智能视力保护仪

华侨华侨大学厦大学厦门门工学院工学院 单单片机控制系片机控制系统统 课课程程设计报设计报告告 题 目 智能视力保护仪智能视力保护仪 专业 班级 电子 1 班 学生姓名 陈炳刚 学 号 1202201002 指导教师 刘玉玲 2015 年 6 月 5 日 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 设计题目 智能视力保护仪 学生姓名陈炳刚所在院系电子信息工程系专业 年级 班电子 1 班 设计要求 设计要求 1 设定调节的感应距离 当距离小于调节距离 给出提示 纠正坐姿 2 当光线过强或者过弱 给出提示 纠正坐姿 设计步骤 设计步骤 按功能先大概画出总的框图 写程 然后在考虑各个部分功能的实现 然 后把各个部分连接起来 在用软件仿真 修改 直到没问题了 再买器材 程序烧写 制板 焊接 参考文献阅读 参考文献阅读 1 张毅刚 彭喜源 谭晓钧 曲春波 MCS 51 单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社 2 周明珠 王炜 王福源 无触点开关在控制中的应用 现代电子技术 2002 3 俞海珍 李宪章 冯浩 热释电红外传感器及其应用 电子照明技术 2006 7 4 赵海兰 赵样 实时时钟电路 DS1302 的原理及应用 电子元器件应用 2005 5 胡又农等 可编程看门狗监控EEPROM X5045及其在8051系统中的应用 电子技术应 用 1998 No 7 18 19 课设进度安排 课设进度安排 1 两次验收时间 第一次是 15 周四早上 9 30 10 30 第二次看第一次验收情况待定 2 第 17 周周一早上提交论文电子版 由学委统一发给老师 经老师修改后 打印成纸 质版 任务下达日期 2015 年 6 月 3 日 任务完成日期 2015 年 7 月 3 日 指导教师 签名 学生 签名 陈炳刚 目目 录录 第一章第一章 系统控制模块的硬件设计系统控制模块的硬件设计 2 1 1 AT89S51 单片 2 1 11 控制模块的硬件构成及说明 2 1 2 控制的主要硬件电路 2 1 21 HP 208 N L 功能特点 3 1 2 2 主控电路 3 1 2 3 供电电路 4 1 2 4 采集电路 5 1 2 5 系统时钟电路 7 1 2 6 继电器驱动电路 8 1 2 7 超时提示电路 8 1 2 8 按键控制电路 9 1 2 9 芯片 X5045 9 第二章时钟程序设计第二章时钟程序设计 10 2 1 时钟程序设计 10 2 2 ULN2803 和驱动模块 11 第三章第三章 系统调试运行及问题分析系统调试运行及问题分析 12 3 1 单片机电路工作运行 13 3 2 简要的问题分析 14 第五章第五章 总结心得体会总结心得体会 15 第一章第一章 系统控制模块的硬件设计系统控制模块的硬件设计 1 1AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k 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 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功 能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的 解决方案 1 11 控制模块的硬件构成及说明 系统控制单元是以 AT89S51 单片机主控模块为核心 其它外围电路主要包 括 环境光采集电路 时钟模块 热释红外传感器模块 看门狗模块 按键电 路 EEPROM 存储模块 超时报警模块 数码管显示模块 其结构框图如图 1 1 所示 1 2 系统控制的主要硬件电路系统控制的主要硬件电路 考虑到本系统安装时受环境影响因素比较多 且教室控制设备中的人体存 在传感器 光敏三极管等经常会因环境情形变化而不稳定 所以在设计过程中 电子元器件的选用 线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题 1 21 HP 208 N L 功能特点 1 全自动感应 人进入其感应范围则输出低电平 待机状态输出为高电平 人离 开感应范围则自动延时关闭低电平 返回至待机时的高电平 2 光敏控制 可选择 出厂时未设 可设置光敏控制 白天或光线强时不感应 3 两种触发方式 可跳线选择 a 不可重复触发方式 即感应输出低电平后 延时时间段一结束 输出将自动从 低电平变为高电平 b 可重复触发方式 即感应输出低电平后 在延时时间段内 如果有人体在其 感应范围活动 其输出将一直保持低电平 直到人离开后才延时将低电平变为 高电平 感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段 并 且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点 4 具有感应封锁时间 默认设置 无封锁时间 感应模块在延时时间一结束 即 停止输出 可以紧跟着设置一个封锁时间段 在此时间段内感应器不接受任何 感应信号 此功能可以实现 感应输出时间 和 封锁时间 两者的间隔工作 可应用于间隔探测产品 同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干 扰 此时间可设置在零点几秒 几十秒钟 5 工作电压范围宽 默认工作电压 DC5V 