单片机课程设计论文

1、一 任务分析与设计思路本课程设计主要的目的是为了检测剩饭重量，并把重量进行分析计算。通过识别射频卡，将剩饭重量数据与射频卡对应后录入存储模块，最终整合得到相应的结果。二 整体设计方案2.1 系统总体框架由于本设计硬件上简单,方法上易于实现,成本低的要求,设计中利用电子技术和传感技术。主要应用各种芯片实现设计中的要求，依靠一颗主芯片控制个芯片的动作。系统由单片机主控模块、存储模块、电源模块、AD模块、显示模块、称重模块、射频识别模块,共6个模块组成如图2-1所示。LCD显示器12864主控器件STC15存储器AT24C02称重传感器可调电源模块射频识别DM28340AD采集HX711图21系统原

2、理2.2 单片机的选择方案一：采用STC89C52。该单片机软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟等优点，得到了广泛应用。但是51单片内部资源有限，内部没有集成的A/D转换器，在一些需要数据采集的应用场合，需要外扩A/D转换器，给系统设计过程带来不便。且影响系统控制等各个环节，不便于实时调控。方案二：采用STC15F2K60S2。该单片机包含了89C52的优点,大容量2048字节片内RAM数据存储器；1个机器周期，速度比传统51快712倍；宽电压5.53.8V，2.43.6V；采用低速模式，空闲模式，掉电模式低功耗设计；不需要外部复位电路，不需要外部晶振；支持掉电唤醒；大容量片内EE

3、PROM功能，刷鞋次数10万次上；3通道捕获/比较单元;6个定时器,2个16位可重装载定时器。综合以上二种方案，选择方案二。2.3 单片机的结构框图 51子系列单片机15由CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、特殊功能寄存器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统等八个功能部件组成。CPU由累加器A、暂存器1、2、ALU、PSW等组成数据存储器由RAM地址寄存器、RAM单元等组成。程序存储器指EPROM或ROM。SFR指P0、P1、P2、P3锁存器、B、DPTR等。结构框图如图2-3。图23结构框图2.4 引脚图及功能8051系列单片机的引脚图： MCS-51 

4、;是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。高速ADC,8通道10位,速度可达30万次/秒。3路PWM还可当3路D/A使用。其中3通道捕获/比较单元(CCP/PCA/PWM)。还有6个定时器,2个16位可重装载定时器。引脚分布请参照图2-4。图24引脚图三、硬件设计3.1整体电路原理根据方案的选择，系统由最小系统、HX711 AD模块、称重传感器模块、AT24C04存储电路、液晶显示电路、射频识别模块DM28340组成。本系统采用C语言编写，控制器采用单片机STC15系列，AD采集部分采用HX711 AD模块，称重传感器模块用压敏电阻，用LCD液晶12864作为显示器，用AT24C04作为存储器

5、件。单片机通过AD模块采集压敏电阻电压数据，对数据处理后；射频识别采用DM28340获取对应的个人信息后送给单片机处理。存储器通过单片机对某些重量的数据进行存储；单片机再把重量数据送液晶显示器12864显示。3.2 晶振电路单片机的晶振频率应低于40MHZ，所以我们采用22.1184MHZ，加两个30 F电容。图3-2所示。图32晶振电路 3.3 复位电路上电复位采用电平方式开关复位。如图3-3所示。 上电复位用RC电路，电容用10F，电阻用10K。图33晶振电路3.4 存储电路存储电路采用ATMEL公司生产的AT24C04，具有4KB的存储空间。24C04是电可檫除PROM,分别采用512X

6、8bit的组织结构以及两线串行接口。电压可允许低至1.8V，待机电流和工作电流分别为1A和1mA 24C04具有页写功能每页分别为16字节。其引脚图如图3-4:24C04引脚功能介绍 引脚号引脚名称功能说明1A024C04使用A2和A1输入引脚作为硬件地址，总线上可同时级联4个24C04期间，A0为空脚，可接地。2A13A25SDA串行地址和数据输入/输出。SDA是双向串行数据传输引脚，漏极开路，需外接上拉电阻到VCC（典型值10K）6WP串行时钟输入。SCL同步数据传输，上升沿数据写入，下降沿数据读出。4GND地8VCC正电源图341 24c04引脚图 电路原理图3-4-2如图:图342 2

7、4c04引脚图3.5 液晶显示电路带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的

8、图形液晶模块。图351 LCD尺寸图3.5.1 液晶12864引脚12864 引脚说明引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RETH

