单片机设计报告模板

1 梧梧 州州 学学 院院 课课 程程 论论 文文 2014 2015 学年第学年第 1 学期学期 题目题目 提交日期 提交日期 年年 月月 日日 学生签名 学生签名 手写 手写 学学 号号班级班级 课程编号课程编号XZ专业专业电子信息工程电子信息工程 课程名称课程名称单片机课程设计单片机课程设计任课教师任课教师郭慧郭慧 硬件设计成绩硬件设计成绩 分 分 30 分 分 软件设计成绩软件设计成绩 分 分 20 分 分 设计报告设计报告 分 分 40 分 分 答辩环节答辩环节 分 分 10 分 分 成绩评定 成绩评定 分分 任课教师签名 任课教师签名 年年 月月 日日 2 说说 明明 1 课程论文要有题目 摘要 关键词 正文及参考文献 正文不少于 6000 字 摘要 200 字左右 关键词 3 5 个 参考文 献不少于 5 篇 2 论文要求自己动手撰写 如发现论文是从网上下载的 或者是抄袭剽窃别人文章的 按作弊处理 本门课程考核成绩计 0 分 3 课程论文用 A4 纸双面打印 字体全部用宋体简体 题目宋体简体 题目 要求用小二号字加粗 标题行小二号字加粗 标题行要求用宋体三号宋体三号 正文正文内容要求用 小四号字 小四号字 行距为 1 25 倍行距 页边距左为 3cm 右为 2 5cm 上为 2 5cm 下为 2 5cm 4 论文题目 篇幅 内容等由任课教师提出具体要求 3 目录 摘要 不少于 200 字 简单介绍作品的工作原理 用途 一 设计任务和要求 二 设计的方案的选择与论证 2 1 总体电路分析 含总体电路原理框图和原理介绍 2 2 方案论证 包括选用何种单片机 温度传感器 显示模块等 或者选用 什么设计方案 一般列举 2 3 种 最后选用哪一种 为什么 三 单元电路设计 3 1 单片机最小系统设计 含单元电路图和原理介绍 3 2 温度采集模块设计 含单元电路图和原理介绍 3 3 显示模块设计 含单元电路图和原理介绍 3 4 按键控制模块设计 含单元电路图和原理介绍 四 软件设计 含设计流程图及说明 五 系统调试与误差分析 要有数据列表对比 分析原因 六 总结及心得 不少于 500 字 七 附录 1 主要程序 2 元器件明细表 3 附图 含整体电路图 PCB 板图 作品照片 八 参考文献 不少于 5 个 4 摘要 本设计以 STC89C52 单片机为主控芯片 运用温湿度传感器 光照传感器 无线通信模块 设计了基于温度 湿度和光照强度信息采集的大棚监控系统 系 统运用无线通信模块实现数据远距离传输 并将采集到的参数实时显示到远程终 端的电脑屏幕上 与此同时能及时根据反馈回来的信息判断是否需要自动灌溉农 作物 达到了温室大棚环境参数的实时监测和智能控制灌溉系统的目的 论文首先介绍系统的实现方案和硬件设计 然后介绍各个功能模块的选择和 软件设计 本系统采用上位机通信 上位机软件采用 VB 编程 实现与主机通信 数据处理与显示等功能 经过软件仿真和硬件实验 实现了对大棚温湿度及光照 的监测和控制 且监测距离大于 200 米 关键词关键词 数据采集 无线通信 大棚监控系统 Comment U1 一级标题 宋体 三 号 Comment U2 二级标题用宋体四号 5 一 设计任务和要求 实现 24 小时的时钟显示 校准 整点报时 闹铃等功能 具体要求 1 显示功能 具有 时 分 秒 的数字显示 时 从 0 23 分 0 59 秒 0 59 2 校时功能 当刚接通电源或数字时钟有偏差时 可以通过手动的方式去校 时 3 整点报时 当时钟计时到整点时 能进行整点报时 4 闹铃功能 在 24 小时之内 可以设定定时时间 当数字时钟到定时时间 时能进行报时提醒 二 设计的方案的选择与论证 2 1 系统的组成 本设计主要包括三个部分 分别是上位机 主机和从机 其中上位机是利用 VB 编的一个界面 用来实现电脑终端的实时数据显示和远程控制大棚里的设备 调节 主机和从机都是以单片机作为主控芯片而展开的外围功能 主机部分是由 单片机系统 NRF905 无线收发模块 MAX232 串口转换电路 1602 液晶显示模 块电路以及报警模块电路组成 从机负责采集大棚里的对农作物影响很大的几个因素的数据 实时地反馈到 远处的主机 并且能够根据采集到的数据自动地控制大棚里的各种调节开关 因 此从机包含有单片机系统 NRF905 无线收发电路 12864 液晶显示电路 温湿 度采集电路 光照采集电路 以及按键电路 系统的功能框图如图 2 1 所示 Comment U3 每个作品必须要有总 体电路原理框图 Comment U4 三级标题用宋体小四 6 单 片 机 按键电路 温湿度采集模块 光照采集模块 NRF905 无线模块 12864 液晶显示模块 MAX232 串口转换电路 单 片 机 报警模块电路 1602 液晶显示模块 NRF90 无线收发模块 风扇 电热 灌溉 上位机 照明 图 2 1 系统组成框图 2 2 系统的功能介绍及操作说明 本系统中温湿度传感器 DHT11 采集大棚室内的温度和湿度数据 利用光照 传感器 BH1750FVT 采集大棚室内的光照信息 经过转换后输出数字信号 并能 由从机通过无线传输到远处的主机 6 主机通过 MAX232 串口转 USB 跟终端的 上位机通信 获得温室的实时信息 从机能够根据反馈回来的信息进行自动的或 者手动的远程控制 要求 1 能实时准确地采集并处理所需数据 2 能通过无线传输与主机通信 3 主机能与上位机通信 并能实时地反映远程传送过来的相关信息 