单片机实现数码管显示亮度的按键控制和温度检测

学号1607080221天津城建大学单片机原理及接口技术课程设计设计说明书数码管显示亮度的按键控制设计起止日期：2019年1月2_日至2019年1月J1_日学生姓名 韩徐班级 16电信科2班成绩指导教师（签字）计算机与信息工程学院2019年1月11日天津城建大学课程设计任务书2018—2019学年第1学期计算机与信息工程学院电子信息科学与技术专业班级2班学号1607080221课程设计名称：单片机原理及应用A课程设计设计题目： 数码管显示亮度的按键控制设计完成期限：自2019年1月2日至2019年1月11日共2周设计依据、要求及主要内容：设计的目的进一步熟悉和掌握单片机系统设计和编程原理。掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性、控制方法。通过设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术。通过实际程序设计和调试，掌握模块化程序设计方法和调试技术。通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发单片机应用系统的全过程，为今后从事相应开发打下基础。设计的基本要求认识设计的意义，掌握设计工作程序，学会使用工具书和技术参考资料，并培养科学的设计思想和良好的设计作风。提高模型建立和设计能力，学会应用相关设计资料进行设计计算的方法。提高独立分析、解决问题的能力，逐步增强实际应用训练。设计的说明书要求简洁、通顺，电路图内容完整、清楚、规范。设计主要内容a） 设计实现功能STC12C5A60S2（引脚排序及基本功能同AT89S51）作为主控芯片，设计利用按键实现数码管亮度的调整。一是扩展DS18B20温度检测电路，并由数码管显示；二是扩展按键电路；三是利用按键调整数码管的亮度。b） 原理图设计原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。图中所使用的元器件要合理选用，电阻、电容等器件的参数要正确标明。原理图要完整，CPU、外围器件、外扩接口、输入/输出装置要一应俱全。c） 程序调计根据要求，将总体功能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整的程序流程图。d） 程序调试编写相关程序，并进行仿真。将程序下载到单片机，进行运行调试。e） 设计说明书原理图设计说明简要说明设计目的，原理图中所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程及顺序。程序设计说明对程序设计总体功能及结构进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述。画出工作原理图，程序流程图并给出相应的程序清单。指导教师（签字）： 教研室主任（签字）：批准日期：2019年1月2日TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章 设计任务及要求 1\o"CurrentDocument"1.1设计目的 11.2设计要求 11.3设计思路 1\o"CurrentDocument"第2章设计原理 22.1原理概括 22.2原理框图 2\o"CurrentDocument"第3章硬件电路设计 33.1 STC12C5A60S2主控芯片 33.1.1单片机简介 33.1.2STC系列单片机主要性能及特点 33.1.3外部引脚介绍 33.2数码管 43.3键盘 63.4温度传感器DS18B20 6\o"CurrentDocument"第4章 软件程序设计及调试 7\o"CurrentDocument"4.1程序流程图 7\o"CurrentDocument"4.2程序设计 74.3调试结果 8\o"CurrentDocument"第5章总结 9\o"CurrentDocument"参考文献 10\o"CurrentDocument"附录 11附录I设计原理图 11附录II元器件清单 12附录III源程序 12第1章设计任务及要求1.1设计目的本学期开设了单片机原理的相关课程，我们初步接触和掌握了单片机的一些知识，了解了单片机的起源、发展和应用，并且在平时的单片机实验当中进一步巩固了课堂上所学的知识。为了进一步加深对单片机原理的了解，对单片机应用的熟悉，本次课程设计，通过编程实现与单片机硬件设计深化单片机运行原理，2熟设单计要求流程，对于开发过程中遇到的问题进行分析并解决。以学院发放的单片机开发板为基础，设计电路，该电路使用到的器件有:DS18B20温度传感器、四位数码管、4x4矩阵按键以及主控芯片STC12C5A60S2。要求使用DS18B20测量当前温度，并由数码管来显示测量的温计，使用按键去控制数码管显示的亮度。当我看到我的这个题目以后，我开始去思考怎么实现相应功能。我的题目可以分成两部分来完成，第一部分就是先利用数码管显示出来温度。