第頁(yè)共29頁(yè)單片機(jī)控制的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u13641單片機(jī)控制的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)案例綜述 112071.1單片機(jī)處理器硬件設(shè)計(jì) 1233241.2OLED液晶顯示電路設(shè)計(jì) 3215821.3發(fā)電電路設(shè)計(jì) 3215751.4充電電路設(shè)計(jì) 5121911.5按鍵電路設(shè)計(jì) 5291821.6整體電路設(shè)計(jì) 6151391.7本章小結(jié) 6180762軟件程序設(shè)計(jì) 7267232.1主函數(shù)設(shè)計(jì) 729802.2按鍵子程序設(shè)計(jì) 8185792.3顯示器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 1072692.4電壓采集程序 111.1單片機(jī)處理器硬件設(shè)計(jì)此次使用的單片機(jī)型號(hào)是STC12C5A16AD單片機(jī)，此款單片機(jī)具有外型微小，購(gòu)買價(jià)格低，功能齊全等優(yōu)勢(shì)，非常適合本次開發(fā)使用，其單片機(jī)實(shí)物圖如圖1.1所示：圖1.1單片機(jī)實(shí)物圖此款芯片共40個(gè)引腳，其中能用于雙向通訊的I/O口有32個(gè)，剩余的有復(fù)位、晶振、電源正負(fù)極和外部地址引腳，其具體的引腳電氣原理圖如圖1.2所示:圖1.2單片機(jī)引腳圖從圖1.2可以看到，所選擇的單芯片處理器具有四組I/O口，分別為P0、P1、P2和P3。在這其中，P0口的使用方法為灌電流，進(jìn)行上拉，其它的三組I/O是可以直接連接外設(shè)使用的。芯片要工作還得需要晶振電路和復(fù)位電路的配合共同搭建出單片機(jī)最小系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。最小系統(tǒng)圖如圖1.3所示：圖1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)圖可以從圖1.3看到，給此系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)的電路是由一個(gè)11.0592MHZ的晶振和2個(gè)33PF的電容組成的，它們之間是并聯(lián)的，而之后將它們與單芯片處理器的時(shí)鐘信號(hào)輸入口“XTAL1”口和“XTAL2”口相接通，其總體被稱作晶振電路，被安放的位置在于單片機(jī)左下側(cè)[8]。復(fù)位電路在左側(cè)中間，主接于單芯片處理器的復(fù)位引腳，其由一個(gè)小電解電容和一個(gè)小按鍵組成，通過使用短路并聯(lián)后連接到前者上。且使用10K電阻下拉復(fù)位引腳使其在平時(shí)的時(shí)候處于低電平的狀態(tài)。這樣就搭建完成了一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。1.2OLED液晶顯示電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中是有OLED液晶顯示器的，此款液晶顯示器是內(nèi)部集成了文字處理器的顯示器。只需要通過單片機(jī)給與對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)指令即可實(shí)現(xiàn)對(duì)字符的顯示。且此顯示器時(shí)比較多功能的，帶有背光燈，對(duì)比度調(diào)節(jié)和顯示中文等功能?？梢酝昝赖氖褂迷诟鱾€(gè)環(huán)境，其與單片機(jī)的通訊圖如圖1.4所示：圖1.4OLED液晶顯示電路可以看到顯示器是通過SPI通訊方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，通過時(shí)序的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入。此顯示器帶有128*64個(gè)發(fā)光點(diǎn)，通過每個(gè)點(diǎn)的組合實(shí)現(xiàn)顯示任意字符和文字的效果。一行最多能顯示8個(gè)（16*16）尺寸的中文文字，16個(gè)（8*8）尺寸的英文字符。