触摸屏无线遥控三基色彩灯设计 电气毕业设计

'天津职业技术师范大学TianjinUniversityofTechnologyandEducation毕业设计专业：电气技术教育班级学号：电气0813-11学生姓名：李宁宁指导教师：李宏伟教授二〇一三年五月 天津职业技术师范大学本科生毕业设计触摸屏无线遥控三基色彩灯设计专业班级：电气0813学生姓名：李宁宁指导教师：李宏伟教授学院：自动化与电气工程学院2013年5月 摘要单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，无线控制已是千家万户的生活依托，当你使用手机打电话时，使用遥控器控制家中的电视时，应用到都是无线控制，人的生活丰富多彩，但你打开家中的灯光依然是白色的灯光的时候，却不能改变室内的颜色，室内生活颜色变得单一，为实现室内的彩色生活，设计一款可无线触摸屏控制三基色彩灯。本文设计制作了这样一个彩灯，主要是用单片机采集控制要求、通过无线模块发射接收信号，来控制三基色彩灯的颜色和亮度。其原理是以单片机为触摸屏提供供电电压，采集触摸屏被触摸后屏上的电压，通过模数转换，转换成单片机可识别的数字量，单片机通过无线发射信号控制被控制电路，被控电路的无线模块接收的无线信号后传送给单片机，通过单片机的处理然后对三基色彩灯发出不同占空比的信号，三基色彩灯接到不同的占空比的信号发出不同亮度的三基色，通过三基色配置出不同颜色的灯光。本文首先介绍结合了单片机的采集和控制，触摸屏和无线模块的设计和使用，三基色彩灯的控制原理和光谱光强的介绍。最后进行触摸屏无线控制的硬件设计和软件设计。关键词：单片机；无线；触摸屏；三基色 ABSTRACTMicrocontrollerpenetratedintoeveryaspectofourlives,whichisalmostdifficulttofindtracesofthefieldwithoutMCU,wirelesscontrolisthethousandsofhouseholdslivingon,whenyouusethemobilephone,theuseofremotecontrolofhometelevision,appliedtoallwirelesscontrol,people"sliferichandcolorful,butopenyourhomethelightsarestillwhenthewhitelight,butcannotchangetheindoorcolor,interiorcolorbecomesasinglelife,forlifetoachieveindoorcolor,designawirelesstouchscreencontrolthreecolorlights.Wedesignedalantern,ismainlyusedcollectioncontrolrequirements,throughthewirelessmodulefortransmittingandreceivingsignal,colorandbrightnesstocontrolthreecolorlamp.Itsprincipleisbasedonthesingle-chipmicrocomputerasthetouchscreenprovidesasupplyvoltage,voltageacquisitiontouchscreenistouchedafterscreen,throughtheanalog-to-digitalconversion,convertedintodigitalchipidentification,MCUcontrolcircuitiscontrolledbyawirelesstransmissionsignal,thecontrolledcircuitofwirelessmodulereceiveswirelesssignalstransmittedtothemicrocontroller,SCMthroughtheprocessingandthethreecolorlampsignalratioofairtodifferentaccountsforthreecolorlights,receivedthreecolorsrepresentingdifferentsignalratioofairtoproducedifferentbrightness,colorconfigurationthroughthreedifferentcolorsoflight.Thispaperfirstlyintroducesthecombinationofacquisitionandcontrolchip,designandusethetouchscreenandawirelessmodule,controlprincipleandspectrumintensityofthreecolorlampintroduction.Finally,thehardwaredesignandsoftwaredesignofwirelesstouch-screencontrol.KeyWords：Atmega16Microcomputer;wirelessTouchscreen;threeprimarycolors 