【《路灯自动开关系统的单片机硬件和软件设计案例》3400字】

路灯自动开关系统的单片机硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2998路灯自动开关系统的单片机硬件和软件设计案例 1321541硬件设计 1172511.1STM32最小系统 131661.2北斗模块 3236431.3实时时钟模块 3158171.4继电器模块 4283551.5电源模块 4163091.6显示模块 5138701.7光敏电阻模块 561531.8按键模块 6243462软件设计 6201402.1软件总体设计思路 6208802.2系统软件主要模块设计 7133822.2.1主函数程序设计 7269942.2.2OLED屏显示页面程序设计 850492.2.3北斗模块程序设计 9211092.2.4实时时钟模块程序设计 10196422.2.5按键模块程序设计 11115012.2.6光敏电阻模块程序设计 1220452.2.7继电器模块程序设计 131硬件设计1.1STM32最小系统该设备选用STM32最小系统作为MCU，主芯片是STM32F103C8T6芯片。该模块如图3-1所示：图3-1STM32最小系统（1）电源电路此电路由连接外部1.3V的稳定的电源VCC提供电能。为了保证能获取备用寄存器的内容，VBAT在外部被连接在电源上，允许RTC正常运行。VDD、VDDA引脚连接到稳定的VCC电源上。电容C4、C5、C6和C7四个电容组成滤波电路，从而提高电路的稳定性。（2）时钟电路STM32F103C8T6芯片有三个不同的时钟源和两个二级时钟源，用来驱动系统时钟（SYSCLK）。它们可以被单独打开或关闭，从而降低电能的消耗。在其外部电路中，C1和C2为可加载电容，Y1为8MHz外部晶振，能够产生精确的主时钟，减小输出失真和启动稳定时间。（3）复位电路复位电路的作用是重置系统中寄存器的值。当NRST引脚上为低电平时，系统会进行复位，使电路恢复到起始状态。（4）BOOT启动电路STM32F103C8T6中系统的启动方式由BOOT0引脚和BOOT1引脚决定。当BOOT0处于低电平时是用户闪存启动；当BOOT1处于低电平，BOOT0处于高电平时是系统内存启动；当BOOT1处于低电平，BOOT0处于高电平时是SRAM启动。（5）调试接口电路此电路的作用是将设备连接到主机上，由硬件调试器UART2、连接器SWD和若干连接线组成。1.2北斗模块在此模块中，当主电源断电时，MS62IFE电池会供电，保证系统能正常供电。模块通过天线接收到信息时，D2指示灯闪烁。L76-LB模块主要通过RXD1和TXD1两个引脚接到主芯片的PA10和PA9上，与STM32最小系统进行通行，将获取到经纬度和时间信息传给主控模块。当L76-LB芯片的RESET为低电平时，就会进行复位，让模块回到最初的工作状态。北斗模块的电路原理图如图3-2所示：图3-2北斗模块电路原理图1.3实时时钟模块此模块选用的是DS1302芯片复位引脚5接主芯片的PB12；串行时钟引脚7接主芯片PB10，为；引脚6接主芯片的PB11，为端口输入/输出引脚。这个模块就是通过这三个端口与主控模块进行数据传输的；引脚2和3为晶振引脚。DS1302会及时更新获取获取的北斗数据，RST为低电平时，系统开始初始化数据，在CLK处于上升沿时输入数据，当CLK处于下降沿时，输出数据，向系统提供实际时间，便于系统将日出和日落时间与实际时间对比。实时时钟模块电路原理图如下图3-3所示：图3-3实时时钟模块电路原理图1.4继电器模块继电器模块中采用总控方式控制多盏路灯的开闭。继电器模块中的三极管Q6、Q7、Q8三个三级管起放大电流的作用，J3、J4、J5为常用的5V继电器，其中D3、D4、D5为线圈，利用电流的磁效应控制路灯的开闭。Power1、Power2、Power3分别接到STM32F103C8T6芯片中的PB13、PB14、PB15引脚，继电器接入火线中，灯泡接在接线端子上，从而控制多盏路灯的开闭。继电器模块电路原理图如图3-4所示：图3-4继电器模块电路原理图1.5电源模块此系统的电源用的是220V市电，但因为很多芯片都是5V或者兼容1.3V电压直接供电，因此需要对220V市电进行转化，先降为5V再降为1.3V，从而向系统供电。保险丝（F1）和压敏电阻（VDR）对电路起保护作用，当D6指示灯闪烁时，接通电源。电阻R35起限流作用，电容C8、C9、C10、C11起滤波作用，增加电路的稳定性。电源模块电路原理图如图3-5所示：图3-5电源模块电路原理图1.6显示模块本设计的显示模块选用的是OLED屏幕，市面上的OLED屏幕已经比较成熟了，在此系统中只需通过接线端子接入OLED屏幕即可。