 ROM 操作
tmpwritebyte(0xBE); // 读暂存寄存器
low=tmpread();
high=tmpread();
temp=high;
temp<<=8; // two byte compose a int variable
temp=temp|low;
tt=temp*0.0625;
temp=tt*10+0.5;
return temp;
}
上面的函数就是DS18B20温度转换的完整过程，因为涉及到了一些寄存器的操作，温度数值转换的操作，我也没深入研究，也不说啥了。想要知道原理的话可以看一看DS18B20的手册。
现在已经能够实现读取DS18B20温度数值的功能了，只要将温度转换之后的数值，显示到数码管上就完事了。数码管那一部分就不贴代码了，跟动态显示差不太多。效果如下图所示。
点击查看DS18B20温度传感器测试视频
2.3 DS1302时钟模块
2.3.1 原理
DS1302是一个常见的时钟芯片，它可以可提供秒、分、时、日、星期、月和年的时间记录，同时还有每月多少天的自动调整，还具有闰年补偿功能。嗯，功能多到我们都用不着哈?。这东西拿来做一个万年历还行，但是我的PCB上面只有4个数码管，一次也显示不全，还不如只用“时分”功能来得方便。
DS1302的封装就长这样：
Vcc2是它的主电源，Vcc1是它的备用电源
X1、X2是晶振的输入端
SCLK是时钟的输入端
CE是片选使能
在芯片手册里有要求，外接的晶振是标准的32.768KHz，按要求外接一个就行了。SCLK接单片机的引脚，因为这个芯片在读写操作时需要进行时钟的控制（在时钟上升沿写入数据；在时钟下降沿读数据），所以接到单片机上给它造上升沿和下降沿。CE是片选使能，在时序图里面可以看到，要进行读写操作时，CE必须要是高电平。低电平的CE会禁止读写操作，终止数据的传输。
2.3.2 程序编写
DS1302这个芯片操作还是比较方便的，这个芯片因为是专门用来当时钟的芯片，所以对他的访问也无非就只有“写入初始时间”和“读取时间”。
对于写入初始时间来说，也就是往DS1302寄存器里写入数据而已；对于读取时间来说，需要你提供一个地址，用来告诉单片机你想访问DS1302的哪个寄存器，然后单片机就会去DS1302这个寄存器里面取值，经过数值转换后，就成了我们想要的时间数值。
DS1302的寄存器也有点意思，因为它是专门的时钟芯片，所以寄存器也是很好理解。
首先来进行写命令函数的编写，下面贴出代码。
/**********************************************************
* 函数名称：DS1302写操作函数
* 日期：2019-10-4
* 姓名：ZhangHJ
* 说明：写操作包含两个参数,add表示要写入的地址;wdata表示要写入的数据
* 1. 读写操作需要先将RST拉高才能进行
* 2. 先写入控制字节,在时钟上升沿串行写入数据
* 3. 再写入数据字节,同样在时钟上升沿写入数据
* 4. 最后拉低RST禁止数据传输
***********************************************************/
void DS1302Write(uchar add,uchar wdata)
{
uchar a;
//wdata = hex(wdata); // 转换为BCD码
RST=0; // 拉低RST引脚,终止数据传输
SCLK=0; // 拉低SCLK引脚,清零时钟线
RST=1; // 拉高RST引脚,所有数据传输都要拉高RST脚,启动控制逻辑
//先写入控制字节
for(a=0; a<8; a++)
{
IO= add & 0x01; // IO引脚准备好要写入的1位数据
SCLK=1; // SCLK上升沿,1位数据从IO脚写入,低位先写入
add>>=1; // 数据右移1位
SCLK=0; // 拉低SCLK,为下次写入准备,循环8次写入1字节
}
//再写入数据字节
for(a=0; a<8; a++)
{
IO= wdata & 0x01;
SCLK=1;
wdata>>=1;
SCLK=0;
}
RST=0; // 数据传输完拉低RST
}
写入数据也是串行写入的，可以依照时序图进行该函数的编写。另外读命令函数也贴出代码。
/**********************************************************
* 函数名称：DS1302读操作函数
* 日期：2019-10-4
* 姓名：ZhangHJ
* 说明：读操作只需一个参数,即需要读取的寄存器地址add
* 1. 首先需要将需要读取的地址(1Byte)写入寄存器,在上升沿进行写入操作
* 2. 之后读取该地址中的数据,在下降沿读取数据
* 3. 最后返回读取到的1Byte数据
***********************************************************/
uchar DS1302Read(uchar add)
{
uchar a, rdata=0;
RST = 0; // 拉低RST引脚,终止数据传输
SCLK = 0; // 拉低SCLK引脚,清零时钟线
RST = 1; // 拉高RST引脚,启动控制逻辑
//发送控制字节
for(a=0; a<8; a++)
{
SCLK = 0;
IO = add & 0x01;
SCLK = 1; // 制造一个上升沿,写入地址
add >>= 1;
}
//读1字节数据
for(a=0; a<8; a++)
{
SCLK = 1;
rdata >>= 1;