目录1引言11.1研究背景11.2课题的发展现状21.2.1单片机的发展现状21.2.2灯饰的发展现状31.3研究内容42模块的选择及功能介绍52.1触摸屏52.1.1触摸屏的定义52.1.2触摸屏的分类52.2无线nRF24L01模块72.2.1概述82.2.2nRF24L01无线模块工作原理92.2.3nRF24L01无线模块的优缺点92.2.4nRF24L01无线模块的抗干扰性能92.2.5nRF24L01无线模块的应用前景92.3三基色LED102.3.1LED102.3.2太阳光谱结构112.4本章小结113AVR单片机的特点及功能简介123.1系统构成框图123.2AVR单片机的特点123.3单片机的串口功能143.4ATmega16单片机PWM功能154硬件电路设计及原理174.1触摸屏电路174.1.1电阻式触摸屏结构174.1.2电阻式四线触摸屏工作原理1829 4.2nRF24L01无线发射电路184.3电源电路194.4nRF24L01无线接收电路204.5三基色LED驱动电路204.6本章小结215软件程序设计225.1总体程序框图225.2单片机程序23结论27参考文献28致谢2929 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计1引言1.1研究背景社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用含量决定着产品发展的新趋势和前景，高新技术在电子产品领域的应用意义深远。随着高新技术电子产品的快速发展，更多的无线触摸屏控制越来越多的展现出来，已经应用于实际中的有工业生产中的电气控制柜触摸屏控制面板，触摸屏手机，无线触摸屏加油器等，而所用的无线触摸屏控制器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。结合了单片机的无线触摸屏遥控和普通遥控相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更加直观的环保的控制各种被控设备，提高了遥控的品质。。无线控制器因为单片机和触摸屏的加入而走向更加直观更加环保，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着高新技术的发展越来越方便、舒适。随着高新技术的发展，作为家用电器当中的灯饰也要顺应科技的发展步伐走向环保和多功能化。虽然开关控制式的灯饰还是灯饰市场的主体。但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的灯饰已经感受到产品更新换代的威胁。与其他的智能化家用电器一样，无线触摸屏控制三基色彩灯有许多普通开关式灯饰所无法比及的优势，无线触摸屏控制三基色彩灯一方面可以调节色彩，另一方面有利于环保。无线触摸屏控制三基色彩灯不仅在功能上日趋向高新技术化，同时在外观上已逐步向组合化、装饰化、情趣化方向发展。组合化是随着人们生活节奏的加快，一些方便实用、新颖、美观的组合彩灯正在市场上兴起，有闹钟与彩灯组合的，有小型取暖器与彩灯组合的，有微型电讯与彩灯组合的，还有把笔架、文具盒、像片框与彩灯组合的等等，使彩灯更具有实用性。装饰化，装饰化彩灯注重装饰效果，体现鲜明的艺术特色，使彩灯成为一件具有实用性的艺术品。由于彩灯不但具有现代工艺性，而且式样多变，工艺精湛，造型也别具匠心。质料上不再是单一塑料制品，还采用不锈钢、铜、玻璃等材料制成，风格各异。有乳白、橘黄、草绿、玫瑰红、湖绿等颜色，消费者可按房间装饰风格及家具风格来选购不同款式、质料的彩灯，使彩灯与室内布置形成一个完善的艺术整体。情趣化，情趣化彩灯往往以小巧玲珑、想象丰富等特点而颇受青少年青睐。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计1.2课题的发展现状单片机在本次无线触摸屏遥控三基色彩灯设计中是主要控制单元，主要控制电路灯光控制电路是在单片机的控制下工作。下面就介绍一下无线触摸屏遥控三基色彩灯设计的大脑，单片机的发展状况以及在各个领域中的实际应用。在对其熟悉的基础上对它进行合理的利用。1.2.1单片机的发展现状微型计算机即单片机，1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列单片机，它以等特点，赢得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段。其后，在MCS-48成功的刺激下，许多半导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。到80年代末，世界各地已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，其中包括Motorola公司的6801，6802，Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501，6502等，此外，日本的NEC公司，日立公司等也不甘落后，相继推出了各自的单片机品种。尽管目前单片机的品种很多，但是我国使用最多的是Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51系列是在MCS-48的基础上在上世纪八十年代初发展起来的，虽然它是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此应用愈加广泛，直到现在，MCS-51仍不失为单片机的主流系列。继8位单片机之后，又出现了16位单片机，1983年Intel公司推出的MCS-96系列处理器。