具有自動亮度控制功能的led光源的設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　本章介紹了論文的研究背景、目的和意義，LED的相關(guān)知識，并對國內(nèi)外LED技術(shù)的發(fā)展和應用做了簡要綜述。</p><p>　　1.1 選題的背景及意義</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源消耗以驚人的速度增長，伴隨而來的則是大量的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。在電能消耗

2、中，照明用電占發(fā)電總量的比例：發(fā)達國家是19%，我國是10%。隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高，綠色節(jié)能照明的研究應用越來越受到重視。開發(fā)和推廣應用節(jié)能燈具，成為迫在眉睫的任務。LED照明就是在這樣的形勢下發(fā)展起來的。</p><p>　　傳統(tǒng)光源白熾燈發(fā)熱量大、耗電、發(fā)光效率較低、使用壽命短。熒光燈管顯色性較差（光譜是斷續(xù)的）特別是它的頻閃效應，容易使人眼產(chǎn)生錯覺，需要在設計上采取措施消除頻閃效應，

3、另外燈管內(nèi)存在著有毒的汞蒸汽，不環(huán)保[1]。LED光源與常見光源效率典型數(shù)據(jù)對比如表1-1所示。</p><p>　　表1.1 LED光源與常見光源效率典型數(shù)據(jù)對比</p><p>　　該課題研究的照明光源采用的是白光二極管，白光LED具有如下特點：低電壓驅(qū)動，最低可用2V電壓驅(qū)動；體積小，一般直徑3-5mm，用于被光照明的體積更?。恢亓枯p，顯色性好，顯色指數(shù)超過90，超過熒光燈，接近白

4、熾燈的顯色性能，接近自然光；調(diào)光性能好、壽命超過10Wh、耐振動、不易損壞、色溫變化時不會產(chǎn)生視覺誤差，生產(chǎn)過程無汞和鉛的污染，將成為替代白熾燈和熒光燈的高效節(jié)能光源。</p><p>　　近幾年來，LED的發(fā)光效率已增長了100倍，而成本下降了10倍。在目前LED光源及市場開發(fā)中，極具發(fā)展與應用前景的是照明用LED，其用作固體照明器件的經(jīng)濟性顯著，且有利于環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈。LED已被全球公認為新一代

5、的環(huán)保型高科技光源[2]。</p><p>　　1.2 LED照明的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國LED的發(fā)展起步于20世紀60年代。1970年11月在上海召開的全國砷化鎵學術(shù)交流會議上，報告了用水汽外延法制成“磷砷化鎵紅色發(fā)光二極管”的研究成果，從此我國LED材料和器件研發(fā)正式起步。20世紀80年代形成LED產(chǎn)業(yè)，90年代LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，90年代后期得到迅猛發(fā)展，19

6、97年在國家自然科學基金的支持下，北京大學率先研制出國內(nèi)第一只藍光發(fā)光二極管。幾年后南昌大學在國際上率先開發(fā)成功硅襯底藍光LED材料與芯片的生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三種發(fā)光二極管外延材料與芯片的技術(shù)路線；到2003年上海、大連、南昌、廈門已成為國家四大半導體照明基地,中國的LED照明開始了快速的發(fā)展。</p><p>　　2008年9月，CREE成功研制出冷白光LED，效率達107 lm/

7、W。這項成果來自于CREE的EZBright® LED芯片平臺，得到了能源部的資金資助。是能源部光子晶體芯片項目的一部分，這個項目的目的是改善光的提取率和研發(fā)出新的封裝技術(shù)，得到比傳統(tǒng)LED更高的下轉(zhuǎn)換（down-conversion）效率。該LED有一平方毫米，色溫為5500K，顯色指數(shù)為73，在單一模塊封裝中集成了4個LED芯片，能夠產(chǎn)生大于450流明的光通量。</p><p>　　美國波士頓的Ph

8、otonics Research研究中心報道了LED技術(shù)方面的新進展，聲稱光效達到330lm/W。這種被稱作photon-rectcling的半導體光源可發(fā)出藍、黃兩種波長的光。所發(fā)出的光能使人感到的是白光。這種光效，與目前市場上的LED比要高10倍甚至更高。不過，應該指出，從實驗室到商業(yè)化的產(chǎn)品這條路也許還十分漫長[13]。</p><p>　　奧地利的照明設計公司已完成一項大型實驗，采用了14000只白光和彩

