基于单片机的多功能LCD万年历时钟设计与温度显示系统

1 基于单片机的多功能LCD万年历时钟设计与温度显示系统

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1.1 设计背景与意义

在日常生活、工业设备、人机交互终端以及教学实验中，时间与温度信息属于最常见、最基础的显示需求之一。传统的时钟装置通常只显示时分秒，而在实际应用中，人们更需要完整的日期信息（年、月、日、星期）以及能够进行校准和设置的功能。同时，环境温度的实时监测也在智能家居、仪表设备、实验室管理等领域具有重要价值。

基于单片机的LCD万年历时钟系统可以把时间、日期、温度等信息集成到一个显示终端中，并通过按键进行设置校准，具有结构清晰、成本低、可扩展性强、学习价值高等特点。尤其是在课程设计或仿真设计中，该系统能够综合训练以下能力：
1）单片机外设驱动与模块化编程思想；
2）LCD字符显示控制与界面布局；
3）实时时钟（RTC）芯片通信与时间数据管理；
4）温度传感器采集与数据转换显示；
5）按键去抖、状态机控制与参数设置流程设计；
6）软件与硬件协同调试、系统鲁棒性设计。

因此，本课题设计一套“基于单片机的多功能LCD万年历时钟设计与温度显示系统”，实现年月日时分秒完整显示、时间校准设置、DS18B20温度采集显示以及按键修改设置等功能，具备较强的实用性与工程训练价值。

2 系统功能与总体方案

2.1 系统功能概述

系统需要实现以下核心功能：

1. LCD显示年月日时分秒完整时间信息，界面清晰直观。
2. 支持时间校准功能，可对年、月、日、时、分、秒逐项设置，确保时间准确。
3. 通过DS18B20温度传感器采集环境温度，并实时显示在LCD屏幕上。
4. 按键操作实现时间修改与设置，包含模式切换、数值增减、确认保存等功能。

在工程层面，为了让系统稳定易用，还应具备以下辅助特性：
1）上电初始化显示欢迎界面或默认界面；
2）时间显示采用固定格式，保证数值对齐；
3）按键具备去抖与长按加速逻辑，提高操作体验；
4）温度显示支持负温度，并显示小数（DS18B20默认分辨率为0.0625℃）；
5）系统定时刷新机制合理，不出现屏幕闪烁或按键迟滞。

2.2 系统总体结构

系统由以下模块组成：

1. 单片机最小系统模块（51单片机或其他常见MCU）
2. 实时时钟模块（RTC芯片，如DS1302/DS1307等）
3. LCD显示模块（常用1602字符LCD或12864点阵LCD）
4. 温度采集模块（DS18B20数字温度传感器）
5. 按键输入模块（模式键、加键、减键、确认键等）
6. 电源模块（+5V供电及滤波）
7. 备用电池模块（RTC供电，保证断电走时）

系统工作流程可概括为：
1）RTC芯片持续计时并保存当前时间；
2）单片机周期读取RTC时间，并更新LCD显示；
3）单片机周期读取DS18B20温度数据并显示；
4）按键触发进入设置模式，单片机修改时间变量并写入RTC实现校准；
5）系统始终保持稳定刷新与实时响应，确保显示准确与操作便捷。

3 硬件电路设计

3.1 硬件设计总体原则

本系统硬件设计应遵循：

1. 可靠性优先：RTC和DS18B20对时序要求较高，应保证信号稳定、上拉电阻合适。
2. 模块化设计：各模块接口清晰，便于调试与扩展。
3. 抗干扰性：按键输入、时钟通信线、温度信号线应考虑抗干扰，避免误触发或数据异常。
4. 供电稳定：LCD、RTC与传感器需要稳定电压，必须配置去耦电容与滤波。
5. 易于仿真与实现：采用常见器件组合，便于在PROTEUS等平台搭建或在实物中落地。

3.2 单片机最小系统模块设计

3.2.1 单片机选型说明

系统核心控制器可选择传统51单片机（如STC89C52/AT89C52），其优点是：
1）开发工具成熟，资料丰富；
2）I/O口数量足够连接LCD、RTC、DS18B20和按键；
3）适合课程设计与入门仪表项目；
4）成本低，易于仿真验证。