测量温度的实验我们已经做过，当时是在液晶屏幕上显示温度，我可以把那个程序拿过来加以改造，使之能在数码管上显示，这样第一部分就可以实现。第二部分就是利用按键控制数码管显示的亮度，按键分为独立按键和矩阵按键，对于矩阵按键可以采用线反转法来检测具体按下的按键。数码管的显示有静态和动态两种方法。在学习动态数码管显示的时候，我知道了改变延时的长短数码管显示的情况是不一样的，可以通过控制延时这个变量来控制数码管显示的亮度。两部分结合在一起就能实现我的题目。第2章设计原理72.17DS18B20芯片可以测量温度，并且把外界温度以数字信号方式输出，对于数字信号可以用单片机很方便地处理，单片机处理了来自DS18B20的温度信号后，可以把相应的温度值以数字信号方式输出。单片机输出的温度值信号给数码管，加上三极管驱动电路以后，数码管可以把表示数值的数字信号显示出来。由于题目要求改变其亮度，所以使用数码管动态显示，通过改变显示的数码管之间的延时来控制亮度。另方面，单片机还可以同时检测来自按键的输入信号，按下不同的按键，单片机做出不同的响应。本次设计当中感理框数码管之间的延时作为单片机对于按下不同按键的响应。大体的设计流程与想法如图1所示:图1图1原理框图第3章硬件电路设计3.1STC12C5A60S2主控芯片3.1.1单片机简介单片机就是在一片半导体硅片上，集成了中央处理单元CPU)、存储器(RAM、ROM)、中断系统、定时器/计数器、并行1/0、串行I/O、时钟电路及系统总线，用于测控领域的单片微型计算机，简称单片机。单片机的问世，是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，它标志着计算机正式形成了通用计算机和嵌入式计算机两大分支。单片机芯片体积小、成本低，可广泛地嵌入到工业控制单元、智能仪器仪表、机器人、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、汽车电子系统、玩具、个人信息终端以及通信产品中。20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，其中Intel公司推出的MCS-51系列单片机是一款设计成功、易掌握并在世界范围得到广泛普及应用的机型，这是最早进入我国并在我国得到广泛应用的机型。其中包括8051等产品。在这以后Intel公司把精力放在高档CPU的研发上，以专利转让或技术交换的形式把8051内核技术转让给了许多芯片厂家。STC系列单片机是我国具有独立自主知识产权，功能与抗干扰性强的增强型8051单片机。—t『3.1.2STC系列单片机主要性能及特点高速：比普通的8051快8〜12倍宽工作电压：3.8〜5.5V、2.4〜3.8V12KB/10KB/8KB/6KB/4KB片内flash程序存储器，擦写次数10万次以上512B片内的RAM数据存储器可在线编程，无需编程器或仿真器8通道的10位ADC，4路PWM输出4个定时器或4个外部中断2个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器硬件看门狗(WDT)高速SPI串口全双工异步串行口(UART)，兼容普通8051串口通用I/O口中的每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不可超过55mA超强抗干扰能力与高可靠性(名叫蜘介绍51单片机各引脚可以按照功能将其分成三类：电源和时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2编程控制引脚：RST、PSEN、ALE/PROG、EA/Vpp4组8位I/O口引脚：P0、P1、P2、P3下面对一些引脚简略介绍：Vcc，Vss是单片机电源引脚，外接对应的电压源，为单片机供电。XTAL1，XTAL2是外接时钟引脚，分别是片内振荡电路的输入端和输出端。RST是单片机的复位引脚，用来完成单片机的复位初始化操作。PSEN是程序存储器允许输出控制端，低电平有效，实现外部程序存储器单元的读操作。P0口是双向8位三态I/O口，每个口可独立控制。51单片机P0口内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常地输出

高/低电平，该组I/O口使用时需要外接上拉电阻。P1口是准双向8位I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻，这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，不是真正的双向I/O口，该口在作为输入使用前，要先向该口进行写1操作，单片机内部才可正确读出外部信号。P2口是准双向8位I/O口，与P1口类似。P3口是准双向8位I/O口，作为第一功能即普通I/O口使用时与P1口类似，作为第二功能使用时各引脚定义如下：P3.0串行输入口，P3.1串行输出口，P3.2外部中断0，P3.3外部中断1，P3.4定时器/计数器0外部输入端，P3.5定时器/计数器1外部输入端，P3.6外部数据存储器写脉冲，P3.7外部数据存储器读脉冲。