基于单片机控制的倒影时钟设计---毕业论文

扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计(论文)作 者: 学 号： 教研室: 电气自动化教研室专 业:电气自动化技术 题 目:基于单片机控制的倒影时钟设计 指导者： 评阅者： 年 月扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号： 题 目： 综合成绩： 指导者评语： 指导者(签字)： 2016年5月12日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 2016年5 月13 日答辩委员会（小组）评语：答辩委员会负责人(签字)： 2016年5月14日毕业设计（论文）中文摘要 文 献 综 述 摘要21实际科技发展迅猛，移动交互体验也在发生着潜移默化的改变。这与智能机器市场趋进于饱和、手机屏幕尺寸增长与用户对应用的认知提升有着密不可分的关联。这些人与机器的互动将更加直接并趋于本能。减少媒介的比重。本文说明的是一个基于单片机控制的倒影时钟，单片机型号为stc89c52以此为核心接收检测距离为50CM 的NPN型红外对射开关的信号控制各74LS373锁存器再给LED信号来控制亮灭顺序，当你将手指戳在时钟中心时，两对传感器同时感应到有物体遮挡，其它的LED都会关闭，只留下三颗LED灯。它们照向手指，使手指形成阴影，分别代表小时、分钟、秒数。倒影时钟实质上就是工艺、技术、与交互体验于一体的现代科技组合，它使用户成为整个产品中不可或缺的最重要组成部分。体现了人与机器的交互，本质上就是指人与计算机的交互，或者也可以理解为人与“含有计算机的机器”的交互。关键词 stc89c52、74LS373、LED、光电开关 1.绪论11.1倒影时钟研究的目的和意义1第二章 课题主要研究内容22.1课题设计的内容22.2课题设计的方法22.3 总体方案设计22.3.1系统框图22.3.2功能设定32.3.3 硬件的选择3第三章 倒影时钟的硬件设计33.1倒影时钟系统简介33.1.1系统硬件结构及原理33.2 STC89C52单片机简介43.2.1 STC89C52单片机接口电路53.2.2复位电路模块63.3传感器的选用63.3.1红外对射开关传感器63.3.2 18b20温度传感器63.3.3 18b20接口方式123.4 74LS373八D锁存器电路设计133.5 红外对射开关电路设计153.6键盘电路设计163.7 LED投影电路设计17本章小结18第四章 倒影时钟的软件设计194.1系统软件设计思路194.2主程序设计204.2.1主程序模块204.2.2 74LS373锁存器模块204.2.3 LED投影模块214.2.4温度检测模块224.2.5按键模块23本章小结24第五章 仿真测试255.1常见的硬件故障255.2软件的调试方法255.3硬件的调试方法25总结27致谢28参考文献29附录一30附录二30第 37 页 共 42 页专科毕业设计（论文）1.绪论1.1倒影时钟研究的目的和意义从早期的指示灯与机械开关结合的操纵方式-终端和键盘结合的字符操作界面(80年代)的操纵方式等交互装置，发展到的了现在声音识别、触摸屏、增强现实（AR）等丰富感知能力的交互设备，日后人机交互会更加完美，不需要专门的交互操作作为桥梁，直接进入思想交互的阶段。人机交互的方式是指人和产品之间的联系手段。MCU接收到信号后进行处理，再传送至反馈环节。交互体验设计出现在20世纪80年代，由IDEO创始人之一比尔在一九八四年的一次设计会议上提出的。它致力于如何提高人们在使用产品时的舒适性、便捷性、有效性，交互设计涉及领域广。本次设计的倒影时钟是从其中的一方面深入浅出的讲解了人机交互的表达方式。倒影时钟实质上就是工艺、技术、与交互体验于一体的现代科技组合，它将使用产品的人成为了不可或缺的最重要的组成部分。此应用将会对人类的生活产生重要的影响，可以说本课题的研究意义深远。第二章 课题主要研究内容2.1课题设计的内容以STC89C52单片机为核心、传感器为辅。实现光影显示时钟行走功能2.2课题设计的方法了解掌握课题中涉及的各个学科、各领域中的信息点；用proteus仿真绘图软件进行原理图的绘制仿真与调试；查找作品中相关元器件的使用手册。 2.3 总体方案设计本设计由STC89C52单片机为核心接收检测距离为50CM 的NPN型红外对射开关的信号控制各74LS373锁存器，再将锁存器输出端连接至各LED灯，控制其亮灭先后顺序，产生倒影时钟。