基于单片机的智能触摸开关的设计与实现.doc

本科毕业论文 设计 论文 姓 名 学 号 学 院 专 业 班 级 指导师 开题期 摘 要 随着电子技术的高速发展 电子技术领域里的新概念 新器件和新方法不断 涌现 大众对电子产品的需求量和要求的质量和品牌的不断更新 促使了电子技 术的快速发展 为了方便快捷广大居民 本次设计选择了触摸开关为研究课题 触摸开关 是科技发展进步的一种新兴产品 一般是指应用触摸感应芯片原理设 计的一种墙壁开关 是传统机械按键式墙壁开关的换代产品 能实现更智能化 操作更方便的触摸开关有传统开关不可比拟的优势 是目前家居产品的非常流行 的一种装饰性开关 触摸开关是一种智能控制的墙壁开关 本身需要消耗一定的 电能 在待机时 智能开关待机取电是通过流过电子镇流器的电流给智能墙壁开 关控制电路供电 在工作时 智能开关工作时取电是通过开关断开时的两端压差 来取电 触摸开关没有金属触点 不放电不打火 大量的节约铜合金材料 同时 对于机械结构的要求大大减少 它直接取代传统开关 操作舒适 手感极佳 控 制精准且没有机械磨损 通过 AT89C51 单片机采集触摸开关模块的输出高低电平 和串口无线模块 完成主机与从机的通信工作 实现触控 远距离传输控制继电 器的功能 关键词 AT89C51 单片机 触摸开关 无线传输模块 继电器 目 录 第一章 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 本设计现状 1 第二章 方案论证 2 2 1 控制芯片选择 2 2 2 系统总体结构框图 2 2 3 本章小结 3 第三章 硬件电路设计 4 3 1 智能触摸开关控制系统硬件组成 4 3 2 单片机系统介绍 4 3 2 1 复位方式 4 3 2 2 时钟电路 5 3 2 3 最小系统电路 5 3 3 触摸开关电路 6 3 4 CC1101 无线传输模块 7 3 5 继电器执行模块 9 第四章 软件设计 10 4 1 主程序流程图 10 第五章 设计总结 11 参考文献 12 附录 1 13 系统主电路图 13 附录 2 14 部分程序源代码 14 第一章 绪论 1 1 研究背景 传统的开关元件开关属于有触点开关元件 但由于它有接触不良 故障率高 使用不便等缺 点 在某些要求较高的输入电路中不能很好使用 促使设计师寻求更为理想的开关替代元件 随着 信息技术的发展日新月异 一个以信息资源的采集 开发 利用为特征的信息技术革命正席卷全 球 信息技术已广泛的渗透到社会各个领域 在世界经济和社会发展中发挥着越来越重要的作用 日前各个发达国家都在致力于信息化建设 以此来加速本国经济的发展 发展信息产业有许多关 键的要素 如计算机 通信 集成电路 软件和信息服务业的建设等 但是如何将人类的社会活 动和生产活动与现代化的信息传输和处理手段联系在一起也是一个重要的课题 只有解决了这个 实际要求 才能使人类享受到信息技术带来的高度的物质文明和精神文明 触摸开关正是解决这 一课题的重要研究方向之一 例如 很多汽车里的多媒体系统已经取消了机械按键 取而代之的 是电容式触摸按键系统 方便了司机的使用 提高了汽车驾乘感受等 可见 触摸按键技术是解 决机械按键缺陷的新趋势 1 2 本设计现状 单片机是把中央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 输入 输出端 口 I 0 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机 计算机的产生 加快了人类改造世界的步伐 但是它毕竟体积大 微计算机 单片机 在这种情况下诞生了 纵 观我们现在生活的各个领域 从导弹的导航装置 到飞机上各种仪表的控制 从计算机的网络通 讯与数据传输 到工业自动化过程的实时控制和数据处理 以及我们生活中广泛使用的各种智能 IC 卡 电子宠物等 这些都离不开单片机 以前没有单片机时 这些东西也能做 但是只能使 用复杂的模拟电路 然而这样做出来的产品不仅体积大 而且成本高 并且由于长期使用 元器 件不断老化 控制的精度自然也会达不到标准 在单片机产生后 我们就将控制这些东西变为智 能化了 我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路 