此為單片機課程設計，內容包含：
智能臺燈課程設計說明書；
protues電路仿真；
程序源碼；
全部資料51hei下載地址：
單片機課設---智能臺燈.zip
(1.86 MB, 下載次數: 343)
2018-7-4 18:40 上傳
點擊文件名下載附件
智能臺燈課程設計說明書
摘要
隨著能源的短缺，節能環保越來越被大家所重視。目前有許多臺燈設計不合理，以至于能源被大大浪費。另外中國青少年的近視率一直居高不下，成為困擾中國家庭的主要問題。隨著科學技術的進步，科學家希望通過人工干預和治療，從根本上解決近視問題。然而現代醫學的發展雖然可以解決很多曾經困擾人類的疑難問題，卻仍然不能從根源上預防和祛除近視。我們通過對影響視力的各種因素進行實驗，發現造成青少年視力下降的最主要根源是燈光。傳統護眼燈為了達到提高頻率的目的，使用了高頻鎮流器，使得護眼燈的電磁輻射遠比一般的電器高得多，是手機、電腦的數倍甚至數十倍，嚴重影響視力。而LED照明技術的出現，為我們提供了消除僅是問題的途徑。為了使電力得到高效利用，本文提出一種基于單片機的智能LED臺燈設計，該臺燈具有手動、自動兩種調節方式，能夠在保證正常實用的狀況下又能使電力得到充分利用。
目錄 摘要 一、設計要求 二、設計思路 2.1必做項目 2.2選做項目 三、系統設計 3.1硬件設計 3.1.1矩陣鍵盤掃描電路 3.1.2 LCD1602顯示電路 3.1.3繼電器應用電路 3.1.4 ADC0832數據采集電路 3.1.5光敏電路 3.1.6以51為核心的中央處理部分 3.1.7數碼管顯示電路 3.1.8 LED驅動電路 3.1.9 按鍵及開關控制電路 3.2軟件設計 3.2.1調光方案的選擇 3.2.2調光設計 3.2.3光敏電阻反饋設計 3.2.4總體框圖 4設計總結 5參考文獻 6主程序設計 6.1矩陣鍵盤掃描程序 6.2數碼管動態顯示程序 6.3 LCD1602液晶顯示程序 6.4串口通訊程序 6.5智能臺燈設計程序 一、設計要求必做項目： 基本系統：在51單片機開發系統PCB電路板上完成電子元器件的焊接、調試、程序下載，并實現數碼管顯示、矩陣鍵盤掃描、中斷程序、定時器程序、串口通訊等基本功能； 2．顯示功能：焊接電路并實現對1602液晶屏的顯示功能，要求能滾動顯示字符； 3．輸出控制：焊接電路并實現對繼電器的控制功能； 4．數據采集：焊接電路并實現對AD0832的數據采集功能； 選做項目： 根據環境光強度自動調節LED亮度，通過光敏元器件采集環境亮度，通過PWM方式控制LED燈亮度。定時自動關燈，設定關燈時間，到時間由量逐漸變暗。分自動模式和手動模式，手動模式由用戶自行設置燈光亮度，手燈模式根據光敏元件的光敏特性保持亮度恒定。 二、設計思路2.1必做項目1、矩陣鍵盤掃描電路 2、LCD1602顯示電路 3、繼電器應用電路 4、ADC0832數據采集電路 2.2選做項目1、光敏電路 2、A/D轉換電路 3、以51為核心的中央處理部分 4、數碼管顯示電路 5、LED驅動電路 6、按鍵及開關控制電路 三、系統設計3.1硬件設計 系統各模塊硬件設計原理圖如圖所示： 圖1 系統硬件設計原理圖 圖2系統硬件設計實物圖 3.1.1矩陣鍵盤掃描電路矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數是4×4個。這種行列式鍵盤結構能夠有效地提高單片機系統中I/O口的利用率。本項目設計矩陣鍵盤電路如圖1所示，行線接P2_4-P2_7，列線接P2_0-P2_3。 圖3 矩陣鍵盤掃描電路原理圖 3.1.2 LCD1602顯示電路LCD1602是一種字符型液晶顯示器，它的主控芯片是HD44780或者其它兼容芯片。有16引腳和14引腳，與16引腳相比，缺少背光電源和地線，共有四種基本操作，與RS和RW口控制，內置DDRAM，即顯示數據RAM，用來寄存器顯示的字符代碼，共80個字節，電路連接圖如圖2所示。 圖4 LCD1602電路原理圖 3.1.3繼電器應用電路 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定電壓，線圈中就會流過一定電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點和靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電時，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點吸合，這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分，繼電器未通電時，處于斷開狀態的靜觸點，稱為 “常開觸點”，處于接通狀態的靜觸點，稱為 “常閉觸點”。 圖5 繼電器應用電路原理圖 3.1.4 ADC0832數據采集電路ADC0832是CMOS器件，不僅包括一個8位的逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個8通道的模擬多路開關和通道尋址邏輯。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進行A/D轉換。ADC0832的參考電壓設置成5 V，時鐘信號通過單片機P2_7口利用定時器中斷輸出。滑動變阻器的對地電壓從CH0或CH1口輸入，ADC0832將其轉換成數字量后通過OUT1-7輸出，以便單片機進一步處理，如圖。 圖6 ADC0832電路連接原理圖 3.1.5光敏電路光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器是利用半導體的光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導探測器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。還有另一種入射光弱，電阻減小，入射光強，電阻大。 圖7 光敏電路原理圖 3.1.6以51為核心的中央處理部分主控芯片采用AT89C51單片機芯片，AT89C51單片機芯片有40個外部I/O 口，可用作對外部硬件的控制接口。其中P0.0-P0.7八個I/O口外接10K的電阻作為上拉電阻。40引腳為電平引腳外接五伏電壓，20引腳為接地引腳，18和19 引腳為外部晶振接口，為芯片提供晶振，9引腳為外部復位電路接口，P1.0-P1.7作為數碼管位選控制端口和LCD1602數據端口，P2.0-P2.7作為矩陣鍵盤掃描端口和其他控制端。