9、色LED的混合照明整個房間。光照水平達到600-700Lux，足夠一間普通辦公室的照明。用計算機計算白光，藍光，藍/綠光，琥珀和紅光二極管的混合效果，以獲得2500-3000K的暖色溫，其顯色指數(shù)非常接近最好的熒光燈。</p><p>　　由于LED產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應用，呈現(xiàn)出了朝陽工業(yè)的欣欣向榮的景象，可以相信，半導體技術(shù)不僅不會被其他技術(shù)取代，而且會繼續(xù)沿著原來的軌道向前發(fā)展。半導體照明技術(shù)由于

10、技術(shù)的先進性和產(chǎn)品使用的廣泛性，已經(jīng)被廣泛認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ母呖萍碱I域之一。半導體照明產(chǎn)業(yè)具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效果，也被認為是一個戰(zhàn)略性的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)[3].</p><p>　　1.3 LED相關(guān)知識</p><p>　　1.3.1 LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理</p><p>　　LED是英文Light Emitting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)

11、構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好[14]。</p><p>　　發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，p型半導體里面空穴占主導地位，n型半導體里面主要是電子，當兩種半導體連接起來的時候，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時

12、會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)[12]。一種LED結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示。</p><p>　　圖1.2 LED結(jié)構(gòu)圖[4]</p&

13、gt;<p>　　1.3.2 LED光源的特點</p><p>　　1. 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。</p><p>　　2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。</p><p>　　3. 適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方

14、形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 </p><p>　　4. 穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%。</p><p>　　5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級。</p><p>　　6. 對環(huán)境污染：無有害金屬汞。</p><p>　　7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過

15、化學修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。</p><p>　　8. 價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構(gòu)成[4]。</p><p>　　1.3.3 單色光LED的種類及其發(fā)展歷史</p

16、><p>　　最早應用半導體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使

17、得紅色LED的光效達到10流明/瓦。90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λp=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。</p><p>　　1.3.4 LED的應用</p><p>　　1.

18、建筑物外觀照明</p><p>　　對建筑物某個區(qū)域進行投射，無非是使用控制光束角的圓頭和方頭形狀的投光燈具，這與傳統(tǒng)的投光燈具概念完全一致。但是，由于LED光源小而薄，線性投射燈具的研發(fā)無疑成為LED投射燈具的一大亮點，因為許多建筑物根本沒有出挑的地方放置傳統(tǒng)的投光燈。它的安裝便捷，可以水準也可以垂直方向安裝，與建筑物表面更好地結(jié)合，為照明設計師帶來了新的照明語匯，拓展了創(chuàng)作空間。并將對現(xiàn)代建筑和歷史建筑的照明

19、手法產(chǎn)生了影響。</p><p><b>　　2. 景觀照明</b></p><p>　　由于LED不像傳統(tǒng)燈具光源多是玻璃泡殼，它可以與城市街道家具很好的有機結(jié)合?？梢栽诔鞘械男蓍e空間如路徑、樓梯、甲板、濱水地帶、園藝進行照明。對于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作為光源進行照明。LED隱藏式的投光燈具會特別受到青睞。固定端可以設計為插拔式，依據(jù)植物生長的高度，方便

20、進行調(diào)節(jié)。</p><p>　　3. 標識與指示性照明</p><p>　　需要進行空間限定和引導的場所，如道路路面的分隔顯示、樓梯踏步的局部照明、緊急出口的指示照明，可以使用表面亮度適當?shù)腖ED自發(fā)光埋地燈或嵌在垂直墻面的燈具，如影劇院觀眾廳內(nèi)的地面引導燈或座椅側(cè)面的指示燈，以及購物中心內(nèi)樓層的引導燈等。另外，LED與霓虹燈相比，由于是低壓，沒有易碎的玻璃，不會因為制作中彎曲而增加費用，

21、值得在標識設計中推廣使用。</p><p>　　4. 室內(nèi)空間展示照明</p><p>　　就照明品質(zhì)來說，由于LED光源沒有熱量、紫外與紅外輻射，對展品或商品不會產(chǎn)生損害，與傳統(tǒng)光源比較，燈具不需要附加濾光裝置，照明系統(tǒng)簡單，費用低廉，易于安裝。其精確的布光，可作為博物館光纖照明的替代品。商業(yè)照明大都會使用彩色的LED，室內(nèi)裝飾性的白光LED結(jié)合室內(nèi)裝修為室內(nèi)提供輔助性照明，暗藏光帶可以

22、使用LED，對于低矮的空間特別有利。</p><p>　　5. 娛樂場所及舞臺照明</p><p>　　由于LED的動態(tài)、數(shù)字化控制色彩、亮度和調(diào)光，活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動態(tài)的照明效果。從白光到全光譜中的任意顏色，LED的使用在這類空間的照明中開啟了新的思路。長壽命、高流明的維持值（10，000小時后仍然維持90％的光通），與PAR燈和金鹵燈的 50～250 小時的壽命相比，降低了維