4 当温度低于设定值或光照强度低时能够自动打开补光灯 当湿度低于设 定值或高于一定温度时能够自动控制灌溉系统进行灌溉 5 能够远程控制从机 6 当温度超出设定值的时候能及时地反馈到主机并能发出警报 2 3 系统方案论证 2 3 1 主控芯片选择 方案一 采用 STC89C52 单片机作为主控芯片 STC89C52 是一种功耗低 性 7 能好的 51 内核的 CMOS 8 位单片机 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 不再需要启动像 STC89C51 那样的 VPP 编程高压 在单芯片 上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89S52 在众多嵌入式控 制应用系统中得到广泛应用 方案二 采用 ATmega16 AVR 单片机 该芯片是一款性能高 功耗低的 8 位的 AVR 单片机 它拥有 32 个 8 位的通用工作寄存器 当它工作在 16MHz 的时候 其 性能可以达到 16MIPS 并且它只需要非易失性程序和数据存储器 两个时钟周期 的硬件乘法器 16KB 字节的单片机内部可编程的存储空间 ATmega16 AVR 内核具 有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器 并且拥有两个可以预分频功能的 8 位 定时器和一个 16 位定时器 这两种方案都能实现本设计所有的功能 但是方案一的性价比要更高 且考 虑到笔者对 STC89C52 的熟悉程度更高一些 因此这里选择方案一 2 3 2 显示模块的选择 目前用得较多的显示设备有数码管 LCD1602 点阵行液晶显示 12864 以下 给出几种选择方案 方案一 采用数码管 数码管是由 8 个发光二极管组装在一起而成显示器件 显示位数越多 电路越复杂 占用的 I O 口也较多 并且数码管只能显示数字 不能显示字符和汉字 方案二 采用 LCD1602 它是一种可以显示 2 行 16 个字符的液晶模块 它的 显示功能很丰富 可以通过不同的地址编码 既可以显示数字 英文字母的大小 写 也可以显示出一般的符号等 1602 液晶模块的电路设计非常简单 八个数据 线口可以和单片机的 I O 口直接相连 方案三 采用点阵液晶显示 12864 带中文字库的 12864 是一种具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式的芯片 内部含有国标一级 二级简体中 文字库的点阵图形液晶显示模块 其显示分辨率为 128 64 内置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利用这个模块灵活的接口方式和方便 简单的操作指令 可以构成全中文人机交互图形界面 综上所述 考虑到本系统只需要显示一般的字符就可以了 所以这里选择价 格比较便宜的 LCD1602 2 3 3 无线收发模块的选择 方案一 利用红外线发射机和红外线接收机实现数据的收发 但红外线收发 稳定性较差 易受其它连续光源干扰 方案二 用 F05P 作为发射模块 J04V 作为接收模块 并配合解码芯片 PT2262 PT2272 完成无线收发模块电路的设计 实现无线数据传输 但电路及 编程比较复杂 不易于控制 方案三 采用 NRF905 单片无线收发器 它由一个集成的频率调制器 一个 8 带有解调器的接收器 一个功率放大器 一个晶体振荡器以及一个调节器组成 硬件集成载波侦听功能 具备地址匹配 收发完成状态指示的功能 它的抗干扰 性能强 接收发送功能合一 可实现半双工通信 在配外置鞭状天线通信距离在 300 米左右 它最明显的特点是性能很稳定 编程开发也比较简单 而且隔墙通 信效果好 以上三种方案综合考虑 选择方案三 因为方案三抗干扰性较强 且易于使 用 需要的外围元件较少 可以直接与单片机端口通讯 编程也比较容易实现 2 3 4 检测模块的选择 由于本系统要进行温度和湿度的检测 所以有以下两个方案选择 方案一 采用单独的温度传感器和湿度传感器测量温度和湿度 这个方案需 要两个传感器 电路较为复杂 且不易于控制 方案二 采用集温 湿度于一体的温湿度传感器测量温度和湿度 传感器 DHT11 是一款常用的温湿度复合传感器 其内部具有已校准的数字信号输出 一 般应用专用的温湿度传感技术 本器件使用单总线串行接口 使得系统集成变得 非常简易和快捷 综上所述 本课题采用方案二 三 单元电路设计 3 1 单片机最小系统设计 主机部分主要由单片机最小系统 MAX232 串口转换电路 1602 液晶 NRF905 无线模块等电路构成 主机部分的电路图如图 3 1 所示 9 GND GNDGND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 P5 Header 7X2A 3 3VCC 3 3VCC GNDGND TXE CEPWR uCKCD AMDR MISMOS SCKCSN 470U C1 Cap Pol1 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 ECI 3 P1 3 CEX0 4 P1 4 CEX1 5 P1 5 CEX2 6 P1 6 CEX3 7 P1 7 CEX4 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 