且可以利用官方文字生成軟件一鍵生成文字代碼，放置到單片機(jī)程序工程文件中即可實(shí)現(xiàn)程序調(diào)用和文字顯示。OLED使用的發(fā)光原理和傳統(tǒng)的顯示工作原理不一樣，其不是普通的燈絲類型發(fā)熱，而是通過載流子的注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光。所以O(shè)LED顯示器的體積就可做的很小，也可以做得很大，不受硬件控制原理所限制。此次設(shè)計(jì)中是需要比較小的顯示器來顯示更多的內(nèi)容，所以此顯示器和本次設(shè)計(jì)非常的兼容。1.3發(fā)電電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的發(fā)電方式有兩種，首先可以通過手搖發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。搖發(fā)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)機(jī)架以及微型馬達(dá)電機(jī)兩個(gè)結(jié)構(gòu)。微型電機(jī)由電機(jī)外殼、U形磁鐵、電機(jī)軸心和電刷構(gòu)成；小型U型狀的磁鐵緊貼電機(jī)外殼的兩側(cè)內(nèi)壁形成磁場(chǎng)；電機(jī)軸心上纏繞銅線線圈，通過手搖搖桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電機(jī)軸心旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)纏繞的銅絲旋轉(zhuǎn)，則銅線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)于定子也產(chǎn)生了相應(yīng)的切斷磁感線運(yùn)動(dòng),在定子上就會(huì)形成了一個(gè)感應(yīng)電勢(shì),而外部定子與外界的輸出電路連接時(shí)則產(chǎn)生了閉合輸出電路運(yùn)動(dòng),就有額定電流傳遞給負(fù)載了。而手搖發(fā)電機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)則使用材料比較堅(jiān)固,且質(zhì)地堅(jiān)硬的木為主架結(jié)構(gòu)構(gòu)成,其含有四個(gè)底腳腳座，用以抬高搖柄與地面的距離；長(zhǎng)方形的底盤，用于連接四個(gè)底座與木制搖桿架并且起穩(wěn)定整體架構(gòu)作用；木制搖桿架，以此來搭建較為穩(wěn)固的木制搖桿架；圓形塑料差速盤，用以在兩個(gè)輸出盤之間分配轉(zhuǎn)矩和讓兩個(gè)傳送圓盤以不同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)以及保證驅(qū)動(dòng)盤在運(yùn)動(dòng)條件下的動(dòng)力傳遞；金屬制搖桿，其且質(zhì)地堅(jiān)硬，重量輕，用以帶動(dòng)一級(jí)圓形塑料差速盤的轉(zhuǎn)動(dòng)并傳導(dǎo)到二級(jí)塑料差速塑料盤帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到機(jī)械能到磁場(chǎng)能到電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。并通過升壓穩(wěn)壓電路后輸出到后續(xù)電路中；另一種是通過太陽(yáng)能光伏板進(jìn)行發(fā)電，將光伏板產(chǎn)生的電直接輸入到后續(xù)電路中，本次發(fā)電電路連接圖如圖1.6所示：圖1.6發(fā)電電路連接圖由圖1.6可以看到，最左側(cè)是一個(gè)5V的微型發(fā)電機(jī)，通過人工使用搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)桿子，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)電。且發(fā)電機(jī)的發(fā)電初始電壓隨著搖動(dòng)速度的變快而升高。將發(fā)電機(jī)的電壓輸入到升壓穩(wěn)壓芯片后得到比較穩(wěn)定的5V電壓輸出[10]。