基于单片机控制的多功能广告牌的设计与实现电子信息.docx
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基于单片机控制的多功能广告牌的设计与实现电子信息
毕业设计(论文)
题目基于单片机控制的多功能广告牌的设计
与实现
学生毕业设计(论文)
本人以信誉声明:
所呈交的毕业设计(论文)是在导师的指导下进行的设计(研究)工作及取得的成果,设计(论文)中引用他(她)人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。
与我一同工作的同志对本设计(研究)所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计(论文)作者(签字):
年月日
摘要
时代科技在发展,宣传方式在革新,古时的广告纯粹只是靠口碑,而现在的时代竞争太多,就算口碑好就难以让人知晓,直到1843年,美国费城出现了由VolneyPalmer创办的世界上第一家广告代理公司,发展至今广告牌早已屡见不鲜。
在广场我们可以看到巨型荧幕LCD广告牌,这种与传统广告结合的宣传方式广泛运用在码头,火车站,医院大厅,银行股市,各大百货商场甚至大街小巷等公共场所,来显示当前信息或是广告宣传。
本文提出一种基于单片机控制LCD阵显示屏实现的多功能广告牌设计方案。
该广告牌具备温湿度显示功能和环境监测功能同时能够接收PC机命令并滚动显示相应文字。
此系统结构简单,操作方便。
本方案利用STC89C51单片机为主控芯片,本系统内LCD12864显示屏分辨率为128*64,可同时显示4个汉字;按键模块采用分时复用,实现显示模式的选择和时间的调整;通讯模块采用HC-06蓝牙串口通讯,实现上位机与下位机的数据传输。
关键字:
多功能广告牌LCD12864温湿度蓝牙STC89C51
ABSTRACT
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofsingle-chipmicrocomputersisgraduallymovingtowardthecommercialpublic,andatthesametime,thetraditionalcontrolandLCDdisplaytechnologyarebeingupdated.Inthesquare,wecanseethegiantscreenLCDbillboards.Thiskindofpublicitymethodcombinedwithtraditionaladvertisementsiswidelyusedinpublicplacessuchasdocks,railwaystations,hospitalhalls,bankstockmarkets,majordepartmentstoresandevenstreetsandalleys.Currentinformationoradvertising.Thispaperproposesamulti-functionalbillboarddesignschemebasedonsingle-chipmicrocomputercontrolledLCDarraydisplay.Thebillboardhasatemperatureandhumiditydisplayfunctionandanenvironmentalmonitoringfunction,andcanreceivePCcommandsandscrollthecorrespondingtext.Thesystemissimpleinstructureandconvenienttooperate.
TheschemeUSESSTC89C51singlechipmicrocomputerasthemaincontrolchip.TheLCD12864displayinthesystemhasaresolutionof128*64andcandisplay4Chinesecharactersatthesametime.Thekeymoduleadoptstimedivisionmultiplexingtorealizetheselectionofdisplaymodeandtimeadjustment.ThecommunicationmoduleUSEShc-06bluetoothserialcommunicationtorealizethedatatransmissionbetweenuppercomputerandlowercomputer.
Keywords:
Multi-functionbillboard;LCD12864;Bluetooth;STC89C51
1绪论
1.1研究目的和意义
近几年广告牌的发展越来越迅速,从纸制的布画形式到数字式广告。
伴随着电子产品的发展进步,广告牌从样式和功能上都得到全方位的改善。
广告牌已由传统的手绘图纸的形式向数字式转变,数字广告牌已逐渐成为街景,甚至超越传统广告牌成为城市风景[1],而今不论国内外,也不论广告牌是大是小,在设计上越来越讲求它的自动化和美观性。
这些广告牌不仅简单方便,而且具备不同的其他的功能。
单片机以其体积小,功能强大,造价低,可靠性高和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中必不可缺乏的广泛应用的元器件,作为一个飞速发展的新兴产业,市场空间巨大,发展前景广阔,并已广泛应用于各种场合,进行信息需要宣传的公众场所。
用单片机控制的晶液显示器作为输出器件不仅方便简单易于更改,还具有很多优点:
画质高,不会闪烁,一直维持亮度和颜色。
然而阴极射线管显示器要保持发亮必须不停刷新亮点。
单片机系统的汇编语言为C语言,编写简单,操作方便。
而且液晶显示器都是数字式的,和单片机系统非常契合。
总而言之,液晶显示器和传统显示器相比屏幕更大,画质更清晰,驱动IC和内部电极功耗低,这也达到了省电的目的。
1.2国内外相关发展情况
伴随着新科技的不断喷涌,广告牌的模式和设计也今非昔比,广告牌已由传统的手绘图纸的形式向数字式转变,数字广告牌已逐渐成为街景,甚至超越传统广告牌成为独特的城市风景。
而现在,不论是国内还是国外,是大型广告牌还是小型广告牌,在设计上越来越追求它的自动化和美观性。
大型广告牌的运用有非常大局限性,它的体积太大,空间资源有限所以小型广告牌更适合渗入到市民的生活中,不仅功能多样,炫彩夺目还经济实惠。
适合于多种场合而越来越受到厂商们的青睐。
我国的广告牌产业发展已经形成一定规模,随着科技进步广告行业在追求简单明了的同时也在研发和革新宣传方式,于是广告牌产业的崛起造就了一批具有相当规模的骨干企业。
根据调查发现,至2008年底,有15家以上的广告企业的年利润在1亿元以上,占行业市场总额的68%以上,总共销售总额高达50亿元!
