基于單片機的校園作息時間控制系統畢業論文-資料下載頁

【導讀】國內外發展現狀··················································································1. 本文設計內容與結構············································································2. 系統的設計思想···················································································4. 方案設計與論證·················&#18

　　

【正文】 82H 10 分 分 0059 85H 84H 24/12 0 10 時 時 112 023 AM/PM 87H 86H 0 0 10 日 日 131 89H 88H 0 0 10 月 月 112 8BH 8AH 0 0 0 0 0 周日 17 8DH 8CH 10 年 年 0099 8FH 8EH WP 0 0 0 0 0 0 0 — 此外 DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發寄存器及與 RAM 相關的寄存器等。時鐘突發寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內容。 電路設計 系統時鐘應用實時時鐘日歷芯片 DS1302，其連接如圖 35 所示 。該硬件電路設計簡單，抗干擾能力強。同時 DS1302 芯片計時精確，不受系統電源影響；外接鋰電池，提供斷電保護。 西南科技大學本科生畢業論文 14 圖 35 時鐘電路 如圖 35 所示， STC89C52 單片機 直接接 DS1302 的 RST 端，上電后，STC89C52 的 腳自動輸出高電平。 作為串行時鐘接口， 作為時鐘數據的 I/O。 DS1302 采用雙電源供電，平時由 +5V 電源供電，當 +5V 掉電之后，由圖35 中 B1（ +3V 備用鋰電池）供電。 特別需要注意 X1 和 X2 兩端連接的晶振 Y1，該晶振頻率為 。 鍵盤接口電路設計 根據功能需要，本時鐘需要設置以下功能鍵：時間設置鍵，手動自動模式設計鍵，打鈴設置鍵，路燈與教學樓燈點亮設置鍵，路燈與教學樓燈手動點亮鍵，手動打鈴鍵，加 1 操作鍵，減 1 操作鍵。 按照鍵盤與 CPU 的連接方式可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤是各個按鍵相互獨立，每個按鍵占用一個 I/O 口線，每根 I/O 口線上的按鍵不會影響其他 I/O 口上按鍵工作狀態。獨立式鍵盤電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根 I/O 口，在按鍵數量較多時， I/O 口線浪費較大，且電路結 構復雜。矩陣式鍵盤適合按鍵較多時使用。由于本設計的電子鐘最多需要 7 個按鍵，若采用矩陣式鍵盤時會有按鍵浪費，故采用的是獨立式鍵盤。并且對于內置了上拉電阻的I/O 引腳來說，外接上拉電阻沒有意義。鍵盤電路如圖 36 所示 。 圖 36 鍵盤接口原理圖 西南科技大學本科生畢業論文 15 顯示模塊設計 LCD1602 液晶顯示模塊 液晶顯示器以其微功耗、小體積、使用靈活等諸多優點在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用。液晶顯示器通常可分為兩大類：一類是點陣型，另一類是字符型。點陣型液晶通常面積較大，可以顯示圖形；而一般的字符型 液晶只有兩行，面積小，只能顯示字符和一些很簡單的圖形，簡單易控制且成本低。目前市面上的字符型液晶絕大多數是 LCD1602。 LCD1602 液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶 ， 可以顯示 2 行每行 16 個即 32 個字符，對比度可調 ， 黃綠色背光。其具體引腳圖如圖 37 所示。 圖 37 LCD1602 管腳圖 管腳功能 字符型 LCD 通常有 14 條引腳 線，市面 上也有很多 16 條引腳線的 LCD，多出來的 2 條線是電源線 VCC(15 腳 )和地線 GND(16 腳 )，其控制原理與 14 腳的LCD 完 全一樣 ，定義如 表 35 所示。 