計算機控制課程設計

1、摘要BH1750是一款新型的測光芯片，本設計系統(tǒng)就是基于BH1750設計的測光系統(tǒng)，它可以自動檢測光照強度的強弱并顯示讓人們知道此時光照強度的強弱。人們可以通過看此裝置的顯示了解現(xiàn)在的光照狀態(tài)，做合理的光照調節(jié)。該設計可分為三部分：即光照檢測部分、信號處理部分、光強顯示部分。對于光照檢測部分是利用BH1750作為檢測元件及信號處理元件，其內部集成了AD轉換芯片。它可以完成從光強到電信號的轉換并將信號處理進行處理。對輸入信號處理后，就可以用來顯示了。對于顯示部分可利用LCD1602來顯示，不同的光強對應于不同的數(shù)值，就能簡單的顯示出不同的光強了。本設計就是由單片機STC89C52RC芯片，BH1

2、750模塊和1602液晶為核心，輔以必要的電路，構成了一個單片機光照強度檢測系統(tǒng)。該光照強度檢測系統(tǒng)可以通過檢測光照強度，使得光照在低于或高于一定強度的時候發(fā)出警示，是一種常用的測試儀器。關鍵詞：51單片機，LM7805，BH1750，1602液晶目 錄0 引言11設計內容與要求11.1 設計任務11.2 設計要求12 方案總體設計12.1 光照強度采集方案設計22.2 控制芯片及實現(xiàn)方案32.3 數(shù)據(jù)顯示方案32.4 系統(tǒng)總體框圖43 硬件設計53.1 單片機最小系統(tǒng)53.2 BH1750采集模塊63.3 液晶顯示模塊63.4 系統(tǒng)電源73.5 整體電路和PCB圖84 軟件設計94.1 ke

3、il軟件介紹94.2 程序流程圖104.3 各模塊程序105 仿真與實現(xiàn)155.1 Proteus軟件介紹155.2 仿真過程165.3 實物制作與調試176 總結187 參考文獻190 引言隨著改革開放的不斷深化和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，越來越多的人移居到城市生活，而這需要足夠的食物作為支撐。同時隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，人們對自身的健康越來越關注，對居室的環(huán)境要求也越來越高。而攜帶方便，能夠及時準確的顯示的光照強度檢測儀的產生是人們的迫切需求。 便攜式光照強度檢測儀是現(xiàn)代社會的產物，是以后發(fā)展的方向。它是一個集光照強度感知，自動提示與一體的綜合系統(tǒng)。就如大棚種植、牲畜養(yǎng)殖以及人們對生活的需

4、求凸顯了本系統(tǒng)擁有廣泛的應用前景。其中，蔬菜需要控制光照強度,以利于生長素的產生，從而加快蔬菜的生長速度，創(chuàng)造出更高的經濟效益和社會效益。而人們的生活環(huán)境（學生的學習環(huán)境,辦公室，工廠等）需要控制光照強度，使人們有一個好學習生活環(huán)境。同時需要控制居室光照強度，以便人們健康的生活。便攜式光照強度檢測儀也可以用于太陽能的研究和利用，農作物生長方面，太陽能能源使用，氣象研究，建房朝向等等。因此，本課題開展便攜式光照強度檢測儀系統(tǒng)的設計具有一定的應用價值及實際意義。1設計內容與要求1.1 設計任務1） 選擇傳感器，設計數(shù)據(jù)采集電路，對溫室的光照強度進行實時數(shù)據(jù)采集， 要求光照強度的測量范圍是：2600

5、LX，精度為±2%。2）實現(xiàn)溫室光照強度的自動實時顯示，顯示到小數(shù)點后一位。3）編寫計算機監(jiān)測程序。4）寫出設計說明書。1.2 設計要求 1）查閱資料，確定設計方案。2）選擇器件，設計硬件電路，并畫出原理圖和PCB圖。3）畫出流程圖，編寫控制程序。4）撰寫課程設計說明書。2 方案總體設計設計一個基于51單片機的光照強度檢測系統(tǒng)。液晶屏幕第一行顯示當前的光照強度，第二行顯示報警信息即光照超過光照強度上限還是下限；利用BH1750傳感器模塊將采集到的光照強度經過一系列處理轉換成數(shù)字信號，使用IIC通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到單片機中，經過處理運算在LCD1602上顯示，可利用藍滑動變阻器來調節(jié)液

