智能健身计数器230800.docx
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智能健身计数器230800.docx
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智能健身计数器230800
目录
第一章概述1
1.1设计背景及依据1
1.2设计开发1
1.3功能要求1
第二章系统基本方案设计3
2.1核心控制其的选择方案3
2.2STC单片机芯片的选择方案3
2.3 显示模块选择方案和论证4
2.4键盘模块的选择4
2.5电源模块的选择4
2.6 系统总体方案4
2.7健身计数器实物设计模式5
第三章软件介绍10
3.1Protel99se介绍10
3.1.1Protel原理图绘制流程图10
3.1.2PCB制作10
3.1.3PCB布局规则11
3.2Protues介绍12
3.2.1proteus特点12
3.2.2proteus功能12
3.3KEILuVision4的介绍13
第四章系统硬件14
4.1微处理器介绍14
4.2单片机最小系统主要单元电路的设计16
4.2.1单片机控制模块的设计16
4.2.2单片机最小系统原理图的设计18
4.2.3单片机最小系统实物展示18
4.3继电器简介21
4.3.1继电器的定义21
4.3.2继电器的工作原理21
4.3.3继电器的继电特性21
4.3.4继电器的使用注意事项22
4.3.5继电器触点保护电路22
4.4电源部分简介24
4.5光耦PC817B简介26
4.6输出数码管显示器LED简介28
第五章系统的硬件设计与实现31
5.1电路设计原理图31
5.2电路设计PCB图32
5.3电路设计protues仿真32
5.4实物展示图33
第六章系统的软件、程序设计34
第七章系统的调试以及遇到的问题34
6.1硬件调试34
6.2焊接出现的问题35
总结36
致谢37
参考文献38
附录一:
39
摘要
现在的社会是一个信息科技高速发展的社会,也是一个电子技术和微机计算机迅速发展的时代,单片机在扮演了重要角色。
单片机的档次和水平在不断的提高,其应用的领域和范围也越来越广,成为现代电子系统的重要智能化核心部分。
本设计是根据我们所学的单片机课程,按照课程要求进行的毕业设计。
单片机计数是一个不可或缺的技术,尤其对电气自动化专业来说是必须要掌握的技能之一,是我们未来工作和生活的根本。
随着计数器技术的不断发展与进步,计数器的种类越来越多,应用的范围越来越广,随之而来的竞争也越来越激烈。
过硬的技术也成为众多生产厂商竞争的焦点之一。
厂商为了在竞争中处于不败之地,从而不断的改进技术,增加产品的种类。
本系统由STC单片机系统、四位LED显示、传感器和报警系统组成。
系统能完成计数、报警的功能。
除上述基本的功能外,还具有很强的抗干扰能力,节能等功能,依据实际的情况还可以添加选用外部供电功能。
本系统成本低廉,功能实用,在市场上没有相关的产品。
关键词:
单片机;LED显示;传感器;报警;节能。
Abstract
Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,intelligentandautomationtechnologyismoreandmorepopular,allkindsofhi-techalsowidelyusedinintelligentrobottlongoycarandmanufacturingfield,makeintelligentrobotmoreandmorediverse.Intelligentcarisavarietyofhigh-payingtechnologyintegrationbody,itincorporatesmechanical,electronic,sensors,computerhardware,software,artificialintelligenceandmanyothersubjectknowledge,caninvolvesmanyoftoday'scurrentareasoftechnology.Thiscardesignmainlybythesinglechipmicrocomputercontrolsystemmodule,module,motordrivermodule,infraredinspectionmoduleandtothewirelessdigitalmodulecomposition,systemtoSTC89C52microcontrollerasthecore,settoforeigncontrol,useLEDdisplay、xygensensor、callthepolice、energysavinglinearregulatorchiptovoltagestabilityofcontrolforsinglechipmicrocomputerandotherperipheralsforthereliablepowersupply,usinginfraredtothemoduleblackandwhitesignaldetection,
Keywords:
Singlechipmicrocomputer、LEDdisplay、oxygensensor、callthepolice,energysaving
第一章概述
1.1设计背景及依据
随着社会的不断发展,人们的生活速度越来越快,基本上没有很多的时间进行锻炼。