51单片机的PDIP封装如图1所示：P1.0仁1U403Vcc RST1 20VccP1.1匚2 393P0.0 P3.0/RXD2 19 P1.7P1.2仁3 383P0.1 P3.1/TXD3 18 P1.6P1.3匚4 37P0.2 XTAL24117 P1.5P1.4仁5 3623P0.3 XTAL15016 P1.4P1.5仁6 353P0.4 P3.2/INT0 6215 P1.3P1.6仁7 1 343P0.5 P3.3/INT1 7914 P1.2P1.7°8 5 33=■P0.6 P3.4/T0 88 13 P1.1/AIN1RST/Vpd仁9 9 32°P0.7 P3.5/T1 9 12P1.0/AINCP3.0/RXD匚10/ 31=■EA/V_ GND10 11 P3.7P3.1/TXD匚11 1 30=*ale/progP3.2/INT0匚12C293PSENP3.3/INT1仁138 283P2.7 注：类似的还有Philips公司的P3.4/T0仁14 8 27°P2.6 87LPC64，20引脚P3.5/T1匚15 263P2.5 8XC748/750/（751），24引脚P3.6/WRc16 253P2.4 8X749（752），28引脚P3.7/RD匚17 243P2.3 8XC754，28引脚XTAL2匚18 23=>P2.2 等等XTAL1匚19 223P2.1Vss仁20 21°P2.0图2PDIP封装引脚图本次课程设计，我用到了单片机的P1口作为按键的数据输入输出控制口，P2口作为数码管段选控制管位选控制口。LED数码管是常见的显示器件，在家电领域应用极为广泛。LED数码管为“8”字型的，共计8段（包括小数点）或7段（无小数点），每一段对应一个发光二极管，有共阳极和共阴极两种。共阳极数码管的阳极连接在一起，公共阳极接到+5V上；共阴极数码管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。我的开发板上的数码管属于共阳极数码管，其内部结构如图2所示。对于共阳极数码管，当某个发光二极管的阴极接低电平时，该发光二极管被点亮，相应的段被显示。图3共阳极数码管结构

为了使数码管显示不同的字符，要把某些段点亮，就要为数码管的各段提供一个字节的二进制代码，即段码，习惯上以“a”段对应段码字节的最低位，共阳极数码管的段码如表1所示，如要在数码管上显示某一字符，只需将显示该字符的段码加到各段上即可。表1共阳极数码管段码显示字符字型码显示字符字型码00xc0C0xc610xf9d0xa120xa4E0x8630xb0F0x8e40x99P0x8c50x92U0xc160x82y0x9170xf8H0x8980x80L0xc790x90—0xbfA0x88全灭0xffb0x83全亮0x00数码管的显示方式有静态和动态两种，多位数码管工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5V），每位数码管的段码线分别与一个单片机控制的8位I/O口锁存器输出相连，由单片机送出显示信号供数码管显示。静态显示方式无闪烁，亮度较高，软件控制比较容易，但是占用单片机I/O口资源较多，如果显示位数较少，可采用静态显示方式。显示位数较多时，为节省I/O口与驱动电路的数目，常采用动态显示方式。这种方式是将所有数码管的段码线的相应段并联在一起，由一个8位I/O端口控制，而各显示位的公共端分别由另一单独的I/O端口控制，每一时刻，只有1位位选线有效，即只有一位数码管被点亮，每隔一定时间逐位地轮流点亮各数码管，由于数码管的余辉和人眼的“视觉暂留”作用，只要控制好数码管之间的点亮时间间隔，就可以造成“多位同时亮”的假象。这个时间间隔如果很短会造成发光很弱，时间间隔很长虽然亮度足够但是会有闪烁现象。本次课设的要求之一控制亮度，我就是利用数码管之间的延时来控制的，合理地调整延时长短，就可以让数码管亮度很暗但能看清，亮度很亮但不闪烁。开发板上使用的是一组四位LED数码管（如图4所示），段选端通过一个74HC573芯片连接到单片机的P0口，4个位选线经过三极管接到了Vcc上，三极管的基极以排针引出，可用杜邦线连接单片机实现位选。

3.3键盘图5轻触开关键盘具有向单片机输入数据、命令等功能，是人机对话的主要手段。键盘由若干按键按照一定规则组成，每一个按键实质就是一个开关。键盘有很多种类，最常见的是按键式键盘。键盘分编码键盘和非编码键盘，在单片机组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘。常见的非编码键盘有独立式键盘和矩阵式键盘两种结构，独立式键盘各按键相互独立，每个按键各接一条I/O口线，通过检测I/O口输入线的电平状态，能够判断哪个按键被按下。当按键数目较多时，独立式键盘占用单片机I/O口资源较多，这种情况下为了节省I/O口适合采用矩阵式键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，一个4x4的行列结构可构成16个按键，只需要一个8位的并行I/O口。