项目九 智能廊灯（课件）- 《单片机技术及应用》同步教学（电工版·2021版）

单片机技术及应用 项目九 智能廊灯 1 引导案例： 当今社会智能产品已经与我们密不可分，智能廊灯在生活、工作当中无处不在，哪里需要它，哪里就有它的身影。你能想一想哪里用到了智能廊灯呢？ 项目九 智能廊灯 智能廊灯简介 系统搭建与功能体验 本项目学习目标 1 2 3 引导案例： 项目九 智能廊灯 智能廊灯系统彻底推翻了手动开关灯的概念，它应用计算机、无线通讯技术、计算机处理技术、电器节能节制技术以及系统的无线遥测、遥控、遥讯的智能化节制系统，在墙壁开关的基础上，使照明开关拥有了感知辨认模式，也就是照明系统取得了“智能”。 智能廊灯简介 智能廊灯简介 系统搭建与功能体验 本项目学习目标 1 2 3 引导案例： 项目九 智能廊灯 搭建智能廊灯装置 本次任务通过NEWLab声音传感器模块、光照度块模拟真实环境，LED灯模拟廊灯，从而搭建智能廊灯装置。 微信扫码观看配套演示视频 智能廊灯简介 系统搭建与功能体验 本项目学习目标 1 2 3 引导案例： 项目九 智能廊灯 项目学习目标 围绕本项目的实现可完成如下学习目标： 单元阐述： 项目九 智能廊灯 当我们行走在学校、小区、商场等公共场所光线较暗的走廊、楼梯时，走廊、楼梯内的灯会自动亮起来，再延迟一段时间后灯又会自动熄灭。这种灯就是智能声控灯，它节能环保，给我们的生活带来诸多便利。 知识目标： 了解DA转换工作原理 掌握DA采集芯片数字量输出的使用方法 声音传感器、光照传感器的工作原理和使用方法 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 技能目标： 能编程实现单片机的DA输出 能编程实现利用声音、光照传感器控制灯光功能 能编程实现单片机走廊灯光控制功能 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 12 职业能力目标 01 能根据任务要求，认真查阅相关资料，掌握D/A转换原理； 能根据功能需求，熟练编写单片机程序完成对温度传感器的数据进行采集并通过LCD液晶屏显示数据。 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 14 任务描述与要求 02 任务描述： XX公司根据市场需求调研结果，决定申报一项技改项目，对已生产的廊灯进行升级，要求能够实现根据光线的强弱改变廊灯的亮暗同时根据声音的大小改变廊灯的亮灭的功能。首先完成光照传感器进行A/D和D/A数据采集并通过单片机程序控制在LCD上显示。 任务描述与要求 02 任务要求： 应用D/A数据转换的工作原理。 编写单片机程序，完成对光电传感器的数据采集。 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 任务检查与评价 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 06 任务小结 07 任务拓展 08 17 任务分析与计划 03 根据所学相关知识， 请制订完成本次任务的实施计划。 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 19 知识储备 04 主函数流程图 主要程序讲解 D/A简介 PCF8591 寄存器简介 D/A主要指标 D/A转换简介 https://haokan.baidu.com/v?vid=15600538006527550069&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video 数模转概念 21 D/A转换简介 22 D/A(数/模)完成数字量到模拟量的转换功能，即数模转换器。 D/A转换简介 23 数模转换有电压输出与电流输出两种形式,常用的是输出模拟电压。 知识储备 04 主函数流程图 主要程序讲解 D/A简介 PCF8591 寄存器简介 D/A主要指标 PCF8591寄存器简介 25 数据寄存器为8位，输入的数字信号范围0~255，输出信号为0~2.55V。 输入与输出之间存在比例关系。 PCF8591寄存器简介 26 由连接至外部参考电压的具有256个接头的电阻分压电路和选择开关组成。 抽头译码器（Tap Decoder）切换一个抽头至DAC输出线 知识储备 04 主函数流程图 主要程序讲解 D/A简介 PCF8591 寄存器简介 D/A主要指标 1 2 3 D/A主要指标 转换器的分辨率 建立时间 转换误差 28 转换器的分辨率 29 输入的单位数字量变化引起的模拟量输出的变化,是对输入量变化敏感程度的描述。 定义为量程与2^n之比(n为二进制位数)。 二进制位数越多, 分辨率越高,D/A转换器对输入量变化的敏感程度越高。 转换器的分辨率 30 例如：PCF8591若满量程为5V,根据分辨率定义分辨率为5V/2^n。 设8位D/A转换,即n= 8,分辨率为10V/28 =19. 5 mV,即二进制数最低位的变化可引起输出的模拟电压变化19.5 mV。 1 2 3 D/A主要指标 转换器的分辨率 建立时间 转换误差 31 建立时间 32 表示D/A转换速度快慢的一个参数,用于表明转换速度。 电流输出时转换器建立时间较短； 电压输出时转换器建立时间较长。 1 2 3 D/A主要指标 转换器的分辨率 建立时间 转换误差 33 转换误差 34 表示D/A转换器实际输出的模拟量与理论输出模拟量之间的差别。 转换误差的来源很多，转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳定和运算放大器零漂的影响等。 知识储备 04 课堂提问: D/A数模转换的核心思想是什么？ D/A数模转换有哪几步骤？ 知识储备 04 主函数流程图 主要程序讲解 D/A简介 PCF8591 寄存器简介 D/A主要指标 主函数流程图 37 光照传感器模块输出模拟信号, 经A/D转换变数字信号。 