现在工厂专门给运动员、消防队员、武警队员、救护队员等作为体能训练用的一套健身器材,对体能、对臂力进行考核,比如说当重物码块下来的时候是沉在底端的,现在通过拉钢丝绳(从圆筒支架底端距离人大概有5米),当把这个重物拉高到不低于1.5米的高度,次数不小于400次时,表示测试人员体能测试合格,超过450次为测试优秀。
原来测试的时候没有计数器,都是人工记数,在锻炼的时候一边要锻炼一边要自己计数,计的次数多了就容易忘记,此方法有很多缺陷。
在此基础上,本人跟着老师去工厂进行调研,搞一个能电池供电的,自动计数并且能显示计数次数的装置,此法方便了锻炼人员,有很高的可行性。
按照设计任务书给定的要求,来完成智能健身计数器的开发。
1.2设计开发
设计并制作一套健身计数器材运动装置,该装置由圆筒立柱、滑轮、重物码块、传感器等部分构成。
装置外形大小要求高1.8m,以及重物码块25公斤。
圆筒支架顶端到支架底端的长度规定在1.5的范围内:
运动装置结构示意图如图1.1
图1.1健身计数器结构示意图
1.3功能要求
1、基本要求
(1)适于野外使用,抗干扰能力强;
(2)采用外部供电;
(3)采用软件编程,实现节能、休眠功能;
(4)采用四位一寸共阳数码管。
2、创新要求
(1)具有节能、节电功能;
(2)使用时间长大于等于20天
(3)其他。
第二章系统基本方案设计
本题目是设计并制作一个健身计数器控制系统,通过计数器控制装置,对其系统改为机器自动化计数,根据设计任务的要求,为了完成达到设计控制的目标,本系统所设计的核心问题主要有:
1、为保证系统节能、功耗低,必须对应用方面进行选择。
2、为保证系统的精度要求,必须要对拉钢丝绳进行实时测试。
3、为保证环境、使用时间长,还需要相应电源及显示电路。
我们分以下几个分进行方案设计和比较论证。
2.1核心控制其的选择方案
方案一:
采用PLC作为核心,PLC的可靠性高,抗干扰能力强;在设想问题中,需要用电池供电,PLC用电池供电显然能耗很大,所以此方案不建议采用。
方案二:
采用STC单片机,单片机具有节能、功耗低、高性能的特性,刚好适用设计方案的实现,所以在此设计中采用单片机。
经上述方案选择对比,确定本次设计核心控制系统采用STC单片机。
2.2STC单片机芯片的选择方案
基于STC单片机的智能健身计数设计是属于单片机应用系统。
确定单片机控制器是进行系统设计最重要、最关键的一步。
然而市面上的单片机种类繁多,从高端的32位到低端的4位即使同一种位处理器的单片机也有着繁多的型号。
方案一:
采用STC89C51芯片作为硬件核心,采用FlashROM,内部只具有4KBROM存储空间,由于本设计程序比较长,单片机内部的FlashROM不够,需要加外部扩展芯片,电路设计较为复杂;同时具有在线编程能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二:
系统采用STC89C52,STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
经上述方案选择对比,确定本次设计单片机芯片的选择,采用STC单片机系统选择第二种方案。
虽然STC89C51具有较强的功能,但在本次设计当中,用到的片内资源较多,使用STC89C51不足以满足设计需要,因此系统选择第二种方案。
2.3 显示模块选择方案和论证
方案一:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成;对于显示较多文字显示效果较差,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,节能性比较差,所以点阵数码管在本设计中不合适。
方案二:
采用LED一寸数码管,进行动态扫描,利用动态扫描降低电流消耗,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,显示效果比较好,并且采用LED数码管显示很醒目,所以在此设计中采用,一寸的LED数码管显示。
经上述方案选择对比,确定本次设计系统采用方案二数码管显示
2.4键盘模块的选择
方案一:
使用独立式键盘,独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
独立式按键电路配置灵活,软件结构简单。
方案二:
使用矩阵式键盘,矩阵式键盘是由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上,行线、列线分别连接到按键开关的两端。
其特点是简单且不增加成本,这种键盘适合按键数量较多的场合。
经上述方案选择对比,因本系统需要的按键不多,要求简单;所以采用方案一独立式键盘。
2.5电源模块的选择
方案一:
使用变压器供电,变压器从一个电源端直接引入电源,通过变压器之后再由接收端从变压器端引入,中间通过一个变压器就很麻烦,不方便、有局限性,也不适合用于现场操作。
方案二:
使用输出电压为12V,恒压电源能够对负载输出恒定电压的电源。
理想的恒压电源的内阻为零,使用时不能短路,刚好适用于本系统。
经上述方案选择对比,确定本次设计系统采用方案二数码管显示
2.6 系统总体方案
根据设计任务书和上述控制方案的选择性设计,确定采用STC单片机为核心控制器,外部有电源模块、光耦传感器、数码管显示、状态指示模块、四个独立按键以及蜂鸣器构成设计。
该系统装置电源模块利用外部锂电子供电,通过2596将12V电源转为5V供电,重物模块通过传感器与光耦来感知重物,状态指示模块通过四个独立按钮来控制,四位一寸共阳数码管通过单片机的P0端口和P2端口来加以控制,另外有蜂鸣器来发出声音,提示正在使用锻炼器材的人体能测试合格。