在本系统中，51单片机完全能够胜任：
1）周期读取RTC与DS18B20；
2）驱动LCD显示；
3）处理按键设置逻辑；
4）执行时间校准写入操作。

3.2.2 时钟电路设计

单片机常使用外部晶振（11.0592MHz或12MHz）：
1）12MHz便于定时器计算；
2）11.0592MHz适合串口波特率精确。
本系统无需串口，可采用12MHz。晶振两端加22pF电容到地，保证振荡稳定。

3.2.3 复位电路设计

采用RC上电复位电路，确保上电后单片机稳定进入程序。并可加入按键复位方便调试。
复位设计建议：
1）RST引脚上拉电阻与电容形成延时；
2）按键复位时将RST直接拉高；
3）必要时在RST与地之间加小电容抑制噪声。

3.2.4 I/O口资源分配规划

典型分配方式如下：
1）LCD1602：数据线D4~D7（4位模式）+ RS、RW、EN
2）RTC模块：DS1302使用三线（CE、SCLK、IO）或DS1307使用I2C（SCL、SDA）
3）DS18B20：单线DQ
4）按键：4个或更多（模式/选择/加/减/确认）
合理规划可以减少端口冲突，并便于程序设计。

3.3 LCD显示模块设计

3.3.1 LCD类型选择与理由

常见LCD显示模块有两类：
1）LCD1602字符液晶：显示两行，每行16字符，适合显示时间日期温度等字符信息；
2）LCD12864点阵液晶：显示内容更丰富，可显示汉字与图形，但驱动复杂。

本系统核心需求是显示年月日时分秒与温度，采用LCD1602即可满足，并且驱动程序简单、资源占用少、仿真模型丰富，因此推荐LCD1602。

3.3.2 LCD1602显示内容布局设计

LCD1602只有两行显示，因此需要合理安排显示格式。典型布局：

• 第1行：YYYY-MM-DD HH:MM（或显示星期）
• 第2行：SS TEMP: +25.3C

也可采用：

• 第1行：DATE:2026-01-01
• 第2行：TIME:12:30:45 T:25.3

设计时应保证：
1）数字位数固定，用0补齐，例如09月显示为“09”；
2）符号与单位位置固定，便于观察；
3）温度显示保留1位小数即可满足日常需求。

3.3.3 LCD接口模式

LCD1602支持8位与4位两种数据模式：
1）8位模式：速度快，但占用IO多；
2）4位模式：只使用D4~D7，占用IO少，适合多模块系统。
本设计推荐使用4位模式，释放更多IO给RTC、DS18B20与按键。

3.3.4 对比度与背光电路

LCD的对比度由VO引脚控制，通常通过10k电位器调节，使字符清晰。背光LED需要限流，可直接由5V供电或由单片机控制实现背光开关（扩展功能）。

3.4 实时时钟（RTC）模块设计

3.4.1 RTC模块作用

单片机内部定时器可实现计时，但受程序运行与掉电影响，长期计时精度与断电保持能力不足。RTC芯片可以提供：
1）高精度走时（配合32.768kHz晶振）；
2）断电数据保持（外接纽扣电池）；
3）提供年月日时分秒数据，甚至星期信息；
4）可通过串行接口由单片机读取与校准设置。

3.4.2 RTC芯片选型

常用RTC芯片：
1）DS1302：三线串行接口，使用方便，资料丰富；
2）DS1307：I2C接口，时钟稳定；
3）DS3231：内置温补晶振，精度更高，但成本略高。

对于课程设计与仿真，DS1302最常见，因此本设计以DS1302为典型方案。DS1302输出BCD编码数据，单片机需进行BCD与十进制转换。

3.4.3 DS1302硬件接口与电路要点

DS1302引脚主要包括：
1）CE：片选使能；
2）SCLK：串行时钟；
3）I/O：数据输入输出；
4）X1/X2：外接32.768kHz晶振；
5）VCC1：备用电池输入；
6）VCC2：主电源输入。

