單片機實現數碼管顯示亮度的按鍵控制和溫度檢測

學號1607080221天津城建大學單片機原理及接口技術課程設計設計說明書數碼管顯示亮度的按鍵控制設計起止日期：2019年1月2_日至2019年1月J1_日學生姓名 韓徐班級 16電信科2班成績指導教師（簽字）計算機與信息工程學院2019年1月11日天津城建大學課程設計任務書2018—2019學年第1學期計算機與信息工程學院電子信息科學與技術專業班級2班學號1607080221課程設計名稱：單片機原理及應用A課程設計設計題目： 數碼管顯示亮度的按鍵控制設計完成期限：自2019年1月2日至2019年1月11日共2周設計依據、要求及主要內容：設計的目的進一步熟悉和掌握單片機系統設計和編程原理。掌握單片機的接口技術及相關外圍芯片的外特性、控制方法。通過設計，掌握以單片機核心的電路設計的基本方法和技術。通過實際程序設計和調試，掌握模塊化程序設計方法和調試技術。通過完成一個包括電路設計和程序開發的完整過程，了解開發單片機應用系統的全過程，為今后從事相應開發打下基礎。設計的基本要求認識設計的意義，掌握設計工作程序，學會使用工具書和技術參考資料，并培養科學的設計思想和良好的設計作風。提高模型建立和設計能力，學會應用相關設計資料進行設計計算的方法。提高獨立分析、解決問題的能力，逐步增強實際應用訓練。設計的說明書要求簡潔、通順，電路圖內容完整、清楚、規范。設計主要內容a） 設計實現功能STC12C5A60S2（引腳排序及基本功能同AT89S51）作為主控芯片，設計利用按鍵實現數碼管亮度的調整。一是擴展DS18B20溫度檢測電路，并由數碼管顯示；二是擴展按鍵電路；三是利用按鍵調整數碼管的亮度。b） 原理圖設計原理圖設計要符合項目的工作原理，連線要正確。圖中所使用的元器件要合理選用，電阻、電容等器件的參數要正確標明。原理圖要完整，CPU、外圍器件、外擴接口、輸入/輸出裝置要一應俱全。c） 程序調計根據要求，將總體功能分解成若干個子功能模塊，每個功能模塊完成一個特定的功能。根據總體要求及分解的功能模塊，確定各功能模塊之間的關系，設計出完整的程序流程圖。d） 程序調試編寫相關程序，并進行仿真。將程序下載到單片機，進行運行調試。e） 設計說明書原理圖設計說明簡要說明設計目的，原理圖中所使用的元器件功能及在圖中的作用，各器件的工作過程及順序。程序設計說明對程序設計總體功能及結構進行說明，對各子模塊的功能以及各子模塊之間的關系作較詳細的描述。畫出工作原理圖，程序流程圖并給出相應的程序清單。指導教師（簽字）： 教研室主任（簽字）：批準日期：2019年1月2日TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章 設計任務及要求 1\o"CurrentDocument"1.1設計目的 11.2設計要求 11.3設計思路 1\o"CurrentDocument"第2章設計原理 22.1原理概括 22.2原理框圖 2\o"CurrentDocument"第3章硬件電路設計 33.1 STC12C5A60S2主控芯片 33.1.1單片機簡介 33.1.2STC系列單片機主要性能及特點 33.1.3外部引腳介紹 33.2數碼管 43.3鍵盤 63.4溫度傳感器DS18B20 6\o"CurrentDocument"第4章 軟件程序設計及調試 7\o"CurrentDocument"4.1程序流程圖 7\o"CurrentDocument"4.2程序設計 74.3調試結果 8\o"CurrentDocument"第5章總結 9\o"CurrentDocument"參考文獻 10\o"CurrentDocument"附錄 11附錄I設計原理圖 11附錄II元器件清單 12附錄III源程序 12第1章設計任務及要求1.1設計目的本學期開設了單片機原理的相關課程，我們初步接觸和掌握了單片機的一些知識，了解了單片機的起源、發展和應用，并且在平時的單片機實驗當中進一步鞏固了課堂上所學的知識。