基于STC89C52的自动窗帘设计说明书图文精.docx
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基于STC89C52的自动窗帘设计说明书图文精
信息与控制工程学院硬件课程设计说明书
基于STC89C52单片机的自动窗帘的设计
学生学号:
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
职称:
起止日期:
2013.04.20~2013.05.10
信息与控制工程学院硬件课程设计说明书
课程设计任务书
一、设计题目:
基于STC89C52单片机的自动窗帘的设计
二、设计目的自动窗帘设计
1.掌握STC89C52单片机最小系统及其接口电路的设计;
2.熟练掌握单片机的编程方法;
3.掌握利用Kell进行软件仿真编程及程序下载的方法;
三、设计任务及要求
设计并实现窗帘自动控制系统。
该系统的基本功能有;
1.具有测量光强、温度及显示等功能;
2.具有设置光强、温度阀值以及超阀值报警功能;
3.具有自动拉开和闭合窗帘的功能。
四、设计时间及进度安排
设计时间共三周(2013.04.22~2013.05.10,具体安排如下表:
五、指导教师评语及学生成绩
I
基于STC89C52单片机的自动窗帘的设计
课程设计任务书.......................................................................................................................I目录....................................................................................................................................II第1章概述.(1
1.1智能窗户综述(1
1.2智能窗户研究现状(1
1.3系统总体结构与原理(2
第2章单片机介绍(3
2.1STC89C52介绍(3
2.2STC89C52时钟电路(4
2.3STC89C52复位(5
2.4STC89C52最小系统(6
第3章硬件电路设计(8
3.1直流稳压电源设计(8
3.2单片机与键盘接口电路设计(8
3.3单片机与液晶显示1602接口电路设计(9
3.4AD0832介绍(10
3.5光强检测电路设计(11
3.6电机控制电路设计(12
3.6.1电机驱动L293D介绍(12
3.6.2单片机控制电路设计(13
3.7温度检测电路设计(14
3.7.1DS18B20介绍(14
3.7.2与单片机接口电路设计(15
3.8报警电路设计(16
第4章软件设计(17
4.1Keil的使用(17
4.2程序的设计流程(20
4.2.1总流程图(20
4.2.2光强和温度模块流程图(20
结论(22
参考文献(23
附录(24
II
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第1章概述
1.1智能窗户综述
智能窗户一般是指安装了先进的防盗、防劫、防雨系统技术的门窗。
起初智能窗户在一些公共场所、高档商品房、商场中运用广泛,但随着科学技术的飞跃发展,生活水平的不断提高,人们对安全、舒适、健康的生活需求变得日益迫切。
而近年来,智能家居概念已经逐渐深入到国民的生活之中,且不断地影响着人们的思维。
因此,众多有能力的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统,并尝试智能化为家居生活带来的安全、舒适和便利。
智能窗户提供住户一个安全、方便的环境。
据统计,在未来的几年内,安装智能窗的用户将不断增加。
全自动智能窗户要求遇刮风或飘雨,窗户会自动关闭;窗户就自动打开;高高在上的天窗,也乖乖听从指挥开启闭合,免去攀高之累。
1.2智能窗户研究现状
由于我国房地产行业的迅速发展,也带动了我国门窗幕墙行业的迅速发展,一般来说,一个建筑物按面积推算,有10%是窗,15%是门,全国每年新建为20亿平方米,门窗的需求量为5亿多平方米。
如再考虑到原有城乡建筑的窗户改制,每年窗户的安装量至少达到10亿平方米。
以每平方米窗户50元计算,全国窗户消费需求空间为500亿元,并且还有不断扩大的趋势。
如图1-1所示。
图1-12006年~2009年我国窗户需求量
门窗是家庭智能化安全防范系统的一个重要组成部分,是一种智能化的控制系统,它由现代微型机、先进传感器(温度传感器、湿度传感器等、等一系列机械传动装置组成,是具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。
可以对窗户进行随心所欲的控制和安全措施,它具有时尚、方便、安全等特点,使人们的家居环境得到较大的改善。
1
基于STC89C52单片机的自动窗帘的设计
我们本次课程设计为智能窗户设计的一部分,窗帘自动控制系统的设计要求达到的目的如下:
1、具有测量光强、温度及显示等功能;
2、具有设置光强、温度阀值以及超阀值报警功能;
3、具有自动拉开和闭合窗帘的功能。
1.3系统总体结构与原理