核心部分只是由人为的写入程序来完 成 这样产品的体积变小了 成本也降低了 长期使用也不会担心精度达不到了 且容易升级改 善 触摸开关按开关原理分类有电阻式触摸开关和电容式触摸开关 在多种技术中 电容式触摸 感应技术已经成为触摸感应技术的主流 在按键方案上 能为产品带来整体的外观档次提升 第二章 方案论证 2 1 控制芯片选择 方案一 采用 Atmel 公司生产的 AT89C51 8 位单片机 该单片机与 MCS 51 单片机产品兼容 内部具有 32 个可编程 I O 口线 3 个 16 位定时器 计数器 八 个中断源 全双工 UART 串行通道 但是其内部模块较少 功能局限性大 并且 内部没有集成模 数转换模块 脉冲宽度调制模块 使用时需要在外围电路中额外 设计 A D 转换模块和 D A 转换模块 增加硬件成本的同时增加了硬件故障点 并 且增加了飞机的质量 方案二 采用公司生产的 MSP430 系列十六位单片机 该单片机内部具有 16K 的 RAM 和 16K 的 ROM 8K 可编程 Flash 存储器 16 路精度为 8bit 10bit 12bit 的模数转换模块 8 路脉 冲宽度调制 PWM 通道 若干定时器 计数器 1 个全双工 UART 串行通道 看门狗定时器 51 个可编程 I O 口 10 个外部事件触发中断引脚 超过一百个中断源 是一款功能十分强大的 单片机 并且内部自带 PLL 模块 总线频率最高可以设置成 128MHz 运算速度快并稳定 在本次设计中 因为并不需要模拟量的采集 且不涉及 PWM 等功能 且从成本角度出发 本次设计使用性能适中的 AT89C51 单片机 2 2 系统总体结构框图 本次设计的触摸开关系统以模块化方式分块设计 通过将设计分成主控制模块 被控制模块 和无线传输模块 分步完成相应模块 最终将各个模块整合到一起 完成设计 最终进行总体调 试 从控制芯片和硬件电路的综合角度确立了系统结构框图 其中主控模块包括触摸开关模块 单片机控制模块 继电器控制灯光的执行模块 电源模块以及无线发射模块等部分 如图 2 1 所 示 AT89C51 8 位单片 机最小系统模块 触摸开关模块 无 线 发 射 模 块 电源模块 图 2 1 主控模块系统总设计结构图 被控制模块主要是对无线接收装置收到主控模块的指令进行处理解析 从而控制继电器灯光 模块 因此被控制模块不必使用触摸开关模块 所以被控模块主要包括触无线接收模块 单片机 控制模块 继电器控制灯光的执行模块以及电源模块等部分 如图 2 2 所示 图 2 2 被控模块系统总设计结构图 2 3 本章小结 本章在对触摸开关系统的控制方案选择进行了分析 对比 确定了单片机的类型 控制核心 方案 本章所确定的各个模块为后续章节的硬件设计提供了研究的对象和模型 继电器控制灯光模块 AT89C51 8 位单 片机最小系统模 块 无线接收模块 继电器控制灯光模块 电源模块 第三章 硬件电路设计 3 1 智能触摸开关控制系统硬件组成 系统主要由 AT89C51 单片机控制芯片 12M 晶振和 30p 电容电路 阻容复位电路 触摸开关 模块电路 三极管和继电器组成的执行电路以及无线收发模块电路 3 2 单片机系统介绍 AT89C51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片 其内部程序代码容量为 4KB AT89C51 主要功能列举如下 1 为一般控制应用的 8 位单芯片 2 晶片内部具时钟振荡 器 传统最高工作频率可至 12MHz 3 内部程式存储器 ROM 为 4KB 4 内部数据存储器 RAM 为 128B 5 外部程序存储器可扩充至 64KB 6 外部数据存储器可扩充至 64KB 7 32 条双向输入输出线 且每条均可以单独做 I O 的控制 8 5 个中断向量源 9 2 组独立的 16 位定时器 10 1 个全多工串行通信端口 11 8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能 12 单芯片提供位逻辑运算指令实物如图 3 1 所示 图 3 1 单片机实物图 3 2 1 复位方式 单片机复位方式有两种 1 手动按键复位 单片机 RESET 引脚得到两个时钟周期的高电平后进行复位 及手动操作 复位 2 2 上电复位 单片机上电压从无到有在 