為了進一步加深對單片機原理的了解，對單片機應用的熟悉，本次課程設計，通過編程實現與單片機硬件設計深化單片機運行原理，2熟設單計要求流程，對于開發過程中遇到的問題進行分析并解決。以學院發放的單片機開發板為基礎，設計電路，該電路使用到的器件有:DS18B20溫度傳感器、四位數碼管、4x4矩陣按鍵以及主控芯片STC12C5A60S2。要求使用DS18B20測量當前溫度，并由數碼管來顯示測量的溫計，使用按鍵去控制數碼管顯示的亮度。當我看到我的這個題目以后，我開始去思考怎么實現相應功能。我的題目可以分成兩部分來完成，第一部分就是先利用數碼管顯示出來溫度。測量溫度的實驗我們已經做過，當時是在液晶屏幕上顯示溫度，我可以把那個程序拿過來加以改造，使之能在數碼管上顯示，這樣第一部分就可以實現。第二部分就是利用按鍵控制數碼管顯示的亮度，按鍵分為獨立按鍵和矩陣按鍵，對于矩陣按鍵可以采用線反轉法來檢測具體按下的按鍵。數碼管的顯示有靜態和動態兩種方法。在學習動態數碼管顯示的時候，我知道了改變延時的長短數碼管顯示的情況是不一樣的，可以通過控制延時這個變量來控制數碼管顯示的亮度。兩部分結合在一起就能實現我的題目。第2章設計原理72.17DS18B20芯片可以測量溫度，并且把外界溫度以數字信號方式輸出，對于數字信號可以用單片機很方便地處理，單片機處理了來自DS18B20的溫度信號后，可以把相應的溫度值以數字信號方式輸出。單片機輸出的溫度值信號給數碼管，加上三極管驅動電路以后，數碼管可以把表示數值的數字信號顯示出來。由于題目要求改變其亮度，所以使用數碼管動態顯示，通過改變顯示的數碼管之間的延時來控制亮度。另方面，單片機還可以同時檢測來自按鍵的輸入信號，按下不同的按鍵，單片機做出不同的響應。本次設計當中感理框數碼管之間的延時作為單片機對于按下不同按鍵的響應。大體的設計流程與想法如圖1所示:圖1圖1原理框圖第3章硬件電路設計3.1STC12C5A60S2主控芯片3.1.1單片機簡介單片機就是在一片半導體硅片上，集成了中央處理單元CPU)、存儲器(RAM、ROM)、中斷系統、定時器/計數器、并行1/0、串行I/O、時鐘電路及系統總線，用于測控領域的單片微型計算機，簡稱單片機。單片機的問世，是計算機技術發展史上的一個重要里程碑，它標志著計算機正式形成了通用計算機和嵌入式計算機兩大分支。單片機芯片體積小、成本低，可廣泛地嵌入到工業控制單元、智能儀器儀表、機器人、武器系統、家用電器、辦公自動化設備、金融電子系統、汽車電子系統、玩具、個人信息終端以及通信產品中。20世紀80年代以來，單片機的發展非常迅速，其中Intel公司推出的MCS-51系列單片機是一款設計成功、易掌握并在世界范圍得到廣泛普及應用的機型，這是最早進入我國并在我國得到廣泛應用的機型。其中包括8051等產品。在這以后Intel公司把精力放在高檔CPU的研發上，以專利轉讓或技術交換的形式把8051內核技術轉讓給了許多芯片廠家。STC系列單片機是我國具有獨立自主知識產權，功能與抗干擾性強的增強型8051單片機。—t『3.1.2STC系列單片機主要性能及特點高速：比普通的8051快8?12倍寬工作電壓：3.8?5.5V、2.4?3.8V12KB/10KB/8KB/6KB/4KB片內flash程序存儲器，擦寫次數10萬次以上512B片內的RAM數據存儲器可在線編程，無需編程器或仿真器8通道的10位ADC，4路PWM輸出4個定時器或4個外部中斷2個硬件16位定時器，兼容普通8051的定時器硬件看門狗(WDT)高速SPI串口全雙工異步串行口(UART)，兼容普通8051串口通用I/O口中的每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不可超過55mA超強抗干擾能力與高可靠性(名叫蜘介紹51單片機各引腳可以按照功能將其分成三類：電源和時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2編程控制引腳：RST、PSEN、ALE/PROG、EA/Vpp4組8位I/O口引腳：P0、P1、P2、P3下面對一些引腳簡略介紹：Vcc，Vss是單片機電源引腳，外接對應的電壓源，為單片機供電。XTAL1，XTAL2是外接時鐘引腳，分別是片內振蕩電路的輸入端和輸出端。RST是單片機的復位引腳，用來完成單片機的復位初始化操作。PSEN是程序存儲器允許輸出控制端，低電平有效，實現外部程序存儲器單元的讀操作。P0口是雙向8位三態I/O口，每個口可獨立控制。51單片機P0口內部沒有上拉電阻，為高阻狀態，所以不能正常地輸出