CS接PA4端口，功能为片选信号；DC接PA48端口，功能是区分命令和数据；RST引脚接到主芯片的PA11端口，功能是复位；D0接PA5端口，D1是接到主芯片的PA7端口，是双向的数据输入/输出口。显示模块接线端原理图如图3-6所示：图3-6显示模块接线端原理图1.7光敏电阻模块该模块通过AD端连接到核心处理器的PA1端口，电阻R36和滑动变阻器R25起分压作用。当北斗模块获取数据完全失败时，该模块起作用，光敏电阻感应环境光强的大小改变阻值，从而改变AD端的电压。当核心处理器检测到AD端的电压值满足预先设定的值时，就会自动打开或者关闭路灯，保证路灯能够正常使用。光敏电阻模块原理图如图3-7所示：图3-7光敏电阻模块电路原理图1.8按键模块K2、K3、K4、K5是组成独立式按键模块，它们的一端接地，另一端接上拉电阻，分别对应端口K1、K2、K3、K4。在上拉电阻的作用下，按键没被按下时，各端口都处于高电平，然后与主控芯片的PB0、PB1、PB3、PB9连接，对应的功能分别是确认、上/+、返回/删除、下/-。当有按键按下时，相应端口被拉为低电平，主芯片就会检测到信号，进而实现按键对应的功能。按键模块电路图如图3-8所示：图3-8按键模块电路原理图2软件设计2.1软件总体设计思路程序的开发是在KeiluVision5软件中进行，选用的语言是C语言。总体思路如下：先对各个模块进行初始化，检测是否有设置路灯所在地的实时时间模式的按键按下，如果有按键按下，判断是自动校准还是手动校准当地的时间；如果没有按键按下，默认是自动校准当地的时间。通电后，北斗模块就开始获取北斗数据，判断北斗模块是否能成功获取数据，如果获取成功就对获取的数据进行解析，得出路灯所在位置的经度、纬度和时间信息传送给STM32最小系统，由此运用公式计算出日出时间和日落时间，实时时钟模块校准实时时间，比较实时时间与日出日落时间，当实时时间>日落时间时开灯，当日出时间<实时时间<日落时间时关灯。如果北斗模块获取数据失败，就采集光敏电阻模块的电压，当AD端的电压值大于1.0V就开灯；反之，当AD端的电压值小于0.8V则关灯。为了能够更加方便进行程序设计，软件设计程序总体流程如图4-1所示：图4-1软件设计程序流程图2.2系统软件主要模块设计2.2.1主函数程序设计主函数的总体流程图如下图4-2所示：图4-2主函数程序流程图2.2.2OLED屏显示页面程序设计OLED屏幕能储存字节，也就是每行能存储128个字节，每列能存储64个字节，每个字节用一个点表示。当对一个点写入1时，该点对应的位置就会亮起；相反，当对一个点写入0时，该点对应的位置就会灭。因此，该系统的显示页面就是利用这种原理显示经纬度、日出日落时间和当地实时的时间。OLED显示程序流程图如下图4-3所示：图4-3OLED屏显示程序流程图2.2.3北斗模块程序设计北斗模块的程序设计主要是对L26-LB&L76-LB_GNSS_协议进行解析，主要运用此模块支持的NMEA语句来实现功能。北斗模块的作用就是获取经纬度、UTC时间，因此，主要解析以“RMC”为头部的语句，规定的格式为：$--RMC,<a>,<b>,<c>,<d>,<e>,<f>,<g>,<h>,<i>,<j>,<k>,<l>,<n>*<Checksum><CR><LF>其中“$”是每条语句的开始，“--RMG”指的是该条语句的ID，<a>是路灯所在位置的UTC时间；<b>是指数据的有效性；<c>是指路灯所在地的纬度；<d>是指纬度的方向；<e>是指路灯所在地的经度；<f>是指经度的方向；<i>是指北斗模块获取到的UTC日期，格式为“日日月月年年”；“*”指的是数据字段结束符；<Checksum>”对数据进行校验和；<CR><LF>的是回车和换行位，标志着NMEA语句的结束。通过此语句获得的数据，需要进一步提取出需要的数据信息，按照通信协议把数据转换成单片机能识别的语言，再通过串口发送给单片机。北斗模块子程序的流程如图4-4所示：图4-4北斗模块程序设计流程图2.2.4实时时钟模块程序设计此模块的芯片是DS1302，其读写字节的原理如图4-5所示：图4-5实时时钟模块程序流程图2.2.5按键模块程序设计按键模块的作用就是手动设置时间，实现手动控制路灯的开闭。在上拉电阻的作用下，没按下按键时，K1、K2、K3、K4接线端均处于高电平，此时路灯的控制由系统自动控制。当按下按键时，此按键对应的接线端的电平就会被拉低，这时系统的实时时间就以手动设置的为准，再以此时间和当天的日出日落时间进行对比，从而实现路灯的开闭。按键模块程序流程如图4-6所示：图4-6按键模块程序流程图2.2.6光敏电阻模块程序设计光敏电阻模块主要是通过采集AD端的电压进行比较判断北斗模块是否完全失灵，完全失灵的情况下才会使起作用。当光敏电阻起模块时，其阻值会随光强发生变化，故该模块的电压输出值也随其阻值改变而改变，再将输出的模拟电压转换为数字电压传送给STM32最小系统，最后通