基于單片機的自習室管理系統(tǒng)的硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27388第1章系統(tǒng)硬件電路設計 199521.1最小系統(tǒng)電路設計 2310561.2紅外傳感器模塊電路設計 3164751.3溫濕度模塊電路設計 4322821.4藍牙模塊電路設計 5251961.5顯示模塊電路設計 667091.6電源模塊電路設計 719536第2章系統(tǒng)軟件電路設計 8211322.1主程序設計 8121222.2統(tǒng)計人數子程序設計 10150692.3藍牙數據傳輸子程序設計 1185132.4其它模塊設計 1318238第3章硬件組裝與調試 18117663.1硬件模塊調試 188203.2軟件模塊調試 19278973.3實物演示 20第1章系統(tǒng)硬件電路設計本設計的主要硬件電路大致分為五個模塊：首先是系統(tǒng)的主控部分，STC89C52作為系統(tǒng)的主控器件，主要用于數據的處理，包括計數部分，中斷部分和數據轉換部分。紅外傳感器模塊主要進行信號的發(fā)射與接收，并通過轉換電路將接收到的紅外信號轉換為低電平；溫濕度模塊，主要負責檢測教室內溫濕度指數，為學生提供更多的參考條件；LCD狀態(tài)轉換作為顯示模塊，主要用于顯示教室內人數數據和溫濕度數據；藍牙模塊，主要負責最后信息的發(fā)送，將教室內的各項參數發(fā)送到手機客戶端。采用上述硬件，將其集中連接到STC89C52最小系統(tǒng)上，紅外線傳感器為接收數據，DHT11溫度濕度傳感器需要雙向串口通信交流，LCD12864需要接收單片機并行數據并將其顯示。藍牙模塊雙向接受數據并實時傳送。1.1最小系統(tǒng)電路設計最小系統(tǒng)作為所有功能的基礎部分，成功連接將會使芯片可以正常工作，是使用一切傳感器和進行算法編程的基礎。本設計的最小系統(tǒng)電路主要由電源、地線、晶振、復位電路組成。最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示：圖3-1最小系統(tǒng)電路圖復位電路主要是電容和電阻串聯(lián)構成,在單片機RST引腳通電后將轉為高電平。單片機最小系統(tǒng)電路如上圖所示，其電容為22uf，電阻為10kΩ，根據公式可以算出復位需要的時間為0.22s，在0.22s內，電容兩端電壓將保持在0-1.5V的范圍內，電阻兩端的電壓將從5V減小到1.5V（串聯(lián)電路任一處電壓的和等于總電壓），此時RST引腳接受到的電壓為5-1.5V，定義高低電平信號時，在5V電壓工作下的單片機小于1.5V的信號為低電平信號，反之，高于1.5V的信號為高電平信號，故在開機0.22s內單片機將自動復位。1.2紅外傳感器模塊電路設計E18紅外傳感器是由分壓電阻、濾波電容、限流電阻、上拉電組成。其中分壓電阻負責將紅外傳感器檢測到的障礙信號轉換成模擬電壓信號，接著模擬量信號接入比較器中，就可以與分壓電阻分壓后的模擬電壓構成比較形成數字信號（即高低電平信號）。濾波電容，一個對其電源進行濾波，另一個對模擬信號進行濾波，以此來維持濾波信號的平穩(wěn)性。限流電阻，一是用來保護LED不被燒壞，二是為了對紅外發(fā)射頭進行保護。其中上拉電阻也有限流的作用。E18紅外傳感器實物如圖3-2所示：圖3-2E18紅外傳感器實物圖紅外傳感器模塊電路圖如圖3-3所示：圖3-3紅外傳感器電路圖1.3溫濕度模塊電路設計DHT11作為測量溫度和濕度的傳感器在系統(tǒng)中具有重要作用。