1、本科學生畢業設計基于單片機的數字式光照強度檢測系統的設計CAD 圖紙圖紙+單片機實驗程序，聯系單片機實驗程序，聯系 153893706 系部名稱： 機電工程學院 專業班級：機械設計制造及其自動化 08-3 班學生姓名： 指導教師： 職 稱： 教授 二二一二年六月一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Digital Light Intensity Detector System Base on MCUCandidate：Specialty：Machinery Design and Manufacturing and Its Auto

2、mationClass：08-3Supervisor：Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin哈爾濱工程大學本科生畢業設計目 錄摘要ABSTRACT第 1 章 緒 論 .1 1.1 課題的意義、目的和要求.1 1.1.1 課題的意義.1 1.1.2 課題的目的.1 1.1.3 課題的要求.2 1.2 數字式光照強度檢測儀的發展前景及趨勢.3 1.3 本課題主要研究的內容.41.3.1 單片機41.32 單片機發展歷史及應用6第 2 章 系統概述.9 2.1 系統方案的選擇與論證.9 2.2 光敏電阻簡介.10 2.3 本章小結.13第

3、3 章 系統的硬件部分.14 3.1 單片機最小系統和通信模塊的設計 .14 3.1.1 單片機最小系統的設計 .14 3.1.2 下載通信模塊的設計 .16 3.2 光敏電阻網絡的設計 .17 3.3 輸出選擇電路的設計 .18 3.4 A/D 模數轉換電路的設計 .20 3.5 數碼管顯示電路的設計 .20 3.6 本章小結.22第 4 章 系統軟件部分.23 4.1 軟件流程圖.24 4.2 Keil 軟件簡介.26 4.3 程序清單.26 4.4 PROTUES 軟件繪圖及仿真 .28 4.5 軟件的調適與仿真.29哈爾濱工程大學本科生畢業設計 4.5.1 系統軟件調試 .29 4.5

4、.2 仿真結果.30 4.6 本章小結 .32結 論.33參考文獻.34附錄.35致 謝.37哈爾濱工程大學本科生畢業設計摘 要該數字式光照強度檢測儀以單片機和模數轉換為技術核心，具體由單片機最小系統、下載通信模塊、A/D 模數轉換模塊、光照方向檢測模塊、輸出選擇模塊和數碼管顯示模塊組成。在本系統的設計中，利用光敏電阻阻值隨光強的變化特性來檢測光強，采用單片機控制輸出選擇模塊和數模轉換芯片依次測量不同方向的光照強度，并通過編程處理數據進行光強的比較，最后通過數碼管顯示檢測結果。總之，通過對電路的設計和實際裝調，最終基本實現了基于單片機的數字式光照強度檢測儀的整體功能，可顯示最大光照強度及光強照

5、射方向。關鍵詞：單片機 ；光敏電阻 ；ADC0804；IC4051；數碼管哈爾濱工程大學本科生畢業設計ABSTRACTThe digital light intensity detector with microcontroller and analog-digital conversion as a core technology, specifically by the microcomputer system, download the communication module, A/D analog-digital conversion module, light direction

6、detection module, the output selection module and digital display module composition. In this system design, use of photosensitive resistor characteristics with the light intensity to detect changes in light intensity, the output select control of single-chip module and several analog converter foll

7、owed by measuring the light intensity in different directions, and handling data through the program intensity comparison, the final test results via digital display. In short, through the circuit design and the actual alignment, finally realizing a single chip based on digital light intensity detec

8、tor of the overall function, can show a maximum light intensity and light intensity irradiation direction. Key words: SCM；Photosensitive Resistance；ADC0804；IC405；Digital Tube 哈爾濱工程大學本科生畢業設計1第 1 章 緒 論1.1 課題的意義、目的和要求1.1.1 課題的意義 本系統是一個基于單片機的數字式光照檢測儀，通過數碼管顯示光度，并且具有判斷光照方位能力。以 89C51 單片機為核心，控制 A/D 芯片采集數據，輔

