光敏电阻传感器检测系统的设计

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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 followed 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 detector of the overall function, can show a maximum light intensity and light intensity irradiation direction. Key words: SCM；Photosensitive Resistance ；ADC0804 ；IC405；Digital Tube 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题的意义、目的和要求 1.1.1 课题的意义 本系统是一个基于单片机的数字式光照检测仪，通过数码管显示光度，并且具有 判断光照方位能力。以 89C51 单片机为核心，控制 A/D 芯片采集数据，辅以数码管、 比较器、数据选择器等器件，实现功能。 本系统采用光敏电阻采集光照强度信息。光照强度直接反映在光敏电电阻阻值上， 进而反映在光敏电阻两端的电压值上。然后通过单片机控制 A/D 模数转换对电压信 号进行采集,经换算后通过数码管显示光强强度。判断光照方向时可采用两个位于不 同方向的光敏电阻。光照方向会导致他们两端的电压值不同，把两个电压值输入到比 较器进行比较，单片机根据比较结果控制数据选择器选择光照较强的那一路的电压值 给 A/D 进行数模转换。用数码管的亮灭显示方向。 本设计适当地利用了光敏电阻的特性以及单片机的强大的运算控制功能，实现了 光照强度的检测，并在数码管上显示。设置了两个方向的光敏电阻，比较光照强度数 值大小确定了当前光照方向。本系统充分利用了现有资源，结构合理，性能稳定，成 本低，满足题目要求。 加强对单片机的学习和认识，正确运用所学单片机的理论知识，将理论与实际相 结合，单片机在我们的生活中得到越来越广泛的应用，单片机注定影响一个时代，只 要存在计算机的地方就会有他的存在，学好单片机对今后的学习与工作有很多益处。 1.1.2 课题的目的 采用光敏电阻为光传感器，利用光敏电阻的光照特性完成光强的检测。具体方法 是将三路光敏电阻支路并联接入电路中，其中一路串接一固定电阻，另外两路分别串 接电位器，利用光敏电阻值随光照强度变化的特性，使得电路的输出电压而变化。根 据这一特性，结合光照强度和输出模拟电压之间的关系，分别对三路电压值进行采集 得到某一光强度下对应的模拟电压，将模拟电压通过 ADC0804 模数转换器转换为数 字电压，通过 C 语言编程，将其集于单片机中，进行比较以后通过两位数码管将最 大值显示出来，相应地控制点亮对应的小数点以显示光照强度的方向。 从 ADC0804 的模拟量通道输入 05V 之间的模拟量，通过 ADC0804 转换成 数字量送给单片机，经单片机处理后在数码管上以十进制形成显示出来，学习用单片 2 机控制 A/D 模数转换。 光照强度检测仪的主体是光敏电阻，光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光 电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应， 因此，光敏电阻又称光导管。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电 流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电 转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加 交流电压。 光敏电阻的特性是光照变化时其电阻值随着变化，所以可以通过电阻值的变化得 出光照强度的变化，而电阻值的变化可以反映在电阻两端的电压值的变化情况上，这 样可以设计一个简单的电路，该电路由光敏电阻分压并可以将光敏电阻两端的电压信 号作为输入信号输入单片机，然后进行数模转换，将输入单片机的电压模拟信号转换 成数字信号，再由单片机处理转换出来的数字信号。然后由数码显示管显示出光照强 度结果并判断光照方向。 1.1.3 课题的要求 结合单片机最小电路和光敏电阻电路共同设计一个基于单片机的数字式光照强度 检测系统，用数码管显示光照强度。还可以设置多个不同方向的光敏电阻，通过比较 它们的光强数值以判断光照方位。 技术要求： （1）对光照强度实施实时采集，光照强度的测量范围为：2600LX，精度 0.2%； （2） 用数码管显示光照强度； （3） 可以设置多个不同方向的光敏电阻，通过比较它们的光强数值以判断光照 方位； （4） 通过比较不同方向测得的光强数值判断光照方向，在数码管上显示其方向。 1.2 数字式光照强度检测仪的发展前景及趋势 本课题通常与仪器测量的光束强度，是专门针对一个电路测量光强度关联到一个 时间信号的光强度。