基于单片机的时钟温度超声波液晶综合课程设计.docx
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基于单片机的时钟温度超声波液晶综合课程设计
摘要
单片微型计算机简称单片机,自20世纪70年代问世以来,以其极高的性能价格比,受到人们的重视和关注。
现在市场上的单片机有4、8、16、32位等几千种型号的单片机。
51单片机因其具有小巧灵活、成本低、易于产品化且能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表,面向控制,能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务、抗干扰能力强、适应温度范围宽、在各种恶劣条件下都能可靠地工作,等优点。
使其广泛应用于各种仪器仪表、机电一体化、实时工业控制、家用电器等领域。
单片机用于各种仪器仪表,一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度,使仪器仪表智能化,同时还简化了仪器仪表的硬件结构,从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。
如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。
机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体,具有智能化特征的各种机电产品。
单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。
典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。
单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。
电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。
在这类系统中,利用单片机作为系统控制器,可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法,实现期望的控制指标,从而提高生产效率和产品质量。
典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。
家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。
如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。
目录
一、项目设计方案…………………………………………………………………4
1.项目实现目标…………………………………………………………………4
2.项目特色……………………………………………………………………5
二、硬件部分设计…………………………………………………………………5
1.温度传感器介绍DS18B20…………………………………………………5
2.时钟芯片介绍DS1302………………………………………………………6
3.超声波模块HC-SR04………………………………………………………7
4.液晶显示模块12864………………………………………………………9
5.4*4矩阵键盘………………………………………………………………10
6.无源蜂鸣器…………………………………………………………………10
三、软件部分设计…………………………………………………………………11
1.工程的建立…………………………………………………………………11
2.主程序………………………………………………………………………11
3.账户登录部分设计…………………………………………………………15
4.时钟部设计…………………………………………………………………16
5.温度传感器设计……………………………………………………………17
6.超声波测距设计…………………………………………………………18
7.液晶显示图片设计………………………………………………………19
四、单片机实训小结………………………………………………………………20
五、参考文献………………………………………………………………………
一、项目设计方案
1.项目实现目标:
应用矩阵键盘设置一个个人账户登录系统、可以键入密码,密码正确则显示correct,且进入系统,可以进行下面的操作,密码错误则显示error且允许重新输入。
进入系统后按下第一个按键则进入时钟部分,时钟可设置时间、日期、星期、闹钟、且可实现闹钟的开关,当时钟时间等于闹钟时间则蜂鸣器响音乐。
按下第二个键则进入超声波测距部分,在12864液晶屏上显示。
按下第三个键则进入温度传感器部分,在12864液晶上实时显示温度。
按下第四个键,则12864液晶显示图片。
项目流程图
2.项目特色:
时钟部分大部分人做的时钟在调节日期和闹钟期间都让时钟停止刷新显示,而我的实现了实时刷新。
在闹钟部分我利用了无源蜂鸣器能根据不同频率可以演奏音乐的特点让其响音乐。
温度传感器部分貌似大部分人都只考虑了温度为正值的状态,我的考虑了零下的状态。
我还使用了12864的扩展功能,让其显示图片。
另外我建立了实训的工程,更能体现一个项目的特点。
二、硬件部分
1、温度传感器DS18B20:
1)DS18b20介绍:
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
2)DS18b20特点:
(1).只要求一个端口即可实现通信。
(2).在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
(3).实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
(4).测量温度范围在-55。
C到+125。
C之间。
(5).数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
(6).内部有温度上、下限告警设置。
3)DS18B20引脚功能及介绍:
TO-92封装的DS18B20的引脚排列见图1,其引脚功能描述见
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
DS18B20图片及引脚
4)DS18B20使用方法:
由于DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,而对AT89S51单片机来说,硬件上并不支持单总线协议,因此,我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序:
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始,如果要求单总线器件回送数据,在进行写命令后,主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
DS18B20的复位时序:
DS18B20的读时序:
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后,在15秒之内就得释放单总线,以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程,至少需要60us才能完成。
DS18B20的写时序:
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同,当要写0时序时,单总线要被拉低至少60us,保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平,当要写1时序时,单总线被拉低之后,在15us之内就得释放单总线。
DS18B20电路图
2.时钟芯片DS1302
1)DS1302时钟芯片介绍:
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片,附加31字节静态RAM,采用SPI三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年,一个月小与31天时可以自动调整,且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5~5.5V。
采用双电源供电(主电源和备用电源),可设置备用电源充电方式,提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
2)DS1302芯片特点:
(1)实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的
能力,还有闰年调整的能力
(2)318位暂存数据存储RAM
(3)串行I/O口方式使得管脚数量最少
(4)宽范围工作电压2.05.5V
(5)工作电流2.0V时,小于300nA
(6)读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符
组方式
(7)8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配
(8)简单3线接口
(9)与TTL兼容Vcc=5V
(10)可选工业级温度范围-40+85
(11)双电源管用于主电源和备份电源供应
3)DS18B20使用方法:
读写时序
读写寄存器
SEC:
秒寄存器,注意具体右边内容:
低四位为SEC,高的次三位为10SEC。
最高位CH为DS1302的运行标志,当CH=0时,DS1302内部时钟运行,反之CH=1时停止;
HR:
时寄存器,最高位为12/24小时的格式选择位,该位为1时表示12小时格式。
当设置为12小时显示格式时,第5位的高电平表示下午(PM);而当设置为24小时格式时,第5位位具体的时间数据。
CONTROL:
写保护寄存器,当该寄存器最高位WP为1时,DS1302只读不写,所以要在往DS1302写数据之前确保WP为0;
DS1302图片及引脚图
DS1302电路图
3.超声波模块HC-SR04
1)HC-SR04超声波介绍:
超声波是一种频率比较高的声音,指向性强.超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。
模块HC-SR04模块性能稳定,测度距离精确。
能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。
模块高精度,盲区(2cm)超近,稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据!
