基于单片机的人机界面设计

论文题目龙岩学院毕业设计 题目： 基于单片机的人机界面设计 专业： 14级电信（升本）2班 学号： 2014041806 作者： 陈艺勇 指导教师(职称)：赖义汉 教授 2016年 5月 18日基于单片机的人机界面设计【摘要】21世纪电子科技产品正在快速的发展着，朝着多功能、体积更小型化、功耗最低化的方向发展，更加注重用户体验。电子科技产品在家电、通信、交通、一般工业和航空航天、军事领域的运用非常常见。随着电子计算机技术和其他高技术的发展，自动控制技术的水平越来越高，应用越来越广泛，在商业上、生活上的作用越来越重要，也随着社会的发展和人们生活节奏越来越快，对家居环境的智能化有着较高的追求。在国外，不少的住宅小区采用了“家庭智能化系统”。所以在本文在针对家居环境采光及避光的问题上采用了一定的智能设计，描述了自动窗帘系统的设计与控制系统的结合，介绍了设计制作一个完整的智能家居控制系统所需要做的理论分析，以及各环节功能的实现。该设计在理论层面上，以程序驱动各模块工作，实现了各模块的内在联系，应用层面上采用软件进行原理图设计和仿真。使人们生活更加的人性化和便捷化。【关键字】单片机 自动控制 自动窗帘The man-machine interface design based on single chip microcomputer【Abstract】In the 21st century, the development of electronic technology products are fast, toward multi-function, smaller volume, power consumption minimization of the direction of development, pay more attention to the user experience. In home appliances, communications, transportation, electronic science and technology products in the field of general industrial and aerospace, military use is very common. With the development of computer technology and other high technology, automatic control technology level is higher and higher, more and more widely applied, in business, more and more important role in life, also with the development of the society and peoples life rhythm faster and faster, the pursuit of the intelligent household environment have higher. In foreign countries, many of the residential district adopted home intelligent system.So in this article on the household environment lighting and light on the question of using a certain intelligent design, describes the design of automatic curtain system with the combination of the control system, introduces the design and manufacture a complete intelligent home control system needs to be done by the theoretical analysis, and the realization of the function of each link. At the theoretical level, the design work in program driver module, realized the internal relation of each module application software is adopted to improve the schematic design and simulation. Make peoples life more humanized and convenient.