其中有一个光通过介质传递光束强度是在现有条件中的指示广泛 的应用。例如，雅培制药，这一问题的受让人申请，已制定了在现有的某些有机样品 的色谱条件下测定免疫分析仪的数目。该方法一般利用一个夹层硝化棉或类似附着在 玻璃纤维垫地带一个一次性住房。该法是暴露在参考光的来源是通过媒介通过后，发 出的光，是在衡量其强度取样器收集。光的强度是该样本的条件指示。这种类型的测 3 量是特别有用的筛选和质量提供了人类对怀孕和怀孕的问题，及时发现绒毛膜评价试 验。 光照强度的分析与使用这些计划的检测电路通常比较熟悉。通常情况下，光强度 检测用感光元素，是产生一个电压信号，然后放大并转换成由模拟到数字（A / D） 转换为数字信号的能力。该 A/ D 转换器生成一个变量引入到一个微处理器平信号， 其中，信号电平进行比较参考信号，以便与预定相关的职权收集信号“读” 的样本。 实例的 A / D 转换器显示和美国八所描述。4779074 号，题为：低等级电压脉冲 转换器，发给稀土惠特：等。10 月 18 日，1988 年，和美国专利。4178585 号，题为： 模拟数字转换器，发出的光高木，12 月 11 日，1979 年。 利用光的强度取样，以确定样本的条件，产生了不同程度的转换，相应的数字信 号沿普遍使用在上述专利中描述的线的 A / D 转换器，以确定已知的光强度测量设备 光的强度。例如，欧洲专利申请由 R.飞利浦等人第 0479394A3。 ，8 月 7 日提出， 1987 年，公开了一种方法和分析物的测定仪器。A 光源是为了一个样本及一个探测 器所发出的光收集。光照强度的排放水平是用来确定样本的条件。由于该应用程序中 显示，所发出的光被转换成模拟信号，然后放大并转换成数字信号通过一个 A / D 转 换器转换器的数字输出，被介绍到微处理器。.第 4766083 题为：为生物凝集光度测 定法等。8 月 23 日，1988 年，公开了一种测量生物样品凝集反应系统测试使用的凝 集试验检测样本散射光激光束源和探测器 1 光度法和器具。由光敏元件收集的光线是 从模拟信号转换为数字信号处理前。 虽然这些设备提供准确的抽样技术，并模拟向数字转换计划是适合实现预期的效 果，但仍然是对的 A / D 转换器使用存在的弊端，光照强度分析系统。首先，成本与 高分辨率 A / D 芯片相关已禁止光频谱分析系统的广泛应用。一个典型的模拟到数字 转换器网络有 16 位转换器功能可要花好几百美元。凡需要 24 位分辨率，成本可大幅 增加比例。因此，最昂贵的，昂贵的系统组成部分之一，是转换器网络。因此，如果 信号的转换成本可以大大降低，光频谱分析仪器的适用性，可大大提高，同时降低成 本，提供更好更广泛的取样系统的检测能力。 目前，仍然有必要制定一个系统，使光强度检测的有效使用，而又能准确有效地 转换设备系统的应用。 随着红外技术的推广，红外满方的检测仪器将朝着快速、便 携、低成本、低功耗以及自动化的方向发展。 （1）快速性要求检测的时间短，能迅速得到检测结果，以适应检测。 （2）便携，体积小，能够在离线、现场后在线环境下，实现准确，无损检测。 （3）低成本，价格便宜，是普通老百姓买得起，用得起。 4 （4）低功耗，易于操作，检测人员不需要对仪器进行复杂的调整，只需启动几 个按钮就可以进行检测。 1.3 本课题主要研究的内容 （1） 结合单片机最小电路和光敏电阻电路设计一个基于单片机的数字式光照强 度检测系统； （2） 单片机最小系统及光敏电阻网络的设计； （3） 编写单片机程序，将获得的电信号转换成光照强度单位下的数值，并用数 码管显示。 5 第 2 章 系统概述 2.1 系统方案的选择与论证 2.1.1 设计方案一 采用光敏电阻、二极管和 555 定时器构成多谐振荡电路，利用多谐振荡电路的两 个暂稳态输出由 此 产 生 矩 形 波 脉 冲 信 号 。而光敏电阻阻值会随着光照强度的变化而 发生变化，进而使得多谐振荡电路的周期变化，其输出波形频率也随之改变。将其输 出模拟信号波形输入到一个简易数字式频率计通过两位数码管显示出来，数字式频率 计主要由时基电路、闸门电路计数器、锁存器、译码显示电路和逻辑控制电路组成。 具体实现框图如下图 2.1 所示。 图 2.1 设计方案一原理框图 光敏电阻阻 值变化 多谐振荡器电 路周期变化 简易数字频率计 时 基 电 路 闸 门 电 路 计 数 器 锁 存 器 译 码 显 示 器 逻辑控制电路 6 本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，通过光敏电阻值变化影 响多谐振荡电路的周期而检测光强，性能较稳定一些，灵敏度也较高，但是电路结构 比较复杂，所用元器件种类较多，实现和调试工作会比较困难，造价也较高，虽然能 满足稳定性和灵敏度的要求，但不宜采用。 2.1.2 设计方案二 本方案采用光电二极管，利用其产生的电流随光照增强的线性特性输出模拟采样 电压，并联三条光敏二极管和电阻支路，将这三路电压通过选通器循环输入到模数转 换器 ADC0804 将模拟信号转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给 STC89C51 单片机，通过比较后得出最大值，将最大值输出并利用两位数码管显示出 来。