2.3.1系统框图如图2-1所示图2-1 系统框图2.3.2功能设定由红外对射开关向MCU提供开关信号，MCU内部处理好后将处理的信号传送给各74ls373锁存器，再由锁存器传送信号给各个LED，显示部分为时分秒LED灯，各LED灯指向中心用来产生倒影，产生时钟影像。2.3.3 硬件的选择STC89C52使用了MCS-51内核，它程序的写入与消除采用了电可擦写的技术，能够对程序进行成千上万次的进行消除与写入，由于这一方便的特性，成为了广大电子爱好者的首选控制器，同时也为嵌入式控制设计提供了廉价而方便的选择。传感器采用检测距离为50CM 的NPN型红外对射开关，锁存器采用八D锁存器74ls373.第三章 倒影时钟的硬件设计3.1倒影时钟系统简介基于STC89C52的倒影时钟是以人机交互体验为背景，设计由STC89C52单片机为核心接收检测距离为50CM 的NPN型红外对射开关的信号控制各74LS373锁存器，再将锁存器输出端连接至各LED灯，控制其亮灭先后顺序，产生倒影时钟。3.1.1系统硬件结构及原理本文研究的倒影时钟是以STC公司生产的一种低功耗、高性能的微控制器STC89C52为控制核心，由检测距离为50CM 的NPN型红外对射开关作为输入信号的接收端，在由74LS373锁存器接收MCU处理后的信号，将其分别送至指定的LED灯，灯光照向时钟中心物体，形成时钟倒影。实现人机交互的过程。 3.2 STC89C52单片机简介近代计算机技术飞速发展。单片机则作为计算机技术中的一个分支，具有集成高、可靠、控制能力强、低电压低功耗、体积小、易于嵌入等优点。广泛应用于工业、自动化行业、家用电器、智能玩具等多方面领域。其中有三化 亦指：巨型化，单片化，网络化。STC89C52是美国宏晶公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，此芯片相比于传统的51芯片做了非常多的完善。故而有传统51所没有的功能，STC89C25RC单片机 它采用了Flash存储技术，大大的减少了单片机制作原材料成本，并且在软件系统的兼容方面它很好的与之前的单片机能够实现兼容，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用了MCS-51内核，它程序的写入与消除采用了电可擦写的技术，能够对程序进行成千上万次的进行消除与写入，由于这一方便的特性，成为了广大电子爱好者的首选控制器，同时也为嵌入式控制设计提供了廉价而方便的选择。STC89C52芯片管脚 如图3-1所示主要接口功能如下：(1) 电源线89C52单片机的电源线有以下两种:a) Vcc：+5V电源线。b) Vss：接地线。(2) 89C52单片机的外接晶体引脚a）XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。b）XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用内部振荡器时，该引脚悬空。(3)控制线 89C51单片机的控制线有以下几种：a）RST：复位输入端，高电平有效。b）ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。c） ：外部程序存储器的读选通线。d） /Vpp: 片外ROM允许访问端/编程电源端。(4) I/O接口组成（32根I/O接口线）及功能图3-1 STC89C52芯片管脚图3.2.1 STC89C52单片机接口电路本设计中用STC89C52的P0口作为扩展口，P0做时输出端，P1口做分钟、秒输出端，P2口分钟、秒的锁存器端。P3口分别为时锁存端、对射开关输入端、按键电路、温度传感器。接口电路如图3-2所示图3-2接口电路3.2.2复位电路模块复位电路外接在单片机的RST引脚上，用于实现单片机程序的初始化。当系统发生错误或者操作失误都可以通过复位电路回到初始状态。单片机的复位电路一般有两种分为上电自动复位和上电/手动复位。本设计采用上电/按键手动复，如图3-3所示图3-3复位电路模块3.3传感器的选用3.3.1红外对射开关传感器红外线即光谱中红光外围的不可见光，它具有折、散、反、吸收等性质。世间万物，只要本身温度不低于冰点，那么就会向外界辐射出红外线，利用红外光线制作的红外线传感器工作时不会与被测物体产生接触，所以有使用寿命长、无噪音、无震动、并且响应速度快 灵敏度高的好处。 红外线传感器系统包括:发射系统、接收系统与转换电路。发射系统按构造不同有透射式反射式，接收系统按组成不同可分为光电检测热敏检测。本次使用的则为光电检测元件的透射式红外传感器，检测距离为50CM，本次使用了有两对，十字交叉于时钟中心点。 3.3.2 18b20温度传感器本次使用的温度传感器为18b20，18B20是一款容易将测量信号转换为单片机容易识别的数据，这款传感器有价格低、抗干扰能力强、体积小、精度高的优点。