系统分为检测部分和控制部分,如图1-2所示。
检测部分为键盘输入、光敏电阻检测、温度传感检测部分,单片机控制电路由STC89C52单片机、阀值报警电路、电机驱动电路、显示四部分组成。
图1-2基于STC89C52单片机的自动窗帘的总体框图
单片机通过对检测信号的实时采集,对光强采用光敏电阻检测,设置光强等级,当达到预设值时单片机驱动电机拉开或者闭合窗帘,并且设置阀值超阀值报警。
对温度采用DS18B20温度传感器检测,并将检测得的值显示在1602显示器上。
可通过检测按键进行手动操作,控制电机启动停止。
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第2章单片机介绍
2.1STC89C52介绍
STC89C52主要功能及PDIP封装。
STC89C52是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。
STC89C52主要功能如表2-1所示,其PDIP封装如图2-1所示。
表2-1STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz
2个串行中断可编程UART串行通道
2个外部中断源共6个中断源
2个读写中断口线3级加密位
低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能
T0/P3.4
T1/P3.5
WR/P3.6
RD/P3.7
图2-1STC89C52PDIP封装图
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STC89C52引脚介绍
1.主电源引脚(2根
VCC(Pin40:
电源输入,接+5V电源
GND(Pin20:
接地线
2.外接晶振引脚(2根
XTAL1(Pin19:
片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20:
片内振荡电路的输出端
3.控制引脚(4根
RST/VPP(Pin9:
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30:
地址锁存允许信号
PSEN(Pin29:
外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31:
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
4.可编程输入/输出引脚(32根
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚,共32根。
P0口(Pin39~Pin32:
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7
P1口(Pin1~Pin8:
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7
P2口(Pin21~Pin28:
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7
P3口(Pin10~Pin17:
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7
2.2STC89C52时钟电路
STC89C52单片机中各组成部分的运行以时钟信号为基准,按节拍一拍一拍地进行。
时钟电路的作用在于产生系统工作的所需的基准时钟信号,并确保其所产生的时钟信号的稳定性和准确性,STC89C52单片机的时钟电路主要有两种形式,即内部时钟方式和外部时钟方式。
1.内部时钟方式
STC89C52单片机内部有一个用于搭建振荡器的高增益反相放大器,其输入端为XTAL1,输出端为XTAL2。
通过在XTAL1和XTAL2之间跨接石英振荡器及两个电容器即可构成一个稳定的自激振荡器,接入这两个电容器的目的在于稳定振荡器的振荡频率及对振荡器的频率进行一定的程度的微调,通常这两个电容器去在20pF左右,且最好温度稳定性好的电容器。
2.外部时钟方式
此时STC89C52单片机的各部分是在外部时钟信号的协调下进行工作的。
这种外部时钟的方式,通常是在许多块CPU同时进行工作时采用,这样可以使各CPU协调地同步工作。
在这种方式下,外部时钟信号通过XTAL2端输入到内部时钟发生器上。
加入的脉冲一般低于12MHz的方波信号。
需要注意的是,XTAL2的逻辑电平与TTL电平不兼容,需要加一个典型值为4.7-10kΩ电阻。
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本次设计应用外部时钟方式如图2-2所示。
图2-2STC89C52时钟电路
2.3STC89C52复位
STC89C52单片机的复位方式主要有上电复位和手动按键复位。
手动按键复位手动按键复位电路通常有两种方式,即电平方式和脉冲方式,本次设计采用电平复位方式如图2-3所示。
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图2-3STC89C52复位电路
