毕业设计-基于单片机的催眠器设计

苏州市职业大学机电工程系毕业设计说明书（论文）PAGEPAGE1PAGE1目录1绪论 12硬件电路设计 22.1总体设计 22.2单元电路设计 22.2.1单片机最小系统设计 22.2.2稳压电路设计 32.2.3变压器电路设计 52.2.4控制电路设计 72.2.5复位电路 93软件设计 113.1程序流程 114催眠电路绘图 124.1Protel软件简介 124.2原理图绘制 135电路仿真 145.1仿真设置 145.1.1原理图绘制过程 145.2程序编译 165.3仿真 185.4仿真结果 196硬件电路制作与调试 216.1电路焊接 216.1.1电路板的制作 216.1.2焊接 226.2实验板设计及程序写入 226.3电路调试 246.3.1检查硬件连接 246.3.2检查软件系统 246.4调试结果 257结论 26参考文献 27附录 28源程序： 281绪论睡眠是每个人在生命中都必须满足的一种绝对需要，就像食物和水一样。科学证明：人只要缺乏睡眠，失眠或是睡眠质量不高，就会变得坐立不安，情绪波动，记忆力减退，判断能力下降，甚至出现一些错觉和幻觉，以致难以坚持日常生活和活动。人的一生当中大约有三分之一的时间用于睡眠，所以，睡眠对每个人来讲，都是不可或缺的生命需要。基于上述原因设计了一款简易催眠器，此催眠器能产生的轻微的声音和微弱的灯光闪烁，让你的心情因柔和的声音和光线产生一种莫名的安宁，从而让自己的心理进入一种轻松缥缈的境地。这种心理对有以上症状的人非常有益，可以让人的精神彻底放松，享受清净。从而在这种状态中静静入睡，睡眠质量将得到很大改善。要求设计一催眠器，该催眠器以单片机为核心设计一款催眠电路，产生一定频率的音频信号和光信号，该音频信号驱动铃发出相应的声音，光信号驱动LED灯不断闪烁。这样人通过不断变化的音频信号和闪烁不断的光信号，会产生一种困倦感，从而能够达到快速入眠的目的。

2硬件电路设计2.1总体设计按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由单片机控制模块、电源模块、光耦合器模块等模块组成。电路系统构成框图如图2-1所示。单片机使用51系列AT89C2051单片机，电源模块使用7805稳压电路，控制、升压电路主要有变压器，光耦合器组成。图2-1系统设计框图2.2单元电路设计2.2.1单片机最小系统设计AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图2-2所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。AT89C2051引脚如图2-2所示。图2-2单片机引脚图AT89C2051芯片的20个引脚功能为：VCC电源电压。GND接地。RST复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡放大器的输出。P1口8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。P3口引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制。2.2.2稳压电路设计稳压器是一种能自动调整输出电压的供电电路或供电设备，其作用是将波动较大和不符合电器设备要求的电源电压稳定在它的设定值范围内，使各种电路或电器设备能在额定工作电压下正常工作。稳压器能将直流电压进行降压处理并稳定为某一固定的值后输出。如三端稳压器7805（7905）可将小于35V（-35V）的电压降成稳定的5V(-5V)输出电压，它比只使用一只稳压二极管进行稳压的电路要好得多，成本也不是很高，所以应用还是很广泛的。常见的三端稳压器有正电压和负电压之分。正电压的有78XX系列、负电压的有79XX系列。当然，稳压器并非只有这两个系列，而且还有四端稳压器和五端稳压器，后者在电脑系统中最为常见。稳压器是有小、中、大功率之分的，在代换时不要用小功率的去代大功率的，但用大功率的去代换小功率的是没有任何问题的。在品牌方面，质量不好的稳压器的稳压值和标称值的误差是很大的，甚至有些品牌的稳压器的热稳定性能非常不好，常常引发奇怪的故障。经过实践应用，有四个品牌的质量和性能比较好，它们分别是：ST（意法）、AN（松下）、LM（美国国半）、MC（摩托罗拉），它们具体的品牌可从型号的前缀中看出来。本设计用的是7805稳压器，它将输出电压保持在12V。W7812为三端固定正12V输入的集成稳压器，7805引脚图如图2-3所示。图2-37805引脚图1.7805简介三端固定输出电压式稳定电源7805，运用其器件内部电路来实现过电压保护、过电流保护、过热保护，这使它的性能很稳定；能够实现1A以上的输出电流，器件具有良好的温度系数；7805有多种电压输出值5V~24V，因此产品的应用范围很广泛，可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为+-3%和+-5%。三端稳压集成电路7805，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78xx系列和负电压的79xx系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的晶体管，T0220的标准封装，也有9013样子的TO92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过电流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为+6V，7909表示输出电压为-9V。因为三端固定集成稳压电路使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。2.7805应用电路78XX系列集成稳压器的典型应用电路如图7-5所示，这是一个输出+5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板。7805在降压电路中应注意一下事项：输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；输出电流不能太大，1.5A是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；输入输出压差也不能太小，大小则电压调整精度很差。2.2.3变压器电路设计变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。1变压器分类按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。

