智能化电子系统设计报告.doc

-0-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告目录目录1前言前言.-1-2总体方案设计总体方案设计.-2-2.1方案内容.-2-2.2方案比较.-2-2.3方案选择.-3-3单元模块设计单元模块设计.-4-3.1主体模块.-4-3.2按键控制模块.-4-3.3复位模块.-5-3.4晶振模块.-5-3.5LED显示模块.-6-4软件设计软件设计.-7-4.1设计工具.-7-4.2PCB图见附录.-7-4.3软件设计流程图.-7-4.4程序清单.-8-5系统调试系统调试.-11-5.1软件调试及仿真.-11-5.2硬件调试.-13-6结论结论.-15-7总结与体会总结与体会.-16-8参考文献参考文献.-17-附录：附录：.-18-1-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告1前言前言当今社会，随着人们物质生活的不断提高，电子产品已经走进了家家户户，无论是生活或学习，还是娱乐和消遣几乎样样都离不开电子产品，大型复杂的计算能力是人脑所不能胜任的，而且比较容易出错。计算器作为一种快速通用的计算工具方便了用户的使用，算器可谓是我们最亲密的电子伙伴之一。单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。在工业生产中。单片微型计算机是微型计算机称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或者数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化。现在的单片机的控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。这种由单片机芯片控制各种硬件工作的技术也日益成熟，并普及在交通、化工、机械等各个领域。而流水灯这项技术在生活中的应用更是广泛，较为贴近生活。而流水灯控制的设计所需要的知识也正好吻合了我们对于单片机这门课程的学习，所以设计流水灯控制的这个课题让我们对知识的学习和巩固都有了进一步的加深。本可控流水灯要求利用LED灯设计四种流水灯的显示方式。具体是：按压开关K1键一次，LED灯全亮；按压开关K2键一次，LED灯全灭；按压开关K3键一次，LED灯从右至左循环移动一位；按压开关K4键一次，LED灯从左至右循环移动一位。-2-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告2总体方案设计总体方案设计2.1方案内容方案内容按压开关K1键一次，LED灯全亮；按压开关K2键一次，LED灯全灭；按压开关K3键一次，LED灯从右至左循环移动一位；按压开关K4键一次，LED灯从左至右循环移动一位。2.2方案比较方案比较方案一：基于单片机完成的设计，其主要采用STC89C52单片机作为流水灯主要的控制元件，运用单片机之间的接口来完成对流水灯方向的控制，主要由STC89C52单片机，LED显示灯，USB程序下载接口和其他外设控制电路构成。图2.2.1基于单片机实现可控流水灯框图方案二：由数字的逻辑器件来实现流水灯控制电路的设计，由555多谐震荡器提供稳定脉冲，74190芯片控制导步并行置入控制端分别构成二进制加减计数器器，74191芯片控制导步并行置入控制端改装成十一进制加减计数器。这里用3个555USB程序下载接口复位电路按键电路STC89C51单片机LED显示电路晶振电路-3-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告多谐震荡器提供3种频率达到分频效果，74190用来计数和输出信号通过译码管直接输出控制控制LED，74191用来达到间歇时间。图2.2.2数电实现流水灯控制框图2.3方案选择方案选择方案一采用单片机实现可控流水灯的功能，对我们所学习的知识能较好的运用，电路图简单，程序容易，成本低。方案二是利用数字电路的编码、译码、触发实现。数字电路搭建起来比较复杂，在设计中用到的芯片比较多，控制复杂，功耗大，时序难以控制。所以我们选择方案一。555多谐振荡器计数器移位寄存器LED间歇控制电路-4-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3单元模块设计单元模块设计3.1主体模块主体模块芯片89C52是核心，P1、P2、P3、P0均可以作为IO使用，LED经过上拉电阻接在89C52的P1口，P2口接4个按键用来控制流水灯的显示方式。图3.189C52单片机引脚图3.2按键控制模块按键控制模块采用独立按键接口设计，每个按键占用一个IO口。独立式按键个按键相互独立，电路配置灵活，软件结构简单。如图3.2所示图3.2按键图-5-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3.3复位模块复位模块位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要系统在上电启动时运行，都需要先复位。