单片基础及其应用 1

项目八单片机综合应用324325任务1

智能廊灯设计

任务2

智能卷帘设计任务3

智能温湿度计设计智能廊灯设计任务13261.了解光敏电阻和热释电传感器的相关知识。2.了解HC-SR501热释电传感器模块的相关知识。3.能设计智能廊灯电路。4.能编写和调试智能廊灯程序。5.能完成智能廊灯硬件组装和功能测试。6.能分析总结智能廊灯设计流程，并阐述分享给其他同学。327当人们行走在光线较暗的走廊、楼梯上时，走廊、楼梯上的灯会自动亮起来，过一段时间又会自动熄灭，这种灯就是智能廊灯，它节能环保，给人们的生活带来了诸多便利。本任务要求完成基于STC89C51单片机的智能廊灯设计，在白天，不管有没有人经过廊灯，廊灯都不亮；在夜晚，当有人经过廊灯时，廊灯点亮，延时一段时间后廊灯熄灭。328329本任务可通过单片机I/O接口外接光敏电阻模块电路、HC-SR501热释电传感器模块电路以及继电器模块电路等实现智能廊灯的控制功能。为完成此任务，需要学习光敏电阻以及热释电传感器等相关知识。330一、光敏电阻1. 光敏电阻的概念光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的电阻，其实物如图所示。光敏电阻331基于内光电效应，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值迅速减小，这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下做漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻的阻值迅速减小。在无光照环境中，光敏电阻的阻值会增大，几乎呈高阻状态。2. 光敏电阻的典型应用电路因为光敏电阻对环境光线比较敏感，所以一般用其检测周围环境的光照强度，从而触发单片机或继电器模块等。光敏电阻的典型应用电路如图所示，在该电路中，电源VCC

在可调电阻VR1端产生阈值电压，将该取样电压与光敏电阻LDR端的电压送入比较器LM393进行比较，当光敏电阻LDR端的电压不超过可调电阻VR1端设定的阈值时，数字信号输出端DO输出低电平。332333光敏电阻的典型应用电路334当光敏电阻LDR端的电压超过可调电阻VR1端设定的阈值时，DO端输出高电平。该电路中输出端DO可以与单片机直接相连，通过单片机检测DO端的高低电平判断环境的光照强度变化，模拟量输出端AO可以与模数转换模块相连，AO端输出的模拟信号经过模数转换模块转换成数字信号后，可以得到环境光照强度更精准的数值。二、热释电传感器热释电传感器是基于热释电效应工作的热电型红外传感器。热释电传感器如图所示，其结构简单坚固，性能稳定，被广泛应用于红外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域，是目前使用较广泛的红外传感器。335热释电传感器1. 滤光片热释电传感器的滤光片为带通滤光片，它封装在传感器壳体的顶端，使特定波长的红外辐射选择性地通过，同时阻挡其他波长的辐射，从而提高传感器对目标源的探测精度。3362. 热释电探测元热释电探测元是热释电传感器的核心元器件，它是通过先在热释电晶体的两面镀上金属电极，再施加电压进行极化制成的，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外线照射时，产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生变化，从而产生热释电电流。3. 前置放大器前置放大器由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，通过阻抗变换，将热释电探测元微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。337三、HC-SR501热释电传感器模块1. 实物和产品参数HC-SR501热释电传感器模块如图所示，该模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，使用超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是电池供电的自动控制产品。338HC-SR501热释电传感器模块2. HC-SR501热释电传感器模块的使用HC-SR501热释电传感器模块功能图如图所示，该模块VCC