按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。2变压器的特性参数工作频率：变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。额定功率：在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。额定电压：指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。空载电流：变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。空载损耗：指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。效率：指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。绝缘电阻：表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。3原理演示图2-4变压器原理图变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图2-4）：当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为：E=4.44fNØm，式中：E--感应电势有效值，f--频率，N--匝数，Øm--主磁通最大值。由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。2.2.4控制电路设计1.TLP521光耦合器简介（1）TLP521光耦合器的定义光耦合器亦称光电隔离器，是开关电源电路中常用的器件。（2）TLP521光耦合器的工作原理光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强大的共模抑制能力。所以它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。（3）TLP521光耦合器的优点光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来的新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电气转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谢振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。（4）TLP521光耦合器引脚及结构P521是TLP521的简称，图2-5是其引脚图。引脚图中器件名的后缀“-1”表示包含一组。1：阳极2：阴极3：发射极4：集电极图2-5TLP521引脚图2.IRF840简介IRF840是一种N沟道增强型硅效应晶体管，它采用的是一种先进的功率MOSFET设计，测试时能够保证指定的承受水平。（1）TLP521IRF840的特征1）dv/dt为额定值；2、重复额定雪崩；3、快速切换；4、易于并联；5、简单的驱动需求。（2）TLP521IRF840描述IRF840是一种N沟道增强型硅效应晶体管，其特点是大电流、高功率、开关速度较快。使用时要注意驱动电路的设计，理论上MOS管的栅极是绝缘的，属于电压驱动，不需要电流，但实际上由于结电容的存在，工作于高频开关状态时，需要较大的驱动电流，否则会由于不完全导通使管子烧毁，但可以直接并联使用。由于其导通电阻低，常用作开关稳压器、开关转换器、电机驱动器、继电器驱动器，以及大功率驱动器等大电流应用的场合。它的器件型号、封装如表2-1所示。PARTNUMBERPACKAGEBRANDIRF840TO-220ABIRF840表2-1IRF840型号封装（3）TLP521IRF840引脚图,如图2-6图2-6IRF840引脚图2.2.5复位电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为结论经过几个月的毕业设计，我对自己的专业知识有了更深的理解。在做毕业设计的过程中遇到了很多困难，在解决这些困难的的同时，我收获颇多，进一步提高了我的认知能力，动手能力，分析解决问题的能力，为以后的学习积累了经验。当然只靠我一个人毕业设计很难完成，在这过程我的导师和同学们给我很多帮助和支持，我非常感谢他们。这次毕业设计的题目是催眠电路的设计与制作，它能产生单调重复的“哒、哒”响声并伴随着灯光不断闪烁，帮助那些失眠的人快速入睡。经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个大专生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师王峰，金芬老师。两位老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是两位老师仍然细心地纠正图中的错误。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。在此，谨向两位老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！他们的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

其次要感谢帮助我的同学们，他们在本次设计中给我提供了很多帮助，我从中学到了很多。然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢我的母校苏州市职业大学三年来对我的大力栽培。