DHT11有四個接口，其中NC接口并未使用，其中VCC接電源正極，GND接電源負極，DATA端口使用串行向單片機發(fā)送數據，連接單片機所需I/O口，可以在數據端接一個2.7kΩ的上拉電阻。本設計所購得的DHT11傳感器沒有NC接口，也不影響使用。上拉電阻是可選部分，因此不添加也不影響其使用，本設計出于簡潔性的考慮，不添加上拉電阻。溫濕度模塊電路如圖3-4所示：圖3-4DHT11連線示意圖1.4藍牙模塊電路設計本設計藍牙模塊選用的是HC-05藍牙作為主要數據傳輸模塊，HC-05藍牙串口通訊模塊由命令響應工作和自動連接兩種工作模式構成。在自動連接狀態(tài)下，模塊可以分為三種工作角色：主、從、回環(huán)。當其自動連接工作狀態(tài)時，將自動依據事先設定的方式進行數據傳輸；在命令響應工作狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠執(zhí)行下面所有的AT指令，同時用戶也可以向模塊發(fā)送任何AT指令，從而設置模塊的控制參數或者發(fā)布控制命令。模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉換也可以通過控制模塊的外部引腳輸入電平來實現。要想實現藍牙連接，必須將兩個藍牙模塊設置為主從模式，一個為藍牙主模塊，一個為藍牙從模塊，建立主從關系后，保證密碼的一致性，互相綁定對方地址，設置為藍牙連接模式，當主從模塊建立好連接后，兩個模塊都重新上電，觀察指示燈，由快速閃爍變?yōu)榫徛W爍，說明主從模塊通訊建立成功。藍牙模塊電路如圖3-5所示：圖3-5藍牙模塊連接示意圖1.5顯示模塊電路設計顯示模塊選用LCD12864液晶顯示屏，可以顯示漢字及圖形，內置有8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。表3-6液晶顯示器LCD12864主要技術參數LCD12864電源顯示內容顯示顏色顯示角度LCD類型邏輯工作電壓(VDD)電源地(GND)工作溫度(Ta)儲存溫度VDD1.3V~+5V128列×64行黃綠/藍屏/灰屏6：00鐘直視STN2.5～3.5V0V-20～70℃-30-80℃作為顯示所有數據的交互部分，液晶顯示器的連接方式如圖3-7所示：圖3-7LCD12864連線示意圖RS/CS是寄存器選擇輸入，RW是液晶讀寫控制，EN是液晶的使能控制，CS1是傳并行方式控制，DB0-DB7為數據口。本圖CS1直接連接VCC設置為并行方式控制。對于本設計來說，將數據口連接P0，RS連接P3^5，RW連接P3^6，EN連接P3^4，CS1連接P3^7。1.6電源模塊電路設計本系統(tǒng)的總電源選用5V的直流電源，電路設計起來簡單、穩(wěn)定。圖中DC為電源的插座，可以直接用USB電源線接入，分別插在DC插座和5V電源上，5V電源包括充電寶、手機、充電器等等。指示燈為紅色LED燈，系統(tǒng)通電則LED燈亮。通過2k的電阻來限制電流從而防止電流過大燒壞LED燈。SW時自鎖開關，按下按鍵后紅燈亮，意味著系統(tǒng)輸出5V直流電源。再按下按鍵，LED燈熄滅，系統(tǒng)沒有輸出5V電源。電源模塊電路如圖3-8所示：圖3-8電源模塊電路圖第2章系統(tǒng)軟件電路設計2.1主程序設計首先按照需求，需要設計顯示功能，讀取溫度濕度功能，測量人數功能，全部放在一個循環(huán)中，不斷更新顯示和采集數據的信息，并檢驗距離是否在10m的范圍內，如未超過，則藍牙模塊開始傳送信息，無限循環(huán)以維持持續(xù)工作?？