测控系统原理与设计课程设计任务书1.docx
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测控系统原理与设计课程设计任务书1
《测控系统原理与设计》课程设计
课题:
时钟计时器的设计
班级测控11111班学号1111203115
学生姓名金梦磊
专业测控技术与仪器
系别电子与电气工程学院
指导教师杨银贤李华
淮阴工学院
电子与电气工程学院
2014年6月
1.课题介绍
设计指标
时钟计时器要求用单片机和6位LED数码管显示时、分、秒,以24小时计时方式进行,能整点提醒,使用按键开关可实现时、分调整,秒表/时钟功能转换,省电及定时设定提醒功能。
功能
该设计具有一般数字时钟拥有的功能,24小时的时钟显示,年月日的显示,温度的测量及显示,闹钟功能等,属于一款基于单片机的多功能数字时钟。
创新点
该数字时钟属于一款多功能家用数字时钟,可以满足大部分的家庭生活使用,在我的设计下,数字时钟被寄予不一样的功能。
首先,数字时钟是基于单片机,具有低功耗、稳定性高等特点。
时钟自带DS18B20温度传感器,可以实时监测室内温度并在lcd显示屏上。
时钟内存有10首常用的歌,可以通过按键或遥控器选择播放。
该时钟可以通过遥控器进行红外线遥控。
通过遥控器还可以进行对家用电器开关的控制。
设想在遥控器上也采用单片机,并在遥控内集成超声波测距,实现一些精度不需要太高的距离测量。
如果再发散点,我希望我的作品可以红外测体温,火灾报警,煤气泄漏检测,漏电报警等…
2.摘要
本次课程设计主要涉及测控电路以及系统的应用,减少干扰,抗干扰是我们设计中的重点。
如何滤波、检波、输入输出阻抗的设计,是电流、电压还是功率匹配?
复位电路的RC的作用及接入的大小等…
设计采用集成度很高的单片机,很方便设计和开发,并且很多的仿真软件可以对单片机进行仿真,就可以做到在电脑上进行软件仿真和硬件模拟仿真,提高开发效率和成功率。
设计中集成了温度传感器,距离传感器,红外遥控器,lcd液晶显示器等元器件,以支持其强大的硬件功能。
配合测控系统和测控电路的应用,提高系统的稳定性以及测量的精度,减少误差以及环境的影响。
1硬件设计及描述
1.1总体描述
1.2键盘
1.3LCD显示屏
1.4温度传感器、音乐播放器
1.5红外遥控电路
1.6超声波测距
1.7控制家电的开关
1.8原理图汇总
2软件设计及描述
2.1数字时钟系统的设计
2.2红外遥控的软件设计
2.3音乐播放软件设计
2.4温度测量软件设计
2.5超声波测速,控制家电开关
3.总结
1硬件设计及描述
1.1总体描述
该设计实现的是数字时钟,具有遥控功能,温度测量,闹钟,播放歌曲,超声波测距。
所以需要很多的硬件支持,对于硬件的选择也是需要认真的考虑。
输入的要求,输出信号的形式、大小、适不适合作为下一个输入,小了就需要放大,有干扰就要进行滤波。
1.2键盘
总共加入了16个按键,包括10首歌曲的选择键,1个模式选择键,两个加减功能键,1个温度小时键,一个音乐播放/停止键,一个超声波测距功能键。
图1-1矩阵式键盘
键盘采用矩阵式设计,节省接口,并且方便编程扫描设计。
单片机只需要扫描P1口的状态就可以知道对应的键值。
1.3LCD显示屏
我设计的数字时钟需要更多的功能,也就需要更多的显示,LED数码管已经不能满足要求。
因此我选用LCD12864,可以实现汉字和数字的显示,也更多的被我们所使用。
如图1-2所示为LCD12864的仿真图形,原理图因为时间原因不自己做封装,只能用其他的代替原理图如图1-3所示。
图1-2LCD12864模拟图
图1-3LCD12864原理图
1.4温度传感器、音乐播放器