9、以數碼管、比較器、數據選擇器等器件，實現功能。本系統采用光敏電阻采集光照強度信息。光照強度直接反映在光敏電電阻阻值上，進而反映在光敏電阻兩端的電壓值上。然后通過單片機控制 A/D 模數轉換對電壓信號進行采集,經換算后通過數碼管顯示光強強度。判斷光照方向時可采用兩個位于不同方向的光敏電阻。光照方向會導致他們兩端的電壓值不同，把兩個電壓值輸入到比較器進行比較，單片機根據比較結果控制數據選擇器選擇光照較強的那一路的電壓值給 A/D 進行數模轉換。用數碼管的亮滅顯示方向。本設計適當地利用了光敏電阻的特性以及單片機的強大的運算控制功能，實現了光照強度的檢測，并在數碼管上顯示。設置了兩個方向的光敏電阻，比

10、較光照強度數值大小確定了當前光照方向。本系統充分利用了現有資源，結構合理，性能穩定，成本低，滿足題目要求。加強對單片機的學習和認識，正確運用所學單片機的理論知識，將理論與實際相結合，單片機在我們的生活中得到越來越廣泛的應用，單片機注定影響一個時代，只要存在計算機的地方就會有他的存在，學好單片機對今后的學習與工作有很多益處。1.1.2 課題的目的采用光敏電阻為光傳感器，利用光敏電阻的光照特性完成光強的檢測。具體方法是將三路光敏電阻支路并聯接入電路中，其中一路串接一固定電阻，另外兩路分別串接電位器，利用光敏電阻值隨光照強度變化的特性，使得電路的輸出電壓而變化。根據這一特性，結合光照強度和輸出模擬電

11、壓之間的關系，分別對三路電壓值進行采集得到某一光強度下對應的模擬電壓，將模擬電壓通過 ADC0804 模數轉換器轉換為數字電壓，通過 C 語言編程，將其集于單片機中，進行比較以后通過兩位數碼管將最大值顯示出來，相應地控制點亮對應的小數點以顯示光照強度的方向。從 ADC0804 的模擬量通道輸入 05V 之間的模擬量，通過 ADC0804 轉換成數字量送給單片機，經單片機處理后在數碼管上以十進制形成顯示出來，學習用單片哈爾濱工程大學本科生畢業設計2機控制 A/D 模數轉換。光照強度檢測儀的主體是光敏電阻，光敏電阻是采用半導體材料制作，利用內光電效應工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，

12、這種現象稱為光導效應，因此，光敏電阻又稱光導管。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏電阻的特性是光照變化時其電阻值隨著變化，所以可以通過電阻值的變化得出光照強度的變化，而電阻值的變化可以反映在電阻兩端的電壓值的變化情況上，這樣可以設計一個簡單的電路，該電路由光敏電阻分壓并可以將光敏電阻兩端的電壓信號作為輸入信號輸入單片機，然后進行數模轉換，將輸入單片機的電壓模擬信號轉換成數字信號，再由單片機處理轉換出來的數字信號。然后由數

13、碼顯示管顯示出光照強度結果并判斷光照方向。1.1.3 課題的要求結合單片機最小電路和光敏電阻電路共同設計一個基于單片機的數字式光照強度檢測系統，用數碼管顯示光照強度。還可以設置多個不同方向的光敏電阻，通過比較它們的光強數值以判斷光照方位。技術要求：（1）對光照強度實施實時采集，光照強度的測量范圍為：2600LX，精度0.2%；（2） 用數碼管顯示光照強度；（3） 可以設置多個不同方向的光敏電阻，通過比較它們的光強數值以判斷光照方位；（4） 通過比較不同方向測得的光強數值判斷光照方向，在數碼管上顯示其方向。1.2 數字式光照強度檢測儀的發展前景及趨勢本課題通常與儀器測量的光束強度，是專門針對一個

14、電路測量光強度關聯到一個時間信號的光強度。其中有一個光通過介質傳遞光束強度是在現有條件中的指示廣泛的應用。例如，雅培制藥，這一問題的受讓人申請，已制定了在現有的某些有機樣品的色譜條件下測定免疫分析儀的數目。該方法一般利用一個夾層硝化棉或類似附著在玻璃纖維墊地帶一個一次性住房。該法是暴露在參考光的來源是通過媒介通過后，發出的光，是在衡量其強度取樣器收集。光的強度是該樣本的條件指示。這種類型的測哈爾濱工程大學本科生畢業設計3量是特別有用的篩選和質量提供了人類對懷孕和懷孕的問題，及時發現絨毛膜評價試驗。 光照強度的分析與使用這些計劃的檢測電路通常比較熟悉。通常情況下，光強度檢測用感光元素，是產生一個