SCLK = 0; // 制造一个下降沿,读取数据
if(IO)
{ // 如果读到1
rdata |= 0x80; // 把最高位置为1,记录到rdata中
}
}
RST=0; // 拉低RST
//return dec(d); // 读取的数据转换成十进制
return rdata;
}
读命令也是依照时序图就可以编写出来，方便理解。
现在读写指令都编写完成了，基本上DS1302的功能就可以实现了。其他的数码管显示、初始时间设置等等，就不再说了，直接看GitHub。效果如下图所示。
点击查看DS1302时钟芯片测试视频
2.4 代码整合
现在已经实现了数码管显示、DS1302获取时间、DS18B20获取温度这三个功能了，只要将代码整合一下就能烧到单片机中了。具体的整合过程也不再赘述了，只贴一下最终的主函数。
// 主函数功能：默认显示时间(初始化时间为“2019年10月4日18:55:00”),按住INT0按键时,会显示温度
void main()
{
uchar a;
ds1302_init(); // DS1302日期初始化
while(1)
{
// 时间显示
read_time(); // DS1302读取当前时间
Display_Time(); // 显示当前时间
// 按键处理
if (KEY == 0)
{
delay(5);
while(KEY == 0) // 按键消抖
{
// 温度显示
tmpchange(); // 首次温度转换
for(a=50;a>0;a--) // 延时,保持连续显示
{
Display_Tmp(tmp()); // 进行温度转换和数值显示
}
}
}
}
}
主函数实现的功能就是，在单片机上电后，进行一次时钟芯片的初始化，设置初始时间，然后循环进行时间的显示。当INT0按键被按下时，会进行温度转换，显示实时温度。
点击查看代码整合视频
三、设想
现在单片机能实现两个功能：温度显示、时间显示 。但是时间的显示是通过DS1302时钟芯片来实现的，这就有一些缺点。比如我可能需要在初始化时钟芯片时写入初始化的时间，这就显得不太合适；同时，由于单片机晶振和外部晶振的问题，可能导致时间不准确，过一段时间还得手动校时，这也很不方便。
比较好的解决办法是将单片机联网，在网络获取时间后写入DS1302，每隔一段时间进行一次自动校时，这样就解决了时间不准确的问题。然而单片机自身不能联网，需要通过其他方式接入网络。ESP8266就是一款小巧的WiFi模块，通过单片机与ESP8266的通信，可以将网络时间传输到单片机中。
ESP8266可以通过AT指令的方式，与单片机进行数据通信；同时，它自身的WiFi功能还能通过网络GET请求获取到NTP服务器的精确时间，通过串口传给单片机进行校时。
目前我已实现使用ESP8266获取到网络时间的功能，我是用TTL连接的电脑，用串口助手给ESP8266发送AT指令，通过GET请求获取到了NTP服务器的时间，如下图9所示。
在GET请求到的数据中，可以看到date1就是我们想要的时间，而且还是UTC +8.00的东八区时间，用起来会更方便了。
我现在是使用串口与ESP8266通信，需要实现的单片机与ESP8266的通信，与这种方式差不多，所以实现起来还是可行的。
四、总结
以前玩过Arduino、树莓派，现在看来Arduino，它的IDE是很方便，适合初学者；而树莓派因为能搭载Linux所以功能太强大，跟电脑差不多了。还是单片机好玩，因为在学习单片机的过程中，才能真正理解每一个器件是如何工作的，学习工程中需要了解很多底层的知识才能玩转。
单片机一开始上手都不知道怎么烧程序，后来查阅资料之后才慢慢了解。另外就是DS18B20 时序很重要。。。因为我花了很长时间才把它玩起来，让人头大。
五、资料
5.1 本项目GitHub地址
https://github.com/ZHJ0125/STC11F04E
5.2 参考资料
（1）74HC164
- 74hc164中文资料汇总（74hc164引脚图及功能_特性参数及典型应用电路） - 全文 - 电子发烧友网
- 74HC164_中文资料_价格_官方数据手册_STMICROELECTRONICS - 万联芯城
- 51单片机74HC164串口控制数码管显示
- 74HC164控制数码管显示 - 恶魔的旋律 - ITeye博客
- 74HC164驱动程序实例（C语言版子程序或汇编版子程序）-百合电子工作室
- STC Micro STC11F04E - PDF Datasheet - STC In Stock | lcsc.com
- 74HC164 - ztm521的专栏 - CSDN博客
（2）AT89C2051
（3）DS18B20
- 单片机练习 - DS18B20温度转换与显示 - MK2 - 博客园
- 16.4 温度传感器 DS18B20 - 单片机教程(三) - 极客学院Wiki
- 关于DS18B20温度传感器的时序详解及代码分析 - Kk_01110001B的博客 - CSDN博客
- 51单片机的几种精确延时 - feike24的博客 - CSDN博客
（4）DS1302
（5）ESP8266
- 使用ESP8266 NodeMCU从NTP服务器获取日期和时间
- ESP8266 NTP时钟| 坚果与伏特杂志
- 认识ESP8266 | 坚果与伏特杂志
- 带OLED的最简单ESP8266本地时间互联网时钟：4个步骤（带图片）
- 51单片机利用8266获取网络时间 - weixin_42757674的博客 - CSDN博客
- STC: 1T 8051 单片机创新者, ISP/IAP 技术创新者
- 三极管是如何导通的？ - 知乎