基于單片機(jī)的智能觸摸開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn).doc

本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文 遼東學(xué)院 畢業(yè)（論文） 姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級： 指導(dǎo)師： 開題期： 畢業(yè)設(shè)計論文 IV 摘 要 隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子技術(shù)領(lǐng)域里的新概念、新器件和新方法不斷 涌現(xiàn)，大眾對電子產(chǎn)品的需求量和要求的質(zhì)量和品牌的不斷更新，促使了電子技 術(shù)的快速發(fā)展。為了方便快捷廣大居民，本次設(shè)計選擇了觸摸開關(guān)為研究課題。 觸摸開關(guān)，是科技發(fā)展進(jìn)步的一種新興產(chǎn)品。一般是指應(yīng)用觸摸感應(yīng)芯片原理設(shè) 計的一種墻壁開關(guān)，是傳統(tǒng)機(jī)械按鍵式墻壁開關(guān)的換代產(chǎn)品。能實現(xiàn)更智能化、 操作更方便的觸摸開關(guān)有傳統(tǒng)開關(guān)不可比擬的優(yōu)勢，是目前家居產(chǎn)品的非常流行 的一種裝飾性開關(guān)。觸摸開關(guān)是一種智能控制的墻壁開關(guān)，本身需要消耗一定的 電能，在待機(jī)時，智能開關(guān)待機(jī)取電是通過流過電子鎮(zhèn)流器的電流給智能墻壁開 關(guān)控制電路供電；在工作時，智能開關(guān)工作時取電是通過開關(guān)斷開時的兩端壓差 來取電。觸摸開關(guān)沒有金屬觸點，不放電不打火，大量的節(jié)約銅合金材料，同時 對于機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求大大減少。它直接取代傳統(tǒng)開關(guān)，操作舒適、手感極佳、控 制精準(zhǔn)且沒有機(jī)械磨損。通過 AT89C51 單片機(jī)采集觸摸開關(guān)模塊的輸出高低電平， 和串口無線模塊，完成主機(jī)與從機(jī)的通信工作，實現(xiàn)觸控、遠(yuǎn)距離傳輸控制繼電 器的功能。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：AT89C51 單片機(jī)；觸摸開關(guān)；無線傳輸模塊；繼電器； 畢業(yè)設(shè)計論文 V 目 錄 第一章 緒論 .1 1.1 研究背景1 1.2 本設(shè)計現(xiàn)狀1 第二章 方案論證 .2 2.1 控制芯片選擇2 2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 .2 2.3 本章小結(jié) .3 第三章 硬件電路設(shè)計 .4 3.1 智能觸摸開關(guān)控制系統(tǒng)硬件組成4 3.2 單片機(jī)系統(tǒng)介紹4 3.2.1 復(fù)位方式4 3.2.2 時鐘電路5 3.2.3 最小系統(tǒng)電路5 3.3 觸摸開關(guān)電路 .6 3.4 CC1101 無線傳輸模塊 .7 3.5 繼電器執(zhí)行模塊 .9 第四章 軟件設(shè)計 10 4.1 主程序流程圖.10 第五章 設(shè)計總結(jié) 11 參考文獻(xiàn) .12 附錄 113 系統(tǒng)主電路圖 13 附錄 214 部分程序源代碼 14 畢業(yè)設(shè)計論文 1 第一章 緒論 1.1 研究背景 傳統(tǒng)的開關(guān)元件開關(guān)屬于有觸點開關(guān)元件,但由于它有接觸不良、故障率高、使用不便等缺 點,在某些要求較高的輸入電路中不能很好使用,促使設(shè)計師尋求更為理想的開關(guān)替代元件，隨著 信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，一個以信息資源的采集、開發(fā)、利用為特征的信息技術(shù)革命正席卷全 球，信息技術(shù)已廣泛的滲透到社會各個領(lǐng)域，在世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。 日前各個發(fā)達(dá)國家都在致力于信息化建設(shè)，以此來加速本國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)有許多關(guān) 鍵的要素，如計算機(jī)、通信、集成電路、軟件和信息服務(wù)業(yè)的建設(shè)等。