全国从事数字广告牌的各种企业多达150多家。
这些企业在的产品在国际上都得到了认可,又在近年推出许多先进技术,例如:
多级群控技术,集群无线技术,256级灰度视频控制技术等。
我国在改革开放后各项行业蒸蒸日上,喷涌似的行业发展促进了科技的进步,这也让我们国家在国际上立足!
针对广告牌控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用[2]。
1.3系统设计目标
本设计是多功能广告牌,跟随时代火热的单片机来控制,该广告牌的功能除了实现滚动显示广告外,还具有显示时间,检测温度,检测空气质量,设置时间,设置显示广告内容,蓝牙连接通信的功能。
硬件电路设计和软件程序设计均以模块化方式设计,保证它们的通用性,易读性和易于扩展性。
在设计的过程中最重要的是资源的合理利用,干扰的处理,程序的嵌套顺序及程序的冗杂处理。
本设计通过对硬件选型的分析,进行模块化设计和调试,最终实现整个系统的功能,并进行优化。
1.4本论文篇章结构
论文一共六个章节,每个章节总结如下:
第一章绪论——简单的介绍了广告牌的发展和常见应用,然后统计广告行业这几年的盈利发现前途一片光明,又分析了最新的广告技术同时预测国内外广告牌行业的发展前景,最后介绍本设计要实现的功能目标。
第二章描述了多功能广告牌的硬件设计,包括电源模块、传感器模块、显示模块、时钟模块、按键及串口通讯的硬件设计。
第三章介绍了多功能广告牌的软件设计,系统主程序流程,针对各硬件模块采用模块化编程的方法设计了相应的子程序。
包括电源子程序、时钟模块子程序、按键模块子程序、显示模块子程序、传感器子程序和蓝牙串口通讯模块六个模块。
第五章介绍了该系统的软硬件联调。
第六章概述了本文的研究内容的实现情况,并提出了未来的展望。
2多功能广告牌的硬件设计
2.1硬件系统方案设计
多功能广告牌的核心系统是单片机STC89C51,来控制LCD显示屏,使得广告牌具有多样数据显示功能,同时能后接收移动设备命令并滚动显示相应文字[3]。
本系统的主控芯片为STC89C51,LCD显示屏为12864其分辨率为128*64,它内部储存自带8192个汉字;可同时显示多个汉字,可以实现时间显示;按键模块采用分时复用实现显示状态的改变和时间的调整;通讯模块采用蓝牙串口通讯模块,;电源模块采用直流+5V供给单片机、按键模块、复位电路、时钟模块和传感器电路使用。
本系统需要具有以下功能:
1.可以通过按键显示时间,温湿度,空气质量等数据,并且可以通过按键对时间进行调整。
2.通过按键改变汉字滚动的方式。
3.与上位机进行通讯。
本系统可以通过串口通讯实现与上位机进行通讯,接收上位机发出的命令。
并通过LCD屏显示出相应文字。
2.2按键模块
(1)独立式键盘:
独立式键盘电路较为简单,独立式键盘每个按键占用一个I/O口,各个按键是相互独立的,每个I/O口上的按键功用互不影响。
在功能较多时按键数量不够,I/O口有不够用的情况,如果强硬选择独立式按键电路结构就会很复杂,所以独立式合适用于按键数量较少的情况。
(2)矩阵式键盘:
单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些,识别也要复杂一些,列线通过电阻接正电源,并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端,而列线所接的I/O口则作为输入。
在需要的按键数较多时,选择矩阵法来做键盘是合理的。
对以上两种按键形式对比,结合本设计的功能需求,本文选用四个独立式键盘。
对按键的扫描是其实现功能的重点,在软件程序编写方面,不同的按键执行相应的操作,根据不同场合可以重新定义按键功能完全取决于自己需求,只要重新编写程序就可以实现,十分方便。
2.3电源模块
电源部分从电源插座输入交直流电源,为了得到5V的直流电源使用7805三端稳压器即可。
J4为DC-005B插座。
2.4蓝牙通讯模块