因为该时钟的温度测量功能,所以必须采用温度传感器,我选用廉价而且常用的DS18B20来进行温度信号的采集,其输出的16位2进制数更是方便了单片机的信号处理。
其原理图如1-4所示。
图1-4温度传感器原理图
对于音乐播放,设计处于初始阶段,对于硬件的要求不是很高,至于功能的实现,一般的蜂鸣器即可满足使用要求,设计的后期可以考虑使用专业的语音芯片,这样可以有更好的音乐体验。
其原理图如1-5所示
图1-5蜂鸣器原理图
1.5红外遥控电路
既然可以通过遥控器进行遥控,那么就得需要红外发射和接收电路。
同样对两个单片机也要有要求,遥控器要编码,数字时钟需要解码,这样才能实现控制。
对于这部分的难点在于是采用中断方式还是扫描方式。
其发射和接收电路如图1-6和1-7所示
图1-6红外线发射电路
图1-7红外线接收电路
1.6超声波测距
为了方便使用,让遥控器不在功能单一,不在被零落。
我设计在遥控器中加入超声波测距,这样测身高不在需要尺子了,一个遥控器就可以解决了。
只需在遥控器上集成超声波发射和接收电路,就可以实现精确到CM的距离测量,方便生活。
时间仓促没有原理图。
1.7控制家电的开关
因为家中的电器比较多,为了能使用少的端口控制多的开关,我决定使用74LS138和继电器的组合。
这样就可以安全并且方便的控制家中的电器了。
原理图如1-8所示
图1-8单片机控制继电器
1.8原理图汇总
时间比较少完成的比较少,下面是所有的原理图:
图1-9原理图1
图1-10原理图2
图1-11原理图3
2软件设计及描述
2.1数字时钟系统的设计
(1)总体描述
1.单片机采用AT89C51型;
2.时间显示电路:
采用LCD12864液晶显示,P0口驱动显示数字,P2口作为扫描信号;
3.时间设置电路,矩阵键盘的1,2,3键实现调模式,时间加和时间减;
4.闹钟:
P3.7口接扬声器。
(2)系统总体框图
图2-1数字显示系统框图
(3)软件设计流程图
图2-2数字时钟软件设计流程图
(4)函数模块及功能
1.voiddisplay_lcd()
学号的滚动显示函数;
2.voiddisplay()
显示时间以及显示调节时间和闹钟时间的闪烁;
3.voidkey_prc()
键盘功能函数,实现需要的3个按键有关的模式转换以及数字加一减一;
4.voidinit()
初始化设置中断;
5.voidtime1()interrupt3
定时器1中断函数,实现计时功能。
2.2红外遥控的软件设计
此部分的控制软件主要分为单片机初始化程序、定时服务程序、红外发射编码和红外接收解码程序等模块。
(1)定时/计数器应用
AT89C51单片机内部设有两个16位可编程的定时/计数器,简称定时器0和定时器1,分别用T0和T1表示。
其功能同一般定时计数器,主要作用是:
第一,作为一段特定时间长短的定时;第二,可以计算由T1或T0引脚输入的脉冲数,前者在应用上可以产生正确的时间延迟及定时去执行中断服务程序,而后者则是计数器或者计频器的设计。
(2)遥控码的发射
当某个操作按键按下时,单片机先读出键值,然后根据键值设定遥控码的脉冲个数,再调制成40kHz方波由红外线发光管发射出去[13]。
通常,红外遥控是将遥控信号(二进制脉冲码)调制在40KHz的载波上,经缓冲放大后送至红外发光二极管,转化为红外信号发射出去的。
为了提高抗干扰性能和降低电源消耗,将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHz(周期为26us)的载波信号进行脉幅调制(PAM),再经缓冲放大后送到红外发光管,将遥控信号发射出去。
红外信号发射过程:
首先装入发射脉冲个数(发射时为3ms脉冲,停发时为1ms脉冲),此时若发射脉冲个数为1则返回主程序,若不为1则发1ms脉冲,然后停发1ms脉冲,这样便结束整个发射过程.