20V 6 微功耗 静态电流 50 微安 特别适合干电池供电的电器产品 7 输出高电平信号 可方便与各类电路实现对接 1 2 2 系统主控电路 本系统的主控模块采用 AT89S51 作为主控芯片 它是一种低功耗 8 位 CMOS 工艺处理器 具有 8K 在线可编程 Flash 存储器 片内的 Flash 可多次编 程 为在线编程提供了方便 片内有 128 字节的 RAM 4KB 的 EEPROM 由 于合理的安排使用片内 RAM 空间 所以没有片外扩展的 RAM 使电路结构简 洁 该芯片的主要特征见如表 1 1 表 1 1 AT89S51 主要特征 AT89S51 引脚外围器件引脚说明 P0 0 P0 7ULN2803数码管段码驱动接口 P2 0 P2 7PNP 9012 基极数码管段码驱动接口 P1 0X5045SIX5045 串行输入端 P1 1X5045SCKX5045 串行时钟端 P1 2X5045CSX5045 片选端 P1 3 X504550 X5045 串行输出端 P1 4工作状态指示灯 P1 5 DS1302CLK DS1302 时钟线 单片机最小系统如图 1 2 所示 图 1 2 单片机最小系统 1 40 Vcc 20 GND 脚间的电压应有 5V 2 18 19 脚分别与 20 脚间有 1 7 2 5V 电压 3 9 RST 脚与 GND 间电压基本为 0 4 31 脚 EA 与 20 引脚 GND 间电压为 5V 1 2 3 系统供电电路系统供电电路 系统供电原理如图 1 3 所示 采用 5V 电压供电 本设计采用输出电压为 9V 的变压器 系统接通 220V 交流电源后 将 220V 交流电变压到 9V 经过二 极管全波整流 电解电容 C1 C2 滤波 再经正输出稳压器 LM7805 为了缓冲 负载突变 改善瞬态响应 输出端还采用了电容 C3 C4 最后得到 5V 的直流 电压 用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的 Vcc 端供电 图 1 3 系统供电电路 P1 6 DS1302I O DS1302 数据线 P1 7 DS1302RST DS1302 复位线 P3 0 P3 1数据采集输入端 P3 3人体存在传感器输出信号端 P3 4超时报警信号输入端 P3 7光敏三极管输入信号端 1 2 41 2 4 数据采集电路数据采集电路 一 环境光强度采集电路 光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器 采用的光敏三极管除了 具有光敏二极管将光信号转化为电信号的功能外 还具有对电信号的放大功能 在无光照时 三极管的穿透电流很小 为暗电流 有光照时 产生的 Ib 增大 成为光电流 Ie 光电流的大小与光照强度成正比 于是在负载电阻上就能得到 随光照强度变化而变化的电信号 光敏三极管具有灵敏度高 体积小 工作电 压低 工作电流小 发光均匀稳定 响应速度快 寿命长等特点 环境光采集电路原理如图为 1 4 所示 当环境光照强度大于一定程度时 光 敏三极管 D6 呈现低阻状态 1K 三极管 Q12 的基极电压升高 Q12 管饱和导 通 集电极输出低电平 当环境光强度小于一定程度时 光敏三极管 D6 呈现高 阻状态 100 使三极管 Q12 截止 集电极输出高电平 其中调节 R26 阻值 可使三极管 Q12 受环境光强度影响在适当的亮度下导通 图 1 4 环境光电路 人体存在传感器采用 HP 208 N L 人体感应模块 低电平输出 基于红外线 技术的自动控制产品 灵敏度高 可靠性强 广泛应用于各类自动感应电器中 人体传感器的 1 号引脚为电源信号端 VCC 2 号引脚为采集信号输出端 OUT 3 号引脚为地信号端 GND 其硬件连接如图 1 5 1 2 3 HP 208 C 680pf VCC p3 3 图 1 5 人体存在信号采集电路 HP 208 N L 功能特点 R25 10k Q12 NPN D6 PHOT O R26 470k 5v p27 全自动感应 人进入其感应范围则输出低电平 人离开感应范围则自动延 时关闭低电平 输出待机时的高电平 两种触发方式 a 不可重复触发方式 即感应输出低电平后 延时时间段一 结束 输出将自动从低电平变为高电平 b 可重复触发方式 即感应输出低电平 后 在延时时间段内 如果有人体在其感应范围内活动 其输出将一直保持低 电平 直到人离开后至延时结束 低电平跳变为高电平 感应模块检测到人体 的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段 并且以最后一次活动的时间为延 时时间的起始点 具有感应封锁时间 感应模块在每一次感应输出后 待延时时间一结束 可以紧跟着设置一个封锁时间段 在此时间段内感应器不接受任何感应信号 此功能可以实现 感应输出时间 和 封锁时间 两者的间隔工作 可应用于 间隔探测产品 同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰 此时 间可设置在零点几秒 几十秒钟 微功耗 静态电流 50 微安 特别适合干电池供电的电器产品 输出高电平信号 可方便与各类电路实现对接 技术参数 工作电压 DC4 5V 至 DC24V 均可 输出低电平 0V 待机时的高电平为 3 3V 延时时间 可制作范围零点几秒 十几分钟 封锁时间 可制作范围零点几秒 几十秒 触发方式 L 不可重复 H 可重复 感应范围 