数字信号发送到PCF8591的D/A端进行数模转换； 主函数流程图 38 信号保存到变量“ad_vol”中，输出为电压和LUX，取个、十、百位存在数组vol[]。 等待200ms后将电压和LUX值在LCD显示 知识储备 04 主函数流程图 主要程序讲解 D/A简介 PCF8591 寄存器简介 D/A主要指标 1 2 主要程序讲解 相关变量 相关函数 40 相关变量 41 变量ad_vol,存储A/D转换后经计算的电压值。 uint8_t data_AD[2]; 整型数组，存储PCF8591获取的A/D值。 char vol[3];数组，存储电压值的个、十、百位。 fp32 LDR_LUX = 0.0; 浮点变量，存储光照强度的流明值。 uint32_t LDR_LUX_U32 = 0;整型变量，存储光照强度的流明值。 1 2 主要程序讲解 相关变量 相关函数 42 相关函数 43 void LCD_Display(void)：LCD显示函数 PCF8591_Readch(data_AD,0)；读取通道的A/D转换值。 PCF8591_Write(data_AD[0]);data_AD[0]的数据，写入PCF8591。 LCD_Display1();LCD显示函数，用于在LCD上显示开机后主界 LCD_Display();LCD显示函数, 在LCD上显示电压、流明内容。 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 44 任务实施 05 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 硬件连接 47 硬件连接 48 单片机模块与功能扩展模块的连接：单片机P1_0接功能扩展模块J13_SDA;单片机P1_1接功能扩展模块J13_SLA; 功能扩展模块的J13的+与-短接在一起用于驱动LED3。 温度/光照传感模块的J6模拟量输出与功能扩展模块的JP1_AD1左端连接。 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 建立工程 50 通过KEIL新建工程，编写单片机程序。 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 编写程序 可编辑代码请点“这里” 52 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 编译下载 54 进行程序编译，编译无误后，通过ISP进行下载，在串口助手上观看结果。 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 查看结果 在LCD液晶屏上查看结果。 提示 56 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 57 任务检查与评价 各组选派代表分析本组任务实施经验； 01 添加标题 请参照评价标准完成自评； 02 完成对其他小组的评价。 03 互评 经验分享 自评 58 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 59 任务小结 60 掌握单片机获取ADC数据的方法，编写程序实现红外传感器信号的采集。 职业能力目标 任务分析与计划 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 01 03 9.1 单片机对A/D和D/A的数据采集 61 任务拓展 完成锯齿波产生器的功能。 完成方波产生器的功能。 1 2 1 2 62 单片机技术及应用 项目九 智能廊灯 63 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.2 实现智能廊灯功能 64 职业能力 01 能根据任务要求，认真查阅相关资料，掌握光照传感器、声音传感器、A/D和D/A工作原理； 能根据功能需求，熟练编写单片机程序，完成智能廊灯功能。 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.2 实现智能廊灯功能 66 任务描述与要求 02 任务描述： XX电梯公司根据市场需求调研结果，决定申报一项技改项目，对已生产的廊灯进行升级，要求能够实现根据光线的强弱改变廊灯的亮暗同时根据声音的大小改变廊灯的亮灭。 任务描述与要求 02 任务要求： 应用D/A数据转换的工作原理，熟练编写单片机程序。 完成智能廊灯具有以下功能：白天，不管有没有人经过（有没有声音）廊灯都不亮。夜晚，廊灯亮度随光照度而变化，当有人经过，廊灯最亮，延时一定时间后熄灭。 9.2 实现智能廊灯功能 任务检查与评价 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 06 任务小结 07 任务拓展 08 69 任务分析与计划 03 根据所学相关知识， 请制订完成本次任务的实施计划。 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.2 实现智能廊灯功能 71 1 2 知识储备 04 单片机应用系 统的开发流程 智能廊灯系统框图 主函数流程图 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 明确任务 74 分析项目的总体要求和设计内容 综合考虑客户需求、系统使用环境、可靠性、可维护性及产品的成本等因素 制定可行的性能指标、时间计划表、人员配备方案等。 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 划分软硬件 76 单片机系统由软件和硬件两部分组成 硬件可提高系统的实时性和可靠性; 软件可降低系统成本，简化硬件结构。 