9、/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A（LED+5V）背光源正极20LED_K（LED-OV）背光源负极主要技术参数和性能:1.电源:VDD:+3.0+5.5V。（电源低于4.0伏LED背光需另外供电）2.显示内容:128(列)×64(行)点。3.全屏幕点阵。4.2M ROM(CGROM)总共提供8192个汉字(16×16点阵)。5.16K ROM（HCGROM）总共提供128个字符（16×8点阵）。6.2MHZ频率。7.工作温度: 0 +60 ,存储温度: -20 +703.5.2 LCD12864显示原理图该电路采用串行的连接方式，只需2个I/O口即可

10、实现显示。从而减少单片机I/O口的使用，提高利用率。同时为系统的稳定带来的保障。其原理图如图3-5-2:图352 LCD尺寸图3.6无线射频识别卡电路3.6.1 DM-S28140-28340 无线射频识别卡工作原理当RFID射频识别卡开始工作，并且，RFID标签放置在有效读取的范围内。唯一的ID以12位ASCII字符串以下方式发生给主机。起始位唯一号停止位0x0A位1位2位3位4位5位6位7位8位9位100x0D表3-6-1 射频识别卡工作时12位ASCII字符串发送方式起始位和停止位有助于识别一个正确的接收信息串。中间10位是实际标签唯一ID号。例如，一个标签有效ID是0F0184F07A

11、，将按照如下位来发送：$0A, $30, $46, $30, $31, $38, $34, $46, $30, $37, $41, $0D。所有的通讯都是8个数据位，无校验，1个停止位和最低位开始（即8,N,1）。波特率固定为2400bps。3.6.2 DM-S28140-28340引脚结构RFID读卡器串行接口版本可以直接与任何微控制器仅用4个信号（VCC，/ENABLE，SOUT，GND）互联。连接信号如下：序号引脚类型功能1VCC电源信号系统电源，+5V DC输入2/ENABLE输入信号模块使能引脚。有源低信号数字输入。把其拉低使能RFID读卡器和激活天线3SOUT输出信号串行输出TTL

12、电平接口，2400bps，8数据位，无符号，1个停止位4GND地信号系统地。连接到电源地。图362 射频卡结构图3.7 HX711 AD模块与称重传感器模块电路该模块电路实现 将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上,当弹性元件受力产生变形时,应变片产生相应的应变,转化成电阻变化。将应变片接成电桥，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化,通过HX711 AD模块测量输出电压的数值,再通过换算即可得到所测量物体的重量。3.7.1 HX711 AD 转换原理 HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同

13、类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV 或±40mV 。通道B 则为固定的64 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。

14、上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。3.7.2称重传感器与AD模块原理图称重模块是压敏电阻，压敏电阻基于压电效应原理，当电阻受到外力作用产生形变时，会产生电势。此时电势送到AD转换处转换，然后AD输出数字信号供单片机检测。该电路原理图3-7-2：图372 称重传感器原理图3.8 单片机电路该最小系统采用1T 8051处理器具有42个I/O可使用;集成高精度R/C时钟;双串口(UART)分时复用可当5组使用;3路PWM;高速十位有8路高精度AD.晶振频率为22.1184M，电路图如下3-8:图38 单片机电路图3.9元件清单该清单是PCB电路板中用到的模块及电气元件，如下表：名称符号参数封装

15、数量电解电容C11000uF/25VDIP直插1C310uF/16VDIP直插1陶瓷电容C2、C6-C100.1uFDIP直插11开关K1自锁开关直插6个引脚1按键K2-K5非自锁开关直插4个引脚424C02S1存储芯片DIP81STC15S2单片机DIP401称重模块S3压敏电阻AXIAL0.31HX711 ADS4AD模块1DM-S28140-28340S5射频模块1四、软件设计4.1 程序功能描述系统软件采用C语言开发，在keil4 IDE环境下调试并实现功能。软件程序设计采用模块化的结构，便于分析和实现功能。根据题目的要求软件部分实现无线射频卡卡号读取和信息查询或累加，空闲模式下实现信

16、息的读取，并且通过LCD显示屏显示该卡的学号和当前剩饭、累积剩饭；当称重传感器数据有变化时，此时，射频卡靠近扫描的仪器时，系统将会自动累加积分和打卡次数并记录在存储模块24c04。4.2 程序流程图 4.2.1 主程序流程图程序运行的时候，随时可查询射频卡对应的信息，当放下剩饭的时候，蜂鸣器响起一秒，然后蜂鸣器停止响起，AD模块把数据读到CPU内储存，射频模块等待射频卡感应，当射频模块感应到射频卡时候，把射频卡对应的ID号通过串口发送给CPU，并与24c04储存的对应的ID号的地址相匹配，把刚刚AD模块读到的重量累加到ID号对应的储存空间里，当累加的次数达到一定程度，重量数据将清零重新累加。主