目前市场上主流的蓝牙为2.0的蓝牙模块,同时市场上基于安卓系统的蓝牙手机也均采用蓝牙2.0作为蓝牙通信设备,目前唯有苹果操作系统的手机和个别的高端手机上面使用蓝牙4.0的蓝牙接口,考虑到通用性和兼容性及成本,系统采用标准的蓝牙2.0模块作为系统蓝牙的设计方案。
常见的蓝牙2.0标准的模块有HC-05和HC-06两种,下面通过对两种蓝牙模块的介绍和对比论证,为系统的蓝牙通信选择其中一款蓝牙模块作为最合理的方案设计。
方案一:
采用HC-06蓝牙模块如图2.1,因为波特率范围广(4800~1382400),还兼容3.3V和5V的单片机,所以带有蓝牙功能的电脑、手机、PAD等智能终端都可以与它配对。
并且连接灵活,使用方便具有较高的性价比,同时HC-06为工业级产品,性能稳定、可靠性很高。
方案二:
采用HC-05蓝牙模块,HC-05蓝牙为从设备,它可以与其它2.0标准的蓝牙设备之间进行通信,但是它只能作为从设备,无法充当主设备来使用,同时HC-05为普通消费级别的芯片,在可靠性和稳定性上比HC-06稍差一些,优点是价格相比HC-06便宜,在一些需求不高的应用场合或是对性价比要求较高,成本控制较低的场合应用较为普及。
图2.1HC-06实物
对于HC-06主机而言,“WAKEUP”按下后会放弃记忆,重新搜索新的从机,如果不放弃记忆,主机将一直搜索上一次配对过的从机,直到搜到并成功配对为止,HC-06的特性就是记忆最后一次配对过的从机。
而本设计的通信不需要太过复杂,因此选用HC-06模块[4]。
同时主从可指令切换,使用简单,且指令也比HC-05少。
(供电电压:
3.3V~3.6V)
蓝牙通信模块我采用的是移摩通讯的HC-06蓝牙模块,该蓝牙模块具有成本低、体积小、收发灵敏度高等优点。
模块采用Bluetooth2.1,遵照V2.1+EDR蓝牙规范,可以与安卓智能手机完美通信,可编程I/O口。
供电电源为:
+5VDC80mA。
主要引脚如表2.1:
表2.1主要引脚
ATUS
蓝牙状态输出,查询蓝牙的状态可以连接单片机的I/O口,数据链路连接则表示持续的高电平。
这个STATUS可以不用连接。
VCC
必须连接5V的电源接口
GND
电源负极必须连接
TXD
单片机的数据输入接口连接数据输出接口,通常单片机I/O的名称为RX或者RXD
RXD
单片机的数据发送接口连接数据接收接口,通常单片机I/O的名称为TX或者TXD
测试通讯:
发送:
AT(一秒左右发一次)
返回:
OK
更改蓝牙串口通讯波特率:
发送:
AT+BAUD1
返回:
OK1200
2.5LCD12864显示模块
单片机用命令控制液晶模块显示,模块引脚本身已经给出,默认VSS=0V、VDD=5V、VEE=-5V、GND=0V,液晶模块与单片机的连接可以添加多个与非门,但这里不宜采用,而选择更直接的连接方式,使WR、RD直接与LCD的R/W、RS相连,使能端与P3^5相连,再由软件给出下降沿。
带字库的12864液晶显示模块概述:
LCD12864液晶显示模块,芯片内部存储8192个中文汉字、128个字符及64x256点阵,可显示RAM还可以显示汉字及图片。
主要技术参数和显示特性如表2.2:
表2.2主要技术和显示特性
电源
VDD3.3V~+5V(内置升压电路,无需负压)
LCD类型
STN
显示内容
128列×64行
显示颜色
黄绿
与MCU接口
8位或4位并行/3位串行
软件功能
画面移位、自定义字符
表2.3为模块引脚说明:
表2.3模块引脚
引脚号
引脚名称
方向
功能说明
1
VSS
-
模块的电源地
2
VDD
-
模块的电源正端
3
V0
-
LCD驱动电压输入端
4
RS(CS)
H/L
并行的指令/数据选择信号;串行的片选信号
5
R/W(SID)
H/L
并行的读写选择信号;串行的数据口
6
E(CLK)
H/L
并行的使能信号;串行的同步时钟
7
DB0
H/L
数据0
8
DB1
H/L
数据1
9
DB2
H/L
数据2
10
DB3
H/L
数据3
11
DB4
H/L
数据4
12
DB5
H/L
数据5
13