单片机就是其中的典型代表。与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且在其它性能方面也有很大的提高，特别是芯片内还增加了一个4路或8路的10位A/D转换器，使其具有A/D转换的功能。纵观单片机近30年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路简单化以及片内存储器容量增加的方向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了32位单片机，但使用的并不多。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特点。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，单片机真正意义上的嵌入式系统的出现。单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求，例如，芯片级的物理空间、大规模集成电路的低价位、良好的外围接口总线和突出控制功能的指令系统。单片机有计算机系统内核，嵌入到电子系统中，为电子系统智能化奠定了基础。因此，当前单片机在电子系统中的广泛使用，使经典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。又单片微型计算机以其体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有特点，在各个领域（如工业控制、家电产品、汽车电子、通信、智能仪器仪表）得到广泛应用。1.2.2灯饰的发展现状灯饰本来是一个非常简单的照明工具，就是一个电源加一个灯泡，但是随着科技的进步，人们开始对灯饰的功能要求也开始日渐提高。所以它的功能也由简单的照明开始向其他的节能和护眼等方面发展，有些灯饰还添加了闹钟和定时等功能,但还没有一种灯饰是可以自己调节颜色和亮度的。1、灯光对室内环境的影响灯光可以说是一个较灵活及富有趣味的设计元素，可以成为气氛的催化剂，是一室的焦点及主题所在，也能加强现有装潢的层次感。一般而言，灯光编排可以分为直接和间接两种。直接灯光泛指那些直射式的光线，如吊灯及射灯等，光线直接散落在指定的位置上，投射出一圈圈的光影，作照明或突出主题之用，直接、简单。音接灯光在气氛营造上刚能发挥独特的功能性，营造出不同的意境。它的光线不会直射到地面，而是被置于壁凹、天花背后，或是壁面铺饰的背后，光线被抽射到墙上再反射到地面，柔和蕴藉，透过当中的对比表现出灯光的的独有个性，散发出独特的艺术神韵。在家居灯光颜色的运用上卧室要温馨，书房和厨房的照明颜色要明亮实用，客厅要丰富、有层次、有意境，餐厅要浪漫，卫生间要温暖、柔和。这样的灯光颜色的编排我想已达到它的最高效能了。光色最基础的便是冷暖，室内环境中只用一种色调的光源可达到极为协调的效果，如同单色的渲染，但若想有多层次的变化，则可考虑有冷暖光的同时使用，现代居室中考虑动用五颜六色的光营造温馨气氛的佳作很多，例如淡黄色墙面和地面的房间，采用暖光源与地面石材相映，突出温暖气氛，而白色吊顶采用非直接照明用途的冷光源，达到了衬托暖彩色光源的作用，是一种对比也是一种丰富。2、装饰照明对室内环境的影响照明可以影响人对于空间的认识。举个例子如果想要突出房间的高度用落地彩灯就可以办到。可以使用内置式落地上照明彩灯向墙壁投射光束房间看上去显得高大，相反如果想让房间在视觉上显得低一些可以使用固定在房间低处的落地灯同时配合向下投洒光线的吊顶彩灯，29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计这样可以使天花板看的低一些。想让房屋高度增加还有另一个办法，将吊顶彩灯取下在天花板安装嵌入式灯具,将落地彩灯高度降低,房屋高度就会在视觉效果中缩小。可以改变对空间氛围的印象在酒店客房、居家卧室的设计中,往往是需要许多环境照明的,譬如双人床的台灯,一般会安装在正对床中间的墙壁上,这样可以方便地调整台灯位置,不影响人的休息。另外在晚上的时候,台灯或壁灯可以使整个房间具有柔和随意的效果,使人感到温暖；在酒吧包间、KTV等场所,经常可以见到运用到蓝、紫色等冷色光的突出照明,重点突出渲染墙壁色彩,配合室内不同装饰材料,营造出或光怪陆离、或时尚激情的空间效果；而在一些服装店、珠宝饰品店,则会经常用到装饰性照明。嵌入式或轨道式灯具发散出的光束不仅仅有重点照明的聚光性,可以使目标体醒目、突出,具有空间层次感,还可以使目标体更具有华丽、色彩鲜艳的视觉感受。1.3研究内容随着高新技术的飞速发展，智能化家用电器的日益普及，作为千家万户日常使用的家用小电器—无线触摸屏遥控三基色彩灯也应运而生。无线触摸屏遥控三基色彩灯是利用单片机的本文设计是选择了Atmega16作为控制芯片。将硬件设计分为无线模块及电阻式触摸屏、以Atmega16组成的中央处理单元、控制电路及LED驱动电路。对各部分功能作用予以详细说明。软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。本文第一章为引言，阐述了结合了单片机的智能化技术在灯饰领域中的应用，详细介绍了无线触摸屏遥控三基色彩灯设计研究的意义及未来灯饰的发展趋势。第二章对各模块的使用及其特性进行简单的介绍，对本文设计用到的电阻式触摸屏和无线24L01模块的工作原理及其特性进行详细的说明第三章对。中央控制单元做了详细的介绍，选择了Atmega16作为控制器，对其功能、特性做了详细说明。