基于单片机控制的多功能广告牌的设计-毕设论文.doc

目 录
1 选题背景 1
1.1 单片机的发展 1
1.2 广告牌的发展 1
2 方案论证 1
2.1 单片机芯片 1
2.2 时钟芯片 2
2.3 显示芯片 2
2.4 通信总线标准及其接口 2
3 过程论述 3
3.1 单片机最小系统 3
3.2 时钟模块 3
3.3 温度检测模块 3
3.4 掉电保护模块 3
3.5 通信模块 4
3.6 显示模块 4
3.7 报警模块 4
3.8 按键模块 4
3.9 电源模块 4
3.10 系统总体电路图 4
3.11 主程序设计 4
3.12 时钟程序设计 4
3.13 温度检测程序设计 5
3.14 掉电保护程序设计 6
3.15 通信程序设计 6
3.16 显示程序设计 7
3.17 按键程序设计 7
4 结论总结 8
5 设计体会 8
参 考 文 献 10
附 录 11
附录I 系统原理图 11
附录II 主程序 12
附录III 时钟程序 13
附录IV 温度程序 20
附录VI 通信程序 27
附录VII 显示程序 31
附录VIII 按键程序 36

I

1 选题背景
近几年广告牌的发展越来越迅速，从纸制的布画形式到数字式广告。伴随着电子产品的发展进步，广告牌从样式和功能上都得到全方位的改善。广告牌已由传统的手绘图纸的形式向数字式转变，数字广告牌已逐渐成为街景，甚至超越传统广告牌成为城市风景。现如今，不论是国内还是国外，不论是大型广告牌还是小型广告牌，在设计上越来越讲求它的自动化和美观性。这些广告牌不仅简单方便，并且具备一些其他的功能。本次设计的内容是基于单片机控制的多功能广告牌，该广告牌的内容除了实现显示广告外，还具有显示时间，检测温度，掉电保护，设置时间，设置显示广告内容，温度报警及与计算机通信的功能。硬件电路设计和软件程序设计均以模块化方式设计，保证它们的通用性，易读性和易于扩展性。在设计的过程中最重要的是资源的合理利用，干扰的处理，程序的嵌套顺序及程序的冗杂处理。本设计通过对硬件选型的分析，进行模块化设计和调试，最终实现整个系统的功能，并进行优化。
1.1 单片机的发展
1974年，美国仙童（Fairchild）公司研制了世界上第一台单片机F8。从此单片机开始迅速发展，应用领域也不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。目前，单片机的主流仍然是8位高性能单片机。其发展具体体现在CPU功能增强、内部资源增多、引脚的多功能化、低电压、低功耗等。单片机的发展是为了满足不断增长的自动检测、控制的要求。具体体现在传感器接口、各种工业对象的电气接口、功率驱动接口、人机接口、通信网络接口。这些接口性能的发展体现在高速的I/O能力，较强的中断处理能力，较高的A/D、D/A性能，较强的位操作能力、功率驱动能力、程序运行监控能力、信号实时处理能力等。总之，单片机将向高性能、高可靠性、低电压、低功耗、低噪声、低成本的方向发展 [1]。
1.2 广告牌的发展
随着新科技的不断涌现，广告牌的模式和设计也日新月异，广告牌已由传统的手绘图纸的形式向数字式转变，数字广告牌已逐渐成为街景，甚至超越传统广告牌成为城市风景。现如今，不论是国内还是国外，不论是大型广告牌还是小型广告牌，在设计上越来越讲求它的自动化和美观性。大型广告牌的发展日趋激烈，小型广告牌也在加速渗入到我们生活的各个角落中，这些广告牌不仅简单方便，并且具备一些其他的功能。小型数字广告牌由于它的简单小巧，原材料便宜，且适合于多种场合而越来越受到厂商们的青睐。
2 方案论证
2.1 单片机芯片
方案一：MSP430单片机
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）公司生产的一种特低功耗的Flash微控制器。MSP430最大的特点就是超低功耗。程序代码空间60KB、数据存储空间2KB，I/O引脚48线，片内集成12位A/D，16位定时器、模拟比较器、串行接口、硬件乘法器等模块[2]。
方案二：STC89系列单片机
STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。它的主要特性有：5V工作电压，操作频率0～40MHZ；1K字节RAM；支持12时钟或6时钟模式；4个8位I/O口，含3个高电流P1口，可直接驱动LED；3个16位定时器/计数器等。
通过比较，选择STC89系列单片机，它能够满足设计要求和需要，并且价格便宜。
2.2 时钟芯片
方案一：X1203
X1203是一个带时钟/日历和两个闹钟的实时时钟芯片。该芯片以秒、分、时、星期、日、月和年为单位跟踪时间。具有闰年校正功能，并能对小于31天的月份自动进行调整。
方案二：DS1302
DS1302是一种高性能，低功耗，带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能。采用三线串行数据传输接口与CPU进行同步通信，具有主电源/后备电源双电源引脚。
通过综合比较，由于DS1302的电路简单，软件控制容易，故选取DS1302芯片。
2.3 显示芯片
显示模块采用液晶显示，常用的显示模块有以下两种。
方案一：通用LCD1602液晶片
1602为字符型LCD，它具有40通道点阵LCD 驱动。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的代码。
方案二：FYD-12864-0402B
FYD-12864-0402B内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗。
通过综合比较，1602不能满足设计的需要，故选择FYD-12864-0402B液晶模块。
2.4 通信总线标准及其接口
方案一：RS-485总线标准与接口电路
RS-485的通信距离为几十米至上千米。它采用平衡发送和差分接收。具有较高的灵敏度，能检测低至200mV的电压[3]。
方案二：RS-232C总线标准与接口电路
RS-232C采取不平衡传输方式，是为点对点通信而设计的，驱动器负载为3～7kΩ。RS-232C适用于传送距离不大于15m，速度不高于20kb/s的本地设备之间通信的场合[4]。
通过综合比较，由于设计中要求的传送距离短，故选择RS-232总线标准。
3 过程论述
基于单片机控制的广告牌由显示部分、温度检测部分、万年历部分、通信部分、掉电保护部分和报警部分组成。采用模块化设计，液晶显示，滚动显示广告，广告下方显示日期、时间和温度；内部可以存储多条广告，并通过按键调整时间和选择要显示的广告；检测周围温度，并且在温度高于或低于某一值时，报警装置报警；用E2PROM芯片来实现掉电保护功能；与计算机通信，传送日期、时间和温度。该装置屏幕刷新速度快，显示可靠，性能稳定，控制简单，并且具备多种功能，适用于多种场合。
本次设计的电路原理图在PROTEL 99SE环境下制作完成。
3.1 单片机最小系统
本设计采用STC89C51RC芯片，由晶振电路和复位电路组成，电路如图3-1所示。