【Key Words】Single chip microcomputer The automatic control Automatic curtain目录第1章 绪论41.1 系统的设计概述及背景41.2 系统设计的基本内容41.2.1 光照控制41.2.2 红外控制41.2.3 界面显示51.2.4 控制系统5第2章 系统的硬件设计52.1 系统的硬件设计框图52.2 硬件设计与分析52.2.1 STC15F2K60S2单片机概述52.2.2 显示模块LCD1286472.2.3 光敏电阻82.2.3 红外控制模块92.2.4 电机驱动模块11第3章 系统的软件设计123.1 系统的软件设计框图123.2 主程序编程摘要123.3 LCD显示编程摘要133.4 红外控制编程摘要143.5 电机驱动编程摘要15第4章组装与调试164.1 红外遥控模块的调试164.2 光敏传感模块的调试164.3 总体调试17第6章 结论20致谢语21参考文献22附录23第1章 绪论1.1 系统的设计概述及背景随着电子科技产品的快速发展和社会信息化的加快，人们在工作、生活和通讯、信息的连续越来越紧密。信息化社会在逐渐的改变人们的生活方式与工作习惯的时候，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。人们对家居的要求早已不是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境，尽显便捷将家中的各种设备（如音视频设备、照明设备、窗帘控制、空调控制、网络家电等）通过家庭网络连接到一起。与普通家居相比，不仅具有传统的居住功能，提供安全舒适的家庭生活空间，还能提供全方位的信息交互功能，优化人们的生活方式。在这种趋势下，窗帘的数字化、智能化已经成为现代生产研究的主导设计方向。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多电子产品中也用到了红外控制。结合感光系统和红外遥控系统的智能窗帘系统具有较好的发展前景。1.2 系统设计的基本内容本智能家居自动窗帘控制系统以STC15F2K60S2单片机为控制核心，由电源模块、光敏感应模块、红外遥控模块、LCD显示模块等几个环节组成本系统的主要框架，与此同时可外扩一些其他的控制功能。系统可以对所选择的家居进行设置，并通过LCD以多级菜单的方式进行显示提醒，光敏感应模块可以实现对外界光线强度的实时监测，从而来控制窗帘的自动开启和关闭，也可以对窗帘的模式进行设置，有手动模式和自动模式两种，自动模式是通过人为控制来开启和关闭窗帘，自动模式则是通过对外部光线强度进行监控来控制窗帘的开启与关闭。为了更体现人性化和便捷化，本设计通过红外线的发送和接收来对系统进行模式设计与控制，从而根据用户的意愿实现对家居系统的远距离遥控。1.2.1 光照控制通过光敏电阻采集光照强度，自动打开或关闭窗帘。光照强度较高时，单片机控制步进电机打开窗帘；光照强度较弱时，单片机控制步进电机打开窗帘。1.2.2 红外控制操作红外遥控器可以对系统模式进行设置，通过红外接收系统接收信号，单片机做出相应的回应，并在液晶屏上显示操作内容。1.2.3 界面显示采用液晶显示一些基本系统信息，如果用户有对系统进行操作，液晶也会有相关显示。1.2.4 控制系统使用单片机STC15F2K60S2作为控制电路的核心部分，通过程序的编写使各个模块相互连接，实现一个完整的智能化家居系统。第2章 系统的硬件设计2.1 系统的硬件设计框图此次电路设计以8051内核的单片机STC15F2K60S2为主要控制电路；光敏电阻与LM393芯片结合采集外部光照强度；红外接收头H1838和红外遥控接收器组成红外控制模块；液晶屏LCD12864作为显示模块；芯片ULN2003构成电机驱动电路模块。再以程序驱动各模块工作，实现了各模块的内在联系。单片机STC15F2K60S2LCD多级菜单显示红外控制电机驱动模块步进电机按键控制蜂鸣器光敏传感器模块图2-1 系统硬件设计框图2.2 硬件设计与分析2.2.1 STC15F2K60S2单片机概述市场上常见的8051内核单片机STC15F2K60S2内部已经有60KB程序存储器和2048字节RAM，这对于一般应用的存储器需求已经足够。STC12C5A60S2单片机主要集成了以下资源：1、增强型8051内核，单时钟机器周期，速度比传统8051内核单片机快812倍2、60KB Flash程序存储器;1KB数据Flash;2048字节的SRAM3、3个16位可自动重装载的定时/计数器（T0、T1、T2）5、4、可编程时钟输出功能 6、至多42根I/O口线 7、2个全双工异步串行口（UART）8、1个高速同步通信端口（SPI） 9、8通道10位ADC10、3通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元11、内部高可靠上电复位电路和硬件看门狗 12、内部集成高精度R/C时钟，常温工作时，可以省去外部晶振电路。13、STC15F2K60S2单片机的每个I/O口在弱上拉时都能承受20mA的灌电流（最好还是使用限流电阻，如1K）14、在强推挽输出时都能输出20mA的拉电流（也要加限流电阻）。