中央處理部分主要包括時鐘電路和復位電路，如圖所示。 圖8 中央處理部分電路原理圖 3.1.7數碼管顯示電路 數碼管顯示電路的作用是顯示當前自然光強度即定時顯示，有八位數碼管進行顯示，A-dp接口為端選信號接口，P1_0-P1_7為位選信號接口，分別由P2口和P1口控制，電路設計如下。 圖9 數碼管顯示電路原理圖 3.1.8 LED驅動電路三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。首先是由于三極管BE結的非線性(相當于一個二極管)，基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產生(對于硅管，常取0.7 V)。當基極與發射極之間的電壓小于0.7 V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比0.7 V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變(因為小于0.7 V時，基極電流都是0),那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小信號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。 LED的亮度受電流控制，通過控制電流調節LED燈亮度。利用公式 可知，利用調整PWM不同的占空比 就可以控制電流的大小。電流通斷的變化用PNP型三極管實現，PWM由P3_3輸出 圖10 LED驅動電路原理圖 3.1.9 按鍵及開關控制電路單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地(一般接地)，這種接法程序比較簡單且系統更加穩定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的I/O少。本設計選用了獨立式鍵盤接法。 獨立式鍵盤的實現方法是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O口，程序開始時將此I/O口置于高電平，平時無鍵按下時I/O口保護高電平。當有鍵按下時，此I/O口與地短路迫使I/O口為低電平。按鍵釋放后，單片機內部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平[5]。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態就可以了解我們是否有按鍵動作了。在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區產生的電平不穩定正常現象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現法是先查尋按鍵當有低電平出現時立即延時10~200毫秒以避開抖動(經典值為20毫秒)，延時結束后再讀一次I/O口的值，這一次的值如果為1表示低電平的時間不到10~200 毫秒，視為干擾信號。當讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調用相應的處理程序。 本項目設計P2_0、P2_1和P2_2分別與矩陣鍵盤連接，分別用于調節燈光的亮度，定時調節。 圖11 鍵盤控制電路 3.2軟件設計3.2.1調光方案的選擇 調光設計有兩種方案來調節亮度：用正向電流的方法來調亮度和采用脈寬調制來調光。用正向電流的方法來調亮度是通過調整正向電流的大小的改變可以改變LED的亮度，但是通過電流的大小的改變并不是最佳選擇，因為通過電流的改變，使LED的壽命減少，還容易引起閃爍；LED 是一個二極管，它可以實現快速開關。它的開關速度可以高達微秒以上。是任何發光器件所無法比擬的。因此，只要把電源改成脈沖恒流源，用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱為脈寬調制（PWM）調光法。假如脈沖的周期為tpwm,脈沖寬度為ton,那么其工作比D（或稱為孔度比）就是ton/tpwm.改變恒流源脈沖的工作比就可以改變LED 的亮度。 3.2.2調光設計由于模擬光是直接改變流過LED電流的大小來實現亮度調節，除了亮度會改變以外，也會影響白光的質量，即不同電流下發出的白光存在色偏。因此，本設計采用PWM調光方案，PWM調光的基本原理是保持LED正向導通電流恒定，而通過控制電流導通和關斷的時間比列，即改變輸入脈沖信號的占空比，使LED產生亮暗變化；并利用人眼的視覺殘留效應，當LED亮暗變化頻率大于120HZ時，人眼就不會感覺到閃爍，而看到的是LED的平均亮度。PWM調光的優勢是LED正向導通的電流是恒定的，LED的色度就不會像模擬調光時產生變化。 3.2.3光敏電阻反饋設計光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換。因此，不斷采集光敏電阻對地的電壓便可以獲知臺燈周邊光強的變化。在程序中通過ADC0832反饋的數字信號來調節PWM占空比，光度越強，光敏電阻阻值越小，電壓對應的數字信號越小，占空比越小，反之，光強越強，占空比越大，本項目設計利用PWM設計了10個檔位。 3.2.4總體框圖圖12 程序設計流程圖 4設計總結通過對具體電路的設計與分析，成功的完成了電路的仿真測試，并在驗證結果無誤的情況下進行實物制作，但在該過程中，遇到的困難較多，除了數碼管顯示模糊之外，還遇到光敏電阻不夠精確，采集的信號輸出不穩定，調時設置未按預想的方式工作等，但通過對本課程設計的研究，我進一步了解了單片機的工作原理，能夠通過C語言編寫單片機程序，驗證并成功實現具體功能，同時提高分析電路的能力，不僅局限于外圍電路，更能從整體出發，從各組成部分的內部電路結構和功能原理方面入手，全面透徹的分析整個電路的工作原理同時分析不同簡單芯片的內部結構，不斷地獲取新知識，擴展自己的知識儲備，并學會運用了protues軟件進行仿真，實物制作過程中遇到與仿真結果相左的情況時，能通過測試工具對實際電路進行測量調試，不斷地改進電路，提出新的解決方案，提升了“發現問題解決問題”的能力，是一個長足的進步。
| 
[復制鏈接]