U2 P89C52RC2HBP 22pF C5 Cap 22pf C6 Cap 12 Y1 XTAL GND VCC GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P4 Header 9 AM uCK CE DR MOS CSN SCK MIS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P3 Header 16 VCC GND VCC GND RS RW E P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 RS RW E PWR CD TXE 1K R4 Res2 Q1 2N3906 LS1 Bell GND VCC 10K R3 Res2 10UF C7 Cap Pol1 VCC GND C1 1 VS 2 C1 3 C2 4 C2 5 VS 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U3 MAX232N 474 C8 Cap 474 C10 Cap 474 C11 Cap 474 C12 Cap 474 C9 Cap 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 J1 D Connector 9 VCC GND GND GND P31 P30 12 34 56 P2 Header 3X2 VCC GND VCC D2 LED0 VCC 1K R2 Res2 GND 1 2 P6 Header 2 P30 P31 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 S1 SW SPST GND 2 2 1 1 3 3 Pot 10K GND 1 IN 3 OUT 2 OUT 4 U1 REG1117 3 3 2 2 4 4 1 1 3 3 sw2 VCC 104 C2 Cap P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 1 2 3 J10 PWR2 5 3 2 温度采集模块设计 含单元电路图和原理介绍 3 3 显示模块设计 含单元电路图和原理介绍 3 4 按键控制模块设计 含单元电路图和原理介绍 四 软件设计 含设计流程图及说明 主机和从机的程序用 C 语言编程 主机主要实现接收从机发送过来的数据信 息以及发出控制信号 能够显示接收到的数据信息 并与上位机通信 把接收到 的数据传给上位机 同时负责把从上位机发出的指令发送到从机 从机主要是采 集数据 显示和发送数据 并能根据采集到的信息来自动控制大棚里的调节开关 必要时还可以利用上位机实现远程控制 4 1 主机的程序流程 主机的程序流程如图 4 1 所示 10 数据是否 超过界限 值 上位机是 否发数据 或命令 蜂鸣器报警向从机发送数 据或命令 是 否 是 否 单片机 1602 及 NRF905 初始化 分别与上位机 从机通信 开始接收从机的 数据并上传数据至上位机 显示数据 开始 图 4 1 主机程序流程图 主机上电开始初始化 与从机及上位机通信 主机作为从机和上位机的中转 站 一方面接收从机发送过来的数据 并判断是否超限值 如果高于或低于预设 定的界限值主机发出警报并显示接收到的数据 另一方面上传数据到上位机显示 数据 当需要向远程的从机发送数据或命令时 上位机先发到主机再由主机利用 无线模块发送到从机 五 系统调试与误差分析 要有数据列表对比 分析原因 5 1 输出电流测试 给电流源上电后 通过按键设定输出电流值 对应通过电流表实际测量的电 流值相关数据如表 6 1 所示 由表可知设定值的线性增大 相关数据也相应增大 但是由于采样电阻和复合达林顿管的放大倍数受温度的影响及测量仪表的精度不 够而造成的误差 电流单位 mA 11 表 5 1 输出电流测试数据表 输入 电流 1120501003007001000120015002000 实测 电流 11 2119 7450100 53107101000120014901980 差值0 21 0 2600 5101000 10 20 误差 1 9 1 300 53 31 400 0 67 1 由于没有 4 位半的数字万用表 用实验室一般的数字万用表进行测量 因此 测量的数据有一定的误差 还有就是大电流的时候由于元器件的发热 元器件的 参数受到温度的影响也会造成一定的误差 但是这些误差都在允许的误差范围内 绝对误差都是在设定值的 5 之内 5 2 步进电流测试 本系统是采用 12 位串行 D A 作为控制输出电压部分 D A 通过单片机进行 程序按键控制输出模拟量 模拟量对采样电阻进行电压控制再通过采样电阻转换 为电流 从而形成恒流源 虽然受到环境和系统温度及器件特性的影响 但是步 进电流值仍然成线性增大 测量数据如表 5 2 所示 电流单位 mA 表 5 2 步进电流测试数据表 输入 电流 11121314152021222324 实测 电流 11 2111 8812 8513 8214 7819 6320 521 422 423 4 差值0 21 0 12 0 15 0 18 0 22 0 37 0 5 0 6 0 6 0 6 误差 1 9 1 1 15 1 29 1 47 1 85 2 38 2 72 2