2)HC-SR04超声波特点:
(1).使用电压:
DC5V
(2).静态电流:
小于2mA
(3).电平输出:
高5V
(4).电平输出:
低0V
(5).感应角度:
不大于15度
(6).探测距离:
2cm-450cm
(7).高精度:
可达3mm
3)HC-SR04超声波使用方法:
一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了
超声波模块时序
HC-SR04模块图片
HC-SR04模块电路图
4.12864液晶显示模块:
12864液晶使用ST7920控制器,5V电压驱动,带背光,内置8192个16*16点阵、128个字符(8*16点阵)及64*256点阵显示RAM,与外部CPU接口有并行和串行两种控制方式。
本次使用的液晶为串行工作方式。
液晶模块的指令有基本指令和扩充指令。
带中文字库的128X64-0402B每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字,每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符,即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。
图形显示,先设垂直地址再设水平地址(连续写入两个字节的资料来完成垂直与水平的坐标地址),垂直地址范围AC5...AC0,水平地址范围AC3…AC0,绘图RAM的地址计数器(AC)只会对水平地址(X轴)自动加一,当水平地址=0FH时会重新设为00H但并不会对垂直地址做进位自动加一,故当连续写入多笔资料时,程序需自行判断垂直地址是否需重新设定。
12864液晶图片
12864液晶串行时序图
12864液晶电路图
5.4*4矩阵键盘:
4*4矩阵键盘是由八条数据线和16个按键组成的一个矩阵键盘,在单片机上用来节省IO口用按键扫描的方法可以实现用八个端口实现16个按键的功能,节省了单片机的IO资源,有着非常好的效果。
矩阵键盘电路图
6.无源蜂鸣器:
蜂鸣器根据结构不同分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器;而两种蜂鸣器又分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器,这里的源特指振荡源;有源蜂鸣器直接加电就可以响起,无源蜂鸣器需要我们给提供振荡源。
理想的振荡源为一定频率的方波。
无源蜂鸣器需要我们通过编程来控制I/0口的翻转来产生一定频率的方波信号。
我们通过定时器产生占空比为50%的标准的方波。
通过改变频率让蜂鸣器响出不同的音符。
无源蜂鸣器图片
蜂鸣器电路图
二、软件设计
1.工程的建立:
我建立了一个实训的工程,把每个模块放在一个“.c”文件中在建立每个“.C”文件对应的“.h”文件,把所有的小的“.h”文件在总的”.h”文件中包含一下,总的“.h”文件也被小的“.h”文件和总的“.c”文件包含。
小的“.h”文件中要对每个“.c”文件中的函数进行声明。
然后就是定义全局变量的方法,即在“.h”文件中用extern进行声明。
工程的建立有利于实现模块化编程,避免了程序的冗长,和杂乱,有利于程序的检查和调试。
3.账户登陆部分设计:
矩阵键盘用八个端口扩展成16个按键的功能,采用按键扫描的方式,可以识别不同的键按下,并使用标志位返回到主函数中去,方便进行操作。
键盘的10个为数字编码键盘,分别对应0-9等十位数。
单片机初始化后显示登录的界面,可以键入密码,密码为四位,每输入一位则显示输入,当输入四位密码后,按下登录键。
则与系统预设密码进行比较,如果输入的密码和系统设置密码相同则,显示correct并进入系统,如果输入错误则显示error并从新输入。
账户登录部分设计方案
账户登录部分效果图
4.时钟部分设计:
按照时序图写好读写的函数。
时钟数据存储时钟模块分为读时钟和写时钟,时钟芯片内部的存储方式是BCD码形式,我们在读出时钟内部的数据时要把BCD码转化成10进制数给各个变量,在写入时钟数据时,要把10进制转化为BCD码。
时钟数据存储时钟模块分为读时钟和写时钟,分别对应不同的地址,设计的一个步骤为先读出时钟的值,在液晶上显示,然后根据实际时间用按键进行设置,可设置的为时钟数据为年、月、日、时、分、秒、星期,也可以设置闹钟的时间,在程序中要注意不断的扫描显示,和每次改变时钟时要进行写操作,则芯片内部下次读出来的时间才正确。
对于闹钟的设置则设置两个变量,分别为时分,时分的数值可以用键盘调节。
