机电工程系统实训(论文)说明书-滚动式广告窗.doc

编号： 桂林电子科技大学信息科技学院 机电工程系统实训(论文)说明书题 目： 滚动式广告窗 系 别： 机电工程系 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 0953200118 指导教师： 职 称： 讲师 讲师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究2012 年 12 月 12 日III摘 要本文介绍了一个广告窗滚动控制系统，以AT89S52单片机为核心控制器，具有检测光线强度，若光线过暗则自动开启内部背光照明的功能。本系统可以至少容纳10幅广告，每幅广告停留时间可由用户自定义。广告切换采用直流减速电机拉动，以保证足够的扭矩，电机驱动电路采用继电器控制正反转，通过三极管控制电机的运转和转速，与L298等驱动模块相比既经济又稳定。当前亮度检测采用光敏二极管与电压比较器结合，加入或门同时使用两路光线检测，防止由于监测期间被物体挡住而误触发背光的开启。与传统的站台广告窗相比，该控制系统能使广告窗更加智能化，适用性更强，表现效果更好，成本低廉，具有推广应用价值。关键词：广告窗；单片机；自动切换；光线检测；背光AbstractThis article describes an advertising window scroll control system, AT89S52 microcontroller as the core controller has detected light intensity, the light is too dark internal backlighting automatically open. The system can accommodate at least 10 ads, each piece of advertising residence time customizable by the user. Advertising switching DC gear motor pull to ensure adequate torque motor driver circuit using relay control Reversible transistor to control the motor running and speed compared with the L298 driver module is economical and stable. Current brightness detected by a photodiode in combination with the voltage comparator join or door at the same time using two light detector to prevent false triggering due to the period of monitoring object to block the opening of the backlight. Compared with the traditional site advertising windows, the control system ad windows can be more intelligent, more applicability, better performance, and low cost, has application value.Key words：Advertising windows; microcontroller; automatically switch; light detection; backlight目 录引言 11 任务要求与总体设计方案11.1 设计任务要求 11.2 总体设计方案 11.2.1硬件设计方案 11.2.2 软件设计方案32 系统硬件电路设计32.1 单片机主控制模块32.1.1 AT89S52芯片功能介绍32.1.2 单片机主控电路设计42.2 广告画面检测模块设计分析52.3 电机驱动模块设计分析62.4 数码管显示模块设计分析62.5 键盘控制模块设计分析72.6 背光控制模块设计分析72.7 系统电源电路设计分析73 系统软件设计83.1 主程序流程设计83.2 画面检测模块程序设计83.3 电机驱动模块程序设计83.4 数码管显示模块程序设计83.5 独立按键程序设计84 系统调试94.1 硬件电路调试94.2 软件程序调试95 结论 10谢辞11参考文献12附录13桂林电子科技大学信息科技学院机电工程系统实训（论文）说明书 第 1 页 共 14 页桂林电子科技大学信息科技学院机电工程系统实训（论文）说明书 第 15 页 共 14 页引言随着经济和社会的飞速发展，广告的作用越来越明显，在生活中，我们处处可见广告。