设计要点：
1）晶振引脚走线短，避免干扰；
2）备用电池与主电源切换可靠；
3）CE与SCLK线建议加适当上拉或保持稳定输出，避免误触发；
4）数据线I/O通常加上拉电阻（如4.7k~10k），保证总线稳定。

3.4.4 RTC备用电池与断电保持

RTC模块可接CR2032纽扣电池。断电时RTC仍能持续计时，上电后单片机读取RTC即可继续显示，保证万年历时钟“不断走”。这也是万年历功能的重要基础。

3.5 DS18B20温度采集模块设计

3.5.1 DS18B20传感器特点

DS18B20是一种单总线数字温度传感器，具有以下优点：
1）测量范围宽（-55℃~+125℃）；
2）精度较高（典型±0.5℃）；
3）输出为数字信号，不需要ADC；
4）支持多点挂载（每个传感器有唯一64位ROM码）；
5）通信线仅需一根数据线DQ，大幅简化硬件连接。

本系统只需采集一只DS18B20即可满足环境温度显示需求。

3.5.2 DS18B20硬件连接与上拉电阻

DS18B20单线DQ需要外接上拉电阻（常用4.7k）到5V，用于总线空闲时保持高电平，同时保证信号上升沿。
硬件设计注意：
1）DQ线尽量短，若长线则需加强抗干扰；
2）电源端加0.1uF去耦电容；
3）可采用寄生供电模式，但推荐三线供电（VDD、GND、DQ）更稳定。

3.5.3 温度数据格式

DS18B20输出温度以16位形式存储在Scratchpad中，默认分辨率12位：

• 每个最小单位为0.0625℃
• 读取到的温度值需做符号扩展与小数转换
  例如：读取值为0x0191（十进制401），温度=401*0.0625=25.0625℃。
  显示时通常保留1位小数即可，如25.1℃。

3.6 按键输入模块设计

3.6.1 按键功能规划

为了实现时间校准与设置，需要设计按键操作逻辑。常用按键组合：
1）MODE键：模式切换（正常显示/设置模式）
2）SET键：选择设置项（年→月→日→时→分→秒）
3）UP键：数值增加
4）DOWN键：数值减少
5）OK键（可选）：确认保存并退出设置

在按键数量有限时，也可设计为：

• MODE：进入/退出设置
• SET：切换字段
• UP：加
• DOWN：减
  这样即可完成完整设置流程。

3.6.2 按键硬件电路

按键通常采用独立按键输入：
1）按键一端接地；
2）另一端接单片机IO口，并通过上拉电阻拉到高电平；
3）按下为低电平触发。
这种方式结构简单，抗干扰能力较强。

3.6.3 按键去抖设计

按键按下与释放会产生抖动，若不去抖会导致一次按键被识别为多次。去抖可采用：
1）软件去抖：检测到按下后延时10~20ms再次确认；
2）硬件去抖：RC滤波 + 施密特触发。
本系统推荐软件去抖，简单有效，且便于实现长按加速功能。

3.7 电源模块设计

3.7.1 供电需求

本系统一般采用+5V供电，为：
1）单片机
2）LCD1602
3）DS18B20
4）DS1302主电源
提供稳定电压。RTC备用电池单独供电。

3.7.2 去耦与滤波

为了保证系统稳定：
1）单片机、RTC、DS18B20电源脚附近各放置0.1uF去耦电容；
2）电源入口放置10uF电解电容平滑波动；
3）LCD背光若由系统供电，需考虑电流并做好限流与滤波。

4 程序设计

4.1 软件总体架构设计

软件设计采用模块化结构，主要包括：

1. 系统初始化模块：IO、定时器、LCD初始化、RTC初始化、DS18B20初始化
2. RTC驱动模块：读取时间、写入时间、BCD转换
3. DS18B20驱动模块：复位、读写字节、温度转换与读取
4. LCD显示模块：字符串显示、定位显示、格式化输出
5. 按键扫描模块：去抖、短按/长按识别
6. 时间设置模块：设置状态机、字段切换、数值增减范围处理
7. 主循环调度模块：定时刷新显示、定时读取温度、设置模式下的界面交互