15、電壓信號，然后放大并轉換成由模擬到數字（A / D）轉換為數字信號的能力。該 A/ D 轉換器生成一個變量引入到一個微處理器平信號，其中，信號電平進行比較參考信號，以便與預定相關的職權收集信號“讀”的樣本。 實例的 A / D 轉換器顯示和美國八所描述。4779074 號，題為：低等級電壓脈沖轉換器，發給稀土惠特：等。10 月 18 日，1988 年，和美國專利。4178585 號，題為：模擬數字轉換器，發出的光高木，12 月 11 日，1979 年。 利用光的強度取樣，以確定樣本的條件，產生了不同程度的轉換，相應的數字信號沿普遍使用在上述專利中描述的線的 A / D 轉換器，以確定已知的光強

16、度測量設備光的強度。例如，歐洲專利申請由 R.飛利浦等人第 0479394A3。 ，8 月 7 日提出，1987 年，公開了一種方法和分析物的測定儀器。A 光源是為了一個樣本及一個探測器所發出的光收集。光照強度的排放水平是用來確定樣本的條件。由于該應用程序中顯示，所發出的光被轉換成模擬信號，然后放大并轉換成數字信號通過一個 A / D 轉換器轉換器的數字輸出，被介紹到微處理器。.第 4766083 題為：為生物凝集光度測定法等。8 月 23 日，1988 年，公開了一種測量生物樣品凝集反應系統測試使用的凝集試驗檢測樣本散射光激光束源和探測器 1 光度法和器具。由光敏元件收集的光線是從模擬信號轉

17、換為數字信號處理前。 雖然這些設備提供準確的抽樣技術，并模擬向數字轉換計劃是適合實現預期的效果，但仍然是對的 A / D 轉換器使用存在的弊端，光照強度分析系統。首先，成本與高分辨率 A / D 芯片相關已禁止光頻譜分析系統的廣泛應用。一個典型的模擬到數字轉換器網絡有 16 位轉換器功能可要花好幾百美元。凡需要 24 位分辨率，成本可大幅增加比例。因此，最昂貴的，昂貴的系統組成部分之一，是轉換器網絡。因此，如果信號的轉換成本可以大大降低，光頻譜分析儀器的適用性，可大大提高，同時降低成本，提供更好更廣泛的取樣系統的檢測能力。 目前，仍然有必要制定一個系統，使光強度檢測的有效使用，而又能準確有效地

18、轉換設備系統的應用。 隨著紅外技術的推廣，紅外滿方的檢測儀器將朝著快速、便攜、低成本、低功耗以及自動化的方向發展。 （1）快速性要求檢測的時間短，能迅速得到檢測結果，以適應檢測。（2）便攜，體積小，能夠在離線、現場后在線環境下，實現準確，無損檢測。（3）低成本，價格便宜，是普通老百姓買得起，用得起。哈爾濱工程大學本科生畢業設計4（4）低功耗，易于操作，檢測人員不需要對儀器進行復雜的調整，只需啟動幾個按鈕就可以進行檢測。1.3 本課題主要研究的內容 （1） 結合單片機最小電路和光敏電阻電路設計一個基于單片機的數字式光照強度檢測系統；（2） 單片機最小系統及光敏電阻網絡的設計；（3） 編寫單片機程

19、序，將獲得的電信號轉換成光照強度單位下的數值，并用數碼管顯示。哈爾濱工程大學本科生畢業設計5第 2 章 系統概述2.1 系統方案的選擇與論證2.1.1 設計方案一采用光敏電阻、二極管和 555 定時器構成多諧振蕩電路，利用多諧振蕩電路的兩個暫穩態輸出由此產生矩形波脈沖信號 。而光敏電阻阻值會隨著光照強度的變化而發生變化，進而使得多諧振蕩電路的周期變化，其輸出波形頻率也隨之改變。將其輸出模擬信號波形輸入到一個簡易數字式頻率計通過兩位數碼管顯示出來，數字式頻率計主要由時基電路、閘門電路計數器、鎖存器、譯碼顯示電路和邏輯控制電路組成。具體實現框圖如下圖 2.1 所示。圖 2.1 設計方案一原理框圖光