起作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。而复位是一个很重要的操作方式，但单片机本身是不能自动复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。本设计采用上电复位加按键手动复位。其电路如图3.3所示图3.3复位电路3.4晶振模块晶振模块单片机是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的，这个脉冲是单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件的同步工作，内部电路应在唯一的时钟信号下严格按照时序进行工作。单片机内部有一个增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。时钟产生方法两种，“内部时钟方式和”“外部时钟方式”。本设计中采用了内部时钟方式。其电路图3.4所示图3.4晶振电路如图所示，利用芯片内部的振荡器，然后在X1和X2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶体振荡器时，C18和C19的值通常选择为30PF左右。C18与C19对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2到12MHZ之间选择。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，振荡器和电路应尽可能安装得与单片机引脚X1和X2靠近。-6-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3.5LED显示模块显示模块发光二极管（英语：Light-EmittingDiode，简称LED是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着白光发光二极管的出现而续渐发展至被用作照明发光二极管LED具有功耗低、体积小、可靠性高、寿命长等优点。显示电路如图3.53.5显示电路Protel是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用Protel。-7-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告4软件设计软件设计4.1设计工具设计工具KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。proteus是Labcenter公司出品的电路分析、实物仿真系统，而KEIL是目前世界上最好的51单片机汇编和C语言的集成开发环境。他支持汇编和C的混合编程，同时具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。Proteus能够很方便的和KEIL、MatlabIDE等编译模拟软件结合。Proteus提供了大量的元件库有RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，ADDA，部分SPI器件，部分IIC器件，它可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，与keil和MPLAB不同的是它还提供了周边设备的仿真，只要给出电路图就可以仿真。4.2PCB图见附录图见附录4.3软件设计流程图软件设计流程图软件运行开始，首先键盘扫描检查KEY(14)4个按键是否被按下，如果被按下其中一个键，执行该按键下的子程序，最后显示在LED上；如果未检测到按键被按下，则返回到开始。程序流程图如下-8-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告图4.1软件设计流程4.4程序清单程序清单方式1：一个灯亮左移Fs1:movA#0d7HsetBp1.3movp0AclRP1.3movR2.#08HmovA#0feh-9-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告5系统调试系统调试5.1软件调试及仿真软件调试及仿真汇编语言是一种通用的程序设计语言，其代码率高，数据类型及运算符丰富，位操作能力强，适用于各种应用的程序设计。使用汇编语言进行单片机应用系统开发，具有编程灵活。调试方便。目标代码编译效率高的特点。汇编语言也是目前使用最广的单片机应用系统编程语言。Proteus仿真时，单片机需要加载程序，加载程序为.HEX文件。本设计利用KeilVision3，在新建Keil项目时选择STC89C51单片机作为CPU，将C语言源程序导入，在“OptionsForTarget”对话窗口中，选中“Output”选项中的“CreateHEXFile”，编译链接后就可以生成.HEX文件。在ProteusISIS中，选中STC89C52并单击鼠标左键，对STC89C51进行设置，设置单片机时钟频率为12MHz，按照正确的文件路径加载.HEX文件，对单片机设计完毕后就可以开始仿真了。