软件设计目标：
1）正常模式下时间实时更新且显示稳定；
2）设置模式下按键操作直观，修改立即可见；
3）写入RTC后退出设置，系统继续走时；
4）温度采集不影响时间显示与按键响应。

4.2 LCD显示驱动程序设计

4.2.1 LCD初始化流程

LCD1602初始化需按标准时序执行：
1）等待LCD上电稳定（>15ms）
2）设置为4位模式
3）设置显示模式（2行显示、5x7点阵）
4）开启显示，关闭光标或闪烁
5）清屏并设置光标起始位置

4.2.2 显示刷新策略

显示刷新有两种常用方式：
1）全屏刷新：每次重新清屏并写入所有字符，简单但可能闪烁；
2）局部刷新：只更新变化字段（时间秒数、温度等），显示更稳定。
本系统推荐“局部刷新”：

• 每秒更新一次时间显示区域；
• 每1秒或2秒读取一次温度并更新温度区域；
• 设置模式下实时更新被修改字段。

4.3 RTC时间读取与校准程序设计

4.3.1 RTC数据格式与转换

DS1302内部寄存器为BCD编码，如：
0x25表示十进制25。
因此读取后需要BCD转十进制：
dec = (bcd >> 4) * 10 + (bcd & 0x0F)
写入时则十进制转BCD：
bcd = (dec / 10) << 4 | (dec % 10)

4.3.2 读时间流程

1）读取秒、分、时、日、月、星期、年寄存器；
2）转为十进制存储在结构体中；
3）按显示格式输出到LCD。

4.3.3 写时间流程（时间校准）

在设置模式下修改完成后：
1）将修改后的十进制值转BCD；
2）按顺序写入DS1302对应寄存器；
3）启动RTC走时（确保CH位正确）；
4）退出设置模式，恢复正常显示。

4.4 DS18B20温度采集程序设计

4.4.1 单总线通信流程

DS18B20通信包括：
1）复位脉冲（主机拉低总线480us以上）
2）等待存在脉冲（传感器回应）
3）写命令：跳过ROM（0xCC）、开始温度转换（0x44）
4）等待转换完成（最大750ms，12位分辨率）
5）再复位，写命令读取Scratchpad（0xBE）
6）读取温度低字节与高字节并合成16位数据
7）转换为实际温度并格式化显示。

4.4.2 温度显示格式处理

温度可显示为：
T:+25.3C
处理步骤：
1）判断正负
2）得到整数部分与小数部分（保留1位）
3）拼接字符串输出到LCD

4.5 按键扫描与时间设置状态机设计

4.5.1 按键扫描策略

采用10ms扫描一次按键，通过计数实现去抖：
1）检测到按键按下 → 延时确认 → 产生一次“按下事件”；
2）按键长按超过一定时间 → 进入连续加减模式（加速调节）；
3）释放按键 → 停止连续加减。

4.5.2 设置模式状态机

设置流程可设计为：
1）正常显示模式：显示时间与温度
2）按MODE进入设置模式：闪烁或高亮当前字段（如年）
3）按SET切换字段：年→月→日→时→分→秒循环
4）按UP/DOWN修改当前字段数值，并进行范围限制：

• 月：1~12
• 日：1~28/29/30/31（按月份与闰年判断）
• 时：0~23
• 分秒：0~59
  5）按MODE或OK保存写入RTC并退出设置模式

4.5.3 闰年与月份天数判断

万年历系统必须正确处理闰年：
闰年规则：

• 能被400整除是闰年；
• 能被4整除但不能被100整除是闰年；
  否则不是闰年。
  月份天数：
• 1,3,5,7,8,10,12为31天
• 4,6,9,11为30天
• 2月闰年29天，平年28天
  这样可保证日期设置合法，避免出现“2月30日”之类错误。