RESET 处会先处于高电平一段时间 然后由于该 点通过电阻接地则 RESET 该点的电平会逐渐的改变为低电平 从而使得单片机复位口电 平从 1 到 0 达到给单片机复位的功能 这样一种复位方式就是所谓上电复位 3 复位电路如图 3 2 示 图 3 2 位电路图 3 2 2 时钟电路 单片机的运行离不开时钟电路 通过始终电路给单片机提供脉冲信号 俗称 拍 来保证单 片机按照时序工作 时钟电路由晶振 电阻 和电容组成 为了保证单片机抗干扰功能更好 使 用 22PF 的电容对脉冲信号进行过滤 同时采用 16M 晶振保证晶振的可靠起振 保证单片机上电 后起振顺利 本次设计始终电路如图 3 3 示 图 3 3 钟电路图 3 2 3 最小系统电路 单片机最小系统由单片机芯片 时钟电路以及复位电路所组成 本次设计最小系统电路图如 图 3 4 示 图 3 4 小系统电路图 3 3 触摸开关电路 本次采用的触摸开关为基于 TTP224 触控芯片的触摸模块 如图 3 5 示 图 3 5TP224 触控开关模块实物图 TTP224 触控开关模块提供 4 个触摸输入端口及 4 个直接输出端口 提供直接输出模式 触发 模式 开漏输出 CMOS 高电平有效或低电平有效输出 便于单片机的 IO 口进行采集 处理 模块电路图如图 3 6 示 图 3 6TP224 触控开关模块原理图 3 4 CC1101 无线传输模块 本次设计装置使用的无线传输模块为 CC1101 无线传输模块 如图 3 7 示 图 3 7CC1101 无线传输模块实物图 该模块通信频率为 434MHz 采用半双工工作方式 并且不限制单词发送的字节数 具有待 机空闲工作方式 工作电流仅 3 5mA 且传输速度快 该模块具有 4 种串口透传方式 各个模式 都是只管收发串口数据即可 且工作距离远 空旷地带可达 200 米以上 便于系统后期整体调制 CC1101 无线模块原理图如图 3 7 所示 图 3 8C1101 无线传输模块电路图 3 5 继电器执行模块 本次系统设计的最终表现方式为通过单片机控制继电器 从而控制灯光的开闭 单片机的 IO 口输出功率为电压型信号 驱动能力及其微弱 因此需要使用一个 S8050 三极管来作为继电器的 驱动电路 从而控制 LED 灯光电路 继电器执行模块电路如图 3 9 示 图 3 9 电器执行模块电路图 第四章 软件设计 4 1 主机程序流程图 系统初始化后等待按键按键按下 单片机自动读取按键的信息识别是哪个按键给的操作 然 后根据设定程序将数据送给发送函数 将数据从无限模块发送出去 系统的软件整体流程图如图 4 1 所示 开始 程序初始化 无线模块初始化 等待按键 发送按键指令 读取按键值 结束 图 4 1 主程序流程图 4 2 从机程序流程图 从机系统接收来自主机的数据好解码对应按键继电器动作基本流程图如图 4 1 所示 开始 程序初始化 无线模块初始化 等待数据包 继电器控制 读取数据包 结束 第五章 设计总结 本设计基于 89C51 单片机 实现了触摸开关的设计 功能实践是检验真理的唯一标准 当然 也是检验学习成果的标准 在经过一段时间的学习之后 我们需要了解自己的所学应该如何应用 在实践中 因为任何知识都源于实践 归于实践 所以要将所学的知识在实践中来检验 在做毕业设计期间 在老师的指导下 通过自身的不断努力 无论是思想上 学习上 都取 得了长足的发展和巨大的收获 学会用科学的精神去解决问题 很多事情看起来是很简单的问题 但实际做起来就不简单了 运用科学的方法去解决问题 这是我这次实训给我带来的思想上的改 变 学习上 使自已在大学所以的知识在这次得到实践 学到一些书本上无法学到的经验 对单 片机有了进一步的认识 触摸开关是信息化时代发展的产物 应时而生 我相信随着科技的不断发展 将来的触摸开 关一定更加完美 更加人性化 更加便宜 更加安全 参考文献 1 李朝青 单片机原理及接口技术 简明修订版 M 北京 北京航空航天大学出版社 1998 2 李全利 单片机原理及接口技术 M 高等教育出版社 2003 3 PROTEL99 SE 电路设计与制板 M 机械工业出版社 2007 4 杨将新 李华军 刘到骏等 单片机程序设计及应用 从基础到实践 J 电子工业出 版 社 2006 5 Steven F Barrett Daneil J Pack