基于单片机的数字式光照强度检测系统的设计说明书

基于单片机的数字式光照强度检测系统的设计说明书内容摘要：

，相应地控制点亮对应的小数点以显示光强的方位。 本章小结 本章主要讲述了系统方案的选择与论证并对 系统进行了概述， 通过对不同方案的选择了解整个系统的工作流程，根据实际情况与技术要求，画出了系统结构框图，并拟定了系统总体设计方案，也对系统工作原理作了简要概述。 哈尔滨工程大学本科生毕业设计 9 第 3 章 系统硬件 设计 单片机的选择 单片机定义及特点 在一块芯片上集成 CPU、数据存储器、程序存储器、输入输出和定时 /计数器等部件的一台小型计算机，它体积小、结构紧凑、功耗低，嵌入到某应用系统中，主要完成信号控制功能，又称 “嵌入式微控制器 ”。 本设计采用 89C51 单片机， 89C51 单片机引脚图如图 所示。 图 89C51单片机引脚图 89C51 单片机各个引脚介绍 ： 输入输出引脚： （ 1） P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 / 地址的低八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为哈尔滨工程大学本科生毕业设计 10 原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 (2) P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后 ，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 (3) P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上 拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 (4) P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： RXD（串行输入口） TXD（串行 输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0 外部输入） T1（记时器 1 外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） 其它的控制或复用引脚： XTAL1/XTAL2： XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端， XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。 内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频 ，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。 晶振的频率最高可以达到 33MHz。 电容取 30pF177。 10pF。 单片机程序指令的执行是以振荡器的振荡来驱动的。 在 MCS51 架构中，每 12个振荡器周期组成一个指令周期（或称机器周期）。 单片机执行指令的时间是以指令周期为单位的。 不同指令的执行时间可能是不同的，一条指令的执行时间最短为一个哈尔滨工程大学本科生毕业设计 11 指令周期。 因此，单片机所接的振荡器频率越高，它执行指令的速度就越快 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG： 当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当 用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH地址上置 0。 此时， ALE只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存 储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 EA/VPP：当 /EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 单片机发展历史及应用 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规 模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 单片机诞生于 1971 年，经历了 SCM、 MCU、 ScO 三大阶段。 20 世纪 80 年代初，Intel 公司在 MCS48 系列单片机的基础上，推出了 MCS51 系列 8 位高档单片机。 MCS51 系列单片机无论是片内 RAM 容量， I/O 口功能，系统扩展方面都有 了很大的提高。 我国单片机起步较晚，我国使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 系列单片机及其增强型、拓展型的衍生机型， MCS51 是最早进入我国的单片机主流品种之一，在我国得到广泛应用，直到现在仍为单片机主流系列。 当今社会，应用单片机的产品已经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足迹。 导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，哈尔滨工程大学本科生毕业设计 12 民用豪华轿车的安全保障系统，录像机 、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。 更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制域。 因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 科技越发达，智能化的东西就越多。 以下大致介绍一些典型的应用领域和应用特点。 家用电器领域，国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微 波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。 办公自动化领域，比如一台 PC 机可能嵌入了 10 个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、 CDROM、声卡、打印机、软 /硬盘驱动器、调制解调器等。 现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。 工业自动化领域的在线应用，如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。 如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系 统。 而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。 智能仪器仪表与集成智能传感器领域，应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行 “更新换代 ”，提供了非常理想的的条件。 目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。 汽车电子与航空航天电子系统，通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。 比如一台 RMW7 系列宝马轿车就用了 63 个 单片微机，大部分还是 16 位单片微机。 单片微机的应用从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法 ， 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。 这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。 这标志着一种全新概念的建立。 学习单片机是社会发展的必然需求，也是大学期间的必修课。 现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8 位、 16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不 兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。 微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 (CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器 (ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟哈尔滨工程大学本科生毕业设计 13 电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、 PMW(脉宽调制电路 )、 WDT(看门狗 )、有些单片机将 LCD(液晶 )驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。 从单片机的发展历程看，未来单片机技术将向多功能、高性能、高速度、低电压、 低功耗、外围电路内装化及片内储存器容量增加的方向发展。 单片机最小系统和通信模块的设计 单片机最小系统的设计 单片机最小系统或者称为最小应用系统 ， 是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统 ， 对 51 系列单片机来说 ， 最小系统一般应该包括 :单片机、晶振 电路 、复位电路。 复位电路 ： 由电容串联电阻构成 ,结合 电容电压不能突变 的性质 ， 可以知道当系统一上电 ， RST 脚将会出现高电平 ， 并且这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位 ， 所以 ,适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位 ， 一般教科书推荐 C 取 10u,R 取 其他取法的 ， 原则就是要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平。 在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。 所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。 在电路图中，电容的的大小是 10uF，电阻的大小是 10k。 所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的 倍（单片机的电源是 5V，所以充电到 倍即为），需要的时间是 10K*10UF=。 也就是说在电脑启动的 内，电容两端的电压时在 0~。 这个时候 10K 电阻两端的电压为从 5~（串联电路各处电压之和为总电压）。 所以在 内， RST 引脚所接收到的电压是 5V~。 在5V正常工作的 51 单片机中小于 的电压信号为低电平信号，而大于 的电压信号为高电平信号。 所以在开机 内，单片机系统自动复位（ RST 引脚接收到的高电平信号时间为 左右）。 在单片机启动 后，电容 C 两端的电压持续充电为5V，这是时候 10K 电阻两端的电压接近于 0V， RST 处于低电平所以系统正常工作。 当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。 随着时间的推移，电容的电压在 内，从 5V释放到变为了 ，甚至更小 ， 根据串联电路电压为各处之和，这个时候 10K 电阻两端的电压为 ，甚至更大，所以 RST 引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。 晶振电路 :典型的晶振取 (因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200哈尔滨工程大学本科生毕业设计 14 波特率 ,用于有串口通讯的场合 )/12MHz(产生精 确的 uS 级时歇 ,方便定时操作 ）单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。 单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式 ， 内部时钟方式在单片机 XTAL1 和 XTAL2 引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。 晶振的取值范围一般为 0~24MHz，常用的晶振频率有 6MHz、 12 MHz、 MHz、24 MHz 等。 一些新型的单片机还可以选择更高的频率。 外接电容的作用是对振 荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF 的瓷片电容。 外部时钟方式则是在单片机 XTAL1 引脚上外接一个稳定的时钟信号。