5 关键程序代码实现（示例）

5.1 程序说明

以下示例代码以51单片机为平台，包含LCD1602（4位模式）驱动、DS1302 RTC驱动、DS18B20温度采集、按键设置状态机与显示刷新逻辑。代码为示例结构，端口定义与延时需根据实际电路连接调整。在仿真或实物中建议分文件管理（lcd.c、ds1302.c、ds18b20.c、key.c等），便于维护。

#include <REGX52.H>
#include <stdio.h>

// -------------------- 端口定义（示例） --------------------
// LCD1602 4位模式：D4~D7连接P2.4~P2.7
sbit LCD_RS = P2^0;
sbit LCD_RW = P2^1;
sbit LCD_EN = P2^2;

#define LCD_DATA P2  // 使用P2的高四位传输数据

// DS1302
sbit DS1302_CE   = P1^0;
sbit DS1302_SCLK = P1^1;
sbit DS1302_IO   = P1^2;

// DS18B20
sbit DQ = P3^7;

// Keys
sbit KEY_MODE = P3^0;
sbit KEY_SET  = P3^1;
sbit KEY_UP   = P3^2;
sbit KEY_DOWN = P3^3;

// -------------------- 简单延时 --------------------
void DelayUs(unsigned int t) { while(t--); }
void DelayMs(unsigned int ms)
{
    unsigned int i, j;
    for(i=0;i<ms;i++)
        for(j=0;j<110;j++);
}

// -------------------- LCD驱动（4位） --------------------
void LCD_Write4Bit(unsigned char dat)
{
    // 仅写入高四位
    LCD_DATA &= 0x0F;
    LCD_DATA |= (dat & 0xF0);
    LCD_EN = 1;
    DelayUs(50);
    LCD_EN = 0;
}

void LCD_WriteCmd(unsigned char cmd)
{
    LCD_RS = 0;
    LCD_RW = 0;
    LCD_Write4Bit(cmd);
    LCD_Write4Bit(cmd<<4);
    DelayMs(2);
}

void LCD_WriteData(unsigned char dat)
{
    LCD_RS = 1;
    LCD_RW = 0;
    LCD_Write4Bit(dat);
    LCD_Write4Bit(dat<<4);
    DelayUs(50);
}

void LCD_SetCursor(unsigned char row, unsigned char col)
{
    unsigned char addr = (row==0) ? (0x80+col) : (0xC0+col);
    LCD_WriteCmd(addr);
}

void LCD_Print(char *s)
{
    while(*s) LCD_WriteData(*s++);
}

void LCD_Init(void)
{
    DelayMs(20);
    LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0;

    // 初始化进入4位模式
    LCD_Write4Bit(0x30); DelayMs(5);
    LCD_Write4Bit(0x30); DelayMs(5);
    LCD_Write4Bit(0x20); DelayMs(5);

    LCD_WriteCmd(0x28); // 4位，2行，5x7
    LCD_WriteCmd(0x0C); // 显示开，光标关
    LCD_WriteCmd(0x06); // 光标右移
    LCD_WriteCmd(0x01); // 清屏
    DelayMs(5);
}

// -------------------- DS1302 驱动 --------------------
unsigned char BCD2DEC(unsigned char bcd)
{
    return (bcd>>4)*10 + (bcd&0x0F);
}

unsigned char DEC2BCD(unsigned char dec)
{
    return ((dec/10)<<4) | (dec%10);
}

void DS1302_WriteByte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        DS1302_IO = dat & 0x01;
        DS1302_SCLK = 1;
        DelayUs(2);
        DS1302_SCLK = 0;
        dat >>= 1;
    }
}

unsigned char DS1302_ReadByte(void)
{
    unsigned char i, dat = 0;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        dat >>= 1;
        if(DS1302_IO) dat |= 0x80;
        DS1302_SCLK = 1;
        DelayUs(2);
        DS1302_SCLK = 0;
        DelayUs(2);
    }
    return dat;
}

void DS1302_WriteReg(unsigned char addr, unsigned char dat)
{
    DS1302_CE = 0;
    DS1302_SCLK = 0;
    DS1302_CE = 1;