表 35 LCD1602 的引腳定義 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 電源正極 10 D3 Data I/O 3 VL 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O 4 RS 數據 /命令選擇端（ H/L） 12 D5 Data I/O 5 R/W 讀 /寫選擇端（ H/L） 13 D6 Data I/O 西南科技大學本科生畢業論文 16 6 E 使能信號 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負極 1602LCD 控制命令表 1602LCD 寄存器選擇控制表如表 36 所示。 表 36 寄存器選擇控制表 序號 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示開 /關控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符發生存貯器地址 0 0 0 1 字符發生存貯器地址 8 置數據存貯器地址 0 0 1 顯示數據存貯器地址 9 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數器地址 10 寫數到 CGRAM 或 DDRAM） 1 0 要寫的數據內容 11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數 1 1 讀出的數據內容 字符集 1602 液晶模塊內部的字符發生存 儲器 (CGROM)已 經存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小 寫、常用的符號和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母 “ A” 的代碼是01000001B(41H)，顯示時模塊把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來，就能看到字母 “ A” 。 因為 1602 識別的是 ASCII 碼，可以用 ASCII 碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如 “ A” 。 1602 的 16 進制 ASCII 碼表 見附錄 2。 電路設計 以單片機的 P0 口作為數據輸出口，傳送 DS1302 內的時、分、秒和年月日單元。由于 STC89C52 單片機的內部結構決定，所以用 P0 口作為數據 輸出時，需加上拉 西南科技大學本科生畢業論文 17 電阻。用單片機的 、 、 三個口作為 LCD1602 的控制口，用于控制LCD1602。并在 VEE 加上滑動變阻器 VR1，用于調 LCD 的背光對比度。具體設計如圖 38 所示。 圖 38 顯示部分原理圖 輸出控制模塊設計 輸出控制信號由 P3 的三個口 、 、 完成， 、 分別控制教學樓燈和路燈開關，用發光二極管模擬。 口控制上課時間打鈴，由蜂鳴器模擬。由于考慮保護原因，所以蜂鳴器用一個 PNP 驅動。發光二極管，蜂鳴器一端都連接電源。當控制 口 P3 口給低電平時，發光二極管、三極管導通，分別就實現了控制。控制表如 37 所示。 表 37 輸出部分控制表 （給 0 亮） （給 0 亮） （給 0 打鈴） 教室燈 路燈 電鈴 輸出部分原理如圖 39 所示。 西南科技大學本科生畢業論文 18 圖 39 輸出部分原理圖 本章小結 本章介紹了系統硬件電路的設計。按照原理框圖劃分為 主控模塊、時鐘模塊、鍵盤接口電路、顯示模塊、輸出控制模塊 等 五 部分。 在 主控 電路中，主要是從應用的角度對 STC89C52 單片機 的 內部結構、外部引腳 等進行了介紹，并進行了電路設計； 在 時鐘電路中 采用 DS1302 時鐘芯片，不受系統電源影響； 顯示電路主要介紹了 LCD1602 液晶顯示模塊的結構、字符集等以及電路設計 。然后對系統 鍵盤接口 電路和 輸出控制 電路的設計，加以了簡單的介紹。 西南科技大學本科生畢業論文 19 第 4 章 系統軟件設計 軟件 設計 是本系統的一個重要環節，本章采用模塊化的編程方式，根據系統軟件功能要求，系統 由 主程序、鍵盤 輸入服務 程序、顯示子程序組成程序 等 幾個部分組成 。 主程序設計 本軟件設計以時鐘顯示、鍵盤掃描為主程序。在設計中利循環函數，對各個模塊進行反復掃描。利用時鐘顯示函數，對實時時間進行顯示。利用時間比較函 數，對實時時間與設定時間進行比較，若比較相等，則說明作息時間已到，發出指令控制電鈴或照明電路的開、關操作。