图3-1 单片机最小系统
3.2 时钟模块
时钟模块在这里采用DS1302，DS1302需要提供32.768MHz的晶振。它有两个电源：后备电源Vcc1和主电源Vcc2。在本系统中主电源为+5V，后备电源为+3V电池。
3.3 温度检测模块
温度传感器DS18B20只有三个引脚分别为DQ、VDD、GND。DS18B20为单线总线，为保证其正常工作，DQ必须接一个近似于5KΩ的上拉电阻。
3.4 掉电保护模块
在掉电保护模块中，本设计采用的是24C08芯片，在连线时，则将芯片的地址引脚接地，默认为0。写保护引脚WP接地，允许器件进行正常的读/写操作。串行时钟SCL与串行数据/地址SDA引脚与单片机相连，用于产生时钟及发送和接收数据。
3.5 通信模块
通信部分的连接器采用DB-9连接器。利用MAX232芯片完成TTL到EIA的双向电平转换。
3.6 显示模块
在显示数据前，要先确定显示数据的坐标。在显示广告时，会出现两个问题：一是循环显示广告时，广告的末尾自动添加为最后一个字的内容；二是广告内容与其它行的内容重叠。在本次设计中，液晶模块采用12864，液晶模块12864采用并口方式。3号引脚用来调节液晶屏的亮度。19、20号引脚提供背光源。4～15号引脚与单片机相连，用于数据和指令信息的传输。
3.7 报警模块
报警部分采用蜂鸣器报警，一端接+5V，另一端接NPN和电阻后与单片机相连。
3.8 按键模块
本次设计只有5个按键，故采用独立式按键。
3.9 电源模块
电源部分采用交直流电源从电源插座输入，通过7805三端稳压器得到5V的直流电源。J4为DC-005B插座。
3.10 系统总体电路图
系统总体电路原理图见附录Ⅰ。
3.11 主程序设计
程序设计采用模块化编程，总体设计思想为：进入主程序后，先设置串口通信的波特率和定时时间，并对液晶屏、时钟芯片进行初始化，之后循环调用显示程序。设置定时中断，每隔20ms扫描一次键盘。
主程序见附录Ⅱ。
3.12 时钟程序设计
时钟模块在这里采用DS1302，DS1302需要提供32.768MHz的晶振。它有两个电源：后备电源Vcc1和主电源Vcc2。时钟芯片工作前先将掉电保护芯片E²PROM中的时间数据初始化到DS1302中，该过程已在主程序中执行。时钟读程序嵌套在显示程序中。时钟信息以BCD码的形式存储在7个时钟/日历写读寄存器内。
时钟程序流程图如图3-2所示。时钟程序见附录Ⅲ。