第四章对无线出触摸屏遥控三基色彩灯的硬件进行设计，划分成为控制电路，被控电路两部分，分别设计出电路结构，并说明其功能作用。第五章介绍了无线出触摸屏遥控三基色彩灯的软件设计，根据硬件结构，先画出总的程序框图，结合设计需要的效果，用C语言编出程序。第六章是本论文的总结和进一步工作展望。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计2模块的选择及功能介绍2.1触摸屏2.1.1触摸屏的定义所谓触摸屏就是一种简易鼠标，它能让你方便的直接点击屏幕就能查询详细。触摸屏分电阻触摸屏、表明声波触摸屏、电容触摸屏和红外触摸屏，目前比较常用的是电阻触摸屏、表明声波触摸屏，电容触摸屏很少用，红外触摸屏虽然质量好，但是价格太高，性价比不好！。2.1.2触摸屏的分类一、.从触摸屏屏体本身区别：1.电阻压力触摸屏：电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI，氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕，两层OTI导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是电阻技术触摸屏共同的最基本原理。电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线等多线电阻触摸屏。五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导电玻璃的工艺使其的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。电阻式触摸屏的OTI涂层比较薄且容易脆断，涂得太厚又会降低透光且形成内反射降低清晰度，OTI外虽多加了一层薄塑料保护层，但依然容易被锐利物件所破坏；且由于经常被触动，表层OTI使用一定时间后会出现细小裂纹，甚至变型，如其中一点的外层OTI受破坏而断裂，便失去作为导电体的作用，触摸屏的寿命并不长久。但电阻式触摸屏不受尘埃、水、污物影响。电阻压力触摸屏一般为硬塑料平板（或有机玻璃）底材多层复合膜，硬塑料平板（或有机玻璃）作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面经过硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的表面也涂有一层透明的导电层，在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点。电阻屏的外表如果用手触摸用心感触它是软的，在较好的光线下可以看出屏体上的细小的规则的透明隔离点。到控制器的线一般为扁平的氧化银信号线。一般（并非绝对）从该信号线中信号线的根数多少，屏体的透光度没有玻璃好。2.电容触摸屏：电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。电容触摸屏使用多层复合膜玻璃底层，玻璃屏的内表面和夹层各涂有ITO导电层，最外层是只有0.0015毫米厚的硅土玻璃保护层，屏体的四周有不规则分布的氧化银线段，在屏体的四个角或四条边上引出四个电极，到控制器的线一般为圆形的信号电缆。屏体的透光度没有玻璃好。屏体看不出规则的麻点。3.红外感应触摸屏：红外线触摸屏原理很简单，只是在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。其主要优点是价格低廉、安装方便、不需要卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上。不过，由于只是在普通屏幕增加了框架，在使用过程中架框四周的红外线发射管及接收管很容易损坏，且分辨率较低。红外感应触摸屏用户很好识别，红外感应触摸屏一般都有一个外框，框里有电路板，在X、Y方向排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。红外屏有外挂式和内置式区分，外挂式较厚，一般在10毫米左右；外挂式有纯边框结构的，也有带玻璃托板的，内置式一般都带玻璃托板。4.表面声波触摸屏：表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于其它触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标，控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率极高，有极好的防刮性，寿命长（5000万次无故障）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，最适合公共场所使用。但表面感应系统的感应转换器在长时间运作下，会因声能所产生的压力而受到损坏。一般羊毛或皮革手套都会接收部分声波，对感应的准确度也受一定的影响。屏幕表面或接触屏幕的手指如沾有水渍、油渍、污物或尘埃，也会影响其性能，甚至令系统停止运作。表面声波触摸屏使用纯玻璃材质，屏体的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的楔形超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的楔形超声波接收换能器。