    DS1302_WriteByte(addr);     // 写地址（最低位0）
    DS1302_WriteByte(dat);

    DS1302_CE = 0;
}

unsigned char DS1302_ReadReg(unsigned char addr)
{
    unsigned char dat;
    DS1302_CE = 0;
    DS1302_SCLK = 0;
    DS1302_CE = 1;

    DS1302_WriteByte(addr);     // 读地址（最低位1）
    dat = DS1302_ReadByte();

    DS1302_CE = 0;
    return dat;
}

// DS1302寄存器地址（示例）
#define DS1302_SEC   0x80
#define DS1302_MIN   0x82
#define DS1302_HOUR  0x84
#define DS1302_DATE  0x86
#define DS1302_MON   0x88
#define DS1302_DAY   0x8A
#define DS1302_YEAR  0x8C
#define DS1302_WP    0x8E

typedef struct {
    unsigned char year;
    unsigned char mon;
    unsigned char date;
    unsigned char hour;
    unsigned char min;
    unsigned char sec;
} RTC_TIME;

void DS1302_GetTime(RTC_TIME *t)
{
    t->sec  = BCD2DEC(DS1302_ReadReg(DS1302_SEC | 0x01) & 0x7F);
    t->min  = BCD2DEC(DS1302_ReadReg(DS1302_MIN | 0x01));
    t->hour = BCD2DEC(DS1302_ReadReg(DS1302_HOUR| 0x01));
    t->date = BCD2DEC(DS1302_ReadReg(DS1302_DATE| 0x01));
    t->mon  = BCD2DEC(DS1302_ReadReg(DS1302_MON | 0x01));
    t->year = BCD2DEC(DS1302_ReadReg(DS1302_YEAR| 0x01));
}

void DS1302_SetTime(RTC_TIME *t)
{
    // 关闭写保护
    DS1302_WriteReg(DS1302_WP, 0x00);

    DS1302_WriteReg(DS1302_SEC,  DEC2BCD(t->sec));
    DS1302_WriteReg(DS1302_MIN,  DEC2BCD(t->min));
    DS1302_WriteReg(DS1302_HOUR, DEC2BCD(t->hour));
    DS1302_WriteReg(DS1302_DATE, DEC2BCD(t->date));
    DS1302_WriteReg(DS1302_MON,  DEC2BCD(t->mon));
    DS1302_WriteReg(DS1302_YEAR, DEC2BCD(t->year));

    // 开启写保护
    DS1302_WriteReg(DS1302_WP, 0x80);
}

// -------------------- DS18B20 驱动（简化） --------------------
void DS18B20_Reset(void)
{
    DQ = 1;
    DelayUs(10);
    DQ = 0;
    DelayUs(500);   // 复位脉冲
    DQ = 1;
    DelayUs(60);    // 等待存在脉冲
}

bit DS18B20_Check(void)
{
    bit presence = 0;
    presence = !DQ;
    DelayUs(500);
    return presence;
}

void DS18B20_WriteBit(bit b)
{
    DQ = 0;
    DelayUs(2);
    DQ = b;
    DelayUs(60);
    DQ = 1;
}

bit DS18B20_ReadBit(void)
{
    bit b;
    DQ = 0;
    DelayUs(2);
    DQ = 1;
    DelayUs(8);
    b = DQ;
    DelayUs(50);
    return b;
}

void DS18B20_WriteByte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        DS18B20_WriteBit(dat & 0x01);
        dat >>= 1;
    }
}

unsigned char DS18B20_ReadByte(void)
{
    unsigned char i, dat = 0;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        dat >>= 1;
        if(DS18B20_ReadBit()) dat |= 0x80;
    }
    return dat;
}

int DS18B20_ReadTemp_x10(void)
{
    unsigned char LSB, MSB;
    int temp;
    long t;

    DS18B20_Reset();
    DS18B20_Check();
    DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM
    DS18B20_WriteByte(0x44); // 启动转换

