單片機課程設(shè)計--光電工程實踐

1、<p><b>　　光電工程實踐 </b></p><p><b>　　——單片機課程設(shè)計</b></p><p>　　姓 名 xxx </p><p>　　學(xué) 號 xxx

2、 </p><p>　　專業(yè)班級 光信息科學(xué)與技術(shù)（光電工程） </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　日 期 2014.6.23~2014.6.26 </p><p><b>　　目錄</b>&

3、lt;/p><p><b>　　封面1</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p><b>　　設(shè)計題目3</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p><b>　　關(guān)鍵詞

4、3</b></p><p><b>　　日程安排3</b></p><p>　　設(shè)計內(nèi)容及功能要求3</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)4</b></p><p><b>　　設(shè)計過程4</b></p><p><b>

5、　　硬件系統(tǒng)介紹10</b></p><p><b>　　軟件設(shè)計14</b></p><p><b>　　設(shè)計圖樣19</b></p><p><b>　　心得體會20</b></p><p><b>　　參考文獻20</b><

6、;/p><p>　　設(shè)計題目：數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)應(yīng)用于當(dāng)今生活的各個領(lǐng)域，給我們帶來極大便利。為增進對其了解，及體會單片機在該系統(tǒng)的廣泛運用，本設(shè)計嘗試?yán)肧TC89C52、DS18B20、LCD1602、AT24C02和PCF8591等芯片/元器件設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集與

7、顯示系統(tǒng)。能實時采集溫度和電位器電壓值，顯示在1602上，同時顯示時、分、秒等信息，利用單片機為核心，實現(xiàn)功能。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　DS18B20、LCD1602、AT24C02和PCF8591、單片機，流程圖</p><p><b>　　日程安排</b></p>

8、<p>　　周一：分析設(shè)計要求，思考設(shè)計方案。</p><p>　　周二~周三：搜集相關(guān)資料，編寫程序。</p><p>　　周四：單片機燒入程序，使其可脫機工作，編寫課程設(shè)計報告及總結(jié)。</p><p>　　一、設(shè)計內(nèi)容及功能要求</p><p>　　利用STC89C52、DS18B20、LCD1602、AT24C02和PCF8

9、591等芯片/元器件設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)具有以下功能： </p><p>　　能實時采集溫度和電位器電壓值，顯示在1602上；</p><p><b>　　能顯示實時時鐘；</b></p><p>　　按鍵1按下，將當(dāng)前的電壓值保存到AT24C02</p><p>　　按鍵2按下，可逐個顯示之前采集到電壓值

10、；</p><p>　　當(dāng)溫度超過設(shè)定值，則蜂鳴器報警。</p><p><b>　　擴展功能：</b></p><p>　　自行設(shè)定，如按鍵調(diào)整溫度報警閾值等</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　1、根據(jù)設(shè)計內(nèi)容與要求，弄清系統(tǒng)及各個模塊的

11、工作流程，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括系統(tǒng)主程序、溫度讀取子程序、電壓采集子程序，LCD顯示子程序、存儲子程序等，可使用匯編語言或是C語言編寫，建議使用C語言編寫。</p><p>　　2、建議首先使用Proteus進行仿真和調(diào)試，在仿真通過后，將程序下載到單片機中，最終使得系統(tǒng)在脫機情況下，能穩(wěn)定可靠地工作。</p><p>　　3、編寫課程設(shè)計報告。</p><p>

12、;　　三、 設(shè)計過程 </p><p><b>　　1 硬件系統(tǒng)介紹</b></p><p>　　1.1 主控件模塊 </p><p>　　STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-5

13、1內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷

14、結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。芯片各引腳標(biāo)注如下圖1：</p><p>　　圖1 STC89C52 各引叫標(biāo)注圖 </

15、p><p>　　1.2 存儲電路模塊 </p><p>　　存儲電路采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT24C02（圖2所示） ，儲存芯片 AT24C02 是一個 2K 位串行 CMOS E2PROM， 內(nèi)部含有 256 個 8 位字節(jié)， CATALYST 公司的先進 CMOS 技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02 有 一個 16 字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過 IC 總線接口進行操作，有一個專門

16、 的寫保護功能。AT24C02 支持 IC，總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議 IC，總線協(xié)議規(guī)定任 何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接 收器。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。 主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā) 送或接收）的模式，通過器件地址輸入端 A0、A1 和 A2 可以實現(xiàn)將最多 8 個 AT24C02 器件連接到總線上。AT24C02具有2KB 的存儲空 間

17、。其管腳接法是1、2、3、4 接地，5、6 分別接單片機的端口，7、8 接5V 電 源。</p><p>　　圖2 AT24C02引腳圖</p><p>　　1.3 LCD1602 顯示電路設(shè)計 </p><p>　　(1)液晶顯示原理: 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電 就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄

18、、適用于大規(guī)模集成 電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、 數(shù)字?jǐn)z像機、PDA 移動通信工具等眾多領(lǐng)域。 液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點 陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動 方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）和 主動矩。陣驅(qū)動（Active Matrix）三種</p>

