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： 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 X 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 1.72.5V 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= 1； /右移一位 SCLK = 1； /发送数据 for ( i=8； i0； 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； i0； 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； i0； 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 50V0.6A。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分析与解决方案。 1电源