例如城市公交站台、街道边一般都设有广告窗，或者是广告灯箱或广告牌，其结构一般为广告窗顶部显示地名，展示窗中为广告宣传画，形式简单，所显示的信息非常的有限1-2；如果采用PC 机带大型的LCD显示屏，或带移动GSM 网络来播放广告视频3，由于各种广告窗一般安装在室外，安装位置较低，无人看管，广告窗价格比较昂贵，维护和安全都得不到保障，并且限制了应用空间。本文在目前传统站台广告窗的基础上， 开发了一种广告窗控制系统，该控制系统能使广告窗更加智能化，表现效果更好，成本也较低廉，具有推广应用价值。1 任务要求与总体设计方案1.1 设计任务要求本设计利用AT89S52单片机进行系统控制，通过接收和处理系统中各个模块的数据，利用C语言编程完成整个系统不同模块的控制。控制系统达到以下要求：（1）可检测光线强度，若光线过暗则自动开启内部背光照明；（2）广告容量不少于10幅，每幅广告停留时间可由用户自定义。1.2 总体设计方案1.2.1硬件设计方案本系统为实现广告窗自动控制，通过单片机检测与控制处理，当达到用户预定时间后，自动切换广告画面。背光系统控制背光在光线低于某一个值的时候开启。本设计是基于单片机AT89S52控制为核心，采用模块化设计方法，由广告画面检测电路、电机驱动电路、数码管显示模块电路、独立按键设置电路、背光控制模块和系统电源组成。系统原理框图如图1-1所示。图1-1 系统原理框图（1）广告画面检测模块方案设计方案一：采用霍尔开关，通过在每幅广告的相应位置沾上磁铁，当霍尔开关碰到磁铁后输出低电平，可知画面切换完毕。存在的问题是磁铁会导致卷起来的广告有突起部分，甚至可能造成广告跑偏。方案二：采用发光二极管、光敏电阻，在每幅广告的相应位置涂上一条黑线，当检测装置检测到黑线时输出低电平，可知画面切换完毕。存在的问题是光敏电阻会受到外界光线影响（例如背光），造成误检测。方案三：采用槽型光耦（光电开关），在每幅广告的相应位置打一个圆孔，当检测装置检测到圆孔时，光耦导通，输出相应的电平，可避免外接光的干扰。因此，广告画面检测模块选择方案三。（2）电机驱动模块电路方案设计方案一：L298电机驱动芯片，一个芯片可以驱动两个直流电机的正反转，并可以对电机转速进行PWM控制。但是，L298存在一定的内阻，发热情况较大，需要加比较大的散热片，而且价格比较昂贵，市面上每片约20元左右。方案二：电机的正反转采用双刀双掷继电器，而电机的停止与否和转速则采用MOS管或大功率三极管控制。由于继电器是接触式的，内阻可以忽略不计，几乎不会发热，而MOS管或大功率三极管，额定电流一般较大，在驱动直流减速电机工作电流不是很大的情况下，发热量也非常小，也可忽略或加一片小散热片即可。因此，电机驱动模块电路选择方案二。（3）显示模块方案设计方案一：数码管显示，显示比较单一，只能显示数字和少量字母，但是编程简单，价格便宜，并且符合本系统只需显示切换时间的需要。方案二：LCD1602液晶显示，只能显示字母和数字，每个字母或数字显示分辨率为165,显示的信息量有限，操作功能单一，不利于功能扩展，编程也较数码管复杂。方案三：LCD12864液晶是带字库的具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为12864，可以显示四行每行八个汉字。不过LCD12864一般比较贵，四面上一般4065元左右因此，显示模块选择方案一。（4）按键电路方案选择方案一：独立按键结构简单，但是每个按键需占用一个IO口，不过编程简单，不需额外占用系统资源。适用于需要按键较少的场合。方案二：矩阵键盘，优点是按时占用IO口少，不过矩阵键盘需要MCU一直扫描，占用系统资源。适用于需要按键较多的场合。因此，按键电路选择方案一。（5）背光控制模块方案设计方案一：采用一个光敏电阻或光敏二极管检测当前亮度，当光线低于设定值时开启背光，缺点是当检测元件被东西挡住时会让控制模块误认为光线过低而开启背光。