20、敏電阻阻值變化多諧振蕩器電路周期變化 簡易數字頻率計時基電路閘門電路計數器鎖存器譯碼顯示器邏輯控制電路哈爾濱工程大學本科生畢業設計6本方案采用性能穩定且便宜的光敏電阻作為光照傳感器，通過光敏電阻值變化影響多諧振蕩電路的周期而檢測光強，性能較穩定一些，靈敏度也較高，但是電路結構比較復雜，所用元器件種類較多，實現和調試工作會比較困難，造價也較高，雖然能滿足穩定性和靈敏度的要求，但不宜采用。2.1.2 設計方案二 本方案采用光電二極管，利用其產生的電流隨光照增強的線性特性輸出模擬采樣電壓，并聯三條光敏二極管和電阻支路，將這三路電壓通過選通器循環輸入到模數轉換器 ADC0804 將模擬信號轉換為數字信

21、號，將數字信號通過通信模塊輸送給STC89C51 單片機，通過比較后得出最大值，將最大值輸出并利用兩位數碼管顯示出來。具體框圖如下圖 2.2 所示。89C51單片機光敏二極管接受光照輸出電流變化采集電阻兩端電壓運算放大器兩位數碼管顯示模數轉換ADC圖 2.2 設計方案二原理框圖對于本方案，采用線性好，響應速度快的光敏二極管作為光照傳感器，故電路響應速度快，靈敏度高。缺點是單獨使用輸出電流（或電壓）很小，需要加放大電路將采樣電壓進一步放大，而加入運放環節會由于運放的零漂和易受溫度影響使得電路穩定性降低，誤差增大。另外限于實驗元器件的供給，實驗中也不采用本方案。2.1.3 設計方案三采用三路光敏電

22、阻支路并聯檢測光照強度，通過每一路可以得到一個模擬采樣電壓，將這三路電壓通過 CD4051 單 8 通道數字控制模擬電子開關 循環輸入到模數轉換器 ADC0804 將模擬信號轉換為數字信號，將數字信號通過通信模塊輸送給STC89C51 單片機，通過比較后得出最大值，將最大值輸出并利用兩位數碼管顯示出來。對于光強的方位，則通過控制兩位數碼管的兩個小數點的關斷與否來顯示出來，具體是兩個小數點分別單獨亮時對應兩個方位，而兩個小數點均不亮時對應另外一個方位。至此，可以將光照的強度以及光照的方位通過兩位數碼管顯示出來，完成了本哈爾濱工程大學本科生畢業設計7設計選題的任務及要求。具體框圖如下圖 2.3 所

23、示： 圖 2.3 設計方案三原理框圖 本方案采用性能穩定且便宜的光敏電阻作為光照傳感器，STC89C51 單片機作為主控制器。性能穩定，抗干擾能力強，不易受外界環境溫度等因素影響，靈敏度也較高，但是由于光照傳感器采用光敏電阻且為三條支路并聯采集模擬電壓信號，會存在一定的誤差。總體上來說，本方案電路結構簡單、所用元器件供給充足、成本造價低、性能穩定且誤差范圍也在設計選題的要求之內，能在簡單低成本的基礎上很好的完成設計選題的任務，故實驗中采用本方案。2.1.4 方案綜合比較和選擇通過以上三種方案的設計，方案一采用光敏電阻作為光照傳感器，穩定性和靈敏度雖然都能滿足設計選題的要求，但是電路結構過于復雜

24、，實現和調試都比較困難，在實驗中不采用；方案二采用光敏二極管作為光照傳感器，線性度好，響應速度快，但是需要額外添加運放環節，對系統穩定性和誤差都會帶來不利影響，另外限于元器件的供應，本實驗中也不采用：而方案三采用光敏電阻作為光照傳感器，進行模擬電壓采樣，通過 ADC 數模轉換器將模擬信號轉換為數字信號傳送到 51 單片機中，進而控制兩位數碼管顯示具體數值和方位，簡單可行，成本造價低，故在實驗中采用本方案。2.2 系統工作原理 設計中采用光敏電阻為光傳感器，利用光敏電阻的光照特性完成光強的檢測。具體方法是將三路光敏電阻支路并聯接入電路中，其中一路串接一固定電阻，另外兩光敏電阻網絡 輸出選擇A/D