此元器件接线便捷，种类多，适合运用于多种环境，例如螺旋式、磁力吸附式和管道式（1）实物如图3-4所示图3-4实物图（2）18b20引脚分配图 如图3-5所示图3-5 18b20引脚分配（3）18b20仿真图 如图3-6所示图3-6 18b20仿真图电源引脚（VDD GND） 18B20 的供电电压为 5V。 信号引脚（DQ）DQ 引脚为用于单数据总线。（4）18B20具有以下特征：1.接线简单便捷，与微处理器相联接时只要一条口线就能实现传感器与微处理器的双向通信。2.传感器适应的电压范围较宽，为3.0V-5.5V。如果使用寄生电源的方式工作，就可以更加方便的使用数据线来提供电源。3.支持组网多点测温。4.此传感器无需任何的外围器件，所有的转换电路和传感元件集成再状似一个三极管的电路内。5.可测量温度在-55到125摄氏度之间。6.其测得的结果直接以数字温度信号的形式输出。(5) 18B20产品概述：温度传感器的种类众多，DS18B20是DALLAS公司生产的一线式温度传感器，具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55；摄氏度到+125摄氏度，可编程为9位到12位AD转化精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持35.5V电压范围，使系统设计更加灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，其工作电源即可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或者2根线上，用单片机的一个端口就可以实现通信。 （6）18B20工作原理:DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图9所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图9中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。（7）测温原理图 如图3-7所示LSB位置/清除增加计数器1斜率累加器计数比较器温度寄存器减到0预置计数器2减到0停止预置低温度系数晶振高温度系数晶振图3-7测温原理图应用领域：轿车、测试及检测设备、电子温度计、气象站、家电 温度调节器、医疗设备（8）传感器的性能DS18B20复位时序如图3-8所示图3-8 DS18B20复位时序图读时序如图3-9所示图3-9读时序图写时序如图3-10所示图3-10写时序图（9）工作时序总线时序 如图3-11所示图3-11总线时序写周期时序 如图3-12所示图3-12写周期时序起始/停止时序 如图3-13所示图3-13起始/停止时序应答时序 如图3-14所示图3-14应答时序立即地址读时 如图3-15所示图3-15立即地址读时序3.3.3 18b20接口方式I2C总线与SPI总线通信协议的区别 18B20 采用简化的I2C总线通信。SPI总线是由三条信号线组成：串行数据输入、串行数据输出、串行时钟。I2C总线是两线制；SPI总线可以实现 多个SPI设备的相互连接。I2C总线是双向、串行、多主控的接口标准，具有总线仲裁机制，非常合适在器件之间进行近距离的 、非经常性数据通信。3.4 74LS373八D锁存器电路设计74LS373真值表 如图3-16所示图3-16 74LS373真值表74ls373实物图 如图3-17所示图3-17 74ls373实物图74ls373功能图 如图3-18所示 图3-18 74ls373功能图74ls373仿真图 如图3-19所示图3-19 74ls373仿真图3.5 红外对射开关电路设计由于需要采集时钟中心的信号，所以在时钟的四个象限点处安装两对红外对射开关传感器为单片机提供时钟中心点处是否有物体的信号。电气原理图 如图3-20（因仿真软件中没有此传感器的具体仿真图，所以此处仿真使用单刀开关代替）图3-20电气原理图红外传感实物图如图3-21所示图3-21红外传感实物图 主要应用：红外发射在监控器上面的应用红外遥控器红外测距仪3.6键盘电路设计根据设计需要3个按键，分别为时校正按键、分校正键、秒校正键。键盘电路图 如图3-22所示图3-22 键盘电路图3.7 LED投影电路设计LED投影电路图 如图3-23所示图3-23 LED投影电路图本章小结本章介绍了倒影时钟的硬件结构及系统所实现的功能，本设计是以美国宏晶公司的stc89c52单片机为控制核心，采用LED投影产生倒影，从而模拟时钟行走的一款产品。