具体框图如下图 2.2 所示。 89C51 单片机 光敏二极管 接受光照 输出电流 变化 采集电阻两 端电压 运算放大 器 两位数码 管显示 模数转换 ADC 图 2.2 设计方案二原理框图 对于本方案，采用线性好，响应速度快的光敏二极管作为光照传感器，故电路响 应速度快，灵敏度高。缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路将 采样电压进一步放大，而加入运放环节会由于运放的零漂和易受温度影响使得电路稳 定性降低，误差增大。另外限于实验元器件的供给，实验中也不采用本方案。 2.1.3 设计方案三 采用三路光敏电阻支路并联检测光照强度，通过每一路可以得到一个模拟采样电 压，将这三路电压通过 CD4051 单 8 通 道 数 字 控 制 模 拟 电 子 开 关 循环输入到模数转 换器 ADC0804 将模拟信号转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给 STC89C51 单片机，通过比较后得出最大值，将最大值输出并利用两位数码管显示出 来。对于光强的方位，则通过控制两位数码管的两个小数点的关断与否来显示出来， 具体是两个小数点分别单独亮时对应两个方位，而两个小数点均不亮时对应另外一个 方位。至此，可以将光照的强度以及光照的方位通过两位数码管显示出来，完成了本 7 设计选题的任务及要求。具体框图如下图 2.3 所示： 图 2.3 设计方案三原理框图 本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，STC89C51 单片机作为 主控制器。性能稳定，抗干扰能力强，不易受外界环境温度等因素影响，灵敏度也较 高，但是由于光照传感器采用光敏电阻且为三条支路并联采集模拟电压信号，会存在 一定的误差。总体上来说，本方案电路结构简单、所用元器件供给充足、成本造价低、 性能稳定且误差范围也在设计选题的要求之内，能在简单低成本的基础上很好的完成 设计选题的任务，故实验中采用本方案。 2.1.4 方案综合比较和选择 通过以上三种方案的设计，方案一采用光敏电阻作为光照传感器，稳定性和灵敏 度虽然都能满足设计选题的要求，但是电路结构过于复杂，实现和调试都比较困难， 在实验中不采用；方案二采用光敏二极管作为光照传感器，线性度好，响应速度快， 但是需要额外添加运放环节，对系统稳定性和误差都会带来不利影响，另外限于元器 件的供应，本实验中也不采用：而方案三采用光敏电阻作为光照传感器，进行模拟电 压采样，通过 ADC 数模转换器将模拟信号转换为数字信号传送到 51 单片机中，进 而控制两位数码管显示具体数值和方位，简单可行，成本造价低，故在实验中采用本 方案。 2.2 系统工作原理 设计中采用光敏电阻为光传感器，利用光敏电阻的光照特性完成光强的检测。 具体方法是将三路光敏电阻支路并联接入电路中，其中一路串接一固定电阻，另外两 光敏电阻网络 输出选择 A/D 模数转换 单片机 通信下载模块 数码管显示 光照 8 路分别串接电位器，利用光敏电阻值随光照强度变化的特性，使得电路的输出电压而 变化。根据这一特性，结合光照强度和输出模拟电压之间的关系，分别对三路电压值 进行采集得到某一光强度下对应的模拟电压，将模拟电压通过 ADC0804模数转换器转 换为数字电压，通过 C语言编程，将其集于单片机中，进行比较以后通过两位数码管 将最大值显示出来，相应地控制点亮对应的小数点以显示光强的方位。 2.3 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。 9 第 3 章 系统硬件设计 3.1 单片机的选择 3.1.1 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 3.1 所示。 图 3.1 89C51单片机引脚图 89C51 单片机各个引脚介绍： 输入输出引脚： （1）P 0 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 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 ： P3.0 RXD（ 串 行 输 入 口 ） P3.1 TXD（ 串 行 输 出 口 ） P3.2 /INT0（ 外 部 中 断 0） P3.3 /INT1（ 外 部 中 断 1） P3.4 T0（ 记 时 器 0 外 部 输 入 ） P3.5 T1（ 记 时 器 1 外 部 输 入 ） P3.6 /WR（ 外 部 数 据 存 储 器 写 选 通 ） P3.7 /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 30pF10pF。 单片机程序指令的执行是以振荡器的振荡来驱动的。