19、<p>　　(2)1602 字符型LCD 簡介： 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前 常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公 司的1602 字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般1602 字符型液 晶顯示器實物如圖3：</p><p>　　圖3 LCD1602實物圖 </p><p>

20、;　　(3)1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)：  </p><p>　　顯示容量:16×2 個字符  </p><p>　　芯片工作電壓:4.5—5.5V  </p><p>　　模塊最佳工作電壓:5.0V </p><p>　　字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm </p><p&

21、gt;　　引腳功能說明：1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的14 腳（無背光）或16 腳（帶背光）接口，各 引腳接口說明如表1 所示： </p><p>　　表1 LCD各引腳接口說明 </p><p>　　第1 腳：VSS 為地電源。 </p><p>　　第2 腳：VDD 接5V 正電源。 </p><p>　　第3 腳：VL 為液晶

22、顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比 度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K 的電位器調(diào)整 對比度。 </p><p>　　第4 腳：RS 為寄存器選擇高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 </p><p>　　第5 腳：R/W 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(dāng)RS 和R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，

23、當(dāng)RS 為低電平R/W 為高電 平時可以讀忙信號，當(dāng)RS 為高電平R/W 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。</p><p>　　第6 腳：E 端為使能端，當(dāng)E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 </p><p>　　第7～14 腳：D0～D7 為8 位雙向數(shù)據(jù)線。 </p><p>　　第15 腳：背光源正極。 </p><p>　　第1

24、6 腳：背光源負(fù)極。 </p><p>　　(4) 1602LCD 的指令說明及時序 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11 條控制指令，如表2所示：</p><p>　　表2 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11 條控制指令 </p><p>　　1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說 明： 1 為高電平

25、、0 為低電平） </p><p>　　指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H 位置。 </p><p>　　指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。</p><p>　　指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S: 屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 </p><p&g

26、t;　　指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電 平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B： 控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 </p><p>　　指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。</p><p>　　指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4 位總線，低電平時為8 位總

27、線 N：低 電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7 的點陣字符，高電 平時顯示5x10 的點陣字符。</p><p>　　指令7：字符發(fā)生器RAM 地址設(shè)置。 </p><p>　　指令8：DDRAM 地址設(shè)置。 </p><p>　　指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能 接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不

28、忙。 </p><p>　　指令10：寫數(shù)據(jù)。 </p><p>　　指令11：讀數(shù)據(jù)。 與HD44780 相兼容的芯片時序表3如下:</p><p>　　表3 與HD44780 相兼容的芯片時序</p><p>　　1.4 DS18B20 溫度傳感器電路設(shè)計</p><p>　　1.4.1 溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)

29、用與高精度、高可靠性的場合時DALLAS （達拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件 開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得DS18B20更受歡迎。對于我們 普通的電子愛好者來說，DS18B20的優(yōu)勢更是我們學(xué)習(xí)單片機技術(shù)和開發(fā)溫度相 關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。了解其工作原理和應(yīng)用可以拓寬您對單片機開發(fā)的思 路。 DS18B20的主要特征：  全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。  先進的單總線數(shù)據(jù)通信。 

30、最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。  12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。  可選擇寄生工作方式。  檢測溫度范圍為–55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F)  內(nèi)置EEPROM，限溫報警功能。  64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。  多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。 </p><p>　　1.4.2 DS18B20

31、 外形與引腳特性如圖4：</p><p>　　圖4 S18B20 外形與引腳特性</p><p>　　1.4.3 DS18B20工作原理及應(yīng)用：DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一 個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測 和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的內(nèi)部存儲器資源。 18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：

32、 ROM 只讀存儲器：用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼 （DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的 位的CRC碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位 ROM。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器：用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20 共9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8位。第1、2個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、 4個字節(jié)是用戶EEPROM

33、（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復(fù)位時其值將 被刷新。第5個字節(jié)則是用戶第3個EEPROM的鏡像。第6、7、8個字節(jié)為計數(shù)寄存 器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計 算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CRC碼。EEPROM 非易</p><p>　　圖5 DS18B20芯片與單片機的接口</p><p>　　1.5 PCF8591芯片 &l

34、t;/p><p>　　PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I²C總接線口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。其

35、引腳圖如圖6：</p><p>　　圖6 PCF8591引腳圖</p><p><b>　　引腳信息</b></p><p>　　AIN0～AIN3：模擬信號輸入端。</p><p>　　A0～A2：引腳地址端。</p><p>　　VDD、VSS：電源端。（2.5～6V）</p>

36、<p>　　SDA、SCL：I2C 總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。</p><p>　　OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。</p><p>　　EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時 EXT 接地。</p><p>　　AGND：模擬信號地。</p><p>　　AOUT：D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。</p><p

37、>　　VREF：基準(zhǔn)電源端。</p><p>　　PCF8591特性：</p><p><b>　　單獨供電</b></p><p>　　PCF8591的操作電壓范圍2.5V-6V</p><p><b>　　低待機電流</b></p><p>　　通過I2C總線串行輸