15、整个芯片的工作电流推荐不要超过90mA。即从MCU-Vcc流入的电流不超过90mA，从MCU-GND流出的电流不超过90mA，整体流入/流出电流都不能超过90mA。图2-2 STC15F2K60S2引脚图图2-3 STC15F2K60S2内部框图2.2.2 显示模块LCD12864LCD12864汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X128点阵显示RAM（GDRAM），由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。主要技术参数和显示特性：电源：VDD3.35V（内置升压电路，无需负压）显示内容：128行X64列显示颜色：黄绿屏、蓝屏显示角度：6:00直视LCD类型：STN与MCU接口：8位并口或串行配置LED背光多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等图2-4 LCD12864引脚图图2-5 LCD12864接线图2.2.3 光敏电阻光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强、电阻减小、入射光弱、电阻增大。如图所示，P1表示为光敏电阻的接口；D1为电源指示灯；D2为开关指示灯；P2为输出端；通过LM393电压比较器输出，输出形式为数字量输出（0和1），信号干净、波形好、驱动能力强。当模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，P2端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，P2端输出低电平，光线强度的阈值可通过可调电阻R5调整。图2-6 光敏电阻模块电路图2.2.3 红外控制模块在可视范围内遥控设备最廉价的方式是通过红外线。目前几乎所有的视频和音频设备都可以通过这种方式遥控。由于该技术应用广泛，相应的应用器件都十分廉价，因此红外遥控是我们日常设备控制的理想方式。对我们不利的是，红外光的发光源实在是太多了。太阳光是其中最强的一个光源，其它的有诸如：白炽灯、蜡烛、热系统中心（如散热器件），甚至我们的身体。实际上，只要有发热的物体，都会发出红外光。 因此，我们需要注意保证我们的红外遥控传送的信息准确无误的发射到接收器上。当信号发射后，经过调制，在通过生产商设计的各自通讯协议，从而确保传送信息的可靠性。本次设计使用的是由NEC开发的NEC红外协议，它有8位地址码、8位命令码；完整发射两次地址码和命令码，以提高可靠性；38KHZ载波频率。调制：图2-7 红外信号调制NEC协议根据脉冲时间长短解码。每个脉冲为560us长的38KHz载波(约21个载波周期)。 逻辑”1”脉冲时间为2.25ms，逻辑”0”脉冲时间为1.12ms。推荐的载波周期为1/4或者1/3。协议：图2-8 NEC协议的脉冲链上图所示为NEC协议的典型脉冲链。协议规定低位首先发送，如上图所示的情况，发送的地址码为”59”，命令码为”16”。每次发送的信息首先是用于调整红外接收器增益的9ms AGC(自动增益控制)高电平脉冲，接着是4.5ms的低电平，接下来便是地址码和命令码。尽管你一直按住那个按键，一串信息只能发送一次。如果一直按着按键，发送的则是以 110ms为周期的重复码，重复码是由9ms的AGC高电平和4.5ms的低电平及一个560us的高电平组成。特点：通过无线来控制，携带方便，低成本，低功耗等。 遥控器应用范围：电器、儿童玩具等。 按编码分类，有两种编码方式，主要分为RC5码和NEC码【3-5】。 由于本次设计用到的遥控器采用的是NEC编码协议，下面将重点描述NEC码特性。 NEC格式的特征： （1） 使用16位客户代码（2） 使用8位数据代码（3） 引导码间隔是9 ms + 4.5 ms图2-9 红外遥控模块实物图2.2.4 电机驱动模块步进电机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。因而步进电机只有周期性的误差，在速度、位置等控制领域有较为广泛的应用。步进电机的驱动是由单片机通过对每组线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进电机旋转，切换是通过单片机输出脉冲信号来实现的。调节脉冲信号频率就可以改变步进电机的转速；而改变各相脉冲的先后顺序，就可以改变电机的旋转方向。步进电机驱动方式可以采用双四拍（AB-BC-CD-DA-AB）方式，也可以采用单四拍（A-B-C-D-A）方式。为了使步进电机旋转平稳，还可以采用单、双八拍方式（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。