DB6
H/L
数据6
14
DB7
H/L
数据7
15
PSB
H/L
并/串行接口选择;H-并行;L-串行
16
NC
空脚
17
/RET
H/L
复位低电平有效
18
NC
空脚
19
LED_A
(LED+5V)
背光源正极
20
LED_K
(LED-0V)
背光源负极
本系统按键电路设计采用查询方式的直接按键[5]。
2.5.1128*64*LCD基本模块
LCD12864是一款可带字库的图形点阵显示器,其屏幕由128列×64行点阵组成,可以显示8点阵的64个字母、16点阵的32个汉字和128×64全屏幕点阵图形。
整个系统主要由STC89C51芯片、LCD12864液晶和矩阵键盘构成,具体如下图2.2所示。
图2.2LCD12864引脚连接
2.5.2滚动播放广告
LCD12864可实现图形显示,也可以显示8×4个汉字或者显示16×4个ASCII码。
其内部存储芯片分为两种,带字库的和不带字库的。
可以根据自己的需求为不带字库LCD提供字模和字库,还可以根据个人喜好设置各种字体甚至显示风格,设计上不拘一格非常灵活。
带字库的LCD提供字库字模,但是只能显示GB2312的宋体。
这两种芯片各有优缺点,可以根据不同应用场景按需求灵活选择。
其原理图如图2.3。
图2.3LCD12864液晶显示屏原理框图
2.6传感器模块
2.6.1温湿度传感器
DTH11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。
其精度湿度+-5%RH,温度+-2℃,量程湿度20-90%RH,温度0~50℃。
其优点是:
经济适用,响应快,抗干扰能力强,不占空间,低功耗耐用,性价比高,信号传输半径达到20M以上,适用于各类应用场合,甚至在最为苛刻的应用场合也不影响传感器的工作,DTH11是最佳选择[6]。
显示当前环境的实时温湿度。
(1)温度检测:
对温度进行测量生成模拟信号后与芯片内部存储器的数据匹配再进行数模转换将数字信号显示在显示器上。
(2)湿度检测:
对湿度进行测量生成模拟信号后与芯片内部存储器的数据匹配再进行数模转换将数字信号显示在显示器上。
(3)显示:
LCD显示当前的温湿度值,但实时测量值可能存在误差,为了减小误差我在程序中设置0.05秒的延时,短暂延时不影响当前的测量值然后上传至显示屏,摆放在现场用于显示当前的温湿度。
依据功能设定,本系统主要分为以下三个模块如下表2.4:
表2.4系统主要模块
1
温湿度采集模块
2
数据处理模块
3
用户交互模块
电源引脚:
四条引角中有两条是电源引脚,其中有两条是输出数据的引脚,只需要给它供上额定电压,然后它的输出引脚采集信号就可以了,输出信号倘使是模拟量的话,通过A/D芯片,将模拟量转换为数字信号,然后传递给单片机。
DHT11是数字传感器,所以不需要进行模数的转换,其电路图2.4如下。
图2.4DTH11电路图
2.6.2空气质量传感器
MQ135气体传感器如下图2.5,在无污染的空气中电导率较低的。
当传感器检测到空气中含有有毒气体时,传感器的电导率会随着有毒气体的浓度提高而提高,再将的有毒气体的浓度转变为输出信号,只需要使用简单的电路就可以了。
图2.5MQ-135实物
数据采集系统经过传感器传送过来的电压信号,被MCU计算与处理经过放大,为了节约成本就不在每一路都设置放大、过滤波等器件。
所以选择多路模拟通路的方法进行信号采集。
MQ135气体传感器所采集的模拟信号要转变为数字信号除了运用到A/D转换以外还要用到计数法和逐次转变法。
因为逐次转变法转变速度快,效率高,易于操作成本低,所以我选择逐次转变法,优点在于分辨率达到12位,价格低廉,取样效果好。
这种采用二进制方式输出的转变器中包括SAR逻辑控制器、寄存器。
此体系量程约为0-20ppm,但我所利用的是12为A/D0832,因此此体系的精度约为:
20ppm/256=0.039ppm[7]。
MQ135气体传感器可检测的有害气体种类较多,包括氨气、硫化物和一部分烟雾等,这种传感器灵敏度也非常高,能达到监测的要求,成本也低是一款适合多种应用场所的传感器。