（a）时钟读程序 （b）时钟初始化程序
图3-2 时钟程序流程图
3.13 温度检测程序设计
温度程序嵌套在显示程序中，DS18B20所有的执行都从一个初始化序列开始。在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。温度信息以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出。
温度检测流程图如图3-3所示。温度程序见附录Ⅳ。

图3-3 温度检测流程图
3.14 掉电保护程序设计
掉电保护程序完成对时间信息和广告信息的保护。掉电保护程序分为读程序和写程序，在本程序中写操作为字节写，读操作为选择性读。
掉电保护程序的流程图如图3-4。掉电保护程序见附录Ⅴ。

（a）写程序 （b）读程序
图3-4 掉电保护程序流程图
3.15 通信程序设计
单片机与计算机的通信只是单片机向计算机传送数据。串行口的波特率位1200。发送的一帧信息包括1个起始位0,8个数据位和一个停止位1。数据发送结束时TI由硬件自动置位。通信程序流程图如图3-5所示。通信程序见附录Ⅵ。

图3-5 通信程序流程图
3.16 显示程序设计
在显示数据前，要先确定显示数据的坐标。在显示广告时，会出现两个问题：一是循环显示广告时，广告的末尾自动添加为最后一个字的内容；二是广告内容与其它行的内容重叠。为解决这个问题，设置一个算法，当循环显示广告时，在广告的末尾补空格，消除多余的字；将与其它行的内容重叠的信息截除，不显示，避免信息的重叠。
显示程序的流程图如图3-6所示。显示程序见附录Ⅶ。

图3-6 显示程序流程图
3.17 按键程序设计
按键为独立式按键，按键的功能依次为KEY1调整时间的选择按键，KEY2加一按键，KEY3减一按键，KEY4停止调整时间按键，KEY5选择广告按键。
按键程序流程图如图3-7所示。按键程序见附录Ⅷ。
图3-7 按键程序流程图
4 结论总结
基于单片机控制的多功能广告牌的原理设计方法简单，但实际设计过程中操作不易，会出现各种各样的问题，尤其在将各模块组合起来的时候，容易产生混乱，但是通过反复的设计和调试，最终成功实现了各部分的功能，完成了本次设计。但是还是存在很多问题，例如虽然经过多次的调整，但广告显示的速度仍旧不是很快，这一部分仍然需要进一步的调整。总之，从总体上看，本次设计是比较成功的。
5 设计体会
通过这次课程设计,我觉得自己学到了很多东西。课程设计是对我们这学期单片机学习的总考验。这次课程设计，我有以下一些体会：
大学大部分时间都是在学习理论基础知识,并未真正地去应用和实践。自从入学以来，了解了自己本专业信息之后,我就开始了我的电子信息工程的学习生涯，这次课程设计涉及到的知识，是我以前极少接触的，也不懂的，其中我涉及了很多平时没有接触到的元器等,使我发现了自己很多不足之处。我还从中体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握越多，设计得就更加严谨，更加顺利。
我了解了进行一项相对比较大型的科研设计所必不可少的几个阶段。课程设计能够从理论设计和工程实践相结合，全方面的培养学生的全面素质。我经过这次系统的课程设计，熟悉了对一项课题进行研究，设计和试验的详细过程。这些对我在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。
我加深了解了查阅资料和利用工具书的重要性。平时课堂上所学习的知识大多比较陈旧，作为电子信息工程专业的学生，由于专业涉及知识广，不仅要懂单片机的知识，还要懂模拟电子、数字电子等等方面的知识。一个人不可能什么都学过，什么都懂，因此，当我在设计过程中需要用到一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以利用吸收，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充我的专业知识。