6、晶亮度。2.1 光照強度采集方案設計方案一：采用光敏電阻作為采樣元件，將光照強度轉換成電阻，再由電阻轉換成電信號經過信號處理輸入到AD轉換器中進行模數(shù)轉換。最后將轉換出來的數(shù)字信號傳送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理并顯示。 方案如圖2.1所示。圖2.1 光敏電阻采樣方案方案二：采用BH1750光照傳感器模塊作為光強度采樣及信號處理的元件，BH1750內部集成了16位AD轉換，則無需再外擴AD轉換器，并且其轉換精度很高，只需通過IIC通信將采集處理得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C即可使用。BH1750的內部原理圖如圖2.2所示。圖2.2 BH1750內部原理圖綜合以上兩種方案，由于方案二所得光照強度更加簡便、數(shù)據(jù)

7、的測量范圍和精度都較高，所以選擇方案二作為本系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)部分。2.2 控制芯片及實現(xiàn)方案AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內核，在內部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。外形及引腳排列如圖2.3所示。圖2.3 AT89C52引腳圖功能包括對會聚主IC 內部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組

8、成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。2.3數(shù)據(jù)顯示方案LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×02即32個字符。圖2

9、.4 LCD1602引腳圖1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：GND為電源地第2腳：VCC接5V電源正極.第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，以51為例的簡單原理圖低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令；第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端；第1516腳：空腳或背

10、燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。2.4系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、5V穩(wěn)壓電源、BH1750傳感器模塊、液晶顯示電路、單片機外圍時鐘電路和復位電路組成。系統(tǒng)總體框架圖如圖2.5所示。圖2.5 系統(tǒng)總體框架3 硬件設計3.1 單片機最小系統(tǒng)單片機要正常工作，首先要產生片內時鐘信號。在單片機內部的振蕩器的輸入端XTAL1和輸出端XTAL2之間接一個石英晶振就可以夠成一個自激振蕩器。再在兩端之間串聯(lián)接個電容并且在兩個電容之間接地以便于穩(wěn)定頻率還對振蕩頻率有微調作用。電容通常選30uF左右，振蕩脈沖頻率范圍為024MHZ。該電路中選用12MHZ晶振。時鐘電路圖如圖3.1：、圖

11、3.1 時鐘電路圖單片機在啟動時與其他微處理器一樣，要讓CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始開始工作。這就需要復位操作。復位電路有兩種方式：上電自動復位和按鍵自動復位。上電自動復位只是在開始接通電源瞬間復位，接下來想要再次復位就需要斷電重啟，不方便。按鍵自動復位不僅可以在開始接通電源瞬間復位還可以通過按下按鍵復位隨時復位。所以選擇按鍵復位方式。復位電路如圖3.2：圖3.2 復位電路圖3.2 BH1750采集模塊BH1750FVI 是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可

12、以探測較大范圍的光強度變化（1lx-65535lx）。BH1750采集模塊的原理圖如圖3.3所示。圖3.3 BH1750采集模塊原理圖3.3 液晶顯示模塊該系統(tǒng)需要顯示兩行。控制1602液晶亮度的是藍白滑動變阻器。1602液晶有16個管腳。編號為1,2管腳為電源正負極管腳，15,16為背光源正負極管腳；714為dataI/O管腳與單片機的P0口相連，負責液晶與芯片之間的信息傳送；4,5,6分別為數(shù)據(jù)/命令選擇端、讀/寫選擇端、使能端，與單片機的P3.3，P3.5，P3.6相連，負責控制液晶與芯片之間數(shù)據(jù)命令的讀寫操作；3為液晶顯示偏壓信號端，用于調整液晶顯示對比度。1602液晶顯示原理圖如圖3

13、.4所示：圖3.4 液晶顯示系統(tǒng)圖3.4 系統(tǒng)電源為了實現(xiàn)各個部分的穩(wěn)定供電，且根據(jù)各部分供電電壓要求，本系統(tǒng)采用了LM7805制作了5V的穩(wěn)壓電源以對各部分實現(xiàn)穩(wěn)定可靠供電。三端穩(wěn)壓集成電路LM7805。電子產品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負電壓輸出的lm79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。lm78XX系列集成穩(wěn)壓器的電路圖如圖所示，是一個輸出正5V直流電lm7805穩(wěn)壓電路。 圖3.5 系統(tǒng)電源圖3.5 整體電路和PCB圖Altium Design