特点如下表2.5:
表2.5MQ-135特点
1.在较宽的浓度范围内对有害气体有良好的灵敏度。
2.对氨气、硫化物、苯系等气体灵敏度较高。
3.长寿命、低成本。
4.驱动电路简单。
系统中的报警电路,设计时想法有三种。
一种是闪光报警,一种是声音报警,最后一种是闪光和声音相结合,由于在人流量多的地方人声吵杂难免会听不见,所以采用的是闪光报警[8]。
2.7单片机控制模块
2.7.1时钟电路模块
时钟电路可以简单定义如下:
1.产生准确度和时钟一样的振荡电路。
2.按时间顺序执行所有工作。
时钟电路就是用于产生这个时间的电路。
时钟电路结构简单,通常只有晶体震荡器、晶震控制芯片和电容。
电子表的时钟电路、电脑的时钟电路、还有MP3、MP4都是时钟电路的广泛运用。
单片机时钟电路产生振荡电路需要外部晶体的配合,时钟运行为0,单片机就停止工作,同时超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机停止工作。
时钟电路为单片机产生基本的时钟信号,可以为单片机提供运行时钟,这就像微型计算机的心脏,计算机的工作速率与时钟直接相关,CPU也是一样。
时钟信号由两种方式产生:
一种是直接从外部引入时钟信号,这种是外部方式。
另一种是时钟信号由片内振荡电路产生,这种是内部方式。
要完成不同的指令功能就要通过更复杂的时序电路。
如果没有时钟驱动单片机,单片机是无法工作的。
STC89C51的时钟信号可由内部振荡器产生,更简便的也可以用外部电路提供。
详情如下表2.6。
表2.6内部振荡器电路
内部振荡器输入脚
内部振荡器输出脚
XTAL1
XATL2
单片机的内部电路的时钟信号由XTAL2提供。
当时钟信号由外部电路提供时,外部时钟引入XTAL2,XTAL1脚接地。
2.7.2复位电路模块
本设计采用的办法是将一个按钮接在正电源VCC和RST端之间。
这种手动复位法只需将按钮接通0.01秒,RST端就会接收到VCC的+5V电平。
从而达到复位的目的。
12864LCD的一般初始化(复位)过程详情见下表2.7:
表2.7LCD12864的复位过程
延时15mS
写指令38H(不检测忙信号)
延时5mS
写指令38H(不检测忙信号)
延时5mS
写指令38H(不检测忙信号)
以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号,指令如下表2.8:
表2.8指令详情
写指令38H
显示模式设置
写指令08H
显示关闭
写指令01H
显示清屏
写指令06H
显示光标移动设置
写指令0CH
显示开及光标设置
3多功能广告牌的软件设计
3.1软件系统方案设计
美国STC公司最新推出的51系列单片机,该系列单片机采用的是一种新型51内核,这种新型单片机内含有UART、PWM、Flash程序存储器、A\D、SPI等模块。
该器件的基本功能在旧系列的基础上更新了许多并且在程序编写调试方面和以前的系列完全一样,兼容性更强,资料如下表3.1。
表3.1STC51单片机详情
内置标准51内核,机器周期
增强型为6时钟,普通型为12时钟
工作频率范围
0~40MHZ,相当于普通8051的0~80MHZ
STC89C5xRC对应Flash空间
4KB\8KB\15KB
内部存储器(RAM)
512B
定时器\计数器
3个16位
通用异步通信口(UART)
1个
中断源
8个
通用I\O口
32\36个
工作电压
3.8~5.5V
有ISP(在系统可编程)\IAP(在应用可编程)
无需专用编程器\仿真器
外形封装
40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等
P1.0可作为定时/计数器2的外部计数输入,而P1.1作为定时/计数器2的外部计数输入,这里
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