和GND分别接+5V直流电源的正极和负极后，开始正常工作。当有人进入该模块感应范围内时，OUT端输出高电平；当人离开该模块感应范围时，OUT端输出低电平。339HC-SR501热释电传感器模块感应范围3. 连接示意图单片机与HC-SR501热释电传感器模块可通过I/O接口连接，其仿真连接示意图如图所示，该电路中单片机的I/O接口引脚P3.0与HC-SR501热释电传感器模块的OUT端相连接。340单片机与HC-SR501热释电传感器模块仿真连接示意图智能卷帘设计任务23411.了解步进电动机的概念及技术指标。2.理解步进电动机的工作原理。3.能设计智能卷帘电路。4.能编写和调试智能卷帘程序。5.能完成智能卷帘硬件组装和功能测试。6.能分析总结智能卷帘设计流程，并阐述分享给其他同学。342在智慧农场的大棚蔬菜种植基地中，通常需要一种智能卷帘，可根据光照强度自动调节卷帘，当光照强度较弱时，卷帘自动打开以增加光照强度；当光照强度较强时，卷帘自动关闭以降低光照强度。智能卷帘给大棚蔬菜种植提供恒定的光照强度，有利于蔬菜的生长，从而提高蔬菜的产量。343本任务要求完成基于STC89C51单片机的智能卷帘设计，智能卷帘有两种模式可以选择，分别是自动模式和手动模式。若智能卷帘处于自动模式，当光照达到一定强度时，如果卷帘没有关闭，则启动步进电动机让卷帘关闭；当光照未达到一定强度时，如果卷帘没有打开，则启动步进电动机让卷帘打开。若智能卷帘处于手动模式，当按下关闭卷帘按键时，如果卷帘没有完全关闭，则启动步进电动机让卷帘关闭；当按下打开卷帘按键时，如果卷帘没有完全打开，则启动步进电动机让卷帘完全打开。本任务可通过单片机I/O接口外接按键控制电路、光敏电阻模块电路、红外检测电路以及步进电动机模块电路实现智能卷帘的控制功能。为完成此任务，需要学习步进电动机相关知识。344345一、步进电动机的概念步进电动机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元器件。在非超载情况下，电动机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，即给电动机加一个脉冲信号，电动机就转过一个步距角。步进电动机多用于数字式控制设备，如智能卷帘、打印机、绘图机和光盘驱动器等装置。步进电动机按励磁方式不同，可分为永磁式、反应式和混合式3种；按线数不同，可分为三线式、五线式和六线式等。按相数不同，可分为单相式、两相式、三相式、四相式、五相式等，其中四相步进电动机是比较常见的一种步进电动机，如图所示。用单片机控制步进电动机时通常需选用专用的电动机驱动芯片，其中使用ULN2003驱动步进电动机是常用的方法。346四相步进电动机二、步进电动机的技术指标步进电动机的技术指标分为静态指标和动态指标两种，静态指标包括相数、步距角和拍数等，动态指标包括步距角精度、失步、失调角、最大空载启动频率和运行矩频特性等。3471. 相数相数是指步进电动机内部的线圈组数。目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电动机。电动机相数不同，其步距角也不同，一般两相步进电动机的步距角为0.9°/1.8°（表示两相步进电动机半步工作时步距角为0.9°，整步工作时步距角为1.8°），三相步进电动机的步距角为0.75°/1.5°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电动机满足对步距角的要求。3482. 步距角步距角表示控制系统每发出一个步进脉冲信号后电动机所转动的角度。3. 拍数拍数是指完成一个磁场周期性变化所需的脉冲数，或指电动机转过一个步距角所需的脉冲数。349三、步进电动机的工作原理不同线数步进电动机的控制原理基本相同，都要以脉冲信号电流来驱动。假设电动机每转动一圈需要64个脉冲来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电动机转动5.625°，其旋转角度与脉冲的个数成正比。步进电动机的正反转由励磁脉冲产生的顺序来控制。五线式四相步进电动机是比较常见的，它的控制等效电路如图所示。350五线式四相步进电动机控制等效电路它有4根励磁信号引线A+、A-、B+、B-（还有一根引线为公共端com），通过控制这4根引线上励磁脉冲信号产生的时刻，即可控制步进电动机的转动，每出现一个脉冲信号，步进电动机就转动一步。因此，只要依序不断输出脉冲信号，步进电动机就能实现连续转动。351四、步进电动机的励磁方式步进电动机通过磁场之间的相互作用精确控制转子的转动角度和速度。通过给步进电动机的绕组通电，产生磁场以驱动电动机转动的方法称为步进电动机的励磁。步进电动机的励磁方式主要有单相励磁、双相励磁和半步励磁3种。单相励磁是指在每一个瞬间，步进电动机只有一个线圈导通，步进电动机相线每送入一个励磁信号，步进电动机就转动5.625°，这是3种励磁方式中最简单的一种，其特点是精确度高、消耗电力少，但输出转矩最小，振动较大。352双相励磁是指在每一个瞬间，步进电动机有2个线圈同时导通，每送入一个励磁信号，步进电动机就转动5.625°，其特点是输出转矩大、振动小。半步励磁是指单相励磁与双相励磁交替的方式，每送入一个励磁信号，步进电动机就转动2.8125°，其特点是分辨率高、运转平滑，故该励磁方式应用非常广泛，如果以该方式控制五线式四相步进电动机正转，对应的励磁顺序见下表，若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。353半步励磁顺序表354半步励磁顺序表五、步进电动机的控制电路图本任务采用28BYJ-48四相步进电动机，该步进电动机的控制电路示例如图所示。步进电动机与电动机驱动芯片ULN2003A输出端相连接，其中步进电动机A+、B+、B-、A-引脚分别与ULN2003A的1C、2C、3C、4C引脚相连接。