17、程序框图如图4-2-1：图421 主程序框图 4.2.2 AD模块程序流程图 当压敏电阻发生形变有电压输出，AD采集然后内部转换。转换结束后，单片机读出数字量。AD模块程序框图如图4-2-2：图422 AD程序框图4.2.3 射频模块程序流程图 该模块感应射频卡时,串口发生中断,读缓冲器。寻找与ASCII对应的学号。其程序流程图如下4-2-3： 图423 射频模块程序框图4.2.4 LCD模块程序流程图 显示子程序分三大模块，分别是清屏、写字符串、写数字和设置写的坐标。程序初始化后，当有射频卡读入，屏幕显示学号对应的剩饭，和学生当前剩饭。结束后，会显示累加的剩饭数与于屏幕上。当下一位同学刷新时

18、，显示的数据有改变，如此循环。显示的程序框图如下4-2-4： 图424 LCD程序框图4.2.5 储存模块程序流程图 24C04基于IIC协议，它的子函数包括写函数与度函数。读射频模块时，单片机从24C04内部读出每个学生所在地址对应的信息，剩饭增加时，由单片机运算后将新的数据从新放回对应的地址里面。以便下次读取。其程序框图4-2-5如下： 图425 存储程序框图五、调试与功能说明5.1 系统性能测试（1）单片机烧写程序功能正常,且能控制各模块操作。（2）蜂鸣器工作声音响亮。（3）液晶显示正常。（4）AD能驱动,并在数码管上显示。5.2功能说明5.2.1 控制系统功能I/O口可准确输出TTL,

19、能同时控制24C02,LCD12864,PSC,HX711模块。该控制系统能根据采集到重力感应传感器的信号进行程序处理,分别控制液晶的数据显示,和刷新数据.将信息存储在24C02芯片中.并且具有稳定性,快速性和准确性。5.2.2 LCD12864功能带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行

20、16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。5.2.3 24C02功能24C02与单片机的接口非常简单,E0，E1，E2为器件地址线，WP为写保护引脚，SCL，SDA为二线串行接口，符合I2C总线协议。在一般单片机系统中，24C02 数据受到干扰的情况是很少的，但是随着单片机抗干扰性能的变差，以及恶劣工业环境中单片机系统的应用，一些智能单片机控制系统相继出现24C02数据被冲掉的问题，而且随着单片机的牌号以及2

21、4C02的牌号不同而出现不同程度的干扰现象。以前通过简单的器件之间替换比较，发现不同牌号的24C02其抗干扰性能是不一样的，于是就认定24C02器件存在"质量"好坏的问题。后来在一次偶然的机会里，发现有些24C02的WP引脚并不起到保护作用，也就是说将 WP引脚与CPU输出引脚断开并保持高电平的情况下，CPU仍然能够对24C02中的数据进行修改写入！在惊讶之余，笔者收集了许多不同牌号的24C02 进行试验，除了基本的读写功能外，还对地址功能以及WP引脚保护功能进行了全面的检测，发现一种ATMEL（激光印字）以及XICOR牌号的24C02具有全面的符合I2C总线协议的功能，而

22、有些牌号24C02要么没有WP引脚保护功能，要么没有器件地址功能（即2 片24C02不能共用一个I2C总线），有些甚至两种功能均无。所以说一些同样功能型号的电子器件在兼容性上往往会带来意想不到的问题，值得引起注意。5.2.4 称重传感器将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。5.2.5 DM-S28140-28340 RDIF读卡器是用来读取RFID电子标签的ID值的，其采用异步串行通信方式。5.3 系统时钟误差分析该单片机采用22M晶振工作,1T的工作模式,它的机器周期:0.0452让单片机用定时器0的16位方式定时100,其定时公式:100=(65536-X) (X是定时器装得初值)X=

23、63324当X=63324,定时器定时T=100.007233,其误差为:5.4 硬件调试（1）线路的通断测试：防止短路，断路。（2）在面包板上测试元器件是否损坏，没损坏的才焊接在电路板上。（3）焊接时注意安全，不能虚焊和脱焊，焊好后测试线路通断。（4）检测无误后，上电测试，观察硬件的功能是否实现。5.5 软件调试问题及解决5.5.1 LCD12864调试问题LCD12864开启时，先显示上次断电前的数据后再显示当前数据。12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。主要技术参数和显示特性: 电源：VDD3.3V+5V(内置升压电路，无需负压)；显示内容：128列×64行显示颜色：黄绿 显示角度：6：00钟直视LCD类型：STN 与MCU接口：8位或4位并行/3位串行配置LED背光 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。5.5.2 解决方案由于LCD12864采用串行显示,只需用到两个I/O口: SLK和SDATA.而复位键一直不选中.因此在初始化程序中加上清屏程序.每次开启12864时先清走原来的