展示了人机交互魅力，本章介绍了stc系列单片机的性能及参数，国内外常用的温度传感器、红外传感器的一些基本原理及选用的传感器的原因等。 第四章 倒影时钟的软件设计4.1系统软件设计思路编程语言的选择软件是驱动单片机实现实物功能的必要程序。用户编写的指令程序，称为源程序。源程序最后需翻译成单片机所能识别的机器指令，及使有二进制表示指令。编写计算机程序有三大类计算机语言可选择，即机器语言、汇编语言和高级语言。其中机器语言晦涩难懂且编辑周期长不易维护等缺点，虽然实时性、运行的快速性是其他两大语言无法替代，但其缺点难以克服，现已经基本上不再使用。汇编语言也是由指令组成但由于采用助记符，相对机器语言要容易阅读，需要对硬件的结构和性能熟悉，具有实时性、准确性。缺点是出现错误时不易排查且维护比较困难。如采用汇编指令需对处理器的内部结构和外围电路非常了解，由其是对指令系统要必须掌握的非常熟悉，软件维护起来比较困难。高级语言是一种接近自然语言和数学公式的编程。采用高级语言只需对所使用的单片微型计算机的内部结构和外设电路有一定了解即可。基于设计的需求稳定性、实时性、易理解性和易维护性。最后考虑选用C语言进行软件的编程软件功能功能模块功能描述温度传感器采集模块对温度测点进行实时监测红外对射开关模块1.完成交互信息的采集MCU控制模块1.接收红外传感器采集的信号2.处理好后发送至74LS3733.温度处理4.各模块配合工作LED显示模块1.分秒LED投影2.时LED投影根据软件设计的基本要求,采取了如下的措施:1.程序模块化。软件设计中包含有：主程序模块、LED投影模块、温度传感器采集模块2.软件设计采用C语言进行编程，可以保证数据计算的精度和准确度。3.软、硬件抗干扰。软件抗干扰措施提高了系统的可靠性。以下就对一些主要模块进行详细的阐述。4.2主程序设计4.2.1主程序模块主程序流程图如图4.1所示当单片机上电以后先初始化程序，之后由两对红外传感器进行信号的采集，当两对传感器均感应到有物体接近时，则将开关信号直接输入到单片机STC89C52由软件进行数据的分析与计算，再将整理后的数据送入各个八D锁存器74ls373进行数据的分配进行投影显示。 图4.1 主程序流程图4.2.2 74LS373锁存器模块当单片机接收到红外传感器的开关信号时，将处理后的数字信号传送至八D锁存器74LS373中，再分别发送锁存信号至锁存端LE口，以此控制时分秒三个LED灯投影的亮灭顺序，形成倒影时钟。如图4-2所示 开始红外检测信号NYLED亮灭 图4-2锁存器模块框图4.2.3 LED投影模块本设计使用的是5MM白光草帽型LED，外圈均匀分布60个用于投影分钟秒钟的led灯，内圈均布12个用于显示时钟的led灯，当两对红外传感器同时感应到有物体格挡时，则向主控制器发送投影指令，及向锁存模块发送投影指示，再由锁存器发送指令给LED灯，向时钟中心透射灯光。 系统上电STC89C52进行初始化，LED灯最初为全亮且为常亮，得到信号后按MCU内部运算的时钟行走程序输出信号至时分秒三个灯，其它均灭。如图4-3所示开始锁存器接收信号 N Y 送显示数据指时分秒 图4-3 LED投影框图4.2.4温度检测模块温度检测系统采用的元器件是18b20温度检测芯片如图4-4所示开始初始化两次感应信号 N Y温度投影返回 图4-4温度检测框图4.2.5按键模块如图4-5所示上电复位键3键2系统初始化采集子程序键盘子程序是否有键按下键1 秒加一分加一时加一显示结束 图4-5按键框图本章小结在这一章节中就STC89C52单片机使用的各种编程语言进行了介绍和分析，还对倒影时钟的软件部分设计进行了较为详细的描述。程序的编程设计经考虑选择了C语言进行编程。对软件模块的工作原理进行的阐述。通过主程序的流程图框图可以明白的看出本设计中包含的思想。第五章 仿真测试 软件调试利用KEILC和Proteus 软件进行程序模拟及调试，调试过程中观察仿真结果，查找所写程序的问题和错误，并修正。5.1常见的硬件故障1. 逻辑错误 一般有错线、开路、反相、短路等。2. 元器件失效 器件本身损坏或者性能不符合要求和组装错误。3. 电源故障 如果电源出现故障，则加电后将造成器件的损坏。4. 焊接错误 虚焊、错焊5.2软件的调试方法使用Proteus 软件按要求画出电气原理图（注意各个器件的标号、参数、封装等不能标错）电气原理 见附录一画好原理图后 将事先编辑编译好的后缀为HEX 的文件加载至单片机中，点击开始运行按钮，当软件显示无错误时 既为正确。5.3硬件的调试方法硬件的调试分为脱机调试和联机调试。脱机调试就是在加电前用相关测量工具根据电气原理图和装配图检查线路的正确性及元器件的型号规格等是否符合要求。