傂蛄鞒倘鐖D4-1所示：開始開始系統(tǒng)各模塊初始化系統(tǒng)各模塊初始化讀取溫濕度讀取溫濕度測量和計算人數測量和計算人數LCD液晶屏顯示LCD液晶屏顯示否距離在8否距離在8m以內是是數據傳輸數據傳輸手機端顯示手機端顯示圖4-1程序流程圖初始化：輸入當前教室內信息，設置傳感器初始參數，為接受數據做準備，設置LCD的初始化文件，為其進行顯示做準備。顯示：編程使LCD顯示固定的內容，類似界面的作用，需包含以下內容：當前教室總座位數；當前教室已占用座位數；當前教室總剩余座位數；當前教室溫度；當前教室溫度。編程定期更新可變數據，包含除當前教室總座位數以外的所有數值。手機端顯示:和LCD顯示屏上顯示數據一致。2.2統(tǒng)計人數子程序設計使用2個紅外線傳感器，分別放置在入口的兩側，命名為AB，A在門外側。判斷進出教室是由A、B感應的先后順序來判斷。觸發(fā)順序為A-B，則判定為有人進入教室+1，BA觸發(fā)則判斷為有人離開教室-1。這部分方法如下:初始化輸入教室總座位數和當前人數，計算當前剩余座位數。傳感器開始工作，根據觸發(fā)順序判斷下一步，增加或者減少當前教室總人數，計算并返回以下三個數值：教室總座位數，當前已占用座位數，剩余座位數。人數統(tǒng)計流程如圖4-2所示：開始開始教室內人數—1內傳感器響應外傳感器響應外傳感器響應內傳感器響應教室內人數+1初始化教室信息傳感器是否響應教室內人數—1內傳感器響應外傳感器響應外傳感器響應內傳感器響應教室內人數+1初始化教室信息傳感器是否響應NNYY 更新人數值更新人數值圖4-2人數統(tǒng)計程序圖2.3藍牙數據傳輸子程序設計在藍牙的配置過程中，首先要實現設備與器件藍牙的主從綁定，先設置AT指令模式，進行串口波特率、檢驗位、停止位等操作，根據需求來修改藍牙的密碼及名稱，設置成一主一從的連接模式，將其與電腦連接，按藍牙模塊上的復位鍵并接通電遠，便會發(fā)現指示燈由快閃變成慢閃，這代表著已經進入AT指令模式，藍牙連接成功。設置好后，就可以通過發(fā)送查詢指令，來查看是否設置正確，藍牙數據連接過程如圖4-3、4-4所示：圖4-3設置波特率過程圖圖4-4修改藍牙名稱及密碼下一步進行主從模塊的綁定，必須要滿足一個為主模塊，一個為從模塊，保證密碼一致，設定成藍牙鏈接模式，互相綁定對方的地址。按此順序完成后，主從模塊就建立好了連接。對兩個模塊重新上電，指示燈變化說明主從模塊建立好了通信。通訊連接成功如下圖4-5所示：圖4-5主從模塊建立連接2.4其它模塊設計軟件電路設計不單包括以上程序設計還包括溫濕度傳感器模塊設計和顯示模塊設計：首先DHT11溫濕度傳感器需要從主機發(fā)送一個信號，將DHT11溫濕度傳感器的低功耗模式轉換成高速模式，等待開始信號結束，DHT11溫濕度傳感器就開始發(fā)送一個返回主機的數據，若無開始信號，則不采集數據。溫濕度模塊信號時序如圖4-6所示：圖4-6DHT11模塊信號時序圖所以需要以如下方式使用DHT11，首先把總線從高電平拉低到>18ms，將總線拉高延時20us，將主機設置為輸入判斷響應，等待DHT11溫濕度傳感器發(fā)的80us的高低電平響應，讀取DHT11傳送來的數據，讀取結束后進行校驗，返回數據。DHT11通訊程序如圖4-7所示：開始開始總線拉低18ms總線拉低18ms總線拉高20us總線拉高20us傳感器低電平相應N傳感器低電平相應NYY等待低電平響應結束等待低電平響應結束等待高電平響應結束等待高電平響應結束進入數據接收進入數據接收數據校驗是否成功數據校驗是否成功NNYY返回溫度濕度值返回溫度濕度值結束結束結束結束圖4-7DHT11通信程序圖結束結束在LCD12864顯示模塊上，進行內容的顯示，需要了解其工作方式，共20個引腳，其中電源地線，并行串行選擇口，同步時鐘口，數據口0-7是比較重要的，需要注意。