Vcc1 0 2V 时 由 Vcc2 向 DS1302 供电 当 Vcc20 i 循环 8 次移位 SCLK 0 temp addr DIO bit temp 0 x01 每次传输低字节 addr 1 右移一位 SCLK 1 发送数据 for i 8 i 0 i SCLK 0 temp dat DIO bit temp 0 x01 dat 1 SCLK 1 CE 0 数据读取子程序 unsigned char Read1302 unsigned char addr unsigned char i temp dat1 dat2 CE 0 SCLK 0 CE 1 发送地址 for i 8 i 0 i 循环 8 次移位 SCLK 0 temp addr DIO bit temp 0 x01 每次传输低字节 addr 1 右移一位 SCLK 1 读取数据 for i 8 i 0 i ACC 7 DIO SCLK 1 ACC 1 SCLK 0 CE 0 dat1 ACC dat2 dat1 16 数据进制转换 dat1 dat1 16 十六进制转十进制 dat1 dat1 dat2 10 return dat1 初始化 DS1302 void Initial void Write1302 WRITE PROTECT 0X00 禁止写保护 Write1302 WRITE SECOND 0 x56 秒位初始化 Write1302 WRITE MINUTE 0 x34 分钟初始化 Write1302 WRITE HOUR 0 x12 小时初始化 Write1302 WRITE PROTECT 0 x80 允许写保护 2 2 ULN2803驱动模块 八路 NPN 达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路 诸如 TTL CMOS 或 PMOS NMOS 和较高的电流 电压要求之间的接口 广泛应用于 计算机 工业用和消费类产品中的灯 继电器 打印锤或其它类似负载中 所 有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管 用于抑制跃变 ULN2803 的设 计与标准 TTL 系列兼容 而 ULN2804 最适于 6 至 15 伏高电平 CMOS 或 PMOS 系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道 通过的显 示系统数据 我们才可以更好的了解系统运行的状态 从而方便对整个系统进 行必要的操作 本系统中采用共阳极的数码管 其中采用 ULN2803 作为驱动数 码管的段选的芯片 采用简单又便宜的 9012 三极管来驱动数码管的位选 节约 成本 程序编写简单 考虑到数码管驱动信号要求的电流较大 采用功率驱动器件 ULN2803 芯片 此芯片是八组 NPN 型达林顿功放三极管集成芯片 典型的输入电压是 5V 集 电极输出功率可达 50V 0 6A 因此采用 ULN2803 共阳极数码管的段信号驱动 器 而共阳极数码管的位信号驱动则采用 8 个晶体管 9012 来实现 又由于 ULN2803 为低电平驱动 所以数据送到单片机端口前 应在程序中先将数据取 反 然后将数据送到 ULN2803 输入端相连接单片机的 P0 端口即可 每次先送一位要显示的数据字节 然后再送该位数码管的地址字节 直到 8 位显示完全 本系统在运行过程中需要显示查看的数据有时钟及显示数值 正常工作中 8 位显示器显示实时时钟 显示小时 分钟 秒 其中有两位用来显示 用以分隔显示小时 分钟和秒 这样显示更加清晰 第三章第三章 电路工作运行及问题分析电路工作运行及问题分析 3 1 单片机电路工作方法及步骤单片机电路工作方法及步骤 在对系统进行实际调试时 首先应对硬件进行静态调试 同时对系统软件 进行初步调试 此后再对软件和硬件进行动态调试 最后才能使系统进入正常 工作 1 静态调试 静态调试主要是排除明显的硬件故障 在将芯片 传感器等 元件连接到电路板上时 要保证各处电源极性 电压正确 以防止因电源极性 接反或电压过高损坏芯片或传感器 此外 插入芯片必须在断电的情况下进行 特别注意芯片的方向不要插反 2 软件调试 在软件调试时采用在计算机上利用模拟软件实现对单片机的 硬件模拟 指令模拟及运行状态模拟 从而完成应用软件开发的全过程 调试 过程中的运行状态 各寄存器状态 端口状态等都可以在指定的窗口区域显示 出来 通过这些显示结果随时跟踪程序运行状态 以确定程序运行无错误 3 动态调试 控制系统的软件和硬件是密切相关的 由于软件模拟开发系 统不能对硬件部分进行诊断 同时也不能实时在线仿真 所以用户程序还需跟 硬件连接起来进行联调 同时对软件和硬件进行检查和诊断 整个单片机系统 进行在线调试时 需借助仿真开发工具来对用户软件及硬件电路进行诊断 调 试 在应用系统各模块电路调试成功后 将程序加载到在线仿真器上 这时就 能单步或连续地执行目标程序 同时也可以根据需要分段设置断点执行程序 而对于一些与硬件相关的用户程序 如接口驱动程序等 则需要配合硬件 进 行在线调试 如果有逻辑错误 也要及时纠正修改 程序调试完毕后 利用编程器将程序固化到单片机中 使整个系统运行起 来 各模块电路调试流程图如下示 图 3 1 电源调试 图 3 2 单片机最小系统调试 图 3 3按键电路调试 图 3 4显示电路调试 图 3 5 采集电路调试 3 2 主要问题分析主要问题分析 在本系统的调试过程中遇到的主要问题的