在 MCS-51 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 11 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 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 （ 0000H- FFFFH） ， 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） 。 3.1.2 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 MCS-48 系列单片机的基础上，推出了 MCS-51 系列 8 位高档单片机。 MCS-51 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 MCS-51 系 列 单 片 机 及 其 增 强 型 、 拓 展 型 的 衍 生 机 型 ， MCS-51 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 12 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，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、CD-ROM、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 RMW-7 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 13 (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 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 。 3.2 单片机最小系统和通信模块的设计 3.2.1 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 8.2K.当然也 有其他取法的，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 0.7 倍（单片机的电源是 5V，所以充电到 0.7 倍即为 3.5V），需要的时间是 10K*10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的 0.1S 内，电 容两端的电压时在 03.5V 增加。这个时候 10K 电阻两端的电压为从 51.5V 减少 （串联电路各处电压之和为总电压）。所以在 0.1S 内，RST 引脚所接收到的电压是 5V1.5V。在 5V 正常工作的 51 单片机中小于 1.5V 的电压信号为低电平信号，而大 于 1.5V 的电压信号为高电平信号。所以在开机 0.1S 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 0.1S 左右）。在单片机启动 0.1S 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 0.1S 内，从 5V 释放到变为了 1.5V，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 3.5V，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。 14 晶振电路:典型的晶振取 11.0592MHz(因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 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 024MHz，常用的晶振频率有 6MHz、12 MHz、11.0592 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 2030pF 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 稳定的时钟信号源，它一般适用于多片单片机同时工作的情况，使用同一时钟信号可 以保证单片机的工作同步。 时序是单片机在执行指令时 CPU发出的控制信号在时间上的先后顺序。AT89C51 单片机的时序概念有 4 个，可用定时单位来说明，包括振荡周期、时钟周期、机器周 期和指令周期。 振荡周期：是片内振荡电路或片外为单片机提供的脉冲信号的周期。时序中 1 个 振荡周期定义为 1 个节拍，用 P 表示。 时钟周期：振荡脉冲送入内部时钟电路，由时钟电路对其二分频后输出的时钟脉 冲周期称为时钟周期。时钟周期为振荡周期的 2 倍。时序中 1 个时钟周期定义为 1 个 状态，用 S 表示。每个状态包括 2 个节拍，用 P1、P2 表示。 机器周期：机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。一条指令的执行 需要一个或几个机器周期。一个机器周期固定的由 6 个状态 S1S6 组成。 指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。