25、 模數轉換單片機通信下載模塊數碼管顯示光照哈爾濱工程大學本科生畢業設計8路分別串接電位器，利用光敏電阻值隨光照強度變化的特性，使得電路的輸出電壓而變化。根據這一特性，結合光照強度和輸出模擬電壓之間的關系，分別對三路電壓值進行采集得到某一光強度下對應的模擬電壓，將模擬電壓通過 ADC0804 模數轉換器轉換為數字電壓，通過 C 語言編程，將其集于單片機中，進行比較以后通過兩位數碼管將最大值顯示出來，相應地控制點亮對應的小數點以顯示光強的方位。2.3 本章小結本章主要講述了系統方案的選擇與論證并對系統進行了概述，通過對不同方案的選擇了解整個系統的工作流程，根據實際情況與技術要求，畫出了系統結構框圖

26、，并擬定了系統總體設計方案，也對系統工作原理作了簡要概述。 哈爾濱工程大學本科生畢業設計9第 3 章 系統硬件設計3.1 單片機的選擇3.1.1 單片機定義及特點在一塊芯片上集成 CPU、數據存儲器、程序存儲器、輸入輸出和定時/計數器等部件的一臺小型計算機，它體積小、結構緊湊、功耗低，嵌入到某應用系統中，主要完成信號控制功能，又稱“嵌入式微控制器”。本設計采用 89C51 單片機，89C51 單片機引腳圖如圖 3.1 所示。圖 3.1 89C51 單片機引腳圖89C51 單片機各個引腳介紹：輸入輸出引腳： （1）P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門

27、電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 / 地址的低八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為哈爾濱工程大學本科生畢業設計10原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 (2) P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 (3) P

28、2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 (4) P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的

29、雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） 其它的控制或復用引腳： XTA

30、L1/XTAL2： XTAL1 是片內振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內部方式時，時鐘發生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻率最高可以達到 33MHz。電容取 30pF10pF。單片機程序指令的執行是以振蕩器的振蕩來驅動的。在 MCS-51 架構中，每 12個振蕩器周期組成一個指令周期（或稱機器周期）。單片機執行指令的時間是以指令哈爾濱工程大學本科生畢業設計11周期為單位的。不同指令的執行時間可能是不同的，一條指令的執行時間最短為一個指令周期。因此，單片機所接的

31、振蕩器頻率越高，它執行指令的速度就越快 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉

32、高。如果微處理器在外部執行狀態ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現。 EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1 時，/EA 將內部鎖定為RESET；當/EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 3.1.2 單片機發展歷史及應用 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術

33、把具有數據處理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。 單片機誕生于 1971 年，經歷了 SCM、MCU、ScO 三大階段。20 世紀 80 年代初，Intel 公司在 MCS-48 系列單片機的基礎上，推出了 MCS-51 系列 8 位高檔單片機。MCS-51 系列單片機無論是片內 RAM 容量，I/O 口功能，系統擴展方面都有了很大的提高。我

34、國單片機起步較晚，我國使用最多的是Intel 公司的 MCS-51 系列單片機及其增強型、拓展型的衍生機型， MCS-51 是最早進入我國的單片機主流品種之一，在我國得到廣泛應用，直到現在仍為單片機主流系列。當今社會，應用單片機的產品已經滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的足跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡哈爾濱工程大學本科生畢業設計12通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能 IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機

35、器人、智能儀表、醫療器械以及各種智能機械了。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制域。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。科技越發達，智能化的東西就越多。以下大致介紹一些典型的應用領域和應用特點。家用電器領域，國內各種家用電器已普遍采用單片微機控制取代傳統的控制電路，做成單片微機控制系統，如洗衣機、電冰箱、空調機、微波爐、電飯堡、電視機、錄像機及其它視頻音像設備的控制器。辦公自動化領域，比如一臺 PC 機可能嵌入了 10 個單片微機，如控制鍵盤、鼠標、顯示器、CD-ROM、聲卡、打印機、軟/硬盤驅動器、

36、調制解調器等。現代辦公室中所使用的大量通信、信息產品，如繪圖儀、復印機、電話、傳真機等，多數都采用了單片微機。工業自動化領域的在線應用，如工業過程控制、過程監測、工業控制器及機電一體化控制系統等，許多都是以單片微機為核心的單機或多機網絡系統。如工業機器人的控制系統是由中央控制器、感覺系統、行走系統、擒拿系統等節點構成的多機網絡系統。而其中每一個小系統都是由單片微機進行控制的。智能儀器儀表與集成智能傳感器領域，應用單片微機來對傳統的儀器儀表行業的產品進行“更新換代”，提供了非常理想的的條件。目前各種變送器、電氣測量儀表普遍采用單片微機應用系統替代傳統的測量系統，使測量系統具有各種智能化功能，如存