图2-10 步进电机工作方式的时序图图2-11 步进电机驱动电路图第3章 系统的软件设计3.1 系统的软件设计框图 开始系统初始化是否有按键按下LCD显示初始信息 返回电机反转光线强度是否较强电机正转电机作出相应的动作是否有有效按键按下判断模块模式？对模块模式进行设置是否有按键按下LCD显示二级菜单是手动自动是是否3.2 主程序编程摘要由系统软件流程框图可以看出：当电路上电后，系统默认设置窗帘模式为自动模式，LCD12864显示内容为当前时间，光敏传感模块可以根据外部的光线强弱输出数字信号（光线强度较高为0，光线强度较弱为1）给单片机，再由单片机判断控制电机驱动，从而达到智能自动的效果。如果有按键或者红外遥控信号输入时，单片机则做出与之相对应的动作：如使LCD显示二级菜单内容并允许下一步操作，返回主界面等。当处于二级菜单时，用户可以通过按键和红外遥控进行选择要设置的模块内容进入三级菜单，如家居设置、时间修改、温度报警等。等用户根据要求修改完成后，可以通过按键或红外遥控的相应按键回到主界面。3.3 LCD显示编程摘要电路上电后，根据用户的需要对LCD液晶模块各项控制器指令代码及其参数进行设置，从而完成对液晶模块的参数（如液晶的行数、列数、光标的位置等）以及显示方式等一系列的初始化过程。在对系统进行正确的初始化以后，将DS1203时钟芯片模块所获取的内容通过程序计算后在LCD上显示。如果有按键或红外遥控做出有效动作后，LCD则清屏后，显示出对应内容。LCD显示流程图如下： 开始LCD初始化LCD显示初始信息按键或者红外遥控是否有按 下否是否作出相应的处理按键是否有 效3.4 红外控制编程摘要程序初始化，打开外中断0，等待中断打开，进如中断后，关闭中断，然后检测是否发送数据，没有发送数据就推出中断，有数据发送就将原码保存在1AH单元中，反码保存在1B单元中，接着判断解码是否成功，如果解码成功，蜂鸣器就鸣叫，再判断数据的值，比较数据值后进行相应的操作。红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。红外发射装置又可由键盘电路、电源和应用电路组成。通常为了使信号能更好的被传输发送端将基带二进制信号调制为脉冲串信号，通过红外发射管发射。红外接收装置通常由一红外接收头组成的接收电路。接收头的输出管脚连接的是单片机的外部中断1口，因此，在程序运行时，首先要判断是否产生中断。先是遥控器发射出红外波，由接收部分将发射过来的信号转换为电信号，再经过放大电路等将其还原成相应的编码信号，然后通过译码器译码，将相应的解码赋予不同的功能，从而进行对密码锁的控制，实现遥控效果。遥控器的编码采用脉冲个数编码格式，不同的脉冲个数代表不同的操作码信息。程序流程图如下图所示。 开始 初始化 键盘扫描 对低电平脉冲计数是否有按键按下 下按脉冲个数对应功能程序 中断开始低电平脉冲脉宽2ms？ 下 中断返回3.5 电机驱动编程摘要编写程序，用四路I/O口的输出实现环形脉冲的分配，控制步进电机按固定方向连续转动。同时，如果窗帘模式设置为自动模式时，通过光敏传感模块获得的输入值不同来控制电机的正转与反转，即当光线强度较高时，电机正转，反之，电机反转。若设置为手动模式时，则可以通过2个按键控制电机的正反转。电机驱动流程图如下图所示： 开始程序初始化模式为手动模式为自动按键扫描光线强度是否较强是否有有效按键按下电机反转电机正转电机作出相应的动作第4章组装与调试4.1 红外遥控模块的调试NEC红外接收解码程序应用定时器，运行测试程序后，按遥控按键，会在开发板的数码管上显示相应的地址码-控制码（以16进制显示），分两段，前段是地址码，后段为控制码，用点隔开表示，显示两字节。调试结果如下图所示：图4-1 红外遥控解码调试在本次设计中只需用到四个按键，根据调试得出下表：遥控按键地址码控制码遥控按键地址码控制码MENU00H02H-00H0CH+00H04H返回00H06H因此可以根据不同按键的控制码来实现对模块的控制。4.2 光敏传感模块的调试编写测试程序：当光线强度较高时，使测试的LED灯亮；光线强度较弱时，使测试的LED灯灭。调试结果如下图：图4-2 外部光线较弱时图4-3 外部光线较强时因此可以发现，当外部光线较强时，光敏传感模块的输出口D0会输出高电平；当外部光线较弱时，光敏传感模块的输出口D0会输出低电平。所以可以通过程序判断光敏传感模块的输出口D0的电平来控制电机驱动模块的工作。4.3 总体调试电路板上电后，系统初始化，所以通过红外遥控按键的MENU键进入模式设置界面（即二级菜单），通过遥控按键的+键和-键来选择所需的设置的模块，在按下遥控按键的MENU键进行确认选择，确认后进入模块模式的设置界面（即三级菜单），通过遥控按键的+键和-键来选择模块的功能，设置完毕后，按下红外遥控的“返回”键即可回到系统的初始界面。图4-4 系统初始界面图4-5 模块选择设置界面图4-6 模块模式选择界面图4-7 总体电路实物图第6章 结论毕业设计是当代大学生学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的电子设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。