高/低電平，該組I/O口使用時需要外接上拉電阻。P1口是準雙向8位I/O口，每個口可獨立控制，內帶上拉電阻，這種接口輸出沒有高阻狀態，輸入也不能鎖存，不是真正的雙向I/O口，該口在作為輸入使用前，要先向該口進行寫1操作，單片機內部才可正確讀出外部信號。P2口是準雙向8位I/O口，與P1口類似。P3口是準雙向8位I/O口，作為第一功能即普通I/O口使用時與P1口類似，作為第二功能使用時各引腳定義如下：P3.0串行輸入口，P3.1串行輸出口，P3.2外部中斷0，P3.3外部中斷1，P3.4定時器/計數器0外部輸入端，P3.5定時器/計數器1外部輸入端，P3.6外部數據存儲器寫脈沖，P3.7外部數據存儲器讀脈沖。51單片機的PDIP封裝如圖1所示：P1.0仁1U403Vcc RST1 20VccP1.1匚2 393P0.0 P3.0/RXD2 19 P1.7P1.2仁3 383P0.1 P3.1/TXD3 18 P1.6P1.3匚4 37P0.2 XTAL24117 P1.5P1.4仁5 3623P0.3 XTAL15016 P1.4P1.5仁6 353P0.4 P3.2/INT0 6215 P1.3P1.6仁7 1 343P0.5 P3.3/INT1 7914 P1.2P1.7°8 5 33=■P0.6 P3.4/T0 88 13 P1.1/AIN1RST/Vpd仁9 9 32°P0.7 P3.5/T1 9 12P1.0/AINCP3.0/RXD匚10/ 31=■EA/V_ GND10 11 P3.7P3.1/TXD匚11 1 30=*ale/progP3.2/INT0匚12C293PSENP3.3/INT1仁138 283P2.7 注：類似的還有Philips公司的P3.4/T0仁14 8 27°P2.6 87LPC64，20引腳P3.5/T1匚15 263P2.5 8XC748/750/（751），24引腳P3.6/WRc16 253P2.4 8X749（752），28引腳P3.7/RD匚17 243P2.3 8XC754，28引腳XTAL2匚18 23=>P2.2 等等XTAL1匚19 223P2.1Vss仁20 21°P2.0圖2PDIP封裝引腳圖本次課程設計，我用到了單片機的P1口作為按鍵的數據輸入輸出控制口，P2口作為數碼管段選控制管位選控制口。LED數碼管是常見的顯示器件，在家電領域應用極為廣泛。LED數碼管為“8”字型的，共計8段（包括小數點）或7段（無小數點），每一段對應一個發光二極管，有共陽極和共陰極兩種。共陽極數碼管的陽極連接在一起，公共陽極接到+5V上；共陰極數碼管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。我的開發板上的數碼管屬于共陽極數碼管，其內部結構如圖2所示。對于共陽極數碼管，當某個發光二極管的陰極接低電平時，該發光二極管被點亮，相應的段被顯示。圖3共陽極數碼管結構

為了使數碼管顯示不同的字符，要把某些段點亮，就要為數碼管的各段提供一個字節的二進制代碼，即段碼，習慣上以“a”段對應段碼字節的最低位，共陽極數碼管的段碼如表1所示，如要在數碼管上顯示某一字符，只需將顯示該字符的段碼加到各段上即可。表1共陽極數碼管段碼顯示字符字型碼顯示字符字型碼00xc0C0xc610xf9d0xa120xa4E0x8630xb0F0x8e40x99P0x8c50x92U0xc160x82y0x9170xf8H0x8980x80L0xc790x90—0xbfA0x88全滅0xffb0x83全亮0x00數碼管的顯示方式有靜態和動態兩種，多位數碼管工作于靜態顯示方式時，各位的共陰極（或共陽極）連接在一起并接地（或接+5V），每位數碼管的段碼線分別與一個單片機控制的8位I/O口鎖存器輸出相連，由單片機送出顯示信號供數碼管顯示。