利用鍵盤掃描函數，對按鍵進行掃描。若有按鍵按下，則先判斷其類型，然后進行相應的操作。 主程序流程圖如圖 41 所示。 圖 41 主程序流程圖 顯示程序設計 顯示子程序模塊流程圖如圖 42 所示。 西南科技大學本科生畢業論文 20 圖 42 送顯程序流程圖 LCD1602 的程序設計可以從其引腳功能出發： LCD1602 的 第 4 腳 RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第 5 腳 RW 為讀寫信號線，高電平時進行讀 操作，低電平時進行寫操作。當 RS 和 RW 共同為低電平時可以寫入指令或顯示地址，當 RS 為低電平 RW 為高電平時可以讀忙信號，當 RS為高電平 RW 為低電平時可以寫入數據。第 6 腳 E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。 所以，當要向 LCD1602 寫數據時，可將 RS 端置 1， RW 端置 0，當向 LCD1602 寫指令時，可將 RS 端置 0， RW 端置 0，同時給個使能信號，即將 E 端先置 1，然后置 0，使之產生一個高電平跳變成低電平的信號，允許讀寫。 LCD 顯示讀寫數據的部分程序如下： write_1602(uchar )//****液晶寫入指令函數 **** { rs=0。//數據 /指令選擇置為指令 rw=0。 //讀寫選擇置為寫 P0=。//送入數據 delay(5)。 en=1。//拉高使能端，為制造有效的下降沿做準備 delay(5)。 en=0。//en 由高變低，產生下降沿，液晶執行命令 } 西南科技大學本科生畢業論文 21 write_1602dat(uchar dat)//***液晶寫入數據函數 **** { rs=1。//數據 /指令選擇置為數據 rw=0。 //讀寫選擇置為寫 P0=dat。//送入數據 delay(5)。 en=1。 //en 置高電平，為制造下降沿做準備 delay(5)。 en=0。 //en 由高變低，產生下降沿，液晶執行命令 } LCD1602 的初始化 LCD1602 的初始化代碼主要有以下幾條： 0x38： 設置 16*2 顯示， 5*7 點陣， 8 位數據接口 0x01： 清屏 0x0F： 開顯示，顯示光標，光標閃爍 0x08： 只開顯示 0x0e： 開顯示，顯示光標，光標不閃爍 0x0c： 開顯示，不顯示光標 0x06： 地址加一，當寫入數據的時候光標右移 0x02： return home 地址計數器 AC=0。（此時地址為 0x80） 光標歸原點，但是DDRAM 中斷內容不變 0x18： 光標和顯示一起向左移動 將以上代碼以寫指令的方式寫入就可以都 LCD1602 進行初始化設定： write_1602(0x0c)代表開顯示，不顯示光標； write_1602(0x06)代表整屏不移動，光標自動右移； write_1602(0x01)代表清顯示。 按鍵程序設計 按鍵模塊的設計主要體現在對時間設置按鍵，打鈴時間按鍵設定，路燈與教學樓燈開關時間按鍵設定， 上下調整按鍵的設 定 ， 按鍵模塊 子 程序流程圖如圖 43 所示。 西南科技大學本科生畢業論文 22 圖 43 鍵盤掃描子程序流程圖 在鍵盤掃描子程序中，定義一些變量來檢測單片機的 P1 口，因為 P1 個一端接地，所以當這些變量置 0 的時候，則代表某個鍵的按下。 在判斷其在按下調整鍵，用于調整各個時間時，可設一個變量，記錄按下的次數，并分別將數據調整指向要調整的地方，以便于上下按鍵的調整。 同時，在設計按鍵函數時，要注意消除抖動干擾，所以需加上消抖動程序。 輸出程序設計 輸出模塊的設計主要包括定時打鈴程序、教學樓燈路燈的定時開關程序。輸出模塊子程序流程圖如圖 44 所示。 西南科技大學本科生畢業論文 23 圖 44 輸出部分流程圖 輸出模塊其中之一是實現學生上課時間的打鈴，由于打鈴時間多繁等原因，將時間表設為三段，即上午、下午、晚上。每個時間段的首個打鈴時間可自己設置，設置好之后每個時間段的打鈴時間按表 42 所示打鈴。 表 42 作息時間控制表 時間 事件 動作 設定首時間： T1 第一節課上課鈴 蜂鳴器響，上課 40 分鐘 T1=T1+40 分鐘 第一節課下課鈴 蜂鳴器響，下課 10 分鐘 T1=T1+10 分鐘 第二節課上課鈴 蜂鳴器響，上課 40 分鐘 T1=T1+40 分鐘 第二節課下課鈴 蜂鳴器響，休息 30 分鐘 T1=T1+30 分鐘 第三節課上課鈴 蜂鳴器響，上課 40 分鐘 T1=T1+40 分鐘 第三節課下課鈴 蜂鳴器響，下課 10 分鐘 T1=T1+10 分鐘 第四節課上課鈴 蜂鳴器響，上課 40 分鐘 T1=T1+40 分鐘 第四節課下課鈴 蜂鳴器響，轉到下個時間 輸出模塊的另一部分是路燈與教學樓燈的定時點亮與開關。