14、er 提供了唯一一款統(tǒng)一的應用方案，其綜合電子產品一體化開發(fā)所需的所有必須技術和功能。Altium Designer 在單一設計環(huán)境中集成板級和FPGA系統(tǒng)設計、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開發(fā)以及PCB版圖設計、編輯和制造。并集成了現(xiàn)代設計數(shù)據(jù)管理功能,使得Altium Designer成為電子產品開發(fā)的完整解決方案-一個既滿足當前，也滿足未來開發(fā)需求的解決方案。這是采用網絡標號的畫出的以一張整體電路圖。它將整張電路原理圖分為六個部分：電源模塊，P0口上拉電阻，1602液晶顯示模塊，51單片機，復位晶振電路，BH1750模塊外界電路。整張原理看起來美觀，并且根據(jù)標號很容易找到與之對應

15、的引腳。整體電路原理圖和PCB圖如圖3.6和3.7所示。圖3.6 整體電路圖3.7 PCB整體電路圖4 軟件設計4.1 keil軟件介紹Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩

16、種方法，一種Keil軟件圖標是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。運行Keil軟件需要Pentium或以上的CP

17、U，16MB或更多RAM、20M以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選（目前在國內你只能買到該軟件、而你買的仿真機也很可能只支持該軟件），即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。4.2程序流程圖 對于程序設計主要分為各部分初始化，BH1750的數(shù)據(jù)讀寫，數(shù)據(jù)顯

18、示這幾部分組成。程序流程圖如圖所示。 圖9 主程序流程圖4.3 各模塊程序（1） LCD初始化程序及顯示程序void InitLcd()WriteCommandLCM(0x38,1);WriteCommandLCM(0x08,1);WriteCommandLCM(0x01,1);WriteCommandLCM(0x06,1);WriteCommandLCM(0x0c,1);/*/void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData)Y&=1;X&=15;if(Y)X|=0x40;X|=0x80;WriteCommandLCM(X,0);

19、WriteDataLCM(DData);（2） BH1750模塊數(shù)據(jù)讀寫程序void BH1750_Start() SDA = 1; /拉高數(shù)據(jù)線 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SDA = 0; /產生下降沿 Delay5us(); /延時 SCL = 0; /拉低時鐘線/停止信號void BH1750_Stop() SDA = 0; /拉低數(shù)據(jù)線 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SDA = 1; /產生上升沿 Delay5us(); /延時/發(fā)送應答信號/入口參數(shù):ack (0:ACK 1:NAK)void BH1750_Se

20、ndACK(bit ack) SDA = ack; /寫應答信號 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時/接收應答信號bit BH1750_RecvACK() SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 CY = SDA; /讀應答信號 SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時 return CY;/向IIC總線發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)void BH1750_SendByte(BYTE dat) BYTE i; for (i=0; i<8; i+) /8位計數(shù)器 da

21、t <<= 1; /移出數(shù)據(jù)的最高位 SDA = CY; /送數(shù)據(jù)口 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時 BH1750_RecvACK();/從IIC總線接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)BYTE BH1750_RecvByte() BYTE i; BYTE dat = 0; SDA = 1; /使能內部上拉,準備讀取數(shù)據(jù), for (i=0; i<8; i+) /8位計數(shù)器 dat <<= 1; SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 dat |= SDA; /讀數(shù)

22、據(jù) SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時 return dat;void Single_Write_BH1750(uchar REG_Address) BH1750_Start(); /起始信號 BH1750_SendByte(SlaveAddress); /發(fā)送設備地址+寫信號 BH1750_SendByte(REG_Address); /內部寄存器地址， BH1750_Stop(); /發(fā)送停止信號/*單字節(jié)讀取*uchar Single_Read_BH1750(uchar REG_Address) uchar REG_data; BH1750_Start();

23、/起始信號 BH1750_SendByte(SlaveAddress); /發(fā)送設備地址+寫信號 BH1750_SendByte(REG_Address); /發(fā)送存儲單元地址，從0開始 BH1750_Start(); /起始信號 BH1750_SendByte(SlaveAddress+1); /發(fā)送設備地址+讀信號 REG_data=BH1750_RecvByte(); /讀出寄存器數(shù)據(jù)BH1750_SendACK(1); BH1750_Stop(); /停止信號 return REG_data; /連續(xù)讀出BH1750內部數(shù)據(jù)void Multiple_read_BH1750(void)

24、 uchar i; BH1750_Start(); /起始信號 BH1750_SendByte(SlaveAddress+1); /發(fā)送設備地址+讀信號 for (i=0; i<3; i+) /連續(xù)讀取2個地址數(shù)據(jù)，存儲中BUF BUFi = BH1750_RecvByte(); /BUF0存儲0x32地址中的數(shù)據(jù) if (i = 3) BH1750_SendACK(1); /最后一個數(shù)據(jù)需要回NOACK else BH1750_SendACK(0); /回應ACK BH1750_Stop(); /停止信號 Delay5ms();/初始化BH1750，根據(jù)需要請參考pdf進行修改*voi