23、護費用和更換光源的頻率。另外，LED克服了金鹵燈使用一段時間后顏色偏移的現(xiàn)象。與PAR燈相比，沒有熱輻射，可以使空間變得更加舒適。目前LED彩色裝飾墻面在餐飲建筑中的應用已蔚然成風。</p><p><b>　　6. 視頻屏幕</b></p><p>　　全彩色LED顯示屏是當今世界上最為引人注目的戶外大型顯示裝置，采用先進的數(shù)字化視頻處理技術(shù)，有無可比擬的超大面積與

24、超高亮度。根據(jù)不同的戶內(nèi)外環(huán)境，采用各種規(guī)格的發(fā)光像素，實現(xiàn)不同的亮度、色彩、分辨率，以滿足各種用途。它可以動態(tài)顯示圖文動畫信息，利用多媒體技術(shù)，可播放各類多媒體文件。世界上目前最有影響的LED顯示屏，當屬美國曼哈頓時代廣場紐約證券交易所，總計使用了18,677,760只LED，面積為10,736平方英尺。屏幕可以劃分成多個畫面，而同時顯示，將華爾街股市的行情一目了然呈現(xiàn)在公眾面前。另外崛起在上海浦東陸家嘴金融中心的震旦國際總部，整個朝

25、向浦西的建筑立面鑲上了長100ｍ的超大型LED屏，總計面積達到3600平方米?？胺Q世界第一。</p><p>　　7. 車輛指示燈照明</p><p>　　汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。</p><p>　　1.3.5

26、 白光LED的開發(fā)</p><p>　　對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的

27、藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光[4]。</p><p><b>　　第2章 方案設計</b></p><p>　　本章根據(jù)論文課題要求的性能指標進行方案論證，給出課題要求的性能指標，根據(jù)系

28、統(tǒng)實現(xiàn)功能，完成系統(tǒng)方案設計。</p><p><b>　　2.1 性能指標</b></p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)功能</p><p>　　系統(tǒng)采集外部光照強度，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)控制LED的通斷，達到調(diào)節(jié)光源發(fā)光亮度的目的。</p><p>　　2.1.2 技術(shù)要求</p><p>

29、　　1.系統(tǒng)LED數(shù)目：a>20</p><p>　　2.系統(tǒng)反饋控制時間：t>1s</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案設計</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)設計思想</p><p>　　本系統(tǒng)采用單片機AT89C52作為本設計的核心元件，光敏器件將外部光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過單片機調(diào)節(jié)LED光源的亮度。</p&g

30、t;<p>　　2.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖</p><p>　　根據(jù)上述系統(tǒng)設計思想的描述，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖</p><p>　　2.3 設計系統(tǒng)方案</p><p>　　根據(jù)上述系統(tǒng)實現(xiàn)功能的描述，具有自動控制功能的LED光源系統(tǒng)的設計方案分為五大功能模塊：</

31、p><p>　　1. 信心處理單元模塊（主控模塊）</p><p>　　信心處理單元模塊由單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成。該部分電路是整個系統(tǒng)的核心部分，接收背景亮度監(jiān)測電路采集的電信號，經(jīng)過適當?shù)男畔⑻幚?，輸出到LED亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊，調(diào)節(jié)LED的亮度。</p><p>　　2. 系統(tǒng)背景亮度監(jiān)測模塊</p><p>　　系統(tǒng)背景亮度監(jiān)測模塊由光敏傳感器和

32、A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。該背景亮度監(jiān)測模塊作為整個系統(tǒng)的輸入部分，用于采集外部光照信號，并將其轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的電信號。</p><p><b>　　3. 電源模塊</b></p><p>　　該部分電路是整個系統(tǒng)的能源供給部分，利用L7805穩(wěn)壓芯片，為系統(tǒng)提供工作所需的5V直流穩(wěn)壓電源。</p><p><b>　　4. 串口通信

33、模塊</b></p><p>　　該部分電路是單片機與外部設備之間進行數(shù)據(jù)通信的主要途徑，電路采用RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232與上位機連接。該電路在系統(tǒng)中的主要作用是用來從上位機向單片機中下載系統(tǒng)程序。</p><p>　　5. LED光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊</p><p>　　光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊主要由鎖存器、電流驅(qū)動器和LED構(gòu)成。該部分電路作

34、為系統(tǒng)的輸出部分，接收信息處理模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，驅(qū)動LED發(fā)光，調(diào)節(jié)光源的亮度。</p><p><b>　　2.4 方案論證</b></p><p>　　方案一：采用AT89S52,片內(nèi)ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底壓工作；同時也與MCS-51系列單片機完全該芯片內(nèi)部存儲器為8KB ROM存儲空間，同樣具有89C51的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)