一般用指令执行所需机器 周期数表示。AT89C51 单片机多数指令的执行需要 1 个或 2 个机器周期，只有乘除 两条指令的执行需要 4个机器周期。 了解了以上几个时序的概念后，我们就可以很快的计算出执行一条指令所需要的 时间。若单片机使用 12MHz 的晶振频率，则振荡周期=1/（12MHz ）=1/12us ，时钟 周期=1/6us ，机器周期=1us，执行一条单周期指令只需要 1us，执行一条双周期指令 则需要 2us。 单片机最小系统复位电路的极性电容 C1的大小直接影响单片机的复位时间，一 般采用 1030uF，51 单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。 51 单片机最小 系统晶振 Y1 也可以采用 6MHz 或者 11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更 15 高频率的晶振，51 单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频 率越大处理速度越快。单片机的主要功能是负责整个系统的控制，不承担复杂的数据 处理任务，因此在设计本系统时选用 STC89C51。其中，时钟电路为在引脚 XTALl 和 XTAL2 跨接晶振和两个补偿电容构成自激振荡器，结构中 Y1、C1、C2，根据情 况本设计中选择 12MHz的晶振，补偿电容选择 30pF 左右的瓷片电容；复位电路则采 用手动按键复位两种方式实现，其结构如图中 R0、C3 和 S1，通过按键将电阻 R0与 VCC接通即可实现复位；P0 口外接上拉电阻，其结构如图中 3.2，采用 10K的排阻以 提供给 I/O 口合适的电流。下图为一个 51 单片机的最小系统电路图。 图 3.2 单片机最小系统电路图 3.2.2 下载通信模块的设计 下载通信模块选用 MAX232 芯片。MAX232 是 MAXIM 公司专门为 PC 视 RS- 232 标准串口设计的电平转换电路。该芯片与 TTLCOMS 电平兼容，片内有 2 个发 送器，2 个接收器，且使用+5 V 单电源供电，使用非常方便。 串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节 （byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收 数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如 IEEE488 定义并行通行状态时，规 定设备线总长不得超过 20 米，并且任意两个设备间的长度不得超过 2 米；而对于串 口而言，长度可达 1200 米。典型地，串口用于 ASCII 码字符的传输。 16 通信使用 3 根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异 步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手， 但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对 于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配： a，波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的 bit 的个数。例 如 300 波特表示每秒钟发送 300 个 bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率 例如如果协议需要 4800 波特率，那么时钟是 4800Hz。这意味着串口通信在数据线上 的采样率为 4800Hz。通常电话线的波特率为 14400，28800 和 36600。波特率可以远 远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的 通信，典型的例子就是 GPIB 设备的通信。 b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实 际的数据不会是 8 位的，标准的值是 5、7 和 8 位。如何设置取决于你想传送的信息。 比如，标准的 ASCII 码是 0127（7 位）。扩展的 ASCII 码是 0255（8 位）。如 果数据使用简单的文本（标准 ASCII 码），那么每个数据包使用 7 位数据。每个包 是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通 信协议的选取，术语“ 包”指任何通信的情况。 c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为 1，1.5 和 2 位。由于数据 是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间 出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时 钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据 传输率同时也越慢。 