與打鈴相比路燈與教學樓燈的定時開關要簡單方便的多。它只需要先判斷是手動模式還是自動模式，在手動模式下，燈的開關能用之前設定的開關來控制點亮與熄滅，在自動模式下， 西南科技大學本科生畢業論文 24 只需讀取 DS1302 中的時間，與設定燈開 關相比較，若時間到了就輸出相應的指令，控制燈的開關。 時鐘程序設計 DS1302 時鐘芯片的軟件設計是一個很重要的部分。該程序主要實現對 DS1302寫保護、充電，對年、月、日、時、分、秒等寄存器的讀寫操作。在讀寫操作子程序中都執行了關中斷指令，因為在串行通信時對時序要求比較高，而且在此是用 I/O口軟件模擬串行時鐘脈沖，所以在通信過程中最好保證傳輸的連續性，不要允許中斷。其流程圖如圖 45 所示。 圖 45 實時時鐘日歷子程序流程圖 DS1302 每次上電時自動處于暫停狀態，必須把秒寄存器的位 7 置位 0，時 鐘才開始計時。如果 DS1302 一直沒有掉電，則不存在此問題。在進行寫操作時，需要先解除寫保護寄存器的 “ 禁止 ” 狀態。 當用多字節模式進行操作時，必須寫夠 8 字節。 本章小結 本章主要介紹了本設計軟件程序的具體設計。結合硬件，從主函數的具體設計到各個模塊的設計。從原因到過程，再到具體操作。由于本章的內容是以 C 程序的編寫為主，關系軟件的具體調試，而軟件硬件調試將會在下章具體闡述。 西南科技大學本科生畢業論文 25 第 5 章 系統仿真與硬件調試 系統仿真與硬件調試是系統設計的重要組成，本設計的調試工作分為軟件調試和硬件調試兩部分。 軟 件調試 軟件調試是在單片機 C51 編輯軟件 Keil 環境中進行的。該軟件提供了一個集成開發環境 uVision，它包括 C 編輯器、宏編輯器、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器。通過編譯、運行，可以檢查程序錯誤。 Keil C51 Keil C51 是德國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言集成開發環境 (IDE) 。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows 界面。目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型 軟件時更能體現高級語言的優勢。 Keil C51 可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。開發人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標文件 (.OBJ)。目標文件可由 LIB51 創建生成庫文件，也可以與庫文件一起經 L51 連接定位生成絕對目標文 件 (.ABS)。 ABS 文件由 OH51 轉換成標準的Hex 文件，以供調試器 dScope51 或 tScope51 使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。圖 51為 Vision2 較為全面的操作界面。 應用 Keil C51 軟件仿真，需對所使用元器件的工作方式和管腳連接方式十分了解。在軟件調試過程中要仔細耐心，即便是多寫或少些一兩個字符，都無法編譯成功。而有時往往在 Keil 中編譯、運行無錯，但燒錄到單片機中運行起來就會出錯，很可能是編程時管腳或時序編輯得不對。 西南科技大學本科生畢業論文 26 圖 51 Vision2 操作界面 Protues 仿真 軟件調試的另一種方式，應用仿真軟件搭建電路的軟件平臺，再導入程序進行仿真調試。如果電路出錯，可以在計算機上方便的修改電路，程序出錯可以重新編輯 程序，這種方法節時、省力，經濟、方便。筆者應用的仿真軟件為 Proteus。 Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發的電路分析和實物仿真軟件。該軟件的特點是： 實現了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、 RS232 動態仿真、 I2C 調試器、SPI 調試器、鍵盤和 LCD 系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。 