基于單片機(jī)的數(shù)字式光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)的設(shè)計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，相應(yīng)地控制點(diǎn)亮對應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)以顯示光強(qiáng)的方位。 本章小結(jié) 本章主要講述了系統(tǒng)方案的選擇與論證并對 系統(tǒng)進(jìn)行了概述， 通過對不同方案的選擇了解整個系統(tǒng)的工作流程，根據(jù)實(shí)際情況與技術(shù)要求，畫出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，也對系統(tǒng)工作原理作了簡要概述。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)定義及特點(diǎn) 在一塊芯片上集成 CPU、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、輸入輸出和定時 /計數(shù)器等部件的一臺小型計算機(jī)，它體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低，嵌入到某應(yīng)用系統(tǒng)中，主要完成信號控制功能，又稱 “嵌入式微控制器 ”。 本設(shè)計采用 89C51 單片機(jī)， 89C51 單片機(jī)引腳圖如圖 所示 。 圖 89C51單片機(jī)引腳圖 89C51 單片機(jī)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 門電流。當(dāng) 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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) / 地址的低八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 10 原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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) P2 口： P2 口為一個內(nèi)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(dāng) P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)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(nèi)部上 拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)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(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)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： RXD（串行輸入口） TXD（串行 輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 其它的控制或復(fù)用引腳： XTAL1/XTAL2： XTAL1 是片內(nèi)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(yīng)直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)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(dá)到 33MHz。電容取 30pF177。10pF。 單片機(jī)程序指令的執(zhí)行是以振蕩器的振蕩來驅(qū)動的。在 MCS51 架構(gòu)中，每 12個振蕩器周期組成一個指令周期（或稱機(jī)器周期）。單片機(jī)執(zhí)行指令的時間是以指令周期為單位的。不同指令的執(zhí)行時間可能是不同的，一條指令的執(zhí)行時間最短為一個哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 11 指令周期。因此，單片機(jī)所接的振蕩器頻率越高，它執(zhí)行指令的速度就越快 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG： 當(dāng)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(jié)。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(dāng) 用作外部數(shù)據(jù)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(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) 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(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng) /EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)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）。 單片機(jī)發(fā)展歷史及應(yīng)用 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī) 模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU隨機(jī)存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。 單片機(jī)誕生于 1971 年，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 ScO 三大階段。 20 世紀(jì) 80 年代初，Intel 公司在 MCS48 系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了 MCS51 系列 8 位高檔單片機(jī)。MCS51 系列單片機(jī)無論是片內(nèi) RAM 容量， I/O 口功能，系統(tǒng)擴(kuò)展方面都有 了很大的提高。我國單片機(jī)起步較晚，我國使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 系列單片機(jī)及其增強(qiáng)型、拓展型的衍生機(jī)型， MCS51 是最早進(jìn)入我國的單片機(jī)主流品種之一，在我國得到廣泛應(yīng)用，直到現(xiàn)在仍為單片機(jī)主流系列。 當(dāng)今社會，應(yīng)用單片機(jī)的產(chǎn)品已經(jīng)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機(jī)的足跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實(shí)時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 12 民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī) 、攝像機(jī)、全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制域。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。科技越發(fā)達(dá)，智能化的東西就越多。以下大致介紹一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用特點(diǎn)。家用電器領(lǐng)域，國內(nèi)各種家用電器已普遍采用單片微機(jī)控制取代傳統(tǒng)的控制電路，做成單片微機(jī)控制系統(tǒng)，如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、微 波爐、電飯堡、電視機(jī)、錄像機(jī)及其它視頻音像設(shè)備的控制器。辦公自動化領(lǐng)域，比如一臺 PC 機(jī)可能嵌入了 10 個單片微機(jī)，如控制鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、 CDROM、聲卡、打印機(jī)、軟 /硬盤驅(qū)動器、調(diào)制解調(diào)器等?，F(xiàn)代辦公室中所使用的大量通信、信息產(chǎn)品，如繪圖儀、復(fù)印機(jī)、電話、傳真機(jī)等，多數(shù)都采用了單片微機(jī)。