    DelayMs(750); // 12位转换时间最大750ms

    DS18B20_Reset();
    DS18B20_Check();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0xBE); // 读Scratchpad

    LSB = DS18B20_ReadByte();
    MSB = DS18B20_ReadByte();

    temp = (MSB<<8) | LSB;

    // 转换为0.1℃单位：temp * 0.0625 * 10 = temp * 0.625
    // 用定点近似：t = temp * 625 / 1000
    t = (long)temp * 625;
    t = t / 1000;

    return (int)t; // 返回温度*10
}

// -------------------- 按键扫描（简化） --------------------
bit Key_Scan(sbit key)
{
    if(key == 0)
    {
        DelayMs(15);
        if(key == 0)
        {
            while(key == 0);
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

// -------------------- 日期合法性判断 --------------------
bit IsLeapYear(unsigned int year)
{
    // year为00~99，仅作为示例，可映射到2000~2099
    unsigned int y = 2000 + year;
    if((y%400)==0) return 1;
    if((y%4)==0 && (y%100)!=0) return 1;
    return 0;
}

unsigned char DaysInMonth(unsigned char year, unsigned char mon)
{
    switch(mon)
    {
        case 1: case 3: case 5: case 7: case 8: case 10: case 12:
            return 31;
        case 4: case 6: case 9: case 11:
            return 30;
        case 2:
            return IsLeapYear(year) ? 29 : 28;
        default:
            return 30;
    }
}

// -------------------- 主逻辑：显示与设置 --------------------
RTC_TIME gTime;
bit gSetMode = 0;
unsigned char gField = 0; // 0年1月2日3时4分5秒

void Display_Normal(int temp_x10)
{
    char buf[17];

    // 第1行：YYYY-MM-DD
    sprintf(buf, "20%02d-%02d-%02d", gTime.year, gTime.mon, gTime.date);
    LCD_SetCursor(0,0);
    LCD_Print(buf);

    // 第2行：HH:MM:SS T:+25.3
    sprintf(buf, "%02d:%02d:%02d ", gTime.hour, gTime.min, gTime.sec);
    LCD_SetCursor(1,0);
    LCD_Print(buf);

    // 温度显示
    {
        int t = temp_x10;
        char sign = '+';
        if(t < 0) { sign='-'; t=-t; }
        sprintf(buf, "T:%c%02d.%1dC", sign, t/10, t%10);
        LCD_SetCursor(1,9);
        LCD_Print(buf);
    }
}

void TimeField_Inc(void)
{
    unsigned char maxDay;
    switch(gField)
    {
        case 0: gTime.year = (gTime.year + 1) % 100; break;
        case 1: gTime.mon++; if(gTime.mon>12) gTime.mon=1; break;
        case 2:
            maxDay = DaysInMonth(gTime.year, gTime.mon);
            gTime.date++; if(gTime.date>maxDay) gTime.date=1;
            break;
        case 3: gTime.hour++; if(gTime.hour>23) gTime.hour=0; break;
        case 4: gTime.min++;  if(gTime.min>59)  gTime.min=0; break;
        case 5: gTime.sec++;  if(gTime.sec>59)  gTime.sec=0; break;
    }
}

void TimeField_Dec(void)
{
    unsigned char maxDay;
    switch(gField)
    {
        case 0: gTime.year = (gTime.year==0)?99:(gTime.year-1); break;
        case 1: gTime.mon  = (gTime.mon==1)?12:(gTime.mon-1); break;
        case 2:
            maxDay = DaysInMonth(gTime.year, gTime.mon);
            gTime.date = (gTime.date==1)?maxDay:(gTime.date-1);
            break;
        case 3: gTime.hour = (gTime.hour==0)?23:(gTime.hour-1); break;
        case 4: gTime.min  = (gTime.min==0)?59:(gTime.min-1); break;
        case 5: gTime.sec  = (gTime.sec==0)?59:(gTime.sec-1); break;
    }
}

void main(void)
{
    int temp_x10 = 0;
    unsigned int lastTemp = 0;
    unsigned int lastTime = 0;