参考文献［1］周瑞景．单片机电路设计、分析与制作[J].《机械工业出版社》出版社.2010.第193期.4-7.［2］陈成全，焊接现场单片机系统抗干扰措施综述，中国科技信息，2005No．4.［3］谢自美．电子线路设计．北京：科学出版社.2002:102-153.［4］王永生.电子测量学[M].西北工业大学出版社.2003.［5］李华．单片机实用接口技术[M].航空航天大学出版社.2006.［6］张鹏．王雪梅.单片机原理与应用实例教程[M].海军出版社.2007.［7］赫建国等.单片机在电子电路设计中的应用[M].清华大学出版社.2005.［8］康华光．电子技术基础（模拟部分）[M].高等教育出版社.1998．［9］/s_LM7805.html.LM7805英文参考手册[Z]［10］谢自美．电子线路设计与实验[M].华中科技大学出版社.2006.［11］皮大能，单片机控制系统抗于扰技术，机械制造与自动化，2005v01．34N。［12］康华光．电子技术基础（数字部分）[M].高等教育出版社.1998.［13］赖麒文.8051单片机C语言软件设计的艺术[M].科学出版社.2004附录源程序：基于AT89C2051单片机催眠电路程序清单如下：DELAYTIMEEQU31HexechiEQU32HexecloEQU33HmainhiEQU34HmainloEQU35HORG000HAJMPMAIN;ORG003HAJMPinter0ORG1bHAJMPT1intORG30HMAIN:MOVDPTR,#wavestar;CLREX0; MOVSP,#07; MOVexechi,#00H; MOVexeclo,#60H; MOVmainhi,#00; MOVmainlo,#30H MOVTMOD,#10H; MOVTH1,#03cH; MOVTL1,#0ffH;SETBEA; SETBET1; SETBTR1; MOVR0,#03; MOVR3,#00H ORG0060Hexecu:freq1:CJNER0,#01,freq2; ACALLdisp06; AJMPfreq1;freq2:CJNER0,#02,freq3; ACALLdisp08; AJMPfreq2;freq3:CJNER0,#03,freq4; ACALLdisp10; AJMPfreq3freq4:CJNER0,#04,freq5; ACALLdisp12; AJMPfreq4;freq5:CJNER0,#05,freq6; ACALLdisp14; AJMPfreq5freq6:CJNER0,#06,nxtrnd; ACALLdisp16; AJMPfreq6nxtrnd:CLRET1; CLRIE0 SETBEX0; SETBIT0; SETBPX0; SETBP1.2; SETBP1.3; SETBP3.0; SJMP$; AJMPexecu;disp06:MOVA,#00H;loopd06:MOVdelaytime,#30H;delay06:MOVR2,#66;deloop06:DJNZR2,deloop06; DJNZdelaytime,delay06; MOVR1,A; MOVCA,@A+DPTR; RLA; RLA; MOVP1,A MOVA,R1; INCA; CJNEA,#00H,loopd06; RET;disp08:MOVA,#00H;loopd08:MOVdelaytime,#30H;delay08:MOVR2,#49;deloop08:DJNZR2,deloop08; DJNZdelaytime,delay08; MOVR1,A; MOVCA,@A+DPTR; RLA; RLA; MOVP1,A MOVA,R1; INCA; CJNEA,#00H,loopd08; RETdisp10:MOVA,#00H;loopd10:MOVdelaytime,#030H;delay10:MOVR2,#39;deloop10:DJNZR2,deloop10; DJNZdelaytime,delay10; MOVR1,A; MOVCA,@A+DPTR; RLA; RLA; MOVP1,A MOVA,R1; INCA; CJNEA,#00H,loopd10; RETdisp12:MOVA,#00H;loopd12:MOVdelaytime,#30H;delay12:MOVR2,#32;deloop12:DJNZR2,deloop12; DJNZdelaytime,delay12; MOVR1,A; MOVCA,@A+DPTR; RLA; RLA; MOVP1,A MOVA,R1; INCA; CJNEA,#00H,loopd12; RET;disp14:MOVA,#00H;loopd14:MOVdelaytime,#30H;delay14:MOVR2,#28;deloop14:DJNZR2,deloop14; DJNZdelaytime,delay14; MOVR1,A; MOVCA,@A+DPTR; RLA; RLA; MOVP1,A MOVA,R1; INCA; CJNEA,#00H,loopd14; RET;disp16:MOVA,#00H;loopd16:MOVdelaytime,#31H;delay16:MOVR2,#23;deloop16:DJNZR2,deloop16; DJNZdelaytime,delay16; MOVR1,A; MOVCA,@A+DPTR; RLA; RLA; MOVP1,A MOVA,R1; INCA; CJNEA,#00H,loopd16; RET;t1int:INCR3; CJNER3,#24,load; CPLP3.0; INCR4; CJNER4,#100,next; MOVR4,#00; MOVR3