2.4STC89C52最小系统
最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。
STC89C52最小应用系统电路如图2-4所示。
它包含五个电路部分:
电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。
其中电源电路、时钟电路、复位电路是保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路,缺一不可。
1、电源电路芯片引脚VCC一般接上直流稳压电源+5V,引脚GND接电源+5V的负极,电源电压范围在4-5.5之间,可保证单片机系统能正常工作。
为提高电路的抗干扰性能,通常在引角Vcc与GND之间接上一个10uF的电解电容和一个0.1uF陶片电容,这样可抑制杂波串扰,从而有效确保电路稳定性。
2、时钟电路单片机引脚18和引脚19外接晶振及电容,STC89C52芯片的工作频率可在2~33MHz范围之间选,单片机工作频率取决于晶振XT的频率,通常选用11.0592MHz晶振。
两个小电容通常取值3pF,以保证振荡器电路的稳定性及快速性。
3、复位电路一般若在引脚RST上保持24个工作主频周期的高电平,单片机就可以完成复位,但为了保证系统可靠地复位,复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。
如图复位电路带有上电自动复位功能,当电路上电时,由于C1电容两端电压值不能突变,电源+5V会通过电容向RST提供充电电流,因此在RST引脚上产生一高电平,使单片机进入复位状态。
随着电容C1充电,它两端电压上升使得RST电位下降,最终使单片机退出复位状态。
正常运行时,可按复位按钮对单片机复位。
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图2-4STC89C52最小系统
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第3章硬件电路设计
3.1直流稳压电源设计
220V交流电经降压变压器降压后输出到整流桥变成单向脉动电压,经滤波电容滤波后变为直流电压。
该直流电压值随电网电压波动,不能直接供给电子电路使用。
7805是专用三端稳压器件,输入滤波后的电压(约为9V输出稳定的5V电压供单片机使用。
51单片机电源电压范围是2.7-5.5V,因此将5V电压经二极管降压0.7V后,供单片机系统使用。
经长期实验验证,单片机系统可长期安全可靠运行,其优点是与5V供电的TTL或CMOS电路接口,不必再加电平转换电路。
同样的7809也是专用的三端稳压器件,得到稳定度9V电压为电机供电。
电源如图3-1所示。
图3-1直流稳压源电路
3.2单片机与键盘接口电路设计
在图3-2中按键没有按下时,按键所接单片机引脚被上拉电阻拉高,单片机P2端口高四位读入该位数据是“1”;有按键按下时,按键所接单片机引脚直接接于地,单片机读入该位数据是“0”。
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图3-2单片机与键盘电路
3.3单片机与液晶显示1602接口电路设计
液晶显示器(LCD具有工作电压低、微功耗、显示信息量大和接口方便等优点,现在已被广泛应用于计算机和数字式仪表等领域,成为测量结果显示和人机对话的重要工具。
液晶显示器按其功能可分为三类:
笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。
前两种可显示数字、字符和符号等,而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形,达到图文并茂的效果,其应用越来越广泛。
LCD显示器在使用之前须根据具体配置情况初始化,初始化可在复位后完成,LCD1602初始化过程一般如下:
1、清屏。
清除屏幕,将显示缓冲区DDRAM的内容全部写入空格(ASCII20H。
光标复位,回到显示器的左上角。
地址计数器AC清零。
2、功能设置。
设置数据位数,根据LCD1602与处理器的连接选择(LCD1602与51单片机连接时一般选择8位,设置显示行数(LCD1602为双行显示。
设置字形大小(LCD1602为5×7点阵。
3、开/关显示设置。
控制光标显示、字符是否闪烁等。
4、输入方式设置。
设定光标的移动方向以及后面的内容是否移动。
初始化后就可用LCD进行显示,显示时应根据显示的位置先定位,即设置当前显示缓冲区DDRAM的地址,再向当前显示缓冲区写入要显示的内容,如果连续显示,则可连续写入显示的内容。
由于LCD是外部设备,处理速度比CPU的速度慢,向LCD写入命令到完成功能须要一定的时间,在这个过程中,LCD处于忙状态,不能向LCD写入新的内容。
LCD是否处于忙状态可通过读忙标志命令来了解。
另
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外,由于LCD执行命令的时间基本固定,而且比较短,因此也可以通过延时等待命令完成后再写入下一个命令。