开发板上使用的是一组4x4矩阵键盘，由16个轻触开关（又叫按键开关，使用时以满足操作力的条件向开关操作方向施压使开关闭合接通，当撤销压力时开关断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化来实现通断的，如图5所示）组成。每一行开关的相同端接在一根线上，每一列开关的相同端接在一根线上，总共引出行线和列线各4根，通过排针和跳线帽接到单片机的P1图5轻触开关3.4温度传感器DS18B20DS18B20芯片（如图6所示）属于单总线接口的数字温度传感器，温度测量范围是-55〜+128°C，DS18B20芯片体积小、功耗低，对于实时温度的测量结果可通过单总线以数字信号方式传输，省去了信号放大、A/D转换等外围电路。DS18B20有3个引脚，分别是Vcc、DQ和GND。单片机对每个DS18B20芯片通过总线DQ寻址，DQ为漏极开路，须加上拉电阻。每个芯片内都有64位ROM，其中存有16位序列号，它是器件的地址编号，能使器件被唯一地确定。常用的控制DS18B20的有下面几条指令：0x33（读DS18B20中ROM的编码）、0xcc（忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令）、0x44（启动DS18B20进行温度转换）、0xbe（读内部RAM中温度数据）、0x4e（发出向内部RAM的第2,3字节写上，下限温度数据命令）。开发板上使用单片机的P1.7口与DS18B20进行数据交换，P1.7、Vcc和GND已由排针引出，只要给开发板上DS18B20旁边的排针插上跳线帽即可。图6DS18B20芯片第4章软件程序设计及调试4.1程序流程图综合了以上所介绍的设计思路以及原理之后，整个题目的设计流程如图7所示:否温度值大于0结束开始/外界温度模./拟信号输入/数字信号温//度值输出，•••.'’图7程序流程图/按键信号/输入否温度值大于0结束开始/外界温度模./拟信号输入/数字信号温//度值输出，•••.'’图7程序流程图/按键信号/输入.是实际温度=十进制数据位除以169数码管显示与亮度调节延时增加或减少实际温度=十进制数据位取反加1再除以16DS18B20处理单片机4.2程序设计本次课设的难点在于DS18B20温度传感器的使用，如何用单片机控制DS18B20芯片进行温度读写是完成题目的关键，因此有必要了解DS18B20的工作时序：（1）初始化，包括①先将数据线置高电平1。②延时。③数据线拉到低电平0。④延时480到960微秒。⑤数据线拉到高电平1。⑥延时等待。⑦若CPU读到数据线上的低电平0后，还要进行延时。⑧将数据线再次拉到高电平1后结束°（2）DS18B20写数据，包括①数据线先置低电平0。②延时确定的时间为15微秒。③按从低位到高位的顺序发送数据。④延时45微秒。⑤将数据线拉到高电平1。⑥重复①到⑤步骤，直到发送完整个字节。⑦将数据线拉高到1。（3）DS18B20读数据，包括①将数据线拉高到1。②延时2微秒。③将数据线拉低到0。④延时6微秒。⑤将数据线拉高到1。⑥延时4微秒。⑦读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理。⑧延时30微秒。⑨重复①到⑦步骤，直到读取完一个字节。按照以上时序对DS18B20进行程序编写，我参考了做实验时

所用到的DS18B20显示温度的代码，加以更改使之能够正确使用。对于按键的检测就运用了线反转法，先检测行线再检测列线，行列交叉的位置就是按下按键的位置，由此计算出每一个按键的键值。单片机把温度值信号给数码管，数码管显示温度，使用含参数的延时函数控制数码管的动态显示，把得到的键值赋同的按键改变不同的参数，进而改变数码管显示亮度。具体的C语言代码见附录。如图8所示是将程序下载进开发板上以后的效果:图8调试结果可以看到，板子的右上角的四位数码管显示的是当前环境温度，用杜邦线将数码管与单片机连接起来，右下角是矩阵键盘，按下其中不同的按键，数码管的亮度是不一样的，从最暗到最亮，有16级调节，对应16个按键。这个效果，完成了题目的要求。第5章总结本次课程设计，综合了本学期学到的单片机的有关知识。课上，老师讲解了单片机的构造、原理和应用，通过对这门课程的学习，我逐渐地了解了我们身边的一些电子设备的工作原理以及方式，其实大都可以使用单片机来实现。单片机从诞生到现在，发展了这么多年，已经变得相当完善与强大，许许多多的电子产品里面，其实都能看到单片机的影子，单片机作为控制中心，应用的极为广泛。能够使用单片机和其他外围电路设计出符合要求的产品，也是我们这个专业需要掌握的技能之一，这次的课程设计，就模拟了这个过程，每个人都拿到了一份要求和一个开发板，我们就利用所学来设计出符合要求的作品，这个过程锻炼了我们对于使用单片机开发各种电路的能力。我们所学到的知识应该是能够用来在实践中利用的，否则将毫无意义，为了避免纸上谈兵，我们需要加强动手能力。经过了单片机这门课程的学习，我对单片机充满了兴趣，课后自己找资料深入学习其应用，这次课程设计的顺利实现，与我平时在业余时间里学习单片机密不可分，由此也可看出，兴趣果然是最好的老师。