Embedded System M 北京 电子工业出版社 2006 6 周立功 LPC900 系列 Flash 单片机应用技术 J 北京航空航天大学出版社 2004 7 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛训练教程 M 北京 电子工业出版社 2005 8 杨欣 电子设计从零开始 第二版 北京 清华大学出版社 2010 9 梅丽凤 单片机原理及接口技术 第三版 M 北京 清华大学出版社 2010 10 李鸿 用单片机控制手机收发短信息 J 电子技术应用 2003 8 24 27 11 张毅刚 单片机原理及应用 M 北京 高等教育出版社 2007 64 67 12 邹伯敏 自动控制理论 M 2 版 北京 机械工业出版社 2002 100 105 13 刘守义 单片机应用技术 M 西安 西安电子科技大学出版社 2002 68 69 14 谭浩强 C 语言程序设计 M 3 版 北京 清华大学出版社 2005 54 80 附录 1 主机电路图 附录 2 从机电路图 附录 3 主机程序代码 内容 连接好串口或者 usb 转串口至电脑 下载该程序 打开电源 打开串口调试程序 将波特率设置为 9600 无奇偶校验 晶振 11 0592MHz 发送和接收使用的格式相同 如都使用 字符型格式 设置正确后接受框可以看到 UART test include 包含头文件 一般情况不需要改动 头文件包含特殊功能寄存器的定义 include delay h sbit S1 P2 0 sbit S2 P2 1 sbit S3 P2 2 sbit S4 P2 3 sbit J P2 7 函数声明 void SendStr unsigned char s void SendByte unsigned char dat 串口初始化 void InitUART void SCON 0 x50 SCON 模式 1 8 bit UART 使能接收 TMOD 0 x20 TMOD timer 1 mode 2 8 bit 重装 TH1 0 xFD TH1 重装值 9600 波特率 晶振 11 0592MHz TR1 1 TR1 timer 1 打开 EA 1 打开总中断 ES 1 打开串口中断 主函数 void main void InitUART J 1 while 1 if S1 1 DelayMs 50 if S1 1 while S1 1 J J SendByte 1 if S2 1 DelayMs 50 if S2 1 while S2 1 SendByte 2 if S3 1 DelayMs 50 if S3 1 while S3 1 SendByte 3 if S4 1 DelayMs 50 if S4 1 while S4 1 SendByte 4 J J 发送一个字节 void SendByte unsigned char dat SBUF dat while TI TI 0 发送一个字符串 void SendStr unsigned char s while s 0 0 表示字符串结束标志 通过检测是否字符串末尾 SendByte s s 从机程序代码 include 包含头文件 一般情况不需要改动 头文件包含特殊功能寄存器的定义 sbit J1 P2 7 sbit J2 P2 6 sbit J0 P2 5 函数声明 void SendStr unsigned char s void DelayUs2x unsigned char t while t void DelayMs unsigned char t while t 大致延时 1mS DelayUs2x 245 DelayUs2x 245 串口初始化 void InitUART void SCON 0 x50 SCON 模式 1 8 bit UART 使能接收 TMOD 0 x20 TMOD timer 1 mode 2 8 bit 重装 TH1 0 xFD TH1 重装值 9600 波特率 晶振 11 0592MHz TR1 1 TR1 timer 1 打开 EA 1 打开总中断 ES 1 打开串口中断 主函数 void main void J1 1 J2 1 InitUART ES 1 打开串口中断 while 1