参 考 文 献
[1] 张鑫.单片机原理及应用[M].电子工业出版社.2013
[2] 杨恢先等.单片机原理及应用[M].国防科技大学出版社.2014
[3] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].清华大学出版社.2014
[4] 沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析[M].北京航空航天大学出版社.2013

10

附 录
附录I 系统原理图

附录II 主程序
#include <REG51.H>
#include <declare.h>
main()
{
SCON= 0x40;
PCON=0; TMOD= 0x21;
TH1= 0xe6;
TL1= 0xff;
TR1= 1;
TH0= 0xb1;
TL0= 0xe0;
EA = 1;
ET0 = 1;
TR0 = 1;
init_lcd();
clrram_lcd();
Initial_DS1302();
while(1)
{
show_time();
}
}
void timer0() interrupt 1
{
TH0= 0xb1;
TL0= 0xe0;
Keycan();
}

附录III 时钟程序
#include <REG51.H>
#include <declare.h>
uchar hide_h[7];
uchar dip_flag=0;
void DS1302InputByte(uchar d)
{
uchar i;
ACC = d;
for(i=8; i>0; i--)
{
DS1302_IO = ACC0;
DS1302_CLK = 1;
DS1302_CLK = 0;
ACC = ACC >> 1;
}
}
uchar DS1302OutputByte(void)
{
uchar i;
for(i=8; i>0; i--)
{
ACC = ACC >>1; ACC7 = DS1302_IO;
DS1302_CLK = 1;
DS1302_CLK = 0;
}
return(ACC);
}
void Write1302(uchar ucAddr, uchar ucDa)
{
DS1302_RST = 0;
DS1302_CLK = 0;
DS1302_RST = 1;
DS1302InputByte(ucAddr);
DS1302InputByte(ucDa);
DS1302_CLK = 1;
DS1302_RST = 0;
}
uchar Read1302(uchar ucAddr)
{
uchar ucData;
DS1302_RST = 0;
DS1302_CLK = 0;
DS1302_RST = 1;
DS1302InputByte(ucAddr|0x01);
ucData = DS1302OutputByte();
DS1302_CLK = 1;
DS1302_RST = 0;
return(ucData);
}
void DS1302_GetTime(SYSTEMTIME *Time )
{
uchar protect1[7];
int i;
protect1[0] = Read1302(DS1302_SECOND);
Time->Second = ((protect1[0]&0x70)>>4)*10 + (protect1[0]&0x0F);
protect1[1] = Read1302(DS1302_MINUTE);
Time->Minute = ((protect1[1]&0x70)>>4)*10 + (protect1[1]&0x0F);
protect1[2] = Read1302(DS1302_HOUR);
Time->Hour = ((protect1[2]&0x70)>>4)*10 + (protect1[2]&0x0F);
protect1[3] = Read1302(DS1302_DAY);
Time->Day = ((protect1[3]&0x70)>>4)*10 + (protect1[3]&0x0F);
protect1[4] = Read1302(DS1302_WEEK);
Time->Week = ((protect1[4]&0x10)>>4)*10 + (protect1[4]&0x0F);
protect1[5] = Read1302(DS1302_MONTH);
Time->Month = ((protect1[5]&0x70)>>4)*10 + (protect1[5]&0x0F);
protect1[6] = Read1302(DS1302_YEAR);
Time->Year = ((protect1[6]&0xf0)>>4)*10 + (protect1[6]&0x0F);
SDA = 1;
SCL = 1;
fill_byte(7,0xff);
for(i = 0 ; i < 7; i++)
{
write_byte(i,protect1[i]);
}
}
void DateToStr(SYSTEMTIME *Time , uchar *week)
{
uchar code tab[ ]={0XD2,0XBB,0XB6,0XFE,0XC8,0XFD,0XCB,0XC4,0XCE,0XE5,0XC1,0XF9,0XC8,0XD5};
if(hide_h[6]==0)
{
Time->DateString[0] = '2';
Time->DateString[1] = '0';
Time->DateString[2] = Time->Year/10 + '0';
Time->DateString[3] = Time->Year%10 + '0';
}
else {
if(dip_flag==0)
{ dip_flag=1;
Time->DateString[0] = ' ';
Time->DateString[1] = ' ';
Time->DateString[2] = ' ';
Time->DateString[3] = ' ';
}
else
{ dip_flag=0;