参考文献郭天祥.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2008：342—354张毅刚，赵光权，刘旺.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2015：292—296何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社，1993：232—245谭浩强.C程序设计.北京：清华大学出版社，1991：143—275徐君毅.单片微型计算机原理及应用.上海：上海科学技术出版社，1988：195—385附录1设计原理图附录数码管显示电踏图9数码管及其驱动部分图10按键部分R4ES1俱K)DS18B20测温电路图11DS18B20部分单片机FJI2pU-45FJ5Pkh7P17gELKTU'T]TOJ4WC31XI19X21HKST事附录附录11元器件清单序号名称型号数量说明1单片机STC12C5A60S212温度传感器DS18B2013瓷片电容10114瓷片电容10215电解电容4.7uf/16V16电阻8.2k17电阻4.7k18晶振11.0592MHz1附录血源程序关—STJF200R16图12主控芯片部分#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineKEYP1ucharCjianzhi(void);ucharah,al;uinttens,units,decile;chartemperature[2];floatwen_val;sbitDS1820_DQ=P1A7;voidDS18B20_Init();bitDS1820_Reset();voidDS1820_WriteData(ucharwData);ucharDS1820_ReadData();voidread_wendu();ucharcodeduanma[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};voidDigitalDisplay(tens,units,decile);voiddelayXus(uintn);voiddelayms(ttt);voiddelay10ms();voiddelayXus(uintn){while(--n);}uintttt;voiddelayms(ttt){uinti,j;for(i=ttt;i>0;i--)for(j=2;j>0;j--);}voiddelay10ms(){uchara,b,c;for(c=5;c>0;c--)for(b=4;b>0;b--)for(a=248;a>0;a--);}voidDS18B20_Init(){DS1820_Reset();DS1820_WriteData(0xCC);DS1820_WriteData(0x4E);DS1820_WriteData(0x20);DS1820_WriteData(0x00);DS1820_WriteData(0x7F);DS1820_Reset();}bitDS1820_Reset(){bitflag;DS1820_DQ=0;delayXus(480);DS1820_DQ=1;delayXus(80);flag=DS1820_DQ;delayXus(400);return(flag);}voidDS1820_WriteData(ucharwData){uchari;for(i=8;i>0;i--){DS1820_DQ=0;delayXus(4);DS1820_DQ=wData&0x01;delayXus(60);DS1820_DQ=1;wData>>=1;}}ucharDS1820_ReadData(){uchari,TmepData;for(i=8;i>0;i--){TmepData>>=1;DS1820_DQ=0;delayXus(4);DS1820_DQ=1;delayXus(8);if(DS1820_DQ==1){TmepData|=0x80;}delayXus(60);DS1820_DQ=1;}return(TmepData);}voidread_wendu(){uchari;DS1820_Reset();DS1820_WriteData(0xcc);DS1820_WriteData(0x44);DS1820_Reset();DS1820_WriteData(0xcc);DS1820_WriteData(0xbe);for(i=0;i<2;i++){temperature[i]=DS1820_ReadData();}DS1820_Reset();}voidDigitalDisplay(tens,units,decile){read_wendu();ah=temperature[1]<<4;ah&=0xf0;al=temperature[0]>>4;al&=0x0f;ah=ah|al;al=temperature[0]&0x0