屏体的四个周边则刻有45度角的精密的反射条纹。到控制器的线一般为圆形的信号电缆。二、从屏体出线区分四线电阻屏和五线、六线电阻屏：四线电阻触摸屏的屏体出线均是两层线粘贴在一起的（有的屏体出线可能是5条），而五、六线电阻触摸屏的屏体出线均是单层并列的。三、从触摸屏控制盒（器）与计算机的连接方式上区分：各种触摸屏与计算机的连接，一般都与计算机的串口相连（也有USB接口的），是信号部分；同时触摸屏还需要电源输入部分，由计算机供给。ELO产品均从计算机的主板键盘接口取电，属5V工作电压；Generaltouch表面声波触摸屏的控制盒需要12V的电源输入，则需要与计算机的电源直接连接。其它触摸屏控制盒多从计算机主板的键盘接口取电。四、用手指操作区分：可用指甲（而不是皮肤）轻压屏幕，假如屏幕有反应，就可能是电阻式或红外线式屏幕。再同时用两根手指分别轻压屏幕上两点。假如光标移到其中一根手指下方，这装置使用的就是红外线（软件只记录第一个接触点）；假如光标移到两根手指之间，屏幕就是电阻式（两个接触点皆有影响力）。假如这个装置对指甲毫无反应，你的下一步还是用两根手指分别轻压屏幕上两点。这时候，如果光标移到其中一根手指下方，那么这屏幕使用的原理是声波；假如光标移到两根手指中间，它就是电容式触控屏幕。2.2无线nRF24L01模块nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计2.2.1概述图2-1Nrf24L01无线模块实物图图2-2nRF24L01无线模块原理图GFSK调制：硬件集成OSI链路层;具有自动应答和自动再发射功能;片内自动生成报头和CRC校验码;数据传输率为lMb/s或2Mb/s;SPI速率为0Mb/s～10Mb/s;125个频道：与其他nRF24系列射频器件相兼容;QFN20引脚4mm×4mm封装;供电电压为1.9V～3.6V。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计2.2.2nRF24L01无线模块工作原理发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。2.2.3nRF24L01无线模块的优缺点NRF24L01价格便宜，合适短距离数据传输，编程简单，功耗低最大只60mw，在空中传输的速率达到1Mbps。因为它每次最大只能传输32有效字节宽度，所以不适合数据量较大的场合。2.2.4nRF24L01无线模块的抗干扰性能PTR2000采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式，其工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗极低且便于设计生产，这些优异特性使得PTR200非常适合于便携及手持产品的设计。另外，由于它采用了低发射功率、高灵敏度设计，因而可满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。2.2.5nRF24L01无线模块的应用前景在2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等多个标准无线协议,本来各协议可以相安无事开发自己的专有应用,但现在,非标准无线射频协议的涌入打破了这一平衡,该协议意图蚕食蓝牙、Zigbee已有的市场，非标准无线射频协议的优势是低功耗、低成本、易开发，不单是支持高速数据传输,nRF24L01还支持无线组网。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计2.3三基色LED2.3.1LEDLED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。一、LED的结构及发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。二、LED光源的特点1.电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%3.适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50%5.响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级6.对环境污染：无有害金属汞7.颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色8.价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。三、单色光LED的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到10029 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。2.3.2太阳光谱结构太阳光谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等几个波谱范围，紫外线谱带：波长280-400nm之间，其特点是穿透性强，可使人体皮肤黑色素沉积，颜色加深，过度的紫外线曝晒会导致皮肤癌，可导致地毯、窗帘、织物及家具油漆褪色可见光谱带：波长380~780nm之间，其特点是肉眼可以看见的唯一光谱，可见光波段进一步可以分为不同的颜色（赤橙黄绿蓝靛紫七色），对人体没有直接伤害。