37、儲、數據處理、查找、判斷、聯網和語音功能等。汽車電子與航空航天電子系統，通常在這些電子系統中的集中顯示系統、動力監測控制系統、自動駕馭系統、通信系統以及運行監視器（黑匣子）等，都要構成冗余的網絡系統。比如一臺 RMW-7 系列寶馬轎車就用了 63 個單片微機，大部分還是 16 位單片微機。單片微機的應用從根本上改變著傳統的控制系統設計思想和設計方法，從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分控制功能，現在已能使用單片微機通過軟件方法實現了。這種以軟件取代硬件，并能提高系統性能的控制技術，稱之為微控制技術。這標志著一種全新概念的建立。 學習單片機是社會發展的必然需求，也是大學期間的必修課。現在可以

38、說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8 位、16 位到 32 位，數不勝數，應有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。微型單片化現在常規的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲哈爾濱工程大學本科生畢業設計13(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉換器、PMW(脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將 LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包

39、含的單元電路就更多，功能就越強大。 從單片機的發展歷程看，未來單片機技術將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、外圍電路內裝化及片內儲存器容量增加的方向發展。3.2 單片機最小系統和通信模塊的設計3.2.1 單片機最小系統的設計單片機最小系統或者稱為最小應用系統，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統，對 51 系列單片機來說，最小系統一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路。復位電路：由電容串聯電阻構成,結合電容電壓不能突變的性質，可以知道當系統一上電，RST 腳將會出現高電平，并且這個高電平持續的時間由電路的 RC 值來決定典型的 51 單片機當 RST 腳的高電平持續兩個機器周期

40、以上就將復位，所以,適當組合 RC 的取值就可以保證可靠的復位，一般教科書推薦 C 取 10u,R 取 8.2K.當然也有其他取法的，原則就是要讓 RC 組合可以在 RST 腳上產生不少于 2 個機周期的高電平。在單片機系統中，系統上電啟動的時候復位一次，當按鍵按下的時候系統再次復位，如果釋放后再按下，系統還會復位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統中控制其復位。在電路圖中，電容的的大小是 10uF，電阻的大小是 10k。所以根據公式，可以算出電容充電到電源電壓的 0.7 倍（單片機的電源是 5V，所以充電到 0.7倍即為 3.5V），需要的時間是 10K*10UF=0.1S。也就是說在

41、電腦啟動的 0.1S 內，電容兩端的電壓時在 03.5V 增加。這個時候 10K 電阻兩端的電壓為從 51.5V 減少（串聯電路各處電壓之和為總電壓）。所以在 0.1S 內，RST 引腳所接收到的電壓是5V1.5V。在 5V 正常工作的 51 單片機中小于 1.5V 的電壓信號為低電平信號，而大于 1.5V 的電壓信號為高電平信號。所以在開機 0.1S 內，單片機系統自動復位（RST引腳接收到的高電平信號時間為 0.1S 左右）。在單片機啟動 0.1S 后，電容 C 兩端的電壓持續充電為 5V，這是時候 10K 電阻兩端的電壓接近于 0V，RST 處于低電平所以系統正常工作。當按鍵按下的時候，

42、開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在 0.1S 內，從 5V 釋放到變為了 1.5V，甚至更小，根據串聯電路電壓為各處之和，這個時候 10K 電阻兩端的電壓為 3.5V，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平，單片機系統自動復位。哈爾濱工程大學本科生畢業設計14 晶振電路:典型的晶振取 11.0592MHz(因為可以準確地得到 9600 波特率和 19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產生精確的 uS 級時歇,方便定時操作）單片機工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在時鐘

43、信號控制下才能有序地進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時鐘信號通常有兩種產生方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式，內部時鐘方式在單片機 XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接上一個晶振和兩個穩頻電容，可以與單片機片內的電路構成一個穩定的自激振蕩器。晶振的取值范圍一般為 024MHz，常用的晶振頻率有 6MHz、12 MHz、11.0592 MHz、24 MHz 等。一些新型的單片機還可以選擇更高的頻率。外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩定頻率的作用，一般選用 2030pF 的瓷片電容。外部時鐘方式則是在單片機 XTAL1 引腳上外接一