但是如何將人類的社會活 動和生產(chǎn)活動與現(xiàn)代化的信息傳輸和處理手段聯(lián)系在一起也是一個重要的課題，只有解決了這個 實際要求，才能使人類享受到信息技術(shù)帶來的高度的物質(zhì)文明和精神文明。觸摸開關(guān)正是解決這 一課題的重要研究方向之一。例如，很多汽車?yán)锏亩嗝襟w系統(tǒng)已經(jīng)取消了機(jī)械按鍵，取而代之的 是電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，方便了司機(jī)的使用，提高了汽車駕乘感受等，可見，觸摸按鍵技術(shù)是解 決機(jī)械按鍵缺陷的新趨勢。 1.2 本設(shè)計現(xiàn)狀 單片機(jī)是把中央處理器（CPU） 、隨機(jī)存取存儲器（RAM） 、只讀存儲器（ROM） 、輸入/輸出端 口 （I/0）等主要計算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)。 計算機(jī)的產(chǎn)生 加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積大。微計算機(jī)（單片機(jī)）在這種情況下誕生了。縱 觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機(jī)上各種儀表的控制，從計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通 訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能 IC 卡、電子寵物等，這些都離不開單片機(jī)。以前沒有單片機(jī)時，這些東西也能做，但是只能使 用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長期使用，元器 件不斷老化，控制的精度自然也會達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。在單片機(jī)產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹?能化了，我們只需要在單片機(jī)外圍接一點簡單的接口電路，核心部分只是由人為的寫入程序來完 成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長期使用也不會擔(dān)心精度達(dá)不到了，且容易升級改 善。 觸摸開關(guān)按開關(guān)原理分類有電阻式觸摸開關(guān)和電容式觸摸開關(guān)，在多種技術(shù)中，電容式觸摸 感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成為觸摸感應(yīng)技術(shù)的主流，在按鍵方案上，能為產(chǎn)品帶來整體的外觀檔次提升 畢業(yè)設(shè)計論文 2 畢業(yè)設(shè)計論文 3 第二章 方案論證 2.1 控制芯片選擇 方案一：采用 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C51 8 位單片機(jī)。該單片機(jī)與 MCS-51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容，內(nèi)部具有 32 個可編程 I/O 口線、3 個 16 位定時器/計數(shù)器、八 個中斷源、全雙工 UART 串行通道。但是其內(nèi)部模塊較少、功能局限性大，并且 內(nèi)部沒有集成模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制模塊，使用時需要在外圍電路中額外 設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換模塊和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，增加硬件成本的同時增加了硬件故障點，并 且增加了飛機(jī)的質(zhì)量。 方案二：采用公司生產(chǎn)的 MSP430 系列十六位單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)部具有 16K 的 RAM 和 16K 的 ROM、8K 可編程 Flash 存儲器、16 路精度為 8bit/10bit/12bit 的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、8 路脈 沖寬度調(diào)制（PWM）通道、若干定時器/計數(shù)器、1 個全雙工 UART 串行通道、看門狗定時器、 51 個可編程 I/O 口、10 個外部事件觸發(fā)中斷引腳、超過一百個中斷源。