红外光谱带：波长700~2400nm（纳米）之间，其特点是我们可以直接感受到阳光“不可见”的热量，所含能量最大，所以热量也高。各波段的远近红外线构成了太阳能的53%，紫外线占3%，可见光占44%。阳平日所放出来的光谱主要来自太阳表面绝对温度约六千度的黑体辐射(BlackBodyRadiation)光谱可见光的波长范围在770～390纳米之间。波5长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。770～622nm，感觉为红色；622～597nm，橙色；597～577nm，黄色；577～492nm，绿色；492～455nm，蓝靛色；455～390nm，紫色。2.4本章小结在所有的电子设计系统中，器件的选择是非常重要的。本章首先介绍了论文中所选器件的概念、分类以及它们的工作特性。其次对本文设计需要用到的无线模块nRF24L01工作原理极其工作特性等方面进行详细的介绍。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计3AVR单片机的特点及功能简介3.1系统构成框图图3-1无线遥控发射系统构成框图图3-2无线接收控制系统框图3.2AVR单片机的特点29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使I/O口的资源灵活、功能强大、可充分利用。AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源(自动上电或下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位)，可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。AVR单片机技术体现了单片机集多种器件(包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等)和多种功能于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的发展方向。综上所述，AVR单片机博采众长，又具独特技术，是8位机中的佼佼者。它具备了高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位的特点。也正因为此，本系统使用了AVR单片机中的一款高端单片机Atmage16作为控制核心。下图为ATmega16管脚图。图3-3ATmega16管脚图29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计3.3单片机的串口功能单片机作为控制核心其首要职能是接收上位机送来的数据并作相应处理。而通信的可靠性和有效性直接影响到了系统的功能。由于本设计采用的是有线通信，有较好的可靠性，而AVR单片机本身有着强大的串行通信能力，只要对Atmage16内部进行设置就可实现简单通信。AVR单片机的通用同步和异步串行接收器和转发器(USART)是一个高度灵活的串行通讯设备。主要特点为：（1）全双工操作(独立的串行接收和发送寄存器)；（2）异步或同步操作；（3）主机或从机提供时钟的同步操作；（4）高精度的波特率发生器；（5）支持5,6,7,8,或9个数据位和1个或2个停止位；（6）硬件支持的奇偶校验操作；（7）数据过速检测；（8）帧错误检测；（9）噪声滤波，包括错误的起始位检测，以及数字低通滤波器；（10）三个独立的中断：发送结束中断,发送数据寄存器空中断，以及接收结束中断；（11）多处理器通讯模式；（12）倍速异步通讯模式；（13）增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯[8]。ATMega16单片机控制串口寄存器有UDR,UCSRA,UCSRB,UCSRC,UBRRH。主要功能如下：UDR：USART发送数据缓冲寄存器和USART接收数据缓冲寄存器共享相同的I/O地址，称为USART数据寄存器或UDR。将数据写入UDR时实际操作的是发送数据缓冲器存器(TXB)，读UDR时实际返回的是接收数据缓冲寄存器(RXB)的内容。UCSRA：控制状态寄存器A，用于显示发送、接收结束，帧错误，数据溢出等串口站工作过程中出现的状态。UCSRB：控制状态寄存器B29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计，用于发送、接收结束中断使能，串口使能等串口功能的设置。UCSRC：控制状态寄存器C，用于设定奇偶校验位，停止位，同步、异步等串口每帧发送的格式。UBRRH：波特率寄存器,用于存放串口波特率。3.4ATmega16单片机PWM功能脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。ATmega16就是其中一种，ATmega16自带有四路PWM输出，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：1.设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期2.在PWM控制寄存器中设置接通时间3.设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚4.启动定时器5.使能PWM控制器。快速PWM模式(WGM21:0=3)可用来产生高频的PWM波形。