44、個穩定的時鐘信號源，它一般適用于多片單片機同時工作的情況，使用同一時鐘信號可以保證單片機的工作同步。 時序是單片機在執行指令時 CPU 發出的控制信號在時間上的先后順序。AT89C51單片機的時序概念有 4 個，可用定時單位來說明，包括振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期。 振蕩周期：是片內振蕩電路或片外為單片機提供的脈沖信號的周期。時序中 1 個振蕩周期定義為 1 個節拍，用 P 表示。 時鐘周期：振蕩脈沖送入內部時鐘電路，由時鐘電路對其二分頻后輸出的時鐘脈沖周期稱為時鐘周期。時鐘周期為振蕩周期的 2 倍。時序中 1 個時鐘周期定義為 1 個狀態，用 S 表示。每個狀態包括 2 個節拍，用

45、 P1、P2 表示。 機器周期：機器周期是單片機完成一個基本操作所需要的時間。一條指令的執行需要一個或幾個機器周期。一個機器周期固定的由 6 個狀態 S1S6 組成。 指令周期：執行一條指令所需要的時間稱為指令周期。一般用指令執行所需機器周期數表示。AT89C51 單片機多數指令的執行需要 1 個或 2 個機器周期，只有乘除兩條指令的執行需要 4 個機器周期。 了解了以上幾個時序的概念后，我們就可以很快的計算出執行一條指令所需要的時間。若單片機使用 12MHz 的晶振頻率，則振蕩周期=1/（12MHz）=1/12us，時鐘周期=1/6us，機器周期=1us，執行一條單周期指令只需要 1us，執

46、行一條雙周期指令則需要 2us。單片機最小系統復位電路的極性電容 C1 的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用 1030uF，51 單片機最小系統容值越大需要的復位時間越短。51 單片機最小系統晶振 Y1 也可以采用 6MHz 或者 11.0592MHz，在正常工作的情況下可以采用更哈爾濱工程大學本科生畢業設計15高頻率的晶振，51 單片機最小系統晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。單片機的主要功能是負責整個系統的控制，不承擔復雜的數據處理任務，因此在設計本系統時選用 STC89C51。其中，時鐘電路為在引腳 XTALl和 XTAL2 跨接晶振和兩個補償電容構成自激

47、振蕩器，結構中 Y1、C1、C2，根據情況本設計中選擇 12MHz 的晶振，補償電容選擇 30pF 左右的瓷片電容；復位電路則采用手動按鍵復位兩種方式實現，其結構如圖中 R0、C3 和 S1，通過按鍵將電阻 R0 與VCC 接通即可實現復位；P0 口外接上拉電阻，其結構如圖中 3.2，采用 10K 的排阻以提供給 I/O 口合適的電流。下圖為一個 51 單片機的最小系統電路圖。圖 3.2 單片機最小系統電路圖3.2.2 下載通信模塊的設計下載通信模塊選用 MAX232 芯片。MAX232 是 MAXIM 公司專門為 PC 視 RS-232 標準串口設計的電平轉換電路。該芯片與 TTLCOMS

48、電平兼容，片內有 2 個發送器，2 個接收器，且使用+5 V 單電源供電，使用非常方便。 串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發送和接收字節。盡管比按字節（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發送數據的同時用另一根線接收數據。它很簡單并且能夠實現遠距離通信。比如 IEEE488 定義并行通行狀態時，規定設備線總長不得超過 20 米，并且任意兩個設備間的長度不得超過 2 米；而對于串口而言，長度可達 1200 米。典型地，串口用于 ASCII 碼字符的傳輸。哈爾濱工程大學本科生畢業設計16通信使用 3 根線完成：（1）地線，（2）發送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠

49、在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數必須匹配： a，波特率：這是一個衡量通信速度的參數。它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數。例如 300 波特表示每秒鐘發送 300 個 bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協議需要 4800 波特率，那么時鐘是 4800Hz。這意味著串口通信在數據線上的采樣率為 4800Hz。通常電話線的波特率為 14400，28800 和 36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀

50、器間的通信，典型的例子就是 GPIB 設備的通信。 b，數據位：這是衡量通信中實際數據位的參數。當計算機發送一個信息包，實際的數據不會是 8 位的，標準的值是 5、7 和 8 位。如何設置取決于你想傳送的信息。比如，標準的 ASCII 碼是 0127（7 位）。擴展的 ASCII 碼是 0255（8 位）。如果數據使用簡單的文本（標準 ASCII 碼），那么每個數據包使用 7 位數據。每個包是指一個字節，包括開始/停止位，數據位和奇偶校驗位。由于實際數據位取決于通信協議的選取，術語“包”指任何通信的情況。 c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為 1，1.5 和 2 位。由于數據是在傳