Time->DateString[0] = '2';
Time->DateString[1] = '0';
Time->DateString[2] = Time->Year/10 + '0';
Time->DateString[3] = Time->Year%10 + '0';
}
}
Time->DateString[4]='-';
if(hide_h[5]==0)
{
Time->DateString[5] = Time->Month/10 + '0';
Time->DateString[6] = Time->Month%10 + '0';
}
else
{
if(dip_flag==0)
{ dip_flag=1;
Time->DateString[5] = ' ';
Time->DateString[6] = ' ';
}
else
{ dip_flag=0;
Time->DateString[5] = Time->Month/10 + '0';
Time->DateString[6] = Time->Month%10 + '0';
}
}
Time->DateString[7]='-';
if(hide_h[4]==0) {
Time->DateString[8] = Time->Day/10 + '0';
Time->DateString[9] = Time->Day%10 + '0';
}
else
{
if(dip_flag==0)
{ dip_flag=1;
Time->DateString[8] = ' ';
Time->DateString[9] = ' ';
}
else
{ dip_flag=0;
Time->DateString[8] = Time->Day/10 + '0';
Time->DateString[9] = Time->Day%10 + '0';
}
}
if(hide_h[3]==0)
{
if(Time->Week == 0) Time->Week = 1;
week[0] =tab[2*(Time->Week%10)-2]; week[1] =tab[2*(Time->Week%10)-1];
}
else
{
if(dip_flag==0)
{ dip_flag=1;
week[0] =' ';
week[1] =' ';
}
else
{ dip_flag=0;
if(Time->Week == 0) Time->Week = 1;
week[0] =tab[2*(Time->Week%10)-2];
week[1] =tab[2*(Time->Week%10)-1];
}
}
week[2] = '\0';
Time->DateString[10] = '\0';
}
void TimeToStr(SYSTEMTIME *Time)
{
read(hide_h);
if(hide_h[2]==0)
{
Time->TimeString[0] = Time->Hour/10 + '0';
Time->TimeString[1] = Time->Hour%10 + '0';
}
else
{
if(dip_flag==0)
{ dip_flag=1;
Time->TimeString[0] = ' ';
Time->TimeString[1] = ' ';
}
else
{ dip_flag=0;
Time->TimeString[0] = Time->Hour/10 + '0';
Time->TimeString[1] = Time->Hour%10 + '0';
}
}
Time->TimeString[2] = ':';
if(hide_h[1]==0)
{
Time->TimeString[3] = Time->Minute/10 + '0';
Time->TimeString[4] = Time->Minute%10 + '0';
}
else
{
if(dip_flag==0)
{ dip_flag=1;
Time->TimeString[3] = ' ';
Time->TimeString[4] = ' ';
}
else
{ dip_flag=0;
Time->TimeString[3] = Time->Minute/10 + '0';
Time->TimeString[4] = Time->Minute%10 + '0';
}
}
Time->TimeString[5] = ':';
if(hide_h[0]==0)
{
Time->TimeString[6] = Time->Second/10 + '0';
Time->TimeString[7] = Time->Second%10 + '0';
}
else
{
if(dip_flag==0)
{ dip_flag=1;
Time->TimeString[6] = ' ';
Time->TimeString[7] = ' ';
}
else
{ dip_flag=0;
Time->TimeString[6] = Time->Second/10 + '0';
Time->TimeString[7] = Time->Second%10 + '0';
}
}
Time->TimeString[8] = '\0';
}
void Initial_DS1302(void)
{
uchar Second=Read1302(DS1302_SECOND);
uchar protect[7];
protect_read(protect);
if(Second&0x80)
{
Write1302(0x8e,0x00); Write1302(0x8c,protect[6]);
Write1302(0x88,protect[5]);
Write1302(0x8a,protect[4]);
Write1302(0x86,protect[3]); Write1302(0x84,protect[2]); Write1302(0x82,protect[1]); Write1302(0x80,protect[0]); Write1302(0x8e,0x80); }
}