提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各 個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如 Keil C51 uVision3等軟件。 西南科技大學本科生畢業論文 27 具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和 SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。該系統能夠使從事電路系統開發的專業技術人員加快電路系統的開發速度，縮短開發周期，節約開發成本，提高電子產品開發效率。 Proteus ISIS 的工作界面如圖 52 所示。 圖 52 Proteus ISIS 的工作界面 如圖 52 所示，區域 ① 為菜單及工具欄，區域 ② 為預覽區，區域 ③ 為元器件瀏覽區，區域 ④ 為編輯窗口，區域 ⑤ 為對象拾取區，區域 ⑥ 為元器件調整工具欄，區域 ⑦ 為運行工具條。 系統軟件仿真 通過 Porotues 與 Keil C51 聯調實現對本系統的軟件仿真，具體步驟如下： 將 Porotues 安裝目錄下的 MODELS 目 錄下的 文件復制到 KEIL C51 安裝目錄下的 BIN 文件夾下 ； 西南科技大學本科生畢業論文 28 修改 Keil 文件夾下的 文件 ， 在 [C51] 欄目下加 入 TDRV3=BIN\ (Proteus VSM Monitor51 Driver ) ； 打開 Protues，畫出相應電路，并在 Protues 的 Debug 菜單中選擇 use romote debug monior； 進入 Keil 的 project 菜單 ootion for target \工程名 \。在 DEBUG 選項中右欄上 部的下拉菜單選中 Protues VSM Monitir51 Driver； 在 Keil 中編寫程序，生成 HEX 文件，將其導入 Protues 的單片機中，點擊開始，開始仿真。 上電后 LCD 顯示如圖 53 所示。 圖 53 軟件仿真上電后 LCD 顯示 單擊時間調節鍵后 LCD 顯示 如圖 54 所示。 圖 54 擊時間調節鍵后 LCD 顯示 開燈時間到 LED 點亮如圖 55 示。 圖 55 開燈時間到 LED 點亮 西南科技大學本科生畢業論文 29 硬件調試 在單片機開發過程中，從硬件設計到軟件設計幾乎是開發者針對本系統特點親自完成的。這樣雖然可以 降低系統成本，提高系統的適應性，但是每個系統的調試占去了總開發時間的 2/3，可見調試的工作量比較大。單片機系統的硬件調試和軟件調試是不能分開的，許多硬件錯誤是在軟件調試中被發現和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結合起來調試以進一步排除故障。可見硬件的調試是基礎，如果硬件調試不通過，軟件設計則是無從做起。 硬件調試主要是在搭建好硬件平臺的基礎上， 利用開發系統、基本的測試儀器，通過執行開發系統有關的命令或者運行適當的測試程序來檢查用戶硬件中存在的故障，對系統 進行功能調試 。當硬件設計從布線到焊接 安裝完成之后，就開始進入硬件調試階段，調試大體分為以下幾步。 排除邏輯故障 這類故障往往由于設計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的印制板或者手工焊制的電路板認真對照原理圖，看兩者是否一致。應特別注意電源系統檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統總線（地址總線、數據總線和控制總線）是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用數字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。 排除元器件失效 造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件本身已損壞 ；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞。可以采取檢查元器件與設計要求的型號、規格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。 排除電源故障 在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和