此次設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電電路，利用光伏板在不同光照強(qiáng)度下所能產(chǎn)生的電子移動(dòng)不同，從而造成輸出的電壓通電的原理實(shí)現(xiàn)電壓的輸出，其光伏板實(shí)物圖如圖1.7所示：圖1.7光伏板電路板從圖1.7可以看到光伏板表示是有很多光陣單元組成，且每個(gè)單元內(nèi)有光敏材料填充，感光材料在受到不同光照強(qiáng)度時(shí)所體現(xiàn)出不同的電子移動(dòng)現(xiàn)象，從而形式輸出不同等級(jí)的電壓值[11]。1.4充電電路設(shè)計(jì)發(fā)電電路完成發(fā)電后就需要將電輸送到存儲(chǔ)單位進(jìn)行儲(chǔ)存，此次設(shè)計(jì)確定下來的儲(chǔ)存方案是1節(jié)18650鋰電池。通過充電保護(hù)芯片TB03962A對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，且此芯片具有欠壓和過流自動(dòng)保護(hù)功能[12]。其芯片實(shí)物圖連接圖如圖1.8所示：圖1.8充電芯片實(shí)物圖從圖可以看到典型的充電電路連接效果，首先電源從左側(cè)的MICRO電源接口或者正負(fù)極端口輸入，經(jīng)過芯片處理后就通過“B+”和“B-”輸出到鋰電池口進(jìn)行充電；然后通過“OUT+”和“OUT-”給外界用電設(shè)備供電，這樣就實(shí)現(xiàn)了從電的充入到存儲(chǔ)最后到輸出的效果[13]。1.5按鍵電路設(shè)計(jì)工控行業(yè)中見的最多的外設(shè)輸入就是按鍵了，按鍵能實(shí)現(xiàn)調(diào)整參數(shù)、實(shí)現(xiàn)觸發(fā)指令、實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能等，此次設(shè)計(jì)使用普通四腳按鈕，對(duì)LED燈進(jìn)行控制，每按一次按鍵就實(shí)現(xiàn)LED燈的狀態(tài)改變，本次設(shè)計(jì)的按鍵電路原理圖如圖1.9所示：圖1.9按鍵電路原理圖由圖1.9可以看到，圖中將按鍵的一邊全部接地后，另一端對(duì)接到到使用的單片機(jī)對(duì)應(yīng)的I/O口即可。當(dāng)所鏈接的電路中的按鍵被按下時(shí)，那對(duì)應(yīng)電路中的I/O口就會(huì)被連通，從而直接變成與地面相連接的狀態(tài)，從而達(dá)到了一種由高位的電位到低位的電位的跳變,而單片機(jī)可以通過測(cè)量這種跳變,進(jìn)而進(jìn)行對(duì)外部信息輸入的測(cè)量[14]。1.6整體電路設(shè)計(jì)以上為分模塊介紹的電路，各個(gè)模塊功能實(shí)現(xiàn)后，就可以通過單片機(jī)將各個(gè)功能有機(jī)的結(jié)合在一起，共同組合實(shí)現(xiàn)一系列的功能，整體電流通道連接圖如如1.10所示：圖1.10整體電路圖從圖1.10總電流通道預(yù)設(shè)連接圖中可看到整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)器件直接是怎樣連接的，包括連接到哪個(gè)引腳，都是非常清楚的。單片機(jī)的就是這樣通過各種通訊方式和外設(shè)溝通在一起的。此款STC單片機(jī)具有40個(gè)引腳，且本次設(shè)計(jì)的外設(shè)數(shù)目也不多，所以從單片機(jī)資源方面考慮是非常符合本次設(shè)計(jì)所需[15]。1.7本章小結(jié)本章主要對(duì)各個(gè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)各個(gè)芯片的參數(shù)實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)之間通訊，最終設(shè)計(jì)出了整體的電流通道原理圖，為下一步程序設(shè)計(jì)做好鋪設(shè)前提。原理圖就是硬件思維構(gòu)架的有機(jī)整合。2軟件程序設(shè)計(jì)2.1主函數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)入主程序后首先進(jìn)行的是初始化I/O口、AD采集口和液晶顯示器，并進(jìn)入到判斷語句判斷一系列的條件，其系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖2.1所示：圖2.1主函數(shù)流程圖主程序分析：while(1) //主循環(huán)體{keycan();ii=200;AD0=0;while(ii--) //均值濾波{AD0+=GetADCResult(0);}AD0=AD0/200;AD0=100*AD0*5.0/255;if((AD0>12)||(AD0<=1)){bsg(AD0+4);}delayms(2000);}從圖2.1可以看到，在初始化后就要驅(qū)動(dòng)OLED顯示器顯示預(yù)顯示內(nèi)容，然后判斷判斷按鍵是否按下，如果成立則改變LED指示燈狀態(tài)；否則進(jìn)入到下一段程序，進(jìn)行AD采集、轉(zhuǎn)化計(jì)算出發(fā)電電壓并顯示在OLED；這樣就結(jié)束了一次循環(huán)。