图3-3是LCD1602与STC89C52单片机的接口图,图中LCD1602的数据线与STC89C52的P2口和P0口相连,RS与STC89C52的P2.0相连,R/W与STC89C52的P2.1相连,E端与STC89C52的P2.2相连。
图3-3LCD1602与STC89C52单片机的接口电路
3.4AD0832介绍
ADC0832有8只引脚(如图3-4所示,CH0和CH1为模拟输入端,CS为片选引脚,只有CS置低才能对ADC0832进行配置和启动转换。
CLK为ADC0832的时钟输入端。
CS在整个转换过程中都必须为低,当CS为低时,在数据输入端DI(数据输入端加一个高电平,接着在CLK上加一个时钟,DI上的逻辑1就会使ADC0832的DI脱离高阻态,然后通道配置数据拌随着时钟通过DI端移入多路器,当最后一位数据移入多路器时,DI变为高阻态,在这以前DO都为高阻态。
在经过一个时钟,DO脱离高阻态并启动转换。
接着从处理器接收时钟信号,每经过一个时钟,转换后的数据就会从高位到低位逐次从DO移出,经过8个时钟后,数据又以从低位到高位的形式从DO移出。
当最后一位数据移出时转换完成。
当CS从低变为高时,ADC0832内部所有寄存器清零。
如想要进行下一次转CS必须做一个从高到低的跳变,后跟着地此配置数据重复上面的过程。
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图3-4AD0832
3.5光强检测电路设计
光敏电阻又称光导管,常用的制作材料为硫化镉,另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性。
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作漂秱运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻,为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。
在有光照射时入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。
当光线比较暗的时候,光敏电阻感应由A/D转换(AD0832输入单片机并启动电机打开窗帘。
当光线比较亮时单片机又控制电机关闭窗帘,而且通过程序可根据光线强度分档。
电路如图3-5所示。
图3-5光强检测电路
3.6电机控制电路设计
3.6.1电机驱动L293D介绍
L293D是集成电路芯片,片内含有双H桥驱动器,引脚图如图3-6所示。
输入小电流控制信号,输出高电压、大电流驱动信号。
用逻辑电平控制、驱动感性负载(比如继电器,直流电机和步进电机等。
通过改变芯片控制端的输入电平,即可以对电机进行正反转操作。
芯片具有1.2A峰值输出电流通道,使用简易便。
其额定工作电流为1A,最大可达1.5A,Vss电压最小4.5V,最大可达36V;Vs电压最大值也是36V。
L293D是16引脚塑料封装,中间的4个引脚是短路的(为了散热,L293D的Vss和Vs电源端可分别接入芯片电源和电机驱动电源。
图3-6L293D引脚图
L293D功能示意图如图3-7所示(对应20引脚芯片。
图3-7L293D功能示意图
L293D使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系如表3-1所示。
表3-1引脚和输出引脚的逻辑关系
ENA(BIN1(IN3IN2(IN4
电机运行情
况
HHL正转
HLH反转
H同IN2(IN4同IN1(IN3快速停止
LXX停止
H-桥电路的输入量可以用来设置电机转动方向,使能信号可以用于脉宽调整(PWM,实现电机转速控制。
L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上,这就意味着用1片芯片可以同时控制2个直流电机。
每1个直流电机需要3个控制信号EN1、IN1、IN2,其中EN1是使能信号,IN1、IN2为电机转动方向控制信号,IN1、IN2分别为1,0时,电机正转,反之,电机反转。
选用一路PWM连接EN1引脚,通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。
3.6.2单片机控制电路设计
驱动电路如图3-8所示,单片机PIO端口线P1.0、P1.1驱动。
当P1.0为高电平、P1.1位低电平时,L293D的IN4为高、IN3为低电平,OUT4为高、OUT3位低电平,电机正转;反之,当P1.0位低、P1.1为高电机反转;当P1.0、P1.1电平同时为高或低时,电机停转,实现了电机转向控制。
E2是OUT4、OUT3的使能端,高电平有效。
当在E2端加PWM信号时,可实现调速。
高速转动对应的PWM信号占空比为1;次高速占空比为0.75;中速转动占空比为0.5;低速转动占空比为0.25。
图3-8直流电机驱动电路
3.7温度检测电路设计
3.7.1DS18B20介绍