25、d Init_BH1750() Single_Write_BH1750(0x01); 5 仿真與實現(xiàn)5.1 proteus軟件介紹Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它

26、也支持KEIL,IAR和MPLAB等多種編譯器。Proteus不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應。這在相當程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調試、運行結果等。使用Proteus軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設計，是虛擬仿真技術和計算機多媒體技術相結合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學生的電路設計能力及仿真軟件的操作能力；在單片機課程設計和全國大學生電子設計競賽中，我們使用 Proteus 開

27、發(fā)環(huán)境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用Proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設計效率。因此，Proteus有較高的推廣利用價值。5.2 仿真過程圖10為Proteus仿真原理圖。在Proteus界面連接好電路圖后，箭頭放在單片機上單擊右鍵，會出現(xiàn)一個對話框，可以通過這個對話框中的選項，加載程序到仿真圖的單片機中，也進行元器件的放置方向進行調整，也可以刪除元器件，還用很多功能選擇項，不過在畫這張原理圖時暫時還沒用到。在出現(xiàn)的對話框中點擊EDIT PROPOTES再在

28、出現(xiàn)的對話框中點擊program file那行的那個文件圖標，從里面找出先前已經在KEIL軟件中編譯的HEX文件，。點擊文件后，然后在單擊edit component對話框的右上角的OK選項。然后點擊Proteus的首界面的左下角形狀是黑色三角型的play鍵，仿真圖上的顯示系統(tǒng)就出現(xiàn)了初始狀態(tài)，單擊控制開關，秒表開始計數(shù)，再單擊一下控制開關后，計時停止。也可以點擊play鍵右邊那個step鍵，讓程序一步一步執(zhí)行step鍵右邊是pause鍵，按一下這個鍵程序就暫停運行，再按一下程序就又開始運行。仿真完后按一下stop鍵結束仿真。當看到仿真電路上出現(xiàn)現(xiàn)象和操作時所達到的效果和我在編程時所預想的情況

29、一樣后，再保存所畫的電路圖，單擊左上角的file中，再在出現(xiàn)的選項中單擊save，可以選擇自己想要保存的地方。下次打開Proteus時可以單擊file，再在出現(xiàn)的選項中單擊open design的選項，可以從保存的地方直接選擇所畫的電路圖打開，并且可以直接仿真。在要用Proteus仿真軟件的時候，剛開始不會使用，因為我電腦里有學習這款軟件的視頻，然后我就看視頻學習。老師看到我在看視頻學習時，就要我不要通過看視頻學習，直接看文檔，先簡單的學一些，夠現(xiàn)在用就行，以后邊用邊學。確實通過看文檔，邊看邊操作，再問一下同學，沒花多少時間我就可以使用了。要不是老師指導一下，我可能要花上好多時間在學習Prot

30、eus軟件上面。在以后學習中，我盡量多看書，看視頻雖說細致但太費時間，看書實在看不懂再去看看詳細講解的視頻，特別是學習軟件，看視頻不單費時間，看了還容易忘，看文檔邊看邊操作，花的時間少還記得牢。Proteus仿真圖如圖5.1所示。圖5.1 Proteus仿真圖5.3 實物制作與調試本次設計采用了Altium Designer軟件畫出了控制電路的原理圖和相應的PCB圖，并通過打印、轉印、腐蝕、打孔、焊板這一系列步驟制作出了硬件實物，最后通過使用STC-ISP如軟件將程序燒錄到單片機中，以實現(xiàn)用BH1750傳感器模塊采集和LCD1602顯示功能。實物圖如圖5.2所示。圖5.2 實物圖6 總結我的課題是基于51單片機光強度采集系統(tǒng)的設計。當我選擇了這個課題的時候，我就先開始想在平常生活中光照強度的功能是怎樣的，需要一些什么器件來實現(xiàn)這些功能。在確定了自己要設計一個怎樣的光照檢測系統(tǒng)之后就開始列出做這個系統(tǒng)所需要的元器件。這個系統(tǒng)是基于給定的顯示系統(tǒng)上設計的，所以在設計電路原理圖之前，我先要掌握給定的顯示系統(tǒng)原理圖的連接方式和連接原理。這一些都弄明白之后，我再考慮如何在現(xiàn)有的基礎上進行外圍設計使之達到預想的功能。經過一番斟酌，