快速PWM模式与其他PWM模式的不同之处是其单边斜坡工作方式。计数器从BOTTOM计到MAX，然后立即回到BOTTOM重新开始。对于普通的比较输出模式，输出比较引脚OC2在TCNT2与OCR2匹配时清零，在BOTTOM时置位；对于反向比较输出模式，OC2的动作正好相反。由于使用了单边斜坡模式，快速PWM模式的工作频率比使用双斜坡的相位修正PWM模式高一倍。此高频操作特性使得快速PWM模式十分适合于功率调节，整流和DAC应用。高频可以减小外部元器件(电感，电容)的物理尺寸，从而降低系统成本[9]。工作于快速PWM模式时，计数器的数值一直增加到MAX，然后在后面的一个时钟周期清零。快速PWM模式时序图如下图。图中柱状的TCNT029 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计表示这是单边斜坡操作。方框图同时包含了普通的PWM输出以及方向PWM输出。TCNT2斜坡上的短水平线表示OCR2和TCNT2的比较匹配。计时器数值达到MAX时T/C溢出标志TOV2置位。如果中断使能，在中断服务程序，中断服务程序可以更新比较值。工作于快速PWM模式时，比较单元可以在OC2引脚上输出PWM波形。设置COM21:0为2可以产生普通的PWM信号；为3则可以产生反向PWM波形。要想在引脚上得到输出信号还必须将OC2的数据方向设置为输出。产生PWM波形的机理是OC2寄存器在OCR2与TCNT2匹配时置位(或清零)，以及在计数器清零(从MAX变BOTTOM)的那一个定时器时钟周期清零(或置位)。输出的PWM频率可以通过如下公式(3-1)计算得到：(2-1)变量N代表分频因子(1、8、32、64、128、256或1024)。OCR2寄存器为极限值时表示快速PWM模式的一些特殊情况。若OCR2A等于BOTTOM，输出为出现在第MAX+1个定时器时钟周期的窄脉冲；OCR2为MAX时，根据COM21:0的设定，输出为高电平或低电平。通过设定OC2在比较匹配时进行逻辑电平取反(COM21:0=1)，可以得到占空比为50%的周期信号。OCR2为0时信号有最高频率。这个特性类似于CTC模式下的OC2取反操作，不同之处在于快速PWM模式具有双缓冲。图3-4快速PWM模式时序图29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计4硬件电路设计及原理4.1触摸屏电路电阻触摸屏的主要部分是一块电阻薄膜屏。基本结构为由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层叫ITO的透明导电层,上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层导电层（ITO或镍金）,在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开绝缘。4.1.1电阻式触摸屏结构四线电阻屏在表面保护涂层和基层之间覆着两层透明电导层ITO（ITO：氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃＝10-10米）以下时会突然变得透明，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时透光率又上升。是所有电阻屏及电容屏的主要材料。）图4-1电阻式四线触摸屏层次图29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计4.1.2电阻式四线触摸屏工作原理电阻屏工作原理两层分别对应X，Y轴，它门之间用细微透明绝缘颗粒绝缘，当触摸时产生的压力使两导电层接通，由于电阻值的变化而得到触摸的X，Y坐标。四线电阻屏两层ITO工作面工作时都加上5V到0V的均匀电压分布场：一个工作面加竖直方向的,一个工作面加水平方向的。L1-L4引线至Atmega16单片机总共需要四根电缆。因为四线电阻触摸屏靠外的那层塑胶及ITO涂层被经常触动，一段时间后外层薄薄的ITO涂层就会有了细小的裂纹，显然，导电工作面一旦有了裂纹，电流就会绕之而过，工作面上的电压场分布也就不可能再均匀，这样，在裂纹附近触摸屏漂移严重，裂纹增多后，触摸屏有些区域可能就再也触摸不到了。Atmega16单片机为触摸屏提供5V供电点啊，当按下触摸屏时Atmega16单片机的ADC0和ADC1一次采集触摸屏X、Y轴的分压值，通过对Atmega16单片机采集的分压值进行数据处理分析比较后，判断出相应按下的位置。图4-2Atmega16单片机AD采集触摸屏4.2nRF24L01无线发射电路发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计FIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。图4-3Atmega16单片机控制无线发射图4.3电源电路电源电路是通过一个15V的直流电源通过稳压器稳压得到一个12V和5V的直流电压，由于现在市场上销售的直流电源输出的电压都不稳定，所以不能满足单片机的工作需求所以在电源电路上还要通过三端集成稳压器78L12和78L05来输出相应的电压。图4-4电源电路29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计4.4nRF24L01无线接收电路接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。