电动机驱动芯片ULN2003A的1B、2B、3B、4B引脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3引脚相连接。通过单片机P2.0~P2.3引脚输出的控制信号经电动机驱动芯片ULN2003A分别送入步进电动机的A+、B+、B-、A-引脚，最终实现控制步进电动机的目的。355356步进电动机的控制电路示例智能温湿度计设计任务33571.理解DHT11温湿度传感器的概念。2.了解DHT11温湿度传感器的使用方法。3.了解LCD1602液晶显示器的相关知识。4.能设计智能温湿度计电路。5.能编写和调试智能温湿度计程序。6.能完成智能温湿度计硬件组装和功能测试。7.能分析总结智能温湿度计设计流程，并阐述分享给其他同学。358随着科技的飞速发展，工厂车间要求在恒温恒湿的环境下生产产品。智能温湿度计因能实时测量工厂车间环境的温度和湿度，备受广大用户的青睐。本任务要求完成基于STC89C51单片机的智能温湿度计设计，能够通过LCD1602液晶显示器实时显示工厂车间环境的温度和湿度测量数据。本任务可通过单片机I/O接口外接温湿度传感器模块电路以及LCD1602液晶显示模块电路实现智能温湿度计的控制功能。为完成此任务，需要学习DHT11温湿度传感器和LCD1602液晶显示器的相关知识。359360一、DHT11温湿度传感器1. DHT11温湿度传感器的概念DHT11温湿度传感器是一款输出数字信号的温湿度传感器，如图所示，它通过使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。DHT11温湿度传感器该传感器包括一个电阻式感湿元器件和一个负温度系数（NTC）测温元器件，并能与一个高性能8位单片机相连接，具有响应快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT11温湿度传感器广泛应用于气象分析、智能家居、医疗、汽车等领域。3612. DHT11温湿度传感器的数据格式DHT11温湿度传感器的数据格式如图所示，一次完整的数据传输为40位二进制数据，高位先出，即分别输出8位湿度整数数据、8位湿度小数数据、8位温度整数数据、8位温度小数数据和8位校验和数据。如果一次完整的数据传输正确，则8位校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。362DHT11温湿度传感器的数据格式3. DHT11温湿度传感器的使用方法在实际工程应用中，可以通过单片机读取DHT11温湿度传感器数据，单片机与DHT11温湿度传感器的连接如图所示，其中DATA用于单片机与DHT11温湿度传感器之间的通信，该通信模式采用单总线模式，单片机与DHT11温湿度传感器之间完成一次通信的时间为4ms左右。363单片机与DHT11温湿度传感器的连接二、液晶显示器1. 液晶显示概述液晶显示器已作为很多智能电子产品的显示器件，在智能仪表、计算器、万用表、电子表等电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在智能电子产品的人机交互界面中，一般的输出方式有LED指示灯、数码管、液晶显示模块等。液晶显示的优点主要有显示质量高、使用数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等。3642. LCD1602液晶显示器LCD1602液晶又称LCD1602字符型液晶，它是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它由若干个5×7或5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，能够同时显示16×2即32个字符，常作为工业字符型液晶显示器使用。365（1）引脚功能LCD1602液晶显示器采用标准的16脚接口，常见的LCD1602液晶显示器引脚图如图所示。366LCD1602液晶显示器引脚图其引脚及功能说明见下表。367LCD1602液晶显示器引脚及功能说明（2）特性1）+5V电压，对比度可调。2）内含复位电路。3）提供各种控制指令。4）有80B显示数据随机存储器（DDRAM）。5）其内有160个5×7点阵字型的字符发生只读存储器（CGROM）。6）其内有8个可由用户自定义的5×7点阵字型的字符发生随机存储器（CGRAM）。368（3）接口电路LCD1602液晶显示器与STC89C51单片机的接口电路如图所示。369LCD1602液晶显示器与STC89C51单片机的接口电路（4）显示控制指令LCD1602液晶显示器通过D0～D7的8位数据端传输数据和指令，内部共有11条指令，见下表。370LCD1602液晶显示器显示控制指令表1）常用的显示控制指令①功能设置指令001DLNF××：设定数据总线位数、显示的行数及字型。②显示开/关控制指令00001DCB：控制显示开/关、光标显示/不显示以及光标闪烁/不闪烁。③输入模式设置指令000001I/DS：使光标移位或使整个显示屏移位。④清屏指令清屏指令是固定的，写入01H表示清屏，其中包括数据指针清0、所有的显示清0。3712）数据指针设置LCD1602液晶显示器内部自带80B的DDRAM，用于存储发送数据，DDRAM的结构如图所示。372LCD1602液晶显示器的DDRAM结构图3）LCD1602液晶显示器初始化指令小结38H：设置16×2显示，5×7点阵/每字符，8位数据总线。01H：清屏。0FH：开显示，显示光标，光标闪烁。08H：关显示。0EH：开显示，显示光标，光标不闪烁。0CH：开显示，不显示光标，光标不闪烁。06H：地址加1，当写入数据的时候光标右移。02H：此时地址为80H，光标回归原点，但是DDRAM中的内容不变，显示不清0。18H：光标和显示屏一起向左移动。3734）推荐的初始化过程LCD1602液晶显示器推荐的初始化过程为：延时15ms→