靜態顯示方式無閃爍，亮度較高，軟件控制比較容易，但是占用單片機I/O口資源較多，如果顯示位數較少，可采用靜態顯示方式。顯示位數較多時，為節省I/O口與驅動電路的數目，常采用動態顯示方式。這種方式是將所有數碼管的段碼線的相應段并聯在一起，由一個8位I/O端口控制，而各顯示位的公共端分別由另一單獨的I/O端口控制，每一時刻，只有1位位選線有效，即只有一位數碼管被點亮，每隔一定時間逐位地輪流點亮各數碼管，由于數碼管的余輝和人眼的“視覺暫留”作用，只要控制好數碼管之間的點亮時間間隔，就可以造成“多位同時亮”的假象。這個時間間隔如果很短會造成發光很弱，時間間隔很長雖然亮度足夠但是會有閃爍現象。本次課設的要求之一控制亮度，我就是利用數碼管之間的延時來控制的，合理地調整延時長短，就可以讓數碼管亮度很暗但能看清，亮度很亮但不閃爍。開發板上使用的是一組四位LED數碼管（如圖4所示），段選端通過一個74HC573芯片連接到單片機的P0口，4個位選線經過三極管接到了Vcc上，三極管的基極以排針引出，可用杜邦線連接單片機實現位選。

3.3鍵盤圖5輕觸開關鍵盤具有向單片機輸入數據、命令等功能，是人機對話的主要手段。鍵盤由若干按鍵按照一定規則組成，每一個按鍵實質就是一個開關。鍵盤有很多種類，最常見的是按鍵式鍵盤。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，在單片機組成的各種系統中，用的最多的是非編碼鍵盤。常見的非編碼鍵盤有獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤兩種結構，獨立式鍵盤各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一條I/O口線，通過檢測I/O口輸入線的電平狀態，能夠判斷哪個按鍵被按下。當按鍵數目較多時，獨立式鍵盤占用單片機I/O口資源較多，這種情況下為了節省I/O口適合采用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，一個4x4的行列結構可構成16個按鍵，只需要一個8位的并行I/O口。開發板上使用的是一組4x4矩陣鍵盤，由16個輕觸開關（又叫按鍵開關，使用時以滿足操作力的條件向開關操作方向施壓使開關閉合接通，當撤銷壓力時開關斷開，其內部結構是靠金屬彈片受力變化來實現通斷的，如圖5所示）組成。每一行開關的相同端接在一根線上，每一列開關的相同端接在一根線上，總共引出行線和列線各4根，通過排針和跳線帽接到單片機的P1圖5輕觸開關3.4溫度傳感器DS18B20DS18B20芯片（如圖6所示）屬于單總線接口的數字溫度傳感器，溫度測量范圍是-55?+128°C，DS18B20芯片體積小、功耗低，對于實時溫度的測量結果可通過單總線以數字信號方式傳輸，省去了信號放大、A/D轉換等外圍電路。DS18B20有3個引腳，分別是Vcc、DQ和GND。單片機對每個DS18B20芯片通過總線DQ尋址，DQ為漏極開路，須加上拉電阻。每個芯片內都有64位ROM，其中存有16位序列號，它是器件的地址編號，能使器件被唯一地確定。常用的控制DS18B20的有下面幾條指令：0x33（讀DS18B20中ROM的編碼）、0xcc（忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發溫度變換命令）、0x44（啟動DS18B20進行溫度轉換）、0xbe（讀內部RAM中溫度數據）、0x4e（發出向內部RAM的第2,3字節寫上，下限溫度數據命令）。開發板上使用單片機的P1.7口與DS18B20進行數據交換，P1.7、Vcc和GND已由排針引出，只要給開發板上DS18B20旁邊的排針插上跳線帽即可。