当时钟时间等于设置时间时,如果闹钟按键打开则让蜂鸣器响。
时钟设计方案
时钟部分效果图
5.温度传感器部分设计:
温度传感器部分主要为和写函数的时序,写好读写函数之后,因为为一个从机模式,首先故跳过ROM,读温度时要进行初始化工作,并启动温度转换,读取16位值后前五位为符号位,后是十一位为数据位。
我们对温度值进行计算,用数据值乘以0.0625则读出了温度值,取出每一位后在液晶上进行显示。
温度传感器设计方案
温度传感器效果图
6.超声波部分设计:
超声波模块的使用方法为,利用单片机端口给发射口一个大于10us的电平,则超声波模块自动发射40KHZ的八个序列的方波,则输出脚产生一个高电平,我们用定时器记下高电平的时间,在利用公式distance=time/2.0*340/1000.0则测出了距离,通过取出每一位,在液晶屏上进行显示。
测距的公式表示为:
L=C×T式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
已知超声波速度C=344m/s(20℃室温)超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响,空气的密度越高则超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系,近似公式为:
C=C0+0.607×T℃式中:
C0为零度时的声波速度332m/s;T为实际温度(℃)。
对于超声波测距精度要求达到1mm时,就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。
超声波测距设计方案
超声波测距效果图
7.液晶显示图片设计:
模块化读写函数后,首先要开启液晶的扩展功能,设置图片不显示。
然后确定坐标位置,12864液晶为水平寻址,扩展功能x方向为自动寻址,即写入后自动后移,Y坐标需要进行设置,图片我们要用画图把它转换成128*64的单位色图,然后用取字模软件进行获取图片信息。
把它存在数组中,把信息写入液晶,设置显示图片,然后返回正常值,即可显示图片。
液晶显示图片设计方案
液晶显示图片效果图
四、单片机实训小结
时光荏苒,三周的单片机实训就这样过去了,在这三周的单片机实训期间我学到了许多东西,虽然我是创新实验室的学生,但是我还是感觉到,即便是51单片机也具有很强的功能,虽然已经接触了16位等其他单片机,但是通过课程的学习把51单片机的基础学牢,还是非常重要的,在这三周的时间李老师教了我们许多东西,他对硬件各个模块的典型讲解使我们每个人印象深刻,使我们受益匪浅,我们每天早上自觉地按时到实验室调试程序,每个同学都很认真,我还有几个同学在星期天的时间也在不断的调试程序,体现了每个人认真的态度和良好的学风。
本次课程设计我选择了比较综合的题目,应用了各个模块,实现了很多功能,我的程序大部分都是自己编写的,一个一个分析模块的时序收获了许多。
我的课程设计应用了矩阵键盘、1302时钟芯片、超声波模块、温度传感器、12864液晶显示模块、无源蜂鸣器。
所学内容多、内容充实,很好的锻炼了自己。
在此我要
感谢陪我们度过三周单片机实训的李鑫老师,没有他对工作认真负责的态度,就没有我们这三周的收获。
虽然单片机实训结束了,于嵌入式行业而言,单片机谈得上是基础,但是就连这样一门基础我们也没有熟悉掌握,对于日后ARM的学习就更是困难。
不过在实训中我们也学会了很多。
项目设计、功能选定、搭建硬件工作环境、编写软件程序,程序下载测试、程序最终实现,以及在项目设计中的团队分工与合作。
但作为创新实验室的学生我们还会一直和单片机打交道。
学习更多种类更高等级的单片机,嵌入式行业在我国日趋发展成熟,而嵌入式行业的人才却是十分紧缺,这就取决于嵌入式行业对技术型人才要求高的特点。
要想在嵌入式行业站稳脚,就必须要痛下苦工,敢于钻研。
相信通过日后的专业知识学习,我们会在嵌入式学习的道路上越走越远。
在以后的学习中我一定会发扬这三周实训的精神,不断的提高自己。
我知识去武装自己。
在此我要对带我们的李鑫老师说声谢谢!
!
参考文献:
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北京航空航天大学出版社,2001
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11.肖洪兵.单片机应用技术.自编教材
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