图2-3遥控发射器遥控码发射程序流程图
(3)红外接收
遥控接收部分的主程序及初始化及延时过程如下:
首先初始化,然后判断是否有键按下,若有则数码管显示数据,并发送相应信号,;若无键按下,则返回
当红外线接收器输出脉冲帧数据时,第一位码的低电平将启动中断程序,实时接收数据帧。
在数据帧接收时,将对第一位(起始位)码的码宽进行验证。
若第一位低电平码的脉宽小于2ms,将作为错误码处理。
当间隔位的高电平脉宽大于3ms时,结束接收,然后根据累加器A中的脉冲个数,执行相应输出口的操作
图2-4遥控接收器中断程序流程图
(4)按键抖动
键盘一般是由一组机械按键按照一定的规律组合而成,通过按键的通、断作用输入开关电压信号。
按键由断开到闭会及由闭合到断开时,由于机械触点的弹性作用,按键的动作不是立刻完成的,在闭合及打开的瞬间有机械抖动的发生,抖动时间一般为5—10ms,表现在输入电压信号上为输入信号是抖动的不稳定的电平信号。
硬件消抖电路解决了键抖动问题,但当所需按键比较多时,硬件消抖电路将
变得复杂,成本也比较高。
而这时就可以采用软件消抖的方法。
软件消抖的基本原理是当第一次检测到有键按下时,根据键抖动时间的统计规律先采用软件延时的方法延时一段时间(一般可取10ms—20ms),然后再确认键是否仍保持闭合状态,如仍保持闭合状态则键真正被按下,此时可读取键值,否则可视为干扰,对其不予理睬。
采用软件消抖方法可省去硬件消抖电路,可键盘的工作速度将被降低。
在此设计中使用了软件消抖,采用软件延时的方法延时一段时间再确认键是否仍保持闭合状态。
2.3音乐播放软件设计
音乐播放是提前在单片机里储存好10首歌,当键盘被按下后,根据键值去播放对应的歌曲,10个键对应10个不同的歌曲因为单片机的IO口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音,所以我们通过三极管放大驱动电流,从而可以让蜂鸣器发出声音,你要是输出高电平,三极管导通,集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音,当输出低电平时,三极管截止,没有电流流过蜂鸣器,所以就不会发出声音。
LCD12864可以按要求显示歌曲的名称和歌词,提高用户的体验。
2.4温度测量软件设计
系统程序主要包括主程序,读出温度子程序,温度转换命令子程序,计算温度子程序,显示数据刷新子程序,按键扫描处理子程序等。
(1)读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节,在读出时需进行CRC校验,校验有错时不进行温度数据的改写。
其程序流程图如图2-5示
(2)温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令,当采用12位分辨率时转换时间约为750ms,在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。
温度转换命令子程序流程图如上图,图2-6所示
图2-5读温度流程图
图2-6温度转换流程图
(3)计算温度子程序
计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算,并进行温度值正负的判定,其程序流程图如图2-7所示。
(4)显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序主要是对分离后的温度显示数据进行刷新操作,当标志位位为1时将符号显示位移入第一位。
程序流程图如图2-8。
图2-7 计算温度流程图
图2-8 显示数据刷新流程图
2.5超声波测速,控制家电开关
因为该部分没有做出来,所以不做阐述。
3.总结
本次设计算是圆满完成,虽然因为时间比较紧,部分功能停留在设想阶段,但是设计的创新点和功能已经足够完成任务。
一周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识,也培养了我如何去把握一件事情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。
在设计过程中,与同学分工设计,和同学们相互探讨,相互学习,相互监督。
学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽容,学会了理解,也学会了做人与处世。
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