其控制系统总体方案框图如上图2.1所示。
图2.1健身计数器系统组成框图
2.7健身计数器实物设计模式
健身计数器的构成由圆筒立柱、滑轮、重物码块、传感器等部分构成,重物码块安装在支架的底端,在支架的2/3处安装控制箱及传感器。
根据老师的科研项目,对实物进行了三维设计和装配仿真。
如下图2.2机箱、传感器结构安装的系统图
如下图2.3机箱及圆筒支架结构安装的系统图
如下图2.4机箱及检测传感器的安装
如下图2.5总体结构安装的系统图
图2.2机箱、传感器结构安装的示意图
图2.3机箱及圆筒支架结构安装的系统图
图2.4机箱及检测传感器的安装
图2.5总体结构安装的系统图
第三章软件介绍
3.1Protel99se介绍
Protel是ProtelTechnology公司的产品,它是一个基于Windows平台的32位EDA(ElectronicDesignAutomation)设计系统,具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活有序的设计管理手段,它为用户提供了极其丰富的原理图元件库、PCB元件库以及出色的在线库编辑和库管理,良好的开放性还使它可以兼容多种格式的设计文件。
Protel99还支持Windows平台上的所有输出外设,提供高分辨率的光绘文件,使用户可以轻松地控制电子线路设计的全过程。
3.1.1Protel原理图绘制流程图
使用Protel进行电路板设计的第一步便是设计原理图,原理图决定了整个电路的基本功能,也是接下来生成网络表和设计印刷电路板的基础,绘制原理图流程如图3.1所示。
①在Protel99的初始界面下新建一个设计库,该数据库用来管理项目。
②进入设计库文件中的文件夹Document。
③在Document文件夹中新建原理图文件和印制板文件。
④打开原理图文件。
⑤添加原理图文件库。
⑥放置电路所需的各种元件,图件,网络标号等元器件。
⑦对原图元件进行布局,布线,构成一个完整的原理图。
⑧编辑和调整。
然后进行输出存档。
图3.1绘制原理图流程
3.1.2PCB制作
用PCB系统设计PCB板分以下7个步骤:
①有关参数的设置。
这一步主要设定自动布参数、自动布线参数、板面参数等。
②PCB板尺寸设计。
在禁止布线层上,沿设计的PCB边画边框线,即指定自动布局的范围。
这一步为自动布局打基础。
同时,在上层板面(即元器件面)沿禁止布线层的边框图线放置铜线,这是PCB板最后成型所必须的。
③布局就是根据原理图上元器件之间的连接关系,并考虑电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等,总是将元器件放置在PCB电路板上适当的位置。
布局的好坏直接影响PCB板的电气性能和布局的功能,是PCB板设计过程中最费时、最繁琐的。
布局工作需要耐心、细致。
尽管系统提供了自动布局的功能,但是一般而言都需要手工调整。
手工布局,首先载入SCH生成的网络表,通过手工移动元器件PCB板上的排列位置实现布局。
移动元器件是最好打开网络连接显示,这样就能观察到相邻元器件连线的疏密。
自动布局,PCB系统环境提供自动布局功能完成元器件放置,但在细节处最好使用手工调整。
布局时要求相互间连线多的元器件应该就近放置;相互间可能造成干扰的元器件应远离:
功率器件应考虑散热空间。
④自动布线。
布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程,这一过程可以通过手工完成,也可以自动进行。
但是Protel99的PCB系统提供了强大的自动布线功能,建议使用该功能自动布线。
在进行自动布线之前,设计人员必须先设计好布线参数,定义布线规则。
如果不适当,可能会导致自动布线失败,即布线的成功率不高,所以这步要特别注意
⑤启动设计规则检查DRC,这一步利用PCB提供的DRC功能对完成布线的PCB板进行检查,这一步由软件自动完成。
检查的结果输出在报告文件*.rep中,PCB软件将出错处在PCB图上显示出来,为检查、修改提供方便。
⑥板面字符调整。
为了使设计的PCB板美观,并且安装焊接元器件方便,应将元器件的名称。
设计值的字符参数移至元器件框外。
大小合适且字符不想重叠。
⑦将经过DRC检查无误,且版面字符调整好的PCB设计图存盘、输出、制版。
⑧印刷板电路设计完成以后,整个电路板的设计项目就基本完成。
存档以便进行后期的修改及完善。
如图3.2所示:
图3.2PCB流程图
3.1.3PCB布局规则
为了提高系统的稳定性和抗干扰线,在布线时需要遵循一定的布线规则并且需要一个合理的器件布局才能达到提高系统稳定性的目的。
以下为本次设计PCB布局中注意的几项。
1、画定布线区域距PCB板边≤1mm的区域内,以及安装孔周围1mm内,禁止布线;
2、电源线尽可能的宽,不应低于18mil;信号线宽不应低于12mil;cpu入出线不应低于10mil(或8mil);线间距不低于10mil;
3、PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔;
4、电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。
同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗。
5、按电气性能合理分区,一般可分为:
数字电路区、模拟电路区,功率驱动区。
6、发热元件需要与温度敏感的元件分开放置,必要事对发热元件需要进行散热考虑。
7、布线时不可使用90°折线进行布线,尽量使用45°折线。