2.2按鍵子程序設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候提到了，按鍵的觸發(fā)是需要軟件進(jìn)行消除抖動(dòng)的，因?yàn)樵诎聪碌乃查g電平的變化是波紋狀態(tài)的，所以就要通過時(shí)間延后進(jìn)行消抖，消除抖動(dòng)完畢后才進(jìn)入按鍵后應(yīng)該要執(zhí)行的功能，按鈕觸發(fā)流程圖如圖2.2所示：圖2.2按鍵子程序流程圖從流程圖可以很清楚的看到，按鍵按下后是需要等待和判斷的，當(dāng)判斷條件不滿足，就不會(huì)進(jìn)入到按鍵子程序，所以用軟件實(shí)現(xiàn)按鍵消抖是非常好的方法[16]。2.3顯示器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)單片機(jī)與時(shí)鐘芯片和OLED顯示器之間的通訊方式是I2C方式。通過2根信號(hào)線就能實(shí)現(xiàn)通訊，利用時(shí)鐘線控制數(shù)據(jù)線的原則，將數(shù)據(jù)有序發(fā)送和接收。因?yàn)閿?shù)據(jù)通過電平形式發(fā)送，每次只能發(fā)送一個(gè)狀態(tài)（高電平或者低電平），所以一個(gè)八位的數(shù)字要發(fā)送出去，就需要循環(huán)發(fā)送八次，且八次都是由時(shí)鐘信號(hào)線控制發(fā)送。接收端的數(shù)據(jù)接收則是反之，通過時(shí)鐘信號(hào)控制一位一位接收，最后還原成發(fā)送時(shí)的八位數(shù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖2.3所示：圖2.3I2C發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖驅(qū)動(dòng)程序主函數(shù)分析：1.voidOLED_Init(void)//OLED屏初始準(zhǔn)備化程序2.voiddelay(unsignedintz)//時(shí)間延后函數(shù),毫秒1.voidIIC_Start()//打開I2C總線2.voidIIC_Stop()//關(guān)閉I2C總線5.voidWrite_IIC_Byte(unsignedcharIIC_Byte)//寫一個(gè)byte的數(shù)據(jù)通過I2C總線6.voidOLED_WrDat(unsignedchardat)//對(duì)OLED屏錄入數(shù)據(jù)7.voidOLED_WrCmd(unsignedcharcmd)//向OLED屏錄入命令8.voidOLED_Set_Pos(unsignedcharx,unsignedchary)//設(shè)置顯示坐標(biāo)2.4電壓采集程序此次設(shè)計(jì)需要對(duì)手搖發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)電電壓進(jìn)行測(cè)量，所以在選擇處理器的時(shí)候就考慮選擇使用STC12C5A16AD單片。因?yàn)槠渥陨砑闪薃D采集功能，其復(fù)用口在P1上。通過內(nèi)部程序?qū)/O口設(shè)置成復(fù)用模式，其對(duì)應(yīng)的P1口就具有AD采集功能了。然后通過程序驅(qū)動(dòng)，去讀取到模擬量，包括對(duì)ADC-CONTR寄存器的配置、對(duì)使能口ADC-POWER寄存器的配置、ADC-SPEEDLL采集速控制器的初始化、然后對(duì)通道進(jìn)行選擇、選擇完畢后就開始采集，并等待采集完成，完成后關(guān)閉此次通道并返回采集到的模擬量[18]。AD采集過程程序流程圖如圖2.4所示：圖2.4AD采集程序流程圖實(shí)現(xiàn)ADC讀取程序分析：BYTEGetADCResult(BYTEch){ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch|ADC_START;_nop_();//