35、，當在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。光敏傳感器選擇LX1970集成芯片。</p><p>　　方案二：STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程

36、器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。光敏傳感器選擇GL5549光敏電阻。</p><p>　　經(jīng)過比較，方案二中的STC89C52的性價比比較適合本系統(tǒng)。在選擇光敏傳感器的時候，我們選擇簡單實用的GL5549光敏電阻。</p><p>　　經(jīng)上所述，我們選擇方案二為系統(tǒng)方案。</p&

37、gt;<p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　在本章中，我們根據(jù)課題要求系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，完成系統(tǒng)方案的設計論證，給出系統(tǒng)原理框圖，并簡述系統(tǒng)方案各模塊實現(xiàn)的功能。</p><p>　　第3章 硬件電路設計實現(xiàn)</p><p>　　本章根據(jù)已完成的系統(tǒng)方案設計和系統(tǒng)構(gòu)成框圖，利用Altium Desig

38、ner軟件繪制系統(tǒng)電路原理圖，PCB圖，電路元器件的選擇，詳細介紹各個電路模塊元件的構(gòu)成及實現(xiàn)的功能，完成系統(tǒng)硬件電路的設計，焊接等。</p><p>　　3.1 信息處理單元模塊（主控模塊）</p><p>　　作為整個系統(tǒng)的核心電路，信心處理單元模塊（主控模塊）由主控芯片,復位電路，時鐘電路構(gòu)成。</p><p>　　3.1.1 主控芯片</p>

39、<p><b>　　1. 單片機選型</b></p><p>　　在單片機應用系統(tǒng)開發(fā)過程中，單片機是整個設計的核心，因此選擇合適的單片機型號很重要。根據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能需要的單片機硬件資源，在性能指標滿足的情況下，該系統(tǒng)的單片機型號選擇8051系列的STC89C52芯片。</p><p>　　STC89C52系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速

40、、低功耗的單片機，指令碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇。STC89C52具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇，可以滿足系統(tǒng)在各個子模塊程序之間的切換；STC89C52的運算速度可滿足一般的設計要求；而且STC系列單片機支持ISP在線編程功能，可以不用昂貴的編程器。</p><p>　　2.

41、 8051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　8051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是各種邏輯單元及其之間的互連構(gòu)成的。主要包含中央處理器（CPU）、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，8051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架示意圖，如圖3.1所示[5]。</p><p>　　圖3.1 8051系類

42、單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　中央處理器：</b></p><p>　　中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，51系列單片機是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，它能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼。CPU主要由算術(shù)邏輯部件，控制器和專用寄存器三部分電路組成。它負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。</p>&

43、lt;p>　　數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：</p><p>　　數(shù)據(jù)存取器（RAM）可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個。</p><p>　　程序存儲器(ROM)：</p

44、><p>　　程序存取器（ROM）用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格等。8051共有4096個8位掩膜ROM。 </p><p><b>　　定時/計數(shù)器：</b></p><p>　　定時/計數(shù)器用于硬件的定時或計數(shù)。8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，也可產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。</p><p&g

45、t;　　并行輸入輸出(I/O)口：</p><p>　　單片機的并行輸入輸出（I/O）口主要用于和外部設備進行通信，以便于處理外部的輸入和將運算結(jié)果反饋到外部設備。8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p><b>　　全雙工串行口：</b></p><p>　　全雙工串行口主要用于與其他設

46、備間的串行數(shù)據(jù)傳送。 8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用</p><p><b>　　中斷系統(tǒng)：</b></p><p>　　8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。</p>

47、;<p><b>　　時鐘電路：</b></p><p>　　8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。</p><p>　　3. 51系列單片機的引腳功能</p><p>　　8051系列單片機采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，它們的引腳配置如圖3.2所示

48、，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：</p><p>　　圖3.2 8051引腳配置</p><p>　　Pin20:接地腳。</p><p>　　Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。</p><p

49、>　　Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。</p><p>　　8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10pF-30pF。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。<

50、/p><p>　　輸入輸出(I/O)引腳： Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。</p><p>　　Pin9:RESET/Vpd復位信號復用

51、腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。</p><p>　　Pin30:ALE/當訪問外部程序器時，A

52、LE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。</p><p>　　Pin29:當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上

53、，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。</p><p>　　Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。在編程時，EA