在protues上的仿真：-10-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告图5.1.2图5.1.3全灭-11-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告图5.1.4全亮图5.1.5左移图5.1.6右移5.2硬件调试硬件调试单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的。许多硬件故障只有通过软、硬件联调才能发现但一般是先排除系统中比较明显的硬件故障后才和软件一起联调。常见的硬件故障：(1)逻辑错误-12-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告硬件的逻辑错误是由于设计错误和焊接过程中的工艺错误而造成的包括错线、开路、短路等其中最常见的是短路故障。(2)元器件错误元器件错误的原因有器件损坏或性能不符合要求电解电容、二极管的极性接反或集成块装反等。(3)可靠性差应用系统可靠性差的原因很多如内部和外部的干扰、电压纹波系数过大、器件负载过重等均会造成系统的可靠性差。另外走线和布置的不合理也会造成系统可靠性差。(4)电源故障电源故障包括：电压值不符合设计要求、电源功率不足、负载能力差、纹波太重等。硬件调试办法脱机调试是在加电前先用万用表等工具按图纸仔细核对线路是否正确并对元器件的安装、型号、规格等进行仔细检查特别焊接时有无走线之间相互短路等。当硬件制板焊接以后，就可以对系统进行硬件调试了。对硬件调试时，应该把系统合理划分成一个个功能模块，将这些功能模块分别进行调试，这样有利于系统整体的调试工作。焊接也很主要，焊接的顺序应该是先焊最小系统，然后逐渐增加元件，表贴片元件要先焊，这样有利于焊接工作的顺利进行。焊接的时候应该避免虚焊的现象出现，焊点尽量光滑。硬件调试遇到了一些问题，如元件错误、不上电等。元件错误主要指器件错焊、错插和元件已被损坏等，在调试这一块的时候，我们要时刻注意元器件的情况，要避免损坏。通过这样一步步的检查，最后进行实物调试，发现一切就OK了。不上电，首先检查电源指示灯是否亮了，如果指示灯不亮，则说明系统有问题。通过视觉、听觉、嗅觉、触觉来查找故障部位，是一种简单有效的方法。听通电后是否打火声等异常声响；闻有无焦糊等异味出现；摸晶体管管壳是否冰凉或烫手，集成电路是否升温过高。当听、摸、闻到异常时应立断断电检查。5.3电路的滤波电路的滤波调试完毕后，板子运行符合设计要求，并无异常状况出现，说明设计十分成功。运行状况如图5.2所示-13-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告图5.2实物运行6结论结论通过这次的课程设计让我学习到了很多知识以及认识到了很多问题。同时我意识到了一个很重要的问题，那就是课程设计之前的准备工作也是很重要的，包括提前预习设计的题目，上网和去图书馆查阅资料。我清楚的知道了，资料也是那么重要，否则在一个新颖的题目面前，你将无从下手。通过准备工作，这样可以保正在设计的时候，有了充足的准备，使得自己不会在真正要开始课程设计的时候，对着题目发呆，没有什么进展。因此，我觉得这个也是对待学习的一种好的态度，以后在学习中，也要一直以这种好的态度对待。除此之外，让我发现这次的可控流水灯设计，对于我以前的学习如LED灯等的知识，不仅是一次很好的运用，而且让我再次花心思去复习了以前学习的知识点，运用之初相互结合知识点，使得知识点可以联系起来，对我的学习有了很大的好处。-14-西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告在程序设计的过程中，也遇到了好多的问题，刚开始在代码调试的时候，一直会存在错误，也有过很失望的时候，在通过同学的帮助后，经过很多次的修改以后，终于把程序代码改好。在大家的帮助下，才得以完成了可控流水灯基本功能。总的来说，这次设计获益胜多。因为本次课程设计是一个团队的合作，所以，不仅使得我们团结合作，学习到了知识，还让我们更加的学会沟通。不仅培养了实践能力，还培养了设计思维，同时也锻炼了动手实际操作能力，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，锻炼了运用所学知识的灵活性，加深了对知识的理解及提高了解决问题的能力。在体会到设计电路的艰辛的同时，更能体会到成功喜悦和快乐。7总结与体会总结与体会由于本次课程设计含括了软件和硬件知识，所以在完成课程设计的同时也让我们了解到了我们在软硬件设计和制作方面的不足。第一周PCB和元件清单的制作让我们压力很大，PCB只有一个同学会，而且还是初学，过程十分艰难，在多次请教其他同学的情况写完成了，成功让我们感到高兴和对接下来更有信心。第二周，软件的编写，由于我们选取的题目较简单，设计的要求也不怎么复杂，我们采用的是Keilc软件编写的c语言程序。编写的过程比上一周好多了，我们后去选题还选到了相对简单的题目，十分不错，这让我们的工作量大大地减少，虽然不知道实物做好了程序是否合格，但找不出错误让我们放心不少。第三周了，设计进入实物阶段开始焊接和调试。对电路板各元器件的连接和焊接工作，虽然看似简单，但做起来