智能视力保护仪.docx
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智能视力保护仪
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:
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
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,,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,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
AT89S51单片………………………………………………………………………………2
、HP-208-N-L功能特点……….........................................................................3
第一章系统控制模块的硬件设计
是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)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ISPFlash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。
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。
。
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。
、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:
表AT89S51主要特征
AT89S51引脚
外围器件引脚
说明
P0.0-P0.7
ULN2803
数码管段码驱动接口
P2.0-P2.7
PNP-9012基极
数码管段码驱动接口
P1.0
X5045SI
X5045串行输入端
P1.1
X5045SCK
X5045串行时钟端
P1.2
X5045CS
X5045片选端
P1.3
X504550
X5045串行输出端
P1.4
工作状态指示灯
P1.5
DS1302CLK
DS1302时钟线
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
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―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≤1KΩ,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≥100K,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。
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;
输出高电平信号:
可方便与各类电路实现对接;
技术参数:
工作电压:
至DC24V均可;
输出低电平:
0V,待机时的高电平为;
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—。
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1-6DS1302的引脚图
各引脚的功能为:
Vcc1:
主电源;Vcc2:
备份电源。
当Vcc2>Vcc1+时,由Vcc2向DS1302供电,当Vcc2 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与单片机接口电路连接如图1-7,其中Vcc2外接可充电的锂电池,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接单片机引脚,进行时钟控制。 。 图1-7时钟电路 1.2.6继电器驱动电路 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、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、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 本系统采用的超时报警电路如图1-9所示。 单片机的端口外加一个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,,,,用二极管和与门电路将按键信号引到外中断0的引脚。 按键控制电路采用单片机P2口的低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,—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,与门输出引脚的电平都会由高为低。 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,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(BlockLockM)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CMOS4Kb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1-11X5045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。 如表状态寄存器所示,X5045状态寄存器共有6位。 其中和看门狗电路有关,其余位和EEPROM的工作设置有关。 表状态寄存器 WD1=0,WD0=0,预置时间为, WD1=0,WD0=1,预置时间为, WD1=1,WD0=0,预置时间为, 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。 该芯片还带有一个秒的看门狗定时器可用来监控单片机的工作。 如果在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 时钟程序设计 驱动程序 (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 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.电源供电电路中集成稳压器温度过高。 分析解决: 稳压器温度过高的原因之一是: 变压器整流滤波后加到集成稳压器上的电压较高,使7805上的压降过大。 此问题可通过选用输出电压低些的变压器,并在集成稳压器前串入两只二极管降压,同时增大散热片来解决。 第四章总结和心得 总结 该视力保护仪控制是以AT89S51单片机芯片为核心,通过相关电路的驱动,完成对系统设备(电灯)的控制,采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态,实现了对课桌上灯光的自动开灯、关灯控制。 系统控制单元的硬件电路中多采用集成电路(ULN2803,DS1302,X5045等),简化了电路设计,同时节省了单片机I/O口资源,为系统进一步扩展留下了空间。 系统的硬件及软件设计,经实验初步证实了系统具有很好的稳定性,提高了电能的利用率。 心得 俗话说“好的开始是成功的一半”。 说起课程设计,我认为最重要的就是做好设计的预习,认真的研究老师给的题目,选一个自己有兴趣的题目。 其次,老师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想,因为只有都明白了,做起设计就会事半功倍,如果没弄明白,就迷迷糊糊的去选题目做设计,到头来一点收获也没有。 最后,要重视程序的模块化,修改的方便,也要注重程序的调试,掌握其方法。 单片机控制系统_课程设计成绩评定表 序号 评价指标 满分值 得分 1 任务书及设计要求全面、准确 10 2 方案的选择及其论证充分、合理 20 3 各功能模块的电路仿真,功能的实现,任务量大 40 4 作品的扩展功能与创新 10 5 报告结构合理、规范,条理清晰 10 6 课程设计过程中的学习态度认真、出勤率高 10 总评 指导教师年月日
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