方案二：采用两个或多个光敏电阻或光敏二极管检测当前亮度，并引入单片机对光线进行判断，各处同时认为光线低于设定值时开启背光。缺点是占用单片机资源。方案三：采用两个或多个光敏电阻或光敏二极管检测当前亮度，并引入或门对光线进行判断，当各处信号同时低于设定值时才开启背光。因此，背光控制模块选择方案三。（6）系统电源电路方案设计本模块电源电路设计采用LM78xx系列开关型降压稳压器，可驱动1A电流的负载，能够输出固定直流电压5V、12V。电路简单，操作方便。1.2.2 软件设计方案本系统软件设计采用的是C语言编程，运用Keil uVision4软件平台进行编程及编程查错，再通过编程器下载程序（系统程序见附录1）。相对硬件的模块设计方式，软件部分也采取分模块编程，再通过主程序调用子函数从而实现系统整个软件功能。使用模块化结构形式是为了使程序的编写、调试及控制变得更方便，也为了便于推广到其他过程控制对象。程序控制共有4部分子程序，分别为广告画面检测控制程序、电机驱动控制程序、数码管显示程序和键盘控制程序。主程序在初始化完成后，依次循环执行上述子程序，分别实现其相应功能。2 系统硬件电路设计2.1 单片机主控制模块本系统选择Atmel公司的AT89S52单片机，AT89S52是一个低功耗，高性能八位CMOS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-51指令系统及80C51引脚结构，功能强大的微型计算机的AT89S52为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。2.1.1 AT89S52芯片功能介绍AT89S52单片机引脚图如图2-1所示图2-1 AT89S52单片机引脚图AT89S51单片机主要引脚功能如下： （1）P0口8位、开漏极、双向I/O口。 P0口可作为通用I/O口，但必须外接上拉电阻；作为输出口，每个引脚可吸收8个TTL的灌电流。作为输入时，首先应将引脚置“1“。 P0口也可用作外部程序存储器和数据存储器是的低八位地址/数据总线的复用线。在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。 （2）P1口8位、准双向I/O口、内部含有上拉电阻。 P1可作为普通I/O口。输出缓冲器可驱动4个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，有片内上拉电阻将其抬到高电平。P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供上拉电流。 在串行编程和校验时，P1.0/MOSI，P1.6/OSI和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 （3）P2口准双向口，具有通用I/O接口或8位地址总线输出 P2口用作输出口时，可驱动四个TTL负载；用作输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。 当单片机系统外部扩展时，P2端口可用于输出高8位地址线，与P0端口传送的低8位地址一起组成16位地址总线，由于访问外部存储器的操作是不断的，此时P2端口不可能再作通用I/O接口使用。（4）P3口双重功能的8位准双向端口。 P3口是一个多功能的端口，除作为准双向I/O接口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3端口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。P3端口能驱动4个TTL负载。P3端口的第二功能如表2-1所示。表2-1 P3端口第二功能表端口引脚第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.4T0（定时/计数0）输入端P3.1TXD（串行输出口）P3.5T1（定时/计数1）输入端P3.2INT0（外中断0）低电平有效P3.6WR（外部数据存储器与选通）P3.3INT1（外中断1）低电平有效P3.7RD（外部数据存储器读选通）（5）XTAL1和XTAL2XTAL1是片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端。 （6）RST复位输入端，高电平有效。 当单片机振荡器工作时，RST端维持两个机器周期的高电平，便可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，该引脚上高电平持续10ms以上才能保证有效复位。2.1.2 单片机主控电路设计单片机主控电路设计是以AT89S52为核心，外接广告画面检测控制模块、电机驱动模块、数码管显示模块和键盘控制模块、电源等硬件电路。AT89S52工作在24MHZ的频率下，采用+5V的直流电源供电，根据单片机各个引脚功能，P0口作为数码管段选， P2.6P2.7为数码管位选，P1.1、P1.3口作为两个电机正反转选择，P1.0、P1.2口作为电机转动与PWM控制，P3.1P3.2口作为广告画面检测控制模块接口，P3.3P3.5口作为键盘控制接口。单片机最小系统如图2-2所示。图2-2 单片机最小系统2.2 广告画面检测模块设计分析广告画面检测模块采用槽型光耦（光电开关），在每幅广告的相应位置打一个圆孔，当检测装置检测到圆孔时，光耦导通，输出相应的电平，并传送给单片机。模块原理图如图2-3所示。图2-3 广告画面检测模块原理图当槽型光耦位于圆孔处时，光耦导通，单片机IO口得到低电平信号；当光耦被广告画面挡住时，光耦截止，单片机IO口得到高电平信号。由此可以得知广告换页是否完成。由于槽型光耦需要装在靠近广告画面的地方，而不是在控制板上，因此原理图修改如图2-4所示。图2-4 修改后的原理图2.3 电机驱动模块设计分析电机的停止与否和转速采用MOS管或大功率三极管控制，而电机的正反转则采用双刀双掷继电器控制。模块原理图如图2-5所示。图2-5 电机驱动模块原理图如上图所述，采用TIP122大功率三极管对电机进行调速，对于TIP122的基极，通过一个小三极管对其惊醒控制，一是为了增大驱动电流，而是为了防止由于电流过大烧坏IO口。电机的正反转通过双刀双掷继电器控制，图中二极管是为了消耗继电器线圈断开瞬间产生的感应电动势。2.4 数码管显示模块设计分析由于本系统显示部分是需要显示画面切换时间，基于成本考虑，选择数码管进行显示。显示模块原理图如图2-6所示。图2-6 数码管显示模块原理图本系统采用一个两位共阴数码管进行显示，数码管段选由P0口控制，P27口控制十位，P26口控制个位。由于是5V电压供电，如果直接接到电源上，数码管LED会被击穿，所以要加限流电阻。根据公式：限流电阻大小=（电源电压-LED压降）LED允许流过的安全电流，可以估算电阻大小为100左右，这里为了经久耐用，把电阻设置为510。2.5 键盘控制模块设计分析由于本系统所需按键不多，因此选择独立式键盘，原理图如图2-7所示。图2-7 键盘控制模块原理图所用的三个按键，其中一个接到P33外部中断一接口，作为设置按键，避免程序扫描到其余地方时无响应，增强按键的灵敏度。2.6 背光控制模块设计分析背光控制采用两个光敏二极管检测当前亮度，利用电压比较器进行比较，并引入或门对两处光线进行判断，当各处信号同时低于设定值时才开启背光。背光控制模块原理图如图2-8所示。图2-8 背光控制模块原理图图2-8左边是光敏二极管与电压比较器组成的检测模块，中间两个二极管组成了一个与门电路，当两个检测装置同时得到信号时，驱动继电器闭合，打开背光。2.7 系统电源电路设计分析电源电路设计采用LM78xx系列开关型降压稳压器，可驱动1A电流的负载，能够输出固定直流电压5V、12V。电路简单，操作方便。电路原理图如图2-9所示。图2-9 系统电源电路原理图系统电源输入采用交流12V变压器输入，基于当今市面上所能买到的变压器输出基本是三线（双12V）的，所以我采用半桥整流法，能够利用完变压器的功率，加上一个自锁开关作为总电源控制。3 系统软件设计3.1 主程序流程设计图3-1 程序流程图程序总流程图如图3-1所示，开机后，程序会检测当前画面是否为第一幅，如果不是第一幅程序会自动调整为第一幅，之后会进入用户设定阶段，让用户自定义画面切换时间。设定结束后，广告窗开始工作，按照用户设定的时间自动切换画面，当走到尽头后自动换向。3.2 画面检测模块程序设计由于画面检测模块是输出开关量信号的，因此程序非常简单，这里使用两个检测元件，其中一个接到外部中断口，在程序中调用中断以避免IO口扫描不到造成错误。3.3 电机驱动模块程序设计电机驱动模块，对于电机的转向，只需控制P11、P13的高低电平即可，一个IO口可以控制一个电机的正反转，比L298节省IO口。