漢字的構成可以看成是許多點陣排列而來，漢字的筆畫區(qū)域當作“1”，其余地方當作“0”，按照順序將這些點陣信息進行排列，就可以得出這個漢字。一般情況下一個漢字是由16*16圍成的區(qū)域組成，此區(qū)域被叫做二級單元，因此LCD12864液晶顯示屏可以顯示出4行8列也就是32個漢字。同時根據以上坐標，可以確定在指定位置顯示指定文字，對于精確確定顯示位置很有幫助，使得可以進行頁面設計由上節(jié)可知，LCD的工作方式有2種，因為使用了PO口的全部數據I/O口，所以選擇并行方式，然后先要對顯示屏進行基本的設置和測試，之后要確定顯示的內容，再確定顯示位置，之后就執(zhí)行顯示命令即可進行顯示。顯示模塊流程如圖4-8所示：開始開始設置工作方式設置工作方式測試顯示測試顯示定義&更新顯示字符定義&更新顯示字符設置顯示位置設置顯示位置將字符進行顯示將字符進行顯示圖4-8LCD12864顯示流程圖第3章硬件組裝與調試3.1硬件模塊調試首先，我先針對紅外傳感器作出檢驗標準，所檢驗的方式就是驗證其性能的靈敏度，分別站在距離傳感器2米和5米的地方，以及當間隔時間較短經過傳感器時，傳感器做出的反應，檢測傳感器接收信息的靈敏度。藍牙模塊的檢驗方式也是分別站在不同距離處，通信設備與器件構成藍牙連接，檢驗在距離8m以內是否能通過藍牙模塊準確傳送信息。再參考LCD12864的說明，將其也連接到單片機上。使用的LCD12864需要手工焊接排針或者連接線才可以使用，鑒于環(huán)境原因，我選擇使用連接線的方式。將20根線分別焊接上去，之后5個一組用透明膠合成一簇，總共是4簇線，將其分別插入對應插口即可。完成連接之后，對其進行檢查，在確認無誤后，閱讀并理解例程之后，將其燒寫進芯片進行測試。最后參考DHT11的連線方式圖，將VCC與VCC相連，GND與GND相連，DATA與測試I/O口相連，共三跟線，直接通過杜邦線即可連接，無需其他操作。連線完畢進行確認檢查，無誤后，閱讀理解例程，將其燒寫進芯片進行測試，例程通過LCD1602進行顯示。經過測試，得到以下結論：該型號紅外傳感器的反應時間較短，能夠在人與人間隔2S以內的時間迅速作出反應，但是檢測到距離沒有達到理想狀態(tài)，在5m時接受不到信息。當設備啟動后，藍牙模塊處于待連接狀態(tài)，指示燈快閃，手機連接藍牙后，與主設備構成主從模塊，連接成功后，指示燈緩慢閃爍，并將主設備上的全部信息實時傳送到手機從設備上，由此連接成功。測試也如預期一樣，在8m之內都可以傳送信息。顯示模塊方面器件完好，連線接線正確，程序I/O設置和連線一致。同樣DHT11傳感器狀態(tài)完好，連線正確，電壓合適，程序算法正確無誤，能夠通過串口從DHT11讀取溫度濕度信息，并成功進行數據校驗。檢驗過程如圖5-1所示：圖5-1檢測過程圖3.2軟件模塊調試在軟件模塊調試過程中出現了許多錯誤，比如順序問題，語法錯誤，少了括號，分號，參數列表得到長度不同，需要檢查開始的函數聲明和定義的參數是否一致，且參數必須要說明類別。是否使用了定義得到變量等等。在搭建好調試的平臺之后，便對軟件程序進行調試，進入到設置頁面后，若未發(fā)現程序調試錯誤，便開始驗證系統(tǒng)功能的完整性，如果發(fā)現問題，便要反復進行調試。程序調試頁面如圖5-2、5-3所示：圖5-2程序調試頁面圖5