8、任何信号线都不要形成环路,如补课避免,环路应尽量小;信号线的过孔要尽量少。
9、单片机已经时钟芯片需要的晶振,摆放时应尽量靠近芯片,以减少不必要的干扰,导致芯片无法正常工作。
10、关键的部分的线应尽量的短并进行加粗处理。
本次设计中选用的MCU为8051核心的STC89C58RD单片机,其12Mhz频率下的实际工作频率仅为1Mhz,工作较低,因此抗电磁干扰的能力较强,并且系统选选用的器件其工作时序都是处于频率较低的水品,因此本系统抗电磁干扰能力较强。
3.2Protues介绍
proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具,是目前世界上将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的较好设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
3.2.1proteus特点
(1)全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准,并在同类产品中具有明显的优势。
(2)具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、rs-232动态仿真、1c调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各自虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
(3)目前支持的单片机类型有:
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
(4)支持大量的存储器和外围芯片。
总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,功能极其强大。
3.2.2proteus功能
Proteus强大的功能已经在全球得到公认,特别是7.4版本以后的元件库由1年之前的6000暴增为35000元件库,而且其7.4版本Labcenter公司收购了一个基于形状的布线器用于其proteus PCB design 之中,使之PCB功能超过了目前流行的PROTEL和powerPCB。
这无疑在企业界掀起了悍然大波,国内外企业鉴于proteus尤其是其微处理器模型的独一无二仿真功能和新版本PCB的超然强大功能、而价格远远低于同类产品的市场优势条件下,纷纷采用,并将其广泛应用在生产和研发之中, proteus在中国电子科研类企业的依赖环境日益成熟化,学生掌握了proteus、拥有PAEE证书对其就业来讲如虎添翼,不少企业优先录用具有该技能的人才。
3.3KEILuVision4的介绍
KEILuVISION是众多单片机应用开发软件中最优秀的软件之一,它支持众多不通过公司的MCS51架构的芯片,甚至ARM,它集编辑,编译,仿真于一体,易学易用,在调试程序,软件仿真方面也有很强大的功能。
第四章系统硬件
本次毕业设计主要分为两大模块来完成:
第一部分是针对单片机最小系统设计及扩展模块;
第二部分是针对毕业设计课题最基本的单片机最小系统来扩展实现其功能。
4.1微处理器介绍
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以选择,如下图STC89C52示意图。
图4.1单片机STC89C52
主要特性如下:
1.增强型8052单片机,6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051.
2.工作电压:
5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机)
3.工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口(32个)复位后为:
,P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻。
7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片
8.具有EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
11.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART
13.工作温度范围:
-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级)
14.PDIP封装
STC89C52RC单片机的工作模式
掉电模式:
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒,中断返回后,继续执行原程序
空闲模式:
典型功耗2mA典型功耗
正常工作模式:
典型功耗4Ma~7mA典型功耗
掉电模式可由外部中断唤醒,适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备
STC89C52RC引脚功能说明
VCC(40引脚):
电源电压
VSS(20引脚):
接地
P0端口(P0.0~P0.7P0.7,39~32引脚):
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口,每个引脚能驱动8个TTL负载,
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