是一款功能十分強(qiáng)大的 單片機(jī)，并且內(nèi)部自帶 PLL 模塊，總線頻率最高可以設(shè)置成 128MHz，運算速度快并穩(wěn)定。 在本次設(shè)計中，因為并不需要模擬量的采集，且不涉及 PWM 等功能，且從成本角度出發(fā)， 本次設(shè)計使用性能適中的 AT89C51 單片機(jī)。 2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 本次設(shè)計的觸摸開關(guān)系統(tǒng)以模塊化方式分塊設(shè)計，通過將設(shè)計分成主控制模塊，被控制模塊 和無線傳輸模塊，分步完成相應(yīng)模塊，最終將各個模塊整合到一起，完成設(shè)計，最終進(jìn)行總體調(diào) 試。從控制芯片和硬件電路的綜合角度確立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中主控模塊包括觸摸開關(guān)模塊， 單片機(jī)控制模塊，繼電器控制燈光的執(zhí)行模塊，電源模塊以及無線發(fā)射模塊等部分，如圖 2.1 所 示： 畢業(yè)設(shè)計論文 4 圖 2.1 主控模塊系統(tǒng)總設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 被控制模塊主要是對無線接收裝置收到主控模塊的指令進(jìn)行處理解析，從而控制繼電器燈光 模塊，因此被控制模塊不必使用觸摸開關(guān)模塊，所以被控模塊主要包括觸無線接收模塊，單片機(jī) 控制模塊，繼電器控制燈光的執(zhí)行模塊以及電源模塊等部分，如圖 2.2 所示： 圖 2.2 被控模塊系統(tǒng)總設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 2.3 本章小結(jié) 本章在對觸摸開關(guān)系統(tǒng)的控制方案選擇進(jìn)行了分析、對比，確定了單片機(jī)的類型、控制核心 方案。本章所確定的各個模塊為后續(xù)章節(jié)的硬件設(shè)計提供了研究的對象和模型。 AT89C51 8 位單片 機(jī)最小系統(tǒng)模塊 觸摸開關(guān)模塊 繼電器控制燈光模塊 無線發(fā)射模塊 電源模塊 AT89C51 8 位單 片機(jī)最小系統(tǒng)模 塊 無線接收模塊繼電器控制燈光模塊 電源模塊 畢業(yè)設(shè)計論文 5 第三章 硬件電路設(shè)計 3.1 智能觸摸開關(guān)控制系統(tǒng)硬件組成 系統(tǒng)主要由 AT89C51 單片機(jī)控制芯片，12M 晶振和 30p 電容電路、阻容復(fù)位電路，觸摸開關(guān) 模塊電路、三極管和繼電器組成的執(zhí)行電路以及無線收發(fā)模塊電路。 3.2 單片機(jī)系統(tǒng)介紹 AT89C51 為 ATMEL 所生產(chǎn)的可電氣燒錄清洗的 8051 相容單芯片，其內(nèi)部程序代碼容量為 4KB。 AT89C51 主要功能列舉如下： 1、為一般控制應(yīng)用的 8 位單芯片 2、晶片內(nèi)部具時鐘振蕩 器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 3、內(nèi)部程式存儲器（ROM）為 4KB 4、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 （RAM）為 128B 5、外部程序存儲器可擴(kuò)充至 64KB 6、外部數(shù)據(jù)存儲器可擴(kuò)充至 64KB 7、32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨做 I/O 的控制 8、5 個中斷向量源 9、2 組獨立的 16 位定時器 10、1 個全多工串行通信端口 11、8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能 12、 單芯片提供位邏輯運算指令實物如圖 3.1 所示: 圖 3.1 單片機(jī)實物圖 畢業(yè)設(shè)計論文 6 3.2.1 復(fù)位方式 單片機(jī)復(fù)位方式有兩種 1) 手動按鍵復(fù)位：單片機(jī) RESET 引腳得到兩個時鐘周期的高電平后進(jìn)行復(fù)位，及手動操作 復(fù)位， 2) 2.