划分软硬件完成硬件框架设计、软件框架设计、接口设计、产品外观设计等内容。 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 文档设计 78 系统功能及功能指标 系统总体结构图及功能划分 系统逻辑框图 各功能块的逻辑框图 关键技术讨论 关键器件datasheet 安全性、可靠性、电磁兼容性分析 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 选择硬件设备 80 根据硬件设计任务，选择能够满足系统需求并且性价比高的控制器及其他关键器件。 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 硬件设计 82 硬件设计 选定单片机及关键器件 设计印刷电路板（PCB）图 制版厂制板 选定单片机及关键器件 83 硬件 设计 选定单片机及关键器件 设计印刷电路板（PCB）图 制版厂制板 这些器件需要满足系统精度、速度以及可靠性等方面的要求，同时需要考虑成本。 选定单片机及关键器件 84 硬件 设计 选定单片机及关键器件 设计印刷电路板（PCB）图 制版厂制板 这一步需要考虑机械结构、装配过程、外壳尺寸细节、所有要用到的元器件的精确三维尺寸、不同制版厂的加工精度、散热、电磁兼容性等等。 选定单片机及关键器件 85 硬件 设计 选定单片机及关键器件 设计印刷电路板（PCB）图 制版厂制板 将PCB图文件和加工要求尽发制版厂进行制版。 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 软件设计 87 确定软件系统的程序结构并划分功能模块 画出系统流程图 完成各模块程序设计及程序编写 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 仿真调试 89 为避免浪费资源，在生成实际电路板之前，可以利用Keil C51和Proteus软件进行系统仿真，出现问题可以及时修改。 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 系统测试修改 91 从生产电路板厂商处拿到电路板后，为便于更换器件和修改电路，可首先在电路板上焊接所需芯片插座，并利用编程器将程序写入单片机。 明确任务 划分软硬件 文档设计 选择硬件设备 硬件设计 软件设计 仿真调试 系统调试 测试修改 单片机应用系统的开发流程 系统调试 93 经测试检验符合要求后，将系统交给用户试用，对于出现的实际问题进行修改完善，系统开发完成。 1 2 知识储备 04 智能廊灯系统框图 主函数流程图 单片机应用系 统的开发流程 智能廊灯系统框图 95 智能廊灯系统以STC15W单片机为控制核心，结合光照检测模块和声控检测模块，通过A/D、D/A转换（PCF8591）输出电压以控制廊灯的亮暗。 智能廊灯系统框图 96 PCF8591芯片的采集光照检测信号进行A/D和D/A转换，转换后的信号通过I2C与单片机进行通信。单片机控制PCF8591芯片的输出电压，实现对廊灯(LED灯)亮暗对控制。 1 2 知识储备 04 智能廊灯系统框图 主函数流程图 单片机应用系 统的开发流程 主函数流程图 98 主函数流程图 99 如果为黑夜则此时廊灯亮，亮度与光照度的数值有关。 如果系统判断为白天，不管有没有人经过廊灯都熄灭。 主函数流程图 100 初始化串口、定时器后通过I2C获取传感器数据判断状态 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.2 实现智能廊灯功能 101 任务实施 05 任务实施 05 课堂提问： 如何根据单片机应用系统的开发流程来进行组内成员任务分工？ 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 硬件连接 105 硬件连接 单片机模块与功能扩展模块的连接： 单片机P1_0接功能扩展模块J13_SDA; 单片机P1_1接功能扩展模块J13_SLA; 功能扩展模块的J13的+与-短接在一起用于驱动LED3。 温度/光照传感模块的J6模拟量输出与功能扩展模块的JP1_AD1左端连接。 106 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 建立工程 108 通过KEIL新建工程，编写单片机程序。 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 编写程序 可编辑代码请点“这里” 110 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 编译下载 112 进行程序编译，编译无误后，通过ISP进行下载。 1 2 任务实施 05 硬件连接 建立工程 3 4 5 编译下载 编写程序 查看结果 查看结果 观看LED灯的状态，满足设计要求。 提示 114 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.2 实现智能廊灯功能 115 任务检查与评价 各组选派代表分析本组任务实施经验； 01 添加标题 请参照评价标准完成自评； 02 完成对其他小组的评价。 03 互评 经验分享 自评 116 职业能力目标 01 任务分析与计划 03 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 9.2 实现智能廊灯功能 117 任务小结 118 通过理论学习，掌握单片机获取A/D、D/A数据的方法；实现传感器信号的采集功能。 职业能力目标 任务分析与计划 任务实施 05 任务描述与要求 02 知识储备 04 任务检查与评价 06 任务小结 07 任务拓展 08 01 03 9.2 实现智能廊灯功能 119 任务拓展 产生正弦波、三角波的功能 产生方波波形的功能 1 2 1 2 120 $$