38、入/輸出</p><p>　　PCF8591通過3個硬件地址引腳尋址</p><p>　　PCF8591的采樣率由I2C總線速率決定</p><p>　　4個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入</p><p><b>　　自動增量頻道選擇</b></p><p>　　PCF8591的模擬電壓范圍從V

39、SS到VDD</p><p>　　PCF8591內(nèi)置跟蹤保持電路</p><p>　　8-bit逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　通過1路模擬輸出實現(xiàn)DAC增</p><p><b>　　2.軟件設(shè)計 </b></p><p><b>　　2.1 主程序 </b>&l

40、t;/p><p>　　系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進行初始化，包括設(shè)置定時器、中斷和端口；然后顯 示開機畫面。由于單片機沒有停止指令，所以可以設(shè)計系統(tǒng)程序不斷地循環(huán)執(zhí)行 上述顯示效果。見圖7。</p><p>　　圖7 系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　2.2 時間模塊設(shè)計</p><p>　　時鐘流程圖如圖8所示</p><

41、p><b>　　圖8 時鐘流程圖</b></p><p>　　流程圖分析： 開始計時時，首先進行初 始化，當(dāng)有中斷信號時，讀取時鐘芯片的數(shù)據(jù)送入液晶屏顯示。這時若有設(shè)置鍵 按下時，進行時間修改，對應(yīng)日期時間修改子程序，完成后將數(shù)據(jù)送入時鐘芯片；若沒有按鍵按下，則直接 存入EPROM，送入液晶屏顯示。</p><p>　　2.3 顯示模塊設(shè)計 </p>

42、;<p>　　顯示程序流程圖如圖9。</p><p>　　圖9 顯示程序流程圖</p><p>　　流程圖分析：首先對LCD1602 顯示屏進行初始化（初 始化大約持續(xù)10ms 左右），然后檢查忙信號，若BF=0，則獲得顯示RAM 的地址， 寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示；若 BF=1，則代表模塊正在進行內(nèi)部操作，不接受任何外 部指令和數(shù)據(jù)，直到BF=0 為止。</p>

43、<p>　　2.4 溫度模塊設(shè)計 </p><p>　　溫度讀取流程圖如圖10所示。 </p><p>　　圖10 溫度讀取流程圖</p><p>　　流程圖分析：開始進入初始化DS18B20，就 是通過主機拉低單線產(chǎn)生復(fù)位脈沖然后釋放該線，如果有應(yīng)答脈沖，即發(fā)起ROM 命令當(dāng)成功的執(zhí)行操作命令后，就使用Convert T 命令即開始溫度轉(zhuǎn)換，

44、當(dāng)轉(zhuǎn)換 完后，又初始化DS18B20 是否有應(yīng)答脈沖，若有，就發(fā)起Read Scratchpad（讀 取暫存器和CRC 字節(jié)）命令，既同時讀出第1，2 個字節(jié)，即為溫度的數(shù)據(jù)。同理也可以采集相關(guān)電壓值。</p><p>　　2.5 時間調(diào)整程序設(shè)計 </p><p>　　調(diào)整時間用 3 個調(diào)整按鈕，1 個做為移位控制用，另外兩個做為加減用， 分別定義控制按鈕、加按鈕、減按鈕。在調(diào)整時間過程

45、中，要調(diào)整的那位與別的 位應(yīng)該有區(qū)別，所以增加了閃爍功能，即調(diào)整的那位一直在閃爍直到調(diào)整下一位。 閃爍原理就是讓要調(diào)整的那一位，每隔一定時間熄滅一次，比如說 50MS。利用 定時器計時，當(dāng)達到50MS 溢出時， 就送給該位熄滅符，在下一次溢出時，再送 正常顯示的值，不斷交替，直到調(diào)整該位結(jié)束，此時送正常顯示值給該位，再進 入下一位調(diào)整閃爍程序，時間調(diào)整程序程序流程圖如圖11。

46、 </p><p>　　圖11 時間調(diào)整程序程序流程圖</p><p><b>　　測試圖樣展示</b></p><p>　　圖12 設(shè)計結(jié)果圖</p><p>　　上圖為采集到的數(shù)據(jù)圖樣，LCD第一行左起顯示13時47分28秒，當(dāng)前電壓3.35伏。第二行左起則顯示當(dāng)前溫度30.5度，最高溫3

47、3度，最低溫28度，超出則出現(xiàn)警報。</p><p><b>　　心得體會：</b></p><p>　　看到設(shè)計任務(wù)，我感到迷茫，我知道本次設(shè)計的重點在于各模塊的合理使用，各相互獨立的程序通過有機的組合，來完成所需功能是本次設(shè)計的精妙之所在。我感到將會是一個老長老長的程序，就算專業(yè)的程序員也絕非易事。還有什么比編程更讓我頭痛，我只好漫無目的的搜索資料，設(shè)計中所利用的