51、輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。 d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數據位后面的一位），用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇個邏輯高位。例如，如果數據是 011，那么對于偶校驗，校驗位為 0，保證邏輯高的位數是偶數個。如果是奇校驗，校驗位位 1，這樣就有 3 個邏輯高位。高位和低位不真正

52、的檢查數據，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數據是否不同步。現從 MAX232 芯片中兩路發送接收中任選一路作為接口，其發送接收的引腳一一對應。本系統中使 T2IN 接單片機的發送端 TXD，同時 R2OUT 接單片機的 RXD端 ，C1+、C1-腳和 C2+、C2-腳接 104 瓷片電容，其接口電路如圖 3.3 所示。哈爾濱工程大學本科生畢業設計17 圖 3.3 通信模塊的電路圖3.3 光敏電阻網絡的設計 光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在

53、特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化） 。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達 110M 歐,在強光條件（ 100LX）下，它

54、阻值（亮阻）僅有幾百至數千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）m 的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光光線作控制光源，使設計大為簡化。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出 。引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個

55、帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子 空穴對了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發產生的電子 空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢哈爾濱工程大學本科生畢業設計18復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。光照強度檢測接收光源的器件是光敏電阻，光敏電阻是采用半導體材料制作，利用內光電效應工作的光電元件。它在光線的作用下

56、其阻值往往變小，這種現象稱為光導效應，因此，光敏電阻又稱光導管。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內

57、，以免受潮影響其靈敏度。這種由光照產生的電子空穴對了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發產生的電子空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。光敏二極管是一種將光能變換為電能的器件，它利用了半導體的光生伏特效應的原理。光敏二極管的優點是線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點是單獨使用輸出電流（或電壓）很小，

58、需要加放大電路。 光敏電阻的特性是光照變化時其電阻值隨著變化，所以可以通過電阻值的變化得出光照強度的變化，而電阻值的變化可以反映在電阻兩端的電壓值的變化情況上，這樣可以設計一個簡單的電路，該電路由光敏電阻分壓并可以將光敏電阻兩端的電壓信號作為輸入信號輸入單片機，然后進行數模轉換，將輸入單片機的電壓模擬信號轉換成數字信號，再由單片機處理轉換出來的數字信號。光敏電阻的入射光強，電阻減小；入射光弱，電阻增大。該器件一般可用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化） 。本電路制作中，將光敏電阻分別串聯 2K 電阻和 10K 滑動變阻器，再接通電源， 調試過程中，還需將三個光敏電阻進行校

59、準，使得在同一光強下從光敏電阻一端的電壓值盡量保哈爾濱工程大學本科生畢業設計19持一致。光敏電阻網絡電路如圖 3.4。圖 3.4 光敏電阻網絡電路3.4 輸出選擇電路的設計輸出選擇電路可用數據選擇器來實現。數據選擇器的邏輯功能是在地址選擇信號的控制下，從多路數據中選擇一路數據作為輸出信號。本設計中采用芯片IC4051 作為主要芯片。該器件為 8 選 1 的數據選擇器，其中 A、B、C 管腳分別接單片機的 P0.7、P0.6 和 P0.5 以實現對地址的選擇，如當 ABC 為 001 時，X4 端的信號作為輸出信號送至 X 端，其具體結構和電路接法見圖 3.5。圖 3.5 輸出選擇模塊哈爾濱工程

60、大學本科生畢業設計203.5 A/D 模數轉換電路的設計A/D 轉換器就是模擬/數字轉換器是將輸入的模擬信號轉換成為數字信號。本實驗中利用模數轉換將模擬電壓值轉換為離散的數字量再送入單片機進行數據處理。制作中選用芯片 ADC0804 為 8 位 CMOS 逐次比較型模數轉換器。該芯片工作電源電壓為 5V，它的轉換分辨率為 8 位 256 級，即表現為輸入電壓分辨率為 0.02V；也就是說輸入電壓每增加 0.02V，轉換輸出的數據才加 1，經計算可知在誤差允許的范圍之內，故方案可行。模數轉換的過程：模數轉換包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。在某些特定的時刻對這種模擬信號進行測量叫做采樣，量化噪