圖6DS18B20芯片第4章軟件程序設計及調試4.1程序流程圖綜合了以上所介紹的設計思路以及原理之后，整個題目的設計流程如圖7所示:否溫度值大于0結束開始/外界溫度模./擬信號輸入/數字信號溫//度值輸出，???.'’圖7程序流程圖/按鍵信號/輸入否溫度值大于0結束開始/外界溫度模./擬信號輸入/數字信號溫//度值輸出，???.'’圖7程序流程圖/按鍵信號/輸入.是實際溫度=十進制數據位除以169數碼管顯示與亮度調節延時增加或減少實際溫度=十進制數據位取反加1再除以16DS18B20處理單片機4.2程序設計本次課設的難點在于DS18B20溫度傳感器的使用，如何用單片機控制DS18B20芯片進行溫度讀寫是完成題目的關鍵，因此有必要了解DS18B20的工作時序：（1）初始化，包括①先將數據線置高電平1。②延時。③數據線拉到低電平0。④延時480到960微秒。⑤數據線拉到高電平1。⑥延時等待。⑦若CPU讀到數據線上的低電平0后，還要進行延時。⑧將數據線再次拉到高電平1后結束°（2）DS18B20寫數據，包括①數據線先置低電平0。②延時確定的時間為15微秒。③按從低位到高位的順序發送數據。④延時45微秒。⑤將數據線拉到高電平1。⑥重復①到⑤步驟，直到發送完整個字節。⑦將數據線拉高到1。（3）DS18B20讀數據，包括①將數據線拉高到1。②延時2微秒。③將數據線拉低到0。④延時6微秒。⑤將數據線拉高到1。⑥延時4微秒。⑦讀數據線的狀態得到一個狀態位，并進行數據處理。⑧延時30微秒。⑨重復①到⑦步驟，直到讀取完一個字節。按照以上時序對DS18B20進行程序編寫，我參考了做實驗時

所用到的DS18B20顯示溫度的代碼，加以更改使之能夠正確使用。對于按鍵的檢測就運用了線反轉法，先檢測行線再檢測列線，行列交叉的位置就是按下按鍵的位置，由此計算出每一個按鍵的鍵值。單片機把溫度值信號給數碼管，數碼管顯示溫度，使用含參數的延時函數控制數碼管的動態顯示，把得到的鍵值賦同的按鍵改變不同的參數，進而改變數碼管顯示亮度。具體的C語言代碼見附錄。如圖8所示是將程序下載進開發板上以后的效果:圖8調試結果可以看到，板子的右上角的四位數碼管顯示的是當前環境溫度，用杜邦線將數碼管與單片機連接起來，右下角是矩陣鍵盤，按下其中不同的按鍵，數碼管的亮度是不一樣的，從最暗到最亮，有16級調節，對應16個按鍵。這個效果，完成了題目的要求。第5章總結本次課程設計，綜合了本學期學到的單片機的有關知識。課上，老師講解了單片機的構造、原理和應用，通過對這門課程的學習，我逐漸地了解了我們身邊的一些電子設備的工作原理以及方式，其實大都可以使用單片機來實現。單片機從誕生到現在，發展了這么多年，已經變得相當完善與強大，許許多多的電子產品里面，其實都能看到單片機的影子，單片機作為控制中心，應用的極為廣泛。能夠使用單片機和其他外圍電路設計出符合要求的產品，也是我們這個專業需要掌握的技能之一，這次的課程設計，就模擬了這個過程，每個人都拿到了一份要求和一個開發板，我們就利用所學來設計出符合要求的作品，這個過程鍛煉了我們對于使用單片機開發各種電路的能力。我們所學到的知識應該是能夠用來在實踐中利用的，否則將毫無意義，為了避免紙上談兵，我們需要加強動手能力。經過了單片機這門課程的學習，我對單片機充滿了興趣，課后自己找資料深入學習其應用，這次課程設計的順利實現，與我平時在業余時間里學習單片機密不可分，由此也可看出，興趣果然是最好的老師。參考文獻郭天祥.51單片機C語言教程.北京：電子工業出版社，2008：342—354張毅剛，趙光權，劉旺.單片機原理及應用.北京：高等教育出版社，2015：292—296何立民.單片機應用技術選編.北京：北京航空航天大學出版社，1993：232—245譚浩強.C程序設計.北京：清華大學出版社，1991：143—275徐君毅.單片微型計算機原理及應用.