54、/Vpp腳還需加上21V的編程電壓[6]。</p><p>　　3.1.2 復位電路</p><p>　　復位是單片機的CPU及系統(tǒng)的各個部件處于特定的初始狀態(tài)，并使系統(tǒng)從初始狀態(tài)開始工作。一般需要在系統(tǒng)上電，或者程序死機的時候需要進行單片機的復位。單片機的復位狀態(tài)是單片機在上電時，首先進入的一個特定的狀態(tài)。在復位狀態(tài)下，CPU和整個硬件資源，特別是特殊功能寄存器都處于初始化的狀態(tài)。&l

55、t;/p><p>　　單片機的復位電路是促使單片機進入復位狀態(tài)的硬件結(jié)構(gòu)。單片機的復位是很重要的，復位操作可以完成單片機的初始化，也可使處于死機狀態(tài)下的單片機重新開始運行[16]。</p><p><b>　　1. 復位要求</b></p><p>　　單片機復位的原理是在時鐘電路開始工作后，在單片機的RST引腳施加24個時鐘振蕩脈沖（即兩個機器周

56、期）以上的高電平，單片機便可以實現(xiàn)復位。在復位期間，單片機的ALE引腳和引腳均輸出高電平。當RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶螅瑔纹瑱C便從0000H單元開始執(zhí)行程序。</p><p>　　在實際應用中，一般采用外部復位電路來進行單片機復位。一般在RST引腳保持10ms以上的高電平，保證單片機能夠可靠地復位。</p><p><b>　　2. 上電復位電路</b><

57、/p><p>　　上電復位電路的基本原理是利用RC電路的充放電效應電路如圖3.3所示。當單片機系統(tǒng)上電的時候，復位電路通過電容加在RST引腳一個短暫的高電平信號，這個高電平信號隨著電容的充電而逐漸降低，這個高電平持續(xù)的時間和RC電路的充放電時間有關(guān)。</p><p>　　圖3.3 上電復位電路</p><p>　　3. 手動加上電復位電路</p><

58、;p>　　在實際應用中，一般采用既可以手動復位，又可以上電復位的電路，這樣可以人工復位單片機系統(tǒng)，這種電路如圖3.4所示。上電復位電路部分的原理也是RC電路的充放電效應。除了系統(tǒng)上電的時候可以給RST引腳一個短暫的高電平信號外，當按下按鍵開關(guān)的時候，VCC通過一個高電阻連接到RST引腳，給RST一個高電平，按鍵松開的時候，RST引腳恢復為低電平，復位完成。</p><p>　　圖3.4 手動加上電復位電路

59、</p><p>　　通過比較上面兩種復位電路，在實際應用中，我們在本系統(tǒng)選擇手動加上電復位電路比較實用[7]。</p><p>　　3.1.3 時鐘電路</p><p>　　時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要的時鐘信號。STC89C52單片機內(nèi)部包含有一個振蕩器，可以用于CPU的時鐘源。另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號來供內(nèi)部CPU運行

60、使用。</p><p><b>　　1. 內(nèi)部時鐘模式</b></p><p>　　內(nèi)部時鐘模式是采用單片機內(nèi)部振蕩器來工作的模式。51系列單片機內(nèi)部包含有一個高增益的單級反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為片內(nèi)放大器的輸入端口和輸出端口,其工作頻率為0~33MHz。</p><p>　　當單片機工作于內(nèi)部時鐘模式的時候，只需在XTAL

61、1引腳和XTAL2引腳連接一個晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并聯(lián)兩個電容后接地即可，如圖3.5所示。使用時對于電容的選擇有一定得要求，具體如下：</p><p>　　A 當外接晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=3010pF；</p><p>　　B 當外接陶瓷振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=4010pF。</p><p>　　在實際電路設計時，盡量保證外

62、接的振蕩器和電容盡可能接近單片機的XTAL1和XTAL2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩(wěn)定可靠地為單片機CPU提供時鐘信號[17]。</p><p>　　圖3.5 內(nèi)部時鐘電路</p><p><b>　　2. 外部時鐘模式</b></p><p>　　外部時鐘模式是采用外部振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，直接提供給單片機使用。對于不同的結(jié)

63、構(gòu)的單片機，外部時鐘信號接入的方式有所不同。</p><p>　　對于普通的8051單片機，外部時鐘信號由XTAL2引腳接入后直接送到單片機內(nèi)部的時鐘信號發(fā)生器，而引腳XTAL1則應直接接地。這里需要注意，由于XTAL2引腳的邏輯電平不是TTL信號，因此外接一個上拉電阻。</p><p>　　對于CMOS型的80C51, 80C52, AT89S52等單片機，和普通的8051不同的是其內(nèi)部