上電復(fù)位：單片機(jī)上電壓從無到有在 RESET 處會先處于高電平一段時間，然后由于該 點通過電阻接地則 RESET 該點的電平會逐漸的改變?yōu)榈碗娖?，從而使得單片機(jī)復(fù)位口電 平從 1 到 0，達(dá)到給單片機(jī)復(fù)位的功能。這樣一種復(fù)位方式就是所謂上電復(fù)位。 3) 復(fù)位電路如圖 3.2 示： 圖 3.2 位電路圖 3.2.2 時鐘電路 單片機(jī)的運行離不開時鐘電路，通過始終電路給單片機(jī)提供脈沖信號，俗稱“拍”來保證單 片機(jī)按照時序工作，時鐘電路由晶振，電阻，和電容組成，為了保證單片機(jī)抗干擾功能更好，使 用 22PF 的電容對脈沖信號進(jìn)行過濾，同時采用 16M 晶振保證晶振的可靠起振，保證單片機(jī)上電 后起振順利。本次設(shè)計始終電路如圖 3.3 示： 畢業(yè)設(shè)計論文 7 圖 3.3 鐘電路圖 3.2.3 最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)芯片，時鐘電路以及復(fù)位電路所組成，本次設(shè)計最小系統(tǒng)電路圖如 圖 3.4 示： 圖 3.4 小系統(tǒng)電路圖 畢業(yè)設(shè)計論文 8 3.3 觸摸開關(guān)電路 本次采用的觸摸開關(guān)為基于 TTP224 觸控芯片的觸摸模塊，如圖 3.5 示 圖 3.5TP224 觸控開關(guān)模塊實物圖 TTP224 觸控開關(guān)模塊提供 4 個觸摸輸入端口及 4 個直接輸出端口，提供直接輸出模式,觸發(fā) 模式,開漏輸出, CMOS 高電平有效或低電平有效輸出，便于單片機(jī)的 IO 口進(jìn)行采集，處理。 模塊電路圖如圖 3.6 示： 畢業(yè)設(shè)計論文 9 圖 3.6TP224 觸控開關(guān)模塊原理圖 畢業(yè)設(shè)計論文 10 3.4 CC1101 無線傳輸模塊 本次設(shè)計裝置使用的無線傳輸模塊為 CC1101 無線傳輸模塊，如圖 3.7 示： 圖 3.7CC1101 無線傳輸模塊實物圖 該模塊通信頻率為 434MHz，采用半雙工工作方式，并且不限制單詞發(fā)送的字節(jié)數(shù)，具有待 機(jī)空閑工作方式，工作電流僅 3.5mA，且傳輸速度快，該模塊具有 4 種串口透傳方式，各個模式 都是只管收發(fā)串口數(shù)據(jù)即可，且工作距離遠(yuǎn)，空曠地帶可達(dá) 200 米以上，便于系統(tǒng)后期整體調(diào)制， CC1101 無線模塊原理圖如圖 3.7 所示： 畢業(yè)設(shè)計論文 11 圖 3.8C1101 無線傳輸模塊電路圖 3.5 繼電器執(zhí)行模塊 本次系統(tǒng)設(shè)計的最終表現(xiàn)方式為通過單片機(jī)控制繼電器，從而控制燈光的開閉，單片機(jī)的 IO 口輸出功率為電壓型信號，驅(qū)動能力及其微弱，因此需要使用一個 S8050 三極管來作為繼電器的 驅(qū)動電路，從而控制 LED 燈光電路。繼電器執(zhí)行模塊電路如圖 3.9 示： 圖 3.9 電器執(zhí)行模塊電路圖 畢業(yè)設(shè)計論文 12 第四章 軟件設(shè)計 4.1 主機(jī)程序流程圖 系統(tǒng)初始化后等待按鍵按鍵按下，單片機(jī)自動讀取按鍵的信息識別是哪個按鍵給的操作，然 后根據(jù)設(shè)定程序?qū)?shù)據(jù)送給發(fā)送函數(shù)，將數(shù)據(jù)從無限模塊發(fā)送出去，系統(tǒng)的軟件整體流程圖如圖 4.1 所示： 開始 程序初始化 無線模塊初始化 等待按鍵 發(fā)送按鍵指令 讀取按鍵值 結(jié)束 畢業(yè)設(shè)計論文 13 圖 4.1 主程序流程圖 4.2 從機(jī)程序流程圖 從機(jī)系統(tǒng)接收來自主機(jī)的數(shù)據(jù)好解碼對應(yīng)按鍵繼電器動作基本流程圖如圖 4.1 所示： 開始 程序初始化 無線模塊初始化 等待數(shù)據(jù)包 繼電器控制 讀取數(shù)據(jù)包 結(jié)束 畢業(yè)設(shè)計論文 14 第五章 設(shè)計總結(jié) 本設(shè)計基于 89C51 單片機(jī)，實現(xiàn)了觸摸開關(guān)的設(shè)計。功能實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然 也是檢驗學(xué)習(xí)成果的標(biāo)準(zhǔn)。