上海：上海科學技術出版社，1988：195—385附錄1設計原理圖附錄數碼管顯示電踏圖9數碼管及其驅動部分圖10按鍵部分R4ES1俱K)DS18B20測溫電路圖11DS18B20部分單片機FJI2pU-45FJ5Pkh7P17gELKTU'T]TOJ4WC31XI19X21HKST事附錄附錄11元器件清單序號名稱型號數量說明1單片機STC12C5A60S212溫度傳感器DS18B2013瓷片電容10114瓷片電容10215電解電容4.7uf/16V16電阻8.2k17電阻4.7k18晶振11.0592MHz1附錄血源程序關—STJF200R16圖12主控芯片部分#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineKEYP1ucharCjianzhi(void);ucharah,al;uinttens,units,decile;chartemperature[2];floatwen_val;sbitDS1820_DQ=P1A7;voidDS18B20_Init();bitDS1820_Reset();voidDS1820_WriteData(ucharwData);ucharDS1820_ReadData();voidread_wendu();ucharcodeduanma[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};voidDigitalDisplay(tens,units,decile);voiddelayXus(uintn);voiddelayms(ttt);voiddelay10ms();voiddelayXus(uintn){while(--n);}uintttt;voiddelayms(ttt){uinti,j;for(i=ttt;i>0;i--)for(j=2;j>0;j--);}voiddelay10ms(){uchara,b,c;for(c=5;c>0;c--)for(b=4;b>0;b--)for(a=248;a>0;a--);}voidDS18B20_Init(){DS1820_Reset();DS1820_WriteData(0xCC);DS1820_WriteData(0x4E);DS1820_WriteData(0x20);DS1820_WriteData(0x00);DS1820_WriteData(0x7F);DS1820_Reset();}bitDS1820_Reset(){bitflag;DS1820_DQ=0;delayXus(480);DS1820_DQ=1;delayXus(80);flag=DS1820_DQ;delayXus(400);return(flag);}voidDS1820_WriteData(ucharwData){uchari;for(i=8;i>0;i--){DS1820_DQ=0;delayXus(4);DS1820_DQ=wData&0x01;delayXus(60);DS1820_DQ=1;wData>>=1;}}ucharDS1820_ReadData(){uchari,TmepData;for(i=8;i>0;i--){TmepData>>=1;DS1820_DQ=0;delayXus(4);DS1820_DQ=1;delayXus(8);if(DS1820_DQ==1){TmepData|=0x80;}delayXus(60);DS1820_DQ=1;}return(TmepData);}voidread_wendu(){uchari;DS1820_Reset();DS1820_WriteData(0xcc);DS1820_WriteData(0x44);DS1820_Reset();DS1820_WriteData(0xcc);DS1820_WriteData(0xbe);for(i=0;i<2;i++){temperature[i]=DS1820_ReadData();}DS1820_Reset();}voidDigitalDisplay(tens,units,decile){read_wendu();ah=temperature[1]<<4;ah&=0xf0;al=temperature[0]>>4;al&=0x0f;ah=ah|al;al=temperature[0]&0x0