图4-5无线接收电路4.5三基色LED驱动电路本文驱动电路采用三极管8050做三基色LED的驱动，通过Atmega16的定时器发出三个PWM信号来控制三极管8050的通断，从而控制三基色LED的亮度。三基色LED的图4-6LED驱动电路29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计4.6本章小结本章详细介绍了以Atmega16单片机为核心芯片的硬件电路图及其涉及到的一系列硬件。首先详细介绍Atmega16单片机功能特点、电阻式四线触摸屏的结构和原理、L298驱动芯片的资料，包括引脚图极其引脚的作用。了解这些芯片的功能之后利用它们设计和在单片机控制下的灯光驱动电路并分析他们具体如何工作。然后利用PROTELDXP2004画出电路原理图。本系统以Atmega16为控制芯片，通过传感器把控制信息传达到台灯，控制台灯的工作。硬件设计的好坏是本系统是否稳定、可靠工作的关键。29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计5软件程序设计5.1总体程序框图图5-1遥控发送程序框图图5-2无线接收控制三基色彩灯程序流程图29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计5.2单片机程序#include#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineulongunsignedlong#definevref5005//adc算法程序uintad_con,temp,mi,ni;//存放PA0的AD转换结果ucharCNT=0;//初始计数值：0ucharTimer[2]={0x00,0x00};//初始时间00：00uintled[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};/////////////////////////////延时///////////////////////////////////////////voiddelay_us(uintt)//us{dot--;while(t>1);}voiddelay_ms(uintt)//ms{while(t!=0){delay_us(1142);t--;}}/*****************I/O初始化*****************/voidinit_io(){DDRA=0XFE;PORTA=0XFF;DDRB=0XF8;PORTB=0XF7;DDRC=0xFF;PORTC=0XFF;DDRD=0xFF;PORTD=0xFF;}voidadc_init(void)//A/D转换设置Pc0.0口{//DDRA=0xf0;//PORTA=0xf0;29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计ADCSRA=0x00;//disableadcADMUX=0x40;//参考电压AVCC（01）,转换结果右对齐（0）通道0ACSR=0x80;//模拟比较器禁用ADCSRA=0xEE;//AD使能，启动AD,ADC自动触发使能，ADC中断使能，预分频选择64SFIOR=0x00;}//ADC转换结束//#pragmainterrupt_handleradc_isr:15voidadc_isr(void){intn,m;CLI();ad_con=n=ADCL;m=ADCH;ad_con|=(int)m<<8;ADCSRA=0x00;//disableadcADMUX=0x40;//selectadcinput0通道0ACSR=0x80;//模拟比较器禁用ADCSRA=0xEE;//AD使能，启动AD,ADC自动触发使能，ADC中断使能，预分频选择64//SFIOR=0x00;SEI();}voidadctovol(unsignedintadc){unsignedchari;unsignedchar*char_p;temp=(unsignedint)(((unsignedlong)((unsignedlong)adc*vref))/1024);}//********************T/C0中断服务函数********************//#pragmainterrupt_handlerTimer0:10voidTimer0(void){CLI();CNT++;//中断次数累加if(CNT==125){CNT=0;//计数到125次，计数值复位Timer[1]++;//秒加1SEI();}}29 天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计//////////////定时器1PWM输出初始化/////////////////////////voidint_time1(){TCCR1A=0B11110001;///8位可修正PWMTCCR1B=0B00000011;////////64分频OCR1A=255;///????OCR1B=255;}/////////////定时器0计时初始化//////////////////////////voidinit_T0(){TCCR0=0x04;//T/C0工作于定时方式，系统时钟256分频TCNT0=0x06;//计数初始值6TIMSK=(1<