工業(yè)自動化領(lǐng)域的在線應(yīng)用，如工業(yè)過程控制、過程監(jiān)測、工業(yè)控制器及機(jī)電一體化控制系統(tǒng)等，許多都是以單片微機(jī)為核心的單機(jī)或多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是由中央控制器、感覺系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、擒拿系統(tǒng)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)。而其中每一個小系統(tǒng)都是由單片微機(jī)進(jìn)行控制的。智能儀器儀表與集成智能傳感器領(lǐng)域，應(yīng)用單片微機(jī)來對傳統(tǒng)的儀器儀表行業(yè)的產(chǎn)品進(jìn)行 “更新?lián)Q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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)，使測量系統(tǒng)具有各種智能化功能，如存儲、數(shù)據(jù)處理、查找、判斷、聯(lián)網(wǎng)和語音功能等。汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)，通常在這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕馭系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運(yùn)行監(jiān)視器（黑匣子）等，都要構(gòu)成冗余的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。比如一臺 RMW7 系列寶馬轎車就用了 63 個 單片微機(jī)，大部分還是 16 位單片微機(jī)。 單片微機(jī)的應(yīng)用從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法 ， 從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能使用單片微機(jī)通過軟件方法實(shí)現(xiàn)了。這種以軟件取代硬件，并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。這標(biāo)志著一種全新概念的建立。 學(xué)習(xí)單片機(jī)是社會發(fā)展的必然需求，也是大學(xué)期間的必修課。現(xiàn)在可以說單片機(jī)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(jī)，從8 位、 16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)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(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。 微型單片化現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器 (ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 13 電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。 從單片機(jī)的發(fā)展歷程看，未來單片機(jī)技術(shù)將向多功能、高性能、高速度、低電壓、 低功耗、外圍電路內(nèi)裝化及片內(nèi)儲存器容量增加的方向發(fā)展。 單片機(jī)最小系統(tǒng)和通信模塊的設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng) ， 是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng) ， 對 51 系列單片機(jī)來說 ， 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括 :單片機(jī)、晶振 電路 、復(fù)位電路。 復(fù)位電路 ： 由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成 ,結(jié)合 電容電壓不能突變 的性質(zhì) ， 可以知道當(dāng)系統(tǒng)一上電 ， RST 腳將會出現(xiàn)高電平 ， 并且這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC 值來決定典型的 51 單片機(jī)當(dāng) RST 腳的高電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上就將復(fù)位 ， 所以 ,適當(dāng)組合 RC 的取值就可以保證可靠的復(fù)位 ， 一般教科書推薦 C 取 10u,R 取 其他取法的 ， 原則就是要讓 RC 組合可以在 RST 腳上產(chǎn)生不少于 2 個機(jī)周期的高電平。在單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動的時候復(fù)位一次，當(dāng)按鍵按下的時候系統(tǒng)再次復(fù)位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會復(fù)位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運(yùn)行的系統(tǒng)中控制其復(fù)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(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的 倍（單片機(jī)的電源是 5V，所以充電到 倍即為），需要的時間是 10K*10UF=。也就是說在電腦啟動的 內(nèi)，電容兩端的電壓時在 0~。這個時候 10K 電阻兩端的電壓為從 5~（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在 內(nèi)， RST 引腳所接收到的電壓是 5V~。在5V正常工作的 51 單片機(jī)中小于 的電壓信號為低電平信號，而大于 的電壓信號為高電平信號。所以在開機(jī) 內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位（ RST 引腳接收到的高電平信號時間為 左右）。在單片機(jī)啟動 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)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(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)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 內(nèi)，從 5V釋放到變?yōu)榱?，甚至更小 ， 根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候 10K 電阻兩端的電壓為 ，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平，單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。 晶振電路 :典型的晶振取 (因為可以準(zhǔn)確地得到 9600 波特率和 19200哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 14 波特率 ,用于有串口通訊的場合 )/12MHz(產(chǎn)生精 確的 uS 級時歇 ,方便定時操作 ）單片機(jī)工作時，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進(jìn)行，時鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時鐘的。單片機(jī)的時鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式 ， 內(nèi)部時鐘方式在單片機(jī) XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振的取值范圍一般為 0~24MHz，常用的晶振頻率有 6MHz、 12 MHz、 MHz、24 MHz 等。一些新型的單片機(jī)還可以選擇更高的頻率。外接電容的作用是對振 蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，一般選用20~30pF 的瓷片電容。外部時鐘方式則是在單片機(jī) XTAL1 引腳上外接一個穩(wěn)定的時鐘信號