温度传感器的种类众多,在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS(达拉斯公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。
超小的体积,超低的硬件开消,抗干扰能力强,精度高,附加功能强,使得DS18B20更受欢迎。
对于我们普通的电子爱好者来说,DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。
DS18B20的主要特征:
全数字温度转换及输出。
先进的单总线数据通信。
最高12位分辨率,精度可达土0.5摄氏度。
12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
可选择寄生工作方式。
检测温度范围为–55°C~+125°C(–67°F~+257°F
内置EEPROM,限温报警功能。
64位光刻ROM,内置产品序列号,方便多机挂接。
多样封装形式,适应不同硬件系统。
DS18B20芯片封装结构如图3-9所示:
图3-9DS18B20
DS18B20引脚功能:
·GND电压地·DQ单数据总线·VDD电源电压
DS18B20工作原理及应用:
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上,从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分,即温度检测和数据处理。
在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。
18B20共有三种形态的存储器资源,它们分别是:
ROM只读存储器:
用于存放DS18B20ID编码,其前8位是单线系列编码(DS18B20的编码是19H,后面48位是芯片唯一的序列号,最后8位是以上56的位的CRC码(冗余校验。
数据在出产时设置不由用户更改。
DS18B20共64位ROM。
RAM数据暂存器:
用于内部计算和数据存取,数据在掉电后丢失,DS18B20共9个字节RAM,每个字节为8位。
第1、2个字节是温度转换后的数据值信息,第3、4个字节是用户EEPROM(常用于温度报警值储存的镜像。
在上电复位时其值将被刷新。
第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。
第6、7、8个字节为计数寄存器,是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的,同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
第9个字节为前8个字节的CRC码。
EEPROM非易失性记忆体,用于存放长期需要保存的数据,上下限温度报警值和校验数据,DS18B20共3位EEPROM,并在RAM都存在镜像,以方便用户操作。
3.7.2与单片机接口电路设计
只要求一个I/O口即可实现通信,本设计选用单片机端口P1.7。
如图3-10所示。
图3-10温度测量电路
3.8报警电路设计
报警电路如图3-11所示,当光强超阀值P2.3和P1.3发出“1”,二极管发亮,蜂鸣器报警。
图3-11报警电路
第4章软件设计
4.1Keil的使用
一、先建立一个空文件夹,把工程文件放到里面,以避免和其他文件混合;
二、点击桌面上的KeiluVision4图标;
三、点击“project---NewuVisionProject”新建一个工程,如图4-1所示;
图4-1新建一个工程
四、在对话框,选择放在刚才建立的“Mytest”文件夹下,给这个工程取个名后保存,不需要填后缀(如图4-2所示,注意默认的工程后缀与uVision3及uVision2版本不同了,为uvporj:
图4-2保存工程
五、弹出一个框,在CPU类型下我们找到并选中“Atmel”下的AT89S52(如图4-3所示:
图4-3选择芯片
六、以上工程创建完毕,接下来开始建立一个源程序文本(如图4-4所示:
图4-4建立源程序文本
七、在下面空白区别写入或复制一个完整的C程序:
八、输入源程序文件名名称,在这里笔者示例输入“test”。
注意:
如果您想用汇编语言,要带后缀名一定是“test.asm”,如果是C语言,则是“test.c”,然后保存:
九、接下来需要把刚创建的源程序文件加入到工程项目文件中,点“ADD”按钮后,直接点击“Close”关闭就行了,此时大家可以看到程序文本字体颜色已发生了变化(如图4-5所示:
图4-5添加源程序
十、最后还要有设置一下,按图4-6所示设置晶振,建议初学者修改成12M,
因12MHZ方便计算指令时间:
图4-6设置晶振
十一、在Output栏选中CreateHEXFile,使编译器输出单片机需要的HEX文件(如图4-7所示:
图4-7设置Output选项
十二、工程项目创建和设置全部完成!
点击保持并编译(如图4-8所示。
图4-8保持并编译
4.2程序的设计流程4.2.1总流程图
总体流程图如图4-9所示。
图4-9总流程图
4.2.2光强和温度模块流程图
光
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