智能视力保护仪

1、华侨大学厦门工学院 单片机控制系统 课程设计报告题 目：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 程 设 计 任 务 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：（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：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

2、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.20023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2006.74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，20055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：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

3、，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 录第一章 系统控制模块的硬件设计21.1 AT89S51单片21.11控制模块的硬件构成及说明21.2控制的主要硬件电路21.21、HP-208-N-L功能特点.31.2.2主控电路31.2.3供电电路41.2.4采集电路5 1.2.5系统时钟电路71.2.6继电器驱动电路81.2.7超时提示电路81.2.8按键控制电路9 1.2.9芯片X50459第二章时钟程序设计102.1时钟程序设计102.2 ULN2803和驱动模块11第三章 系统

4、调试运行及问题分析123.1单片机电路工作运行133.2简要的问题分析14第五章 总结心得体会15第一章 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

5、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

6、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).

7、 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A

8、T89S51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. 2X5045CS

9、X5045片选端P1. 3X504550X5045串行输出端P1. 4工作状态指示灯P1. 5DS1302CLKDS1302时钟线P1.6DS1302I/ODS1302数据线P1. 7DS1302RSTDS1302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

10、（GND）间电压为5V 。1.2.3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1.2.4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

11、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

12、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。图1-5 人体存在信号采集电路HP-208-N-L功能特点：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

13、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

14、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：<140度锥角，7米以内；工作温度：-20+70度。1.2.5系统时钟电路根据室内灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源、且不占用太多单片机资源，于是采用具有充电能力的实时时钟芯片DS1302，作为临时性存放数据的RAM寄存器。此芯片采用的是串行通信方式，还可为

15、掉电保护电源提供充电功能，也可以将此功能关闭。该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。DS1302只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高，满足系统的要求，其引脚图如图1-6所示。图1-6 DS1302的引脚图各引脚的功能为：Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2< Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；I/O：三线接口时的双向数据线；CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。DS1302

16、与单片机接口电路连接如图1-7，其中Vcc2外接3.6V可充电的锂电池，为DS1302的备用电源。Vcc1外接供电模块的稳定输出电压+5V，为DS1302的主电源。DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。系统正常运行时，Vcc1大于Vcc2，因此由Vcc1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的复位信号相连。时钟输入端SCLK接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。图 1-7 时钟电路1.2.6继电器驱动电

17、路继电器驱动接口电路如图1-8所示，这里继电器由相应的PNP型号的9012三极管来驱动。开机时，单片机初始化后的P3.5、P3.6 为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态。如果P3.5、P3.6 为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。继电器的输出端并联100欧的电阻和6800皮法电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。 图1-8 继电器驱动电路1.2.7超时提示电路本系统采用的超时

18、报警电路如图1-9所示。单片机的P3.4端口外加一个10K的上拉电阻，再经过限流电阻100欧与三极管C945的基极相连。当P3.4 端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若P3.4端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。本系统采用超时报警电路方便了管理人员对教室灯的管理，能够科学、有效地管理电灯。图1-9超时报警电路1.2.8按键控制电路按键控制电路如图1-10所示。按键的输入信号分别接到P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，用二极管和与门电路将按键信号引到外中断0的引脚P3.2。按键控制电路采用单片机P2口的低

19、4个口作按键的输入信号端，信号取自电阻的分压。当按键未按下时，P2.0P2.3端口的电压接近电源电压，为高电平，当某一按键按下时，对应端口被按纽开关短接到地，为低电平。单片机检测4个端口电平的变化，从而确定是哪个键被按下。键盘工作方式采用中断扫描方式，4个二极管和10K电阻组成与门电路，当任一键按下时，与门输出P3.2引脚的电平都会由高为低。P3.2第二功能是外部中断0的输入引脚，我们利用其电平的变化产生中断，在中断服务程序中读入P2口低4位信号，确定哪个键按下，执行相应的按键功能，0.1pf电容和10K电阻组成滤波电路，消除按键的抖动。图1-10按键控制电路1.2.9芯片芯片X5045一般说

20、明X5043/45把四种常用的能：上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁（Block LockM）保护串行EEPROM存储器组成在一个封装之内。这种组合降低了系统成本、减少了电路板空间和增加了可靠性。向器件加电时激活了上电复位电路，它保持RESET/RESET有效一段时间。这可使电源和振荡器稳定，然后微处理器再执行代码。看门狗定时器对微控制器提供了一个独立的保护机制。当系统故障时，在可选的超时时间（time-outinterval）之后，器件将激活RESET/RESET信号，用户可以从三个预置的值中选择一个超时时间。一旦选定，即使在断电后重启电源时也不会改变。器件的低VCC检测电路，可以保

21、护系统免受低电压之影响，当VCC降到最小VCC转换点以下时，系统复位。复位一直持续到VCC回到正常工作电平并且稳定为止。有5个工业标准的转换电压门限Vtrip可以选用，并且Xicor独特的电路允许对门限编程以满足用户的需要或者对高精度应用的精细调整的需要。X5043/45的存储器部份是具有Xicor块锁保护的CMOS 4Kb串行EEPROM。该阵列内部的组织是×8。器件具有SPI接口的特性，其软件协议允许工作在一个简单四线总线上。，的引脚排列如图1-11。图1-11 X5045的引脚图 看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。如表1.2状态寄存器所示，X5

22、045状态寄存器共有6位。其中WD1.WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。表1.2 状态寄存器WD1=0，WD0=0，预置时间为1.4S，WD1=0，WD0=1，预置时间为0.6S，WD1=1，WD0=0，预置时间为0.2S，WD1=1，WD0=1，禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。X5045硬件部分连接如图1-12。图1-12 系统看门狗电路系统看门狗电路由系统数据存储及故障保护部分组成，X5045是一种串行通信512字节的EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能，X5045有三种

23、可编程看门狗周期，上电和VCC低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，并与AT89S51的复位端相连。看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。该芯片还带有一个1.4秒的看门狗定时器可用来监控单片机的工作。如果在1.4秒内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗WD1处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的发生。 第二章时钟程序设计2.1时钟程序设计驱动程序 /寄存器宏定义 #define WRITE_SECOND 0x80 #define WRITE_MINUTE 0x82 #

24、define WRITE_HOUR 0x84 #define READ_SECOND 0x81 #define READ_MINUTE 0x83 #define READ_HOUR 0x85 #define WRITE_PROTECT 0x8E /位寻址寄存器定义 sbit ACC_7 = ACC7； /管脚定义 sbit SCLK = P35； / DS1302时钟信号 7脚 sbit DIO= P36； / DS1302数据信号 6脚 sbit CE = P37； / DS1302片选 5脚 /地址、数据发送子程序 void Write1302 ( unsigned char addr，d

25、at ) unsigned char i，temp； CE=0； /CE引脚为低电平，数据传送中止 SCLK=0； /清零时钟总线 CE = 1； /CE引脚为高电平，逻辑控制有效 /发送地址 for ( i=8； i>0； i- ) /循环8次移位 SCLK = 0； temp = addr； DIO = (bit)(temp&0x01)； /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&0x01

26、)； 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&0x01)； /每次传输低字节 addr >>= 1； /右移一位 SCLK = 1； /读取数据 for ( i=8； i>

27、;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，0x56)； /秒位初始化 Write1302 (WRITE_MINUTE，0x34)； /分钟初始化 Writ

28、e1302 (WRITE_HOUR，0x12)； /小时初始化 Write1302 (WRITE_PROTECT，0x80)； /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

29、。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

30、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 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