64、的時鐘信號取自于反相放大器的輸入端。因此外部的時鐘信號應該接到單片機的XTAL1引腳，而XTAL2引腳懸空即可。</p><p>　　根據(jù)實際應用，我們選擇內(nèi)部時鐘電路，外接頻率12.000MHz的晶體振蕩器，選擇兩個電容值為30pF的陶瓷電容。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)背景亮度監(jiān)測模塊</p><p>　　系統(tǒng)背景亮度監(jiān)測模塊是整個系統(tǒng)的輸入模塊，由光電

65、轉(zhuǎn)換電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。</p><p>　　3.2.1 光電轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　1. 光敏傳感器</b></p><p>　　光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器.它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進

66、行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,因此,光敏傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和器件性價比，我們選擇常用的光敏電阻GL5549。</p><p><b>　　2. 光電轉(zhuǎn)換電路</b></p><p>　

67、　光電轉(zhuǎn)換電路圖如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 光電轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　電路說明：光敏電阻與R9串聯(lián)，經(jīng)限流電阻與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，光照越強，光敏電阻阻值越小，則光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓越大，反之越小[8]。</p><p>　　3.2.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，我們采用典型的模/數(shù)轉(zhuǎn)換

68、芯片將光電轉(zhuǎn)換電路輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。</p><p>　　1. 模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804 引腳功能及應用特性如下：</p><p>　　ADC0804引腳圖如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 ADC0804引腳圖</p><p>　　CS、RD、WR（引腳1、2、3）：是數(shù)字控制輸入端，滿足標準TTL邏輯電平。其

69、中CS和WR用來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號。CS、RD用來讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當它們同時為低電平時，輸出數(shù)據(jù)鎖存器DB0~DB7各端上出現(xiàn)8位并行二進制數(shù)碼。</p><p>　　CLKI（引腳4）和CLKR（引腳19）：ADC0801~0804片內(nèi)有時鐘電路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”兩端外接一對電阻電容即可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所要求的時鐘，其振蕩頻率為fCLK≈1/1.1RC。其典型應用參數(shù)為：R=10kΩ

70、，C=150pF，fCLK≈640kHz，轉(zhuǎn)換速度為100μｓ。若采用外部時鐘，則外部fCLK 可從CLKI 端送入，此時不接R、C。允許的時鐘頻率范圍為100kHz～1460kHz。</p><p>　　INTR（引腳5）：INTR是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，輸出跳轉(zhuǎn)為低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可作為微處理器的中斷或查詢信號。如果將CS和WR端與INTR端相連，則ADC0804就處于自動循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。</p&

71、gt;<p>　　CS＝0時，允許進行A/D轉(zhuǎn)換。WR由低跳高時A/D轉(zhuǎn)換開始，8位逐次比較需8×8=64個時鐘周期，再加上控制邏輯操作，一次轉(zhuǎn)換需要66～73個時鐘周期。在典型應用fCLK＝640kHz時，轉(zhuǎn)換時間約為103μｓ～114μｓ。當fCLK超過640kHz，轉(zhuǎn)換精度下降，超過極限值1460kHz時便不能正常工作。</p><p>　　VIN+（引腳6）和VIN-（引腳7）：被

72、轉(zhuǎn)換的電壓信號從VIN+和VIN-輸入，允許此信號是差動的或不共地的電壓信號。如果輸入電壓VIN的變化范圍從0V到Vmax，則芯片的VIN-端接地，輸入電壓加到VIN+引腳。由于該芯片允許差動輸入，在共模輸入電壓允許的情況下，輸入電壓范圍可以從非零伏開始，即Vmin至Vmas。此時芯片的VIN-端應該接入等于Vmin的恒值電碼墳上，而輸入電壓VIN仍然加到VIN+引腳上。</p><p>　　AGND（引腳8）和

73、DGND（引腳10）：A/D轉(zhuǎn)換器一般都有這兩個引腳。模擬地AGND 和數(shù)字地DGND 分別設置引入端，使數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合造成的干擾。</p><p>　　VREF/2（引腳9）：參考電壓VREF/2 可以由外部電路供給，從“VREF/2”端直接送入，VREF/2端電壓值應是輸入電壓范圍的二分之一。所以輸入電壓的范圍可以通過調(diào)整VＲＥＦ/2 引腳處的電壓加以改變，轉(zhuǎn)換器的零點無需

74、調(diào)整。</p><p>　　2．ADC0804典型應用電路如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 ADC0804典型應用電路</p><p><b>　　3.3 電源模塊</b></p><p>　　電源電路的設計在整個系統(tǒng)占有重要的地位，它的技術(shù)指標會影響到整個系統(tǒng)的性能，如果電源的噪聲、紋波比較大，那么在