d，奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、 高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位 （数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如， 如果数据是 011，那么对于偶校验，校验位为 0，保证逻辑高的位数是偶数个。 如果是奇校验，校验位位 1，这样就有 3 个逻辑高位。高位和低位不真正的检查 数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态， 有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。 现从 MAX232 芯片中两路发送接收中任选一路作为接口，其发送接收的引脚一 一对应。本系统中使 T2IN 接单片机的发送端 TXD，同时 R2OUT 接单片机的 RXD 端 ，C1+、C1- 脚和 C2+、C2-脚接 104 瓷片电容，其接口电路如图 3.3 所示。 17 图 3.3 通信模块的电路图 3.3 光敏电阻网络的设计 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫 化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的 特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电 子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏 电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装 在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。光 敏 电 阻 器 一 般 用 于 光 的 测 量 、 光 的 控 制 和 光 电 转 换 （ 将 光 的 变 化 转 换 为 电 的 变 化 ） 。 常 用 的 光 敏 电 阻 器 硫 化 镉 光 敏 电 阻 器 ， 它 是 由 半 导 体 材 料 制 成 的 。 光 敏 电 阻 器 的 阻 值 随 入 射 光 线 （ 可 见 光 ） 的 强 弱 变 化 而 变 化 ， 在 黑 暗 条 件 下 ， 它 的 阻 值 （ 暗 阻 ） 可 达 110M 欧 ,在 强 光 条 件 （ 100LX） 下 ， 它 阻 值 （ 亮 阻 ） 仅 有 几 百 至 数 千 欧 姆 。 光 敏 电 阻 器 对 光 的 敏 感 性 （ 即 光 谱 特 性 ） 与 人 眼 对 可 见 光 （ 0.40.76） m 的 响 应 很 接 近 ， 只 要 人 眼 可 感 受 的 光 ， 都 会 引 起 它 的 阻 值 变 化 。 设 计 光 控 电 路 时 ， 都 用 白 炽 灯 泡 （ 小 电 珠 ） 光 线 或 自 然 光 光 线 作 控 制 光 源 ， 使 设 计 大 为 简 化 。 用 于 制 造 光 敏 电 阻 的 材 料 主 要 是 金 属 的 硫 化 物 、 硒 化 物 和 碲 化 物 等 半 导 体 。 通 常 采 用 涂 敷 、 喷 涂 、 烧 结 等 方 法 在 绝 缘 衬 底 上 制 作 很 薄 的 光 敏 电 阻 体 及 梳 状 欧 姆 电 极 ， 接 出 。 引 线 ， 封 装 在 具 有 透 光 镜 的 密 封 壳 体 内 ， 以 免 受 潮 影 响 其 灵 敏 度 。 在 黑 暗 环 境 里 ， 它 的 电 阻 值 很 高 ， 当 受 到 光 照 时 ， 只 要 光 子 能 量 大 于 半 导 体 材 料 的 禁 带 宽 度 ， 则 价 带 中 的 电 子 吸 收 一 个 光 子 的 能 量 后 可 跃 迁 到 导 带 ， 并 在 价 带 中 产 生 一 个 带 正 电 荷 的 空 穴 ， 这 种 由 光 照 产 生 的 电 子 空 穴 对 了 半 导 体 材 料 中 载 流 子 的 数 目 ， 使 其 电 阻 率 变 小 ， 从 而 造 成 光 敏 电 阻 阻 值 下 降 。 光 照 愈 强 ， 阻 值 愈 低 。 入 射 光 消 失 后 ， 由 光 子 激 发 产 生 的 电 子 空 穴 对 将 复 合 ， 光 敏 电 阻 的 阻 值 也 就 恢 18 复 原 值 。 在 光 敏 电 阻 两 端 的 金 属 电 极 加 上 电 压 ， 其 中 便 有 电 流 通 过 ， 受 到 波 长 的 光 线 照 射 时 ， 电 流 就 会 随 光 强 的 而 变 大 ， 从 而 实 现 光 电 转 换 。 光 敏 电 阻 没 有 极 性 ， 纯 粹 是 一 个 电 阻 器 件 ， 使 用 时 既 可 加 直 流 电 压 ， 也 加 交 流 电 压 。 半 导 体 的 导 电 能 力 取 决