在此次毕业设计中，从确定研究课题，到查阅资料及设计相应的原理图的过程中，由于相同功能的模块有很多，所以需要对比他们之间的实用性；是否容易操作；外围电路及程序设计难易，从而选出性价比较高的功能模块。在设计过程中，也遇到了一些问题，通过不断的请教老师和同学与其他专业人才的交流沟通，逐渐解决问题，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。致谢语本文是在赖义汉导师的悉心指导下完成，在老师的耐心指导下，问题得以解决，所以在此，在此对老师道一声：老师，谢谢您！在此我要感谢在这次毕业设计中给我提供帮助的老师和同学，在他们的帮助下，我才能够这么顺利的完成毕业，感谢他们在我学习和生活中的帮助和指导。首先感谢我的指导老师赖义汉老师，在我做毕业设计的过程中，老师给我提供了很大的帮助，在完成毕业设计的过程中，还指出了很多错误，提出了很多宝贵意见。每次在查看我的进度的同时都是认真查看我的设计，对于设计中存在的问题也是耐心的回答和讨论。老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢几个月来老师对我的关心和指导。在此对于赖义汉老师一丝不苟，兢兢业业的精神表示衷心的敬佩与感谢。其次要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下专业基础知识；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。参考文献1 赖义汉.单片机原理及应用:基于STC15系列单片机+C51编程.成都：西南交 通大学出版社,2016.1.2 胡汉才.单片机原理及其接口技术（第2版）.北京：清华大学出版社，2004.2.3 胡辉.单片机原理及应用设计M.北京：中国水利水电出版社，2014.3.4 张毅刚.单片机原理及应用（第2版）.北京：清华大学出版社，2004.2.5 陶国正.单片机与接口应用技术M.苏州：苏州大学出版社，2004：137-146，190202.6 肖景和，赵健.红外线、热释电与超声波遥控电路.北京：人民邮电出版社，2003.1.7 宏晶科技.红外线、热释电与超声波遥控电路.北京：人民邮电出版社，2003.1.8 张培志,陆伟. 仇芝基于单片机技术的无线遥控家居照明系统.仪器仪表用户，20089 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，2001.2.10 电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编M.北京：北京理工大学出版社，342264.11 李乐山.人机界面设计M.科学出版社,2004. 12 李维缇，郭强.液晶显示应用技术M.北京工业出版社,2000.13 刘永智，杨开愚.液晶显示技术M.电子科技大学出版社 14 ADS7843 Datasheet TIDB/CD,JULY, 2001.15 Maxim.+5V Single-Supply,IMsps,16-Bit Self-Calibrating ADCDB/CD,2000.附录1、 STC15单片机最小系统电路图和PCB图2、光敏传感模块和电机驱动模块电路图和PCB图3、程序1、Biyesheji.c#include #include #include #define out P2sbit SMG_g = P15;/sbit gm = P32;/sbit d1=P20;/sbit d2=P21;sbit K3=P37;sbit K4=P36;uchar code turn=0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09,0x01,0x03;unsigned char temp=0,tempp=0;unsigned int i=0,b=1,t=0,c=0;void DelayM(uint ms) unsigned char y; while(-ms !=0) for(y=0;y10;y+);void zz()t=t0?t-1:7;out=turnt;DelayM(2);c=2;void welcome0(void)write_com(0x80); lcm_w_word(14Z(2); write_com(0x90); lcm_w_word();write_com(0x88); lcm_w_word(2014041806);write_com(0x98); lcm_w_word(); void sd()if(i=1)zz();if(i=2)fz();void zd()if(gm=1)zz();if(gm=0)fz();void main()K3=1;K4=1;gm=1;TMOD=0x20;TH1=0xfd;TL1=0xfd;SCON=0x50;PCO