而电机的转速，则用P10、P12来进行PWM调制。3.4 数码管显示模块程序设计数码管显示中，由P0口作为数码管的段选，顺序控制，即P00口控制A笔段。位选则用P26、P27控制。3.5 独立按键程序设计独立按键连接单片机IO口与GND，低电平控制。其中一个接到外部中断口，在程序中调用中断以避免IO口扫描不到造成错误。4 系统调试 4.1 硬件电路调试硬件电路的调试非常简单，在确定原理图无误，PCB与原理图关系正确后，只需确认焊接无误、无短路、断路、虚焊现象，硬件电路就基本没问题了。同时，我们还可以进一步检查。首先是最小系统，最小系统的检查首先可以对单片机进行一个简单的程序下载，只要程序可以正常下载，最小系统就没问题了。接下来是画面检测与独立按键，检查方法一样，通过一个简单程序，当两个中的某一个得到信号，让电机转一下或继电器闭合一下，就可确认其正常工作。电机驱动模块也是通过一个简单程序调试，可通过设定开关来控制正反转，电机的转速从低到高或从高到低逐渐变化，可确认电机驱动模块的是否正常。数码管显示模块更加简单，显示一个两位数即可，也可以写入一个自己递增的数字。至于背光模块，则需要选择适当的光线，调好两个可调电阻的阻值，当光线低于该值时自动开启。至此，硬件调试结束。4.2 软件程序调试程序编写可以用汇编语言或者C语言。汇编语言编写的程序繁杂，而且程序的移植性不好，而C语言简单易懂，程序移植性好。因此本系统采用C语言编程，通过Keil编程软件编译。在烧录之前对程序进行编译，编译成功后将程序烧录到单片机中，上电调试各个模块，查看各个模块的工作状态是否正常。比如显示模块显示的数据和字符是否正常，是否有乱码；电机转向、转速是否正常；画面停顿是否正确等。如果测试后均无问题，则软件调试结束。5 结论在本次设计课题的进行中,我大有收获。首先在选择设计课题时，我本着巩固所学理论知识，加强实际动手能力，增加对新事物使用的了解，顺利完成课程设计的想法，选择了滚动式广告窗的设计。经过大学期间对理论基础的学习，在已经掌握相关专业方面的基础知识及其它各方面知识的情况下，我认真的完成了我的课题设计。从一开始的选择课题，到后来的寻找相关资料，理论复习，这一切都使我的理论知识和动手能力得到一定的加强，课题设计是对我大学学习能力的一次检测，尤其是对数电和模电知识的一个考验。我的模拟电子技术知识基础打的并不是很好，数字电子技术知识还不错，于是我只能再拿起模电书籍再次复习起里边的内容。期间寻找了相关资料并问了老师后开始设计电路硬件部分，为了让设计的思路清晰有条理，我将全部电路分模块化来设计，然后将几个模块的电路集成在一块大的电路板上，这样不仅方便携带也可省去很多外部接线。为完成这次设计，我到图书馆查找了相关资料，并在互联网上查阅了一些需要用到的电子芯片的参数及用法等，这样可以在实际制作中少犯一些错误。谢 辞在本次课程设计的研究和制作过程中，许多老师，同学都给我提供了无私的帮助，尤其是郭振军老师和莫荣老师给予我悉心的指导和帮助，对我作品的设计给了足够的支持并严格要求我按进度完成作品。在碰到难以解决的问题时，还不断地教给我分析问题和解决问题的方法，并指出了正确的设计方向，给了我很多设计上的启发，使我在课程设计过程中少走很多弯路。在此向老师和同学表示深深的感谢。 在此次论文结束之际，再次向曾帮助我的指导老师和对我的作品提出建设性意见的同学表示由衷感谢，没有你们的帮助我是很难顺利完成这次课程设计的，谢谢你们。参考文献1 刘浏一种用于球场的图案可变的广告牌的设计J机床与液压，2003（1）：30312 肖林京，李鹏，李全基于单片机的三面翻广告牌控制系统J制造业自动化，2009，31（12）：93953 蒋卫，全书海基于GSM 网络的智能广告牌系统设计J工业控制计算机，2009，22（4）：43444 孙江峰，王福源，江红锋基于TMS320F2812 的电子广告牌设计J微计算机信息，2009，25（23）：1201215 谢自美.电子线路设计M.实验测试（第二版M）.武汉：华中理工大学出版社,2000.6 赵亮,侯国锐.单片机C语言编程与实例M.北京：人民邮电出版社,2003,9.7 薛小铃,刘志群,贾俊荣.单片机接口模块应用与开发实例详解M.北京：北京航空航天大学 出版社,2010,1.8 白延敏.51单片机典型系统开发实例精讲M.北京：电子工业出版社,2009,1.9 周润景,徐宏伟,丁莉.单片机