附录IV 温度程序
#include <REG51.H>
#include <declare.h>
uchar temp_value,temp1_value; void beep();
void delay_18B20(unsigned int i)
{
while(i--);
}
void Init_DS18B20(void)
{
unsigned char x=0;
DQ = 1;
delay_18B20(8);
DQ = 0;
delay_18B20(40);
DQ = 1;
delay_18B20(7);
x=DQ;
delay_18B20(10);
}
uchar ReadOneChar(void)
{
uchar i=0;
uchar dat = 0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DQ = 0;
dat>>=1;
DQ = 1;
if(DQ)
dat|=0x80;
delay_18B20(4);
}
return(dat);
}
void WriteOneChar(uchar dat)
{
uchar i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{
DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
delay_18B20(5);
DQ = 1;
dat>>=1;
}
}
void ReadTemp(uchar *Temp)
{
uchar a=0;
uchar b=0;
uchar t;
uchar value_point;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC);
WriteOneChar(0x44);
delay_18B20(100);
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC);
WriteOneChar(0xBE);
delay_18B20(50);
a=ReadOneChar();
b=ReadOneChar();
t=b&0xf8;
if(t)
{
Temp[0]=':';
Temp[1]='-';
temp_value=b<<4;
temp_value+=(a&0xf0)>>4;
temp_value=~temp_value+1;
temp1_value=~a&0x0f;
beep();
}
else
{
temp_value=b<<4;
temp_value+=(a&0xf0)>>4;
temp1_value=a&0x0f;
Temp[0]=':';
Temp[1]=temp_value/100+'0';
if(Temp[1]=='1')
{
Temp[1]='1';
}
else
{
Temp[1]=' ';
}
value_point = temp1_value*625/1000%10*100+temp1_value*625/100%10*10+temp1_value*625/10%10;
value_point = value_point/1000;
value_point = value_point+temp_value;
if( (value_point >= 33) || (value_point <= 25) )
{beep();}
}
}
void temp_to_str(uchar *Temp)
{
Temp[2]=temp_value%100/10+'0';
Temp[3]=temp_value%10+'0';
Temp[4]='.';
Temp[5]=temp1_value*625/1000%10+'0';
Temp[6]=temp1_value*625/100%10+'0';
Temp[7]=temp1_value*625/10%10+'0';
Temp[8]='\0';
}
附录V 掉电保护程序
#include <REG51.H>
#include <intrins.h>
#include "declare.h"
void start();
void stop();
uchar shin();
bit shout(uchar write_data);
void write_byte( uchar addr, uchar write_data); void fill_byte(uchar fill_size,uchar fill_data);
void delayms(uint ms);
uchar read_current();
uchar read_random(uchar random_addr);
#define delayNOP(); {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();};
void protect_read(uchar *protect)
{
uchar i;
SDA = 1;
SCL = 1;
for(i = 0 ; i < 7; i++)
{
protect[i] = read_random(i);
}
}
void start()
{
SDA = 1;
SCL = 1;
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