脱机调试只能解决一部分问题，实际调试时往往是两种方法一起使用。（因制作前没使用印制电路板，直接使用导线连接，所以比较繁琐、复杂，日后完善可用pcb板、贴片封装IC、以减小实物体积和为日后的排故减少麻烦且增加电路运行的可靠性） 实物图如图5-1所示图5-1 实物图总结本设计基于STC89C52单片机结合传感器技术、人机交互体验技术，从浅显易懂的方向说明了在现代生活中 人机交互体验技术是很有潜力的，未来随着科技的发展可与其它产品结合在一起，实现生活智能化不再是只生存在人们的想象中。本设计可用来开发新型家居产品，使之能提高我们的生活质量、生活水平。本课题中的单片机编程采用了独立的模块化设计，使各模块相互独立，提高了系统的可靠性和简便性。 系统采用C51语言编程，程序结构清晰明了。 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。经过这次毕业设计，我在各方面都有很大的提高。学到了很多不曾学过的东西，也使我学会了更好地利用一些资源和工具如图书馆及一些软件查阅资料。在设计过程中也遇到很多的困难，遇到一些原理性不懂的时候就要去有针对性地查找资料或者请教知道老师和其他同学，然后加以吸收利用，提高了自己的应用能力，扩充了自己的知识储备，同时提高了动手能力。致谢这便是在学校的最后一次作业了，毕业设计能够检验大学三年的学习和实践情况，所以自己很重视这个实践的机会。回首这三年来，是学会了不少，但没学会的也不少，但是大学看的不是你学会了多少，而是看有没有学会“学会”，完成这篇论文遇到了很多问题，还好从接到导师任务书那天起自己就进入认真的学习和设计状态，每天上午在教学楼看书学习，下午在宿舍编写程序和设计电路，这样做的目的就是想做好毕业设计。在这期间老师给我很多有关课题的有价值的意见和指导，对我顺利完成毕业设计起到很大的作用，当然也要感谢大学三年教育过我的每一位老师。做毕业设计时也学习了很多有关单片机和编程的书和资料，所以也感谢各位作者和出版社。在此期间，也有同学的帮忙与指导，同时也谢谢他们。同时所写的论文定会存在不足之处，在此恳请各位老师给与批评和指正！参考文献1. 张洪润等 传感器技术大全 北京航天航空大学出版社2. 刘晓辉 张景.交互设计：超越人机交互/（美）jennifer preece著3. 鲍丙豪等 传感器手册 北京航天航空大学出版社4. 李朝青 单片机原理及接口技术 北京 化学工业出版社5. 徐爱均 徐阳Keil C51单片机高级语言应用编程与实践 北京 电子工业出版社6. 徐爱均Keil C51单片机高级语言应用编程技术 北京 电子工业出版社7. 朱清慧 陈绍东Proteus实例教程 北京 清华大学出版社 8. 张萌，单片机应用系统开发综合实例M 北京清华大学出版社，2007年9. 李广弟，单片机原理及应用M北京航空航天大学出版社,2004年附录一电路原理图附录二程序清单#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/sbit fenmiaosuo=P2; /sbit fenmiaoshu=P1; sbit shisuo1=P30;sbit shisuo2=P31;sbit a=P35;sbit b=P36;int hongwai,hongwait;/static int hongwai2;/static int hongwait2;uchar sw,swt,mw,mwt,hw,hwt=3,sd,md,hd;unsigned char hour=7,minute=59,second=40;secondt;hourt; /时间变量 uchar code fen_wei=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80; /分秒位码uchar code fen_duan=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80; /分秒段码static int he8; /8位组合段码unsigned char count_time=0,count_count=0;/*1ms延时函数*/void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0;iq;i+)for(j=0;j=199) count_time=0; second+; if(second=60) second=0; minute+; if(minute=60) minute=0; hour+; if(hour=12)hour=0; void main(void)time0_init();P2=0xff; /