    LCD_Init();
    LCD_SetCursor(0,0);
    LCD_Print("Calendar Clock");
    LCD_SetCursor(1,0);
    LCD_Print("Init...");
    DelayMs(800);
    LCD_WriteCmd(0x01);

    // 主循环
    while(1)
    {
        // 正常模式：每1秒读取时间
        if(!gSetMode)
        {
            if(lastTime++ >= 200) // 简化：假设循环约5ms，200次≈1s，实际建议用定时器
            {
                lastTime = 0;
                DS1302_GetTime(&gTime);
            }
        }

        // 温度读取：每2秒一次
        if(lastTemp++ >= 400)
        {
            lastTemp = 0;
            temp_x10 = DS18B20_ReadTemp_x10();
        }

        // 按键处理
        if(Key_Scan(KEY_MODE))
        {
            gSetMode = !gSetMode;
            if(!gSetMode)
            {
                // 退出设置，写入RTC
                DS1302_SetTime(&gTime);
            }
        }

        if(gSetMode)
        {
            if(Key_Scan(KEY_SET))
            {
                gField++;
                if(gField > 5) gField = 0;
            }
            if(Key_Scan(KEY_UP))   TimeField_Inc();
            if(Key_Scan(KEY_DOWN)) TimeField_Dec();
        }

        // 刷新显示
        Display_Normal(temp_x10);

        DelayMs(5);
    }
}

6 系统设计关键点与优化分析

6.1 时间显示稳定性与刷新策略

LCD显示若频繁清屏会闪烁，因此应避免在主循环中反复执行清屏命令。推荐采用固定位置刷新：
1）日期时间每秒刷新一次即可；
2）温度每1~2秒刷新一次即可；
3）设置模式下仅刷新变化字段，提升用户体验。
此外，显示字符串应保证长度固定，多余字符用空格覆盖，以免出现残留字符。

6.2 DS18B20采集对系统响应的影响

DS18B20转换最长需要750ms，若程序在此期间阻塞，会导致按键不灵敏、时间显示卡顿。优化方法：
1）分步执行温度转换：先发0x44启动转换，延时期间执行其他任务，之后再读取结果；
2）降低分辨率到9~11位，缩短转换时间；
3）使用定时器或任务调度实现非阻塞采集。
在简单课程设计中，直接延时读取也能运行，但提升体验建议做分步采集。

6.3 按键长按加速与设置体验优化

若要设置年份或分钟，单次加减效率较低，可加入长按加速：
1）按住UP键超过500ms开始连续增加；
2）连续增加速度由慢到快；
3）释放按键停止。
同时可在设置模式下让当前字段闪烁提示，增强交互性。例如：设置“分钟”时分钟位闪烁，提醒用户当前修改对象。

6.4 万年历合法性保障

日期设置必须判断月份天数与闰年，避免非法日期。
同时，设置月份变化时若当前日期超过新月份最大天数，应自动调整到最大天数，例如：

• 当前3月31日，切换到4月时自动改为4月30日。
  这类细节可以显著提升系统“像真正仪表”的可靠性与专业度。

6.5 系统扩展方向

该系统具有良好扩展性，可增加：
1）星期显示（DS1302支持星期寄存器）；
2）闹钟功能与蜂鸣器提示；
3）温度上下限报警；
4）背光自动控制与节能；
5）加入湿度传感器形成环境监测终端；
6）加入串口或无线通信，实现联网时钟与数据上传。

7 总结

本文设计并实现了基于单片机的多功能LCD万年历时钟与温度显示系统。系统通过RTC芯片实现年月日时分秒的完整时间管理与断电保持，通过DS18B20传感器实现环境温度采集与实时显示，并通过按键实现时间的校准、修改与设置。硬件设计采用模块化结构，电路简单可靠；软件设计采用分层驱动与状态机思想，实现显示刷新、时间读取、温度采集与按键设置的协同运行。该系统不仅具有较强的实用性，还能覆盖单片机课程设计中多个关键知识点，适合教学实验、仿真验证与实际仪表开发的基础平台。