75、數(shù)據(jù)采集、信號檢測、信號放大等對噪聲敏感的場合，系統(tǒng)的精度會有明顯的下降，甚至不能正常工作，所以對電源有嚴格的要求。電源模塊為整個系統(tǒng)提供工作所需的5V直流穩(wěn)壓電源。該系統(tǒng)電源供給設計有兩種方案。</p><p>　　3.3.1 USB供電</p><p>　　由于電腦的USB口能提供穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源，我們可以直接采用電腦通過USB口向單片機系統(tǒng)供電，該方案簡單方便，適用于系統(tǒng)調(diào)試

76、時使用。</p><p>　　3.3.2 穩(wěn)壓電路</p><p>　　1. 穩(wěn)壓芯片L7805簡介</p><p>　　L7805是日本三洋公司生產(chǎn)的三端固定穩(wěn)壓集成電路，廣泛應用于各種電器的電源電路中。</p><p>　　L7805集成電路的引腳功能及數(shù)據(jù)如表3.9所示</p><p>　　表3.9 L780

77、5集成電路的引腳功能及數(shù)據(jù)</p><p>　　2. 典型穩(wěn)壓電路如圖3.10所示</p><p>　　圖3.10 典型穩(wěn)壓電路</p><p>　　CP1、CP2、CP3、CP4分別為輸入端和輸出端濾波電容。當輸出電較大時，7805應配上散熱板。</p><p>　　3.4 串口通信模塊</p><p>　　串行

78、接口是單片機與外部設備之間進行數(shù)據(jù)通信的主要途徑。51系類單片機提供了功能強大的全雙工串行通信接口，可以方便的實現(xiàn)多機通信或單片機與主機之間的通信。</p><p>　　串行通信是指數(shù)據(jù)的各個二進制位按照順序一位一位地進行傳輸。這種通信方式的優(yōu)點是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬件成本及單片機的引腳資源，并且抗干擾能力強，適合于遠距離數(shù)據(jù)傳輸，缺點是每次發(fā)送一個比特，導致傳輸速度慢，效率低。</p><

79、p>　　3.4.1 串行通信簡介</p><p>　　單片機的串行通信是將數(shù)據(jù)的二進制位，按照一定的順序進行逐位發(fā)送，接收方則按照對應的順序逐位接收，并將數(shù)據(jù)恢復出來。單片機的串行通信有異步通信和同步通信兩種基本方式。下面分別介紹。</p><p><b>　　1. 異步通信方式</b></p><p>　　異步通信是一種利用數(shù)字或字符

80、的再同步技術(shù)的通信方式，其全稱為Asynchronous Communication。在異步通信過程中，數(shù)據(jù)通常是以幀為單位進行傳送的，每個幀為一個字符或一個字節(jié)。發(fā)送方將字符幀一位一位地發(fā)送出去，接收方則一位一位地接收該字符幀。發(fā)送方和接收方各自有一個控制發(fā)送和接收的時鐘，這兩個時鐘不同，相互獨立。</p><p>　　一個字符幀按順序一般可以分為4部分，即起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位。</p>

81、;<p>　　在異步通信的過程中，數(shù)據(jù)幀在傳輸線上的傳送一般是不連續(xù)的，即傳輸時，字符間隔不固定，各個字符幀可以是連續(xù)發(fā)送，也可以是間斷發(fā)送，在間斷發(fā)送時，停止位之后，傳輸線路上自動保持高電平。</p><p>　　異步串行通信的優(yōu)點是不需要進行時鐘同步，字符幀的長度不受限制，使用起來比較方便，應用范圍廣；其缺點是傳送每個字符都要有起始位，奇偶校驗位和停止位，這樣便降低了有效地數(shù)據(jù)傳輸速率。<

82、/p><p><b>　　2. 同步通信方式</b></p><p>　　同步通信方式是一種連續(xù)的串行傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，其全稱為Synchronous Communication。同步串行通信的一次通信過程只傳送一幀的信息。</p><p>　　同步通信由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗字符三部分組成。同步通信吧要發(fā)送的數(shù)據(jù)按順序連接成一個數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)

83、塊的開頭附加同步字符，在數(shù)據(jù)塊的末尾附加差錯校驗字符。在數(shù)據(jù)塊的內(nèi)部，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間沒有間隔。</p><p>　　在進行同步串行通信時，發(fā)送方首先發(fā)送同步字符，數(shù)據(jù)則緊跟其后發(fā)送。接收方檢測到同步字符后，開始逐個接收數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)接收完畢，然后按照雙方規(guī)定的的長度恢復成一個一個的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后進行校驗，如果無傳輸錯誤，則可以結(jié)束一幀的傳輸。</p><p>　　同步串行通信的優(yōu)點是不