在經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)之后，我們需要了解自己的所學(xué)應(yīng)該如何應(yīng)用 在實踐中，因為任何知識都源于實踐，歸于實踐，所以要將所學(xué)的知識在實踐中來檢驗。 在做畢業(yè)設(shè)計期間，在老師的指導(dǎo)下，通過自身的不斷努力，無論是思想上，學(xué)習(xí)上，都取 得了長足的發(fā)展和巨大的收獲，學(xué)會用科學(xué)的精神去解決問題。很多事情看起來是很簡單的問題， 但實際做起來就不簡單了。運用科學(xué)的方法去解決問題，這是我這次實訓(xùn)給我?guī)淼乃枷肷系母?變。學(xué)習(xí)上，使自已在大學(xué)所以的知識在這次得到實踐，學(xué)到一些書本上無法學(xué)到的經(jīng)驗，對單 片機(jī)有了進(jìn)一步的認(rèn)識。 觸摸開關(guān)是信息化時代發(fā)展的產(chǎn)物，應(yīng)時而生，我相信隨著科技的不斷發(fā)展，將來的觸摸開 關(guān)一定更加完美，更加人性化，更加便宜，更加安全。 畢業(yè)設(shè)計論文 15 參考文獻(xiàn) 1李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)(簡明修訂版)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社， 1998 2李全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.高等教育出版社，2003 3PROTEL99 SE 電路設(shè)計與制板M.機(jī)械工業(yè)出版社，2007 4楊將新，李華軍，劉到駿等.單片機(jī)程序設(shè)計及應(yīng)用（從基礎(chǔ)到實踐） J 電子工業(yè)出 版 社，2006 5Steven F.Barrett.Daneil J.Pack.Embedded 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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 重裝 TH1 = 0 xFD; / TH1: 重裝值 9600 波特率 晶振 11.0592MHz 畢業(yè)設(shè)計論文 20 TR1 = 1; / TR1: timer 1 打開 EA = 1; /打開總中斷 /ES = 1; /打開串口中斷 /*- 主函數(shù) -*/ 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); 畢業(yè)設(shè)計論文 21 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; /*- 發(fā)送一個字節(jié) -*/ void SendByte(unsigned char dat) SBUF = dat; 畢業(yè)設(shè)計論文 22 while(!TI); TI = 0; /*- 發(fā)送一個字符串 -*/ void SendStr(unsigned char *s) while(*s!=0)/ 0 表示字符串結(jié)束標(biāo)志， /通過檢測是否字符串末尾 SendByte(*s); s+; 畢業(yè)設(shè)計論文 23 從機(jī)程序代碼 #include /包含頭文件，一般情況不需要改動，頭文件包含特殊功能寄存器的定義 sbit J1=P27; sbit J2=P26; sbit J0=P25; /*- 函數(shù)聲明 -*/ void SendStr(unsigned char *s); void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t); void DelayMs(unsigned char t) while(t-) /大致延時 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 畢業(yè)設(shè)計論文 24 TMOD |= 0 x20; / TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit 重裝 TH1 = 0 xFD; / TH1: 重裝值 9600 波特率 晶振 11.0592MHz TR1 = 1; / TR1: timer 1 打開 EA = 1; /打開總中斷 / ES = 1; /打開串口中斷 /*- 主函數(shù) -*/ void main (void) J1=1; J2=1; InitUART(); ES = 1; /打開串口中斷 while (1)