84、用單獨發(fā)送每個字符，其傳輸速率高，一般用于高速率的數(shù)據(jù)通信場合；缺點是需要進行發(fā)送方和接收方之間的時鐘同步，整個系統(tǒng)設計比較復雜。</p><p><b>　　3. 通信方向</b></p><p>　　在串行通信中，把通信接口只能發(fā)送或接收的單向傳送辦法叫單工傳送；而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機之間的雙向傳遞，稱之為雙工傳送。在雙工傳送方式中又分為半雙工傳送和全雙工傳送。半雙工

85、傳送是兩機之間不能同時進行發(fā)送和接收，任一時該，只能發(fā)或者只能收信息[5]。</p><p>　　3.4.2 串口通信電路</p><p>　　RS-232接口標準是EIA（Electronic Industry Association）廣泛使用的標準。RS-232的一個典型應用就是實現(xiàn)單片機與PC的串行通信二者的電氣連接就是基于RS-232接口標準，接口轉(zhuǎn)換芯片使用MAX232。<

86、;/p><p>　　1. MAX232芯片介紹</p><p>　　MAX232是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。MAX232含有兩個RS-232發(fā)送驅(qū)動器和接受驅(qū)動器。其中發(fā)送器的輸入是TTL/CMOS電平，輸出為RS-232電平。當MAX232的工作電壓為+5V，而RS-232接收端負載為5K時發(fā)送器的輸出電壓為+-8V；空載時輸出電壓在（V+-0.6V）~V-之

87、間變化。MAX232的兩個發(fā)送器若只用一個發(fā)送器，另一個發(fā)送器輸入輸出端可以懸空。</p><p>　　MAX232接收器的輸入為RS-232電平，輸出為TTL/CMOS電平。不使用的輸入輸出端可以懸空。其輸入端內(nèi)置5K下拉電阻，當輸入端懸空時，被下拉至低電平經(jīng)過反相器，輸出端為高電平。MAX232引腳分布如圖3.11所示[9]。</p><p>　　圖3.11 MAX232引腳分布&l

88、t;/p><p><b>　　2. 串口通信電路</b></p><p>　　串口通信電路如圖3.12所示。圖中，51單片機的串行數(shù)據(jù)輸出端口TXD連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸入端口T1 IN，用于向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)輸入端口RXD連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸出端口R1 OUT，用于接收PC串行輸入的數(shù)據(jù)。</p><p>　　PC

89、的串行數(shù)據(jù)輸入端口RXIN連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸出端口T1 OUT,用于接收單片機發(fā)送的串行數(shù)據(jù),PC的串行數(shù)據(jù)輸出端口R1IN連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸入端口R1IN,用于向單片機發(fā)送串行數(shù)據(jù)[9]。</p><p>　　圖3.12 串口通信電路</p><p>　　3.5 光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊</p><p>　　光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊整個系

90、統(tǒng)重要的模塊之一，用于調(diào)節(jié)LED的亮度。電路由鎖存器，電流驅(qū)動器和36個LED構(gòu)成。</p><p>　　3.5.1 鎖存器74HC573</p><p>　　1. 芯片74HC573引腳如圖3.13</p><p>　　圖3.13 74HC573引腳</p><p>　　74HC573是八進制3泰非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，當鎖存使能端為高時，7

91、4HC573的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步）。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持是的數(shù)據(jù)會被鎖存。</p><p>　　2. 74HC573真值表如表3.14所示。</p><p>　　表3.14 74HC573真值表</p><p>　　3.5.2 電流驅(qū)動芯片ULN2003</p><p>　　ULN2003是高耐壓，大電

92、流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管構(gòu)成。</p><p>　　該電路的特點如下：ULN2003 的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行[11]。ULN2003引腳如圖3.

93、15所示。</p><p>　　圖3.15 ULN2003引腳</p><p>　　3.5.3 光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊電路</p><p>　　在該模塊電路中，兩個鎖存器74HC573芯片接收單片機P0口輸出的二進制數(shù)，來調(diào)節(jié)36個LED的通斷，其中一個控制LED的正極，另一個控制負極。由于LED個數(shù)較多，需要很大的驅(qū)動電流，而需要加入ULN2003芯片來增大電流

94、[1]。36個LED以6x6方正排列。光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊電路如圖3.16所示[15]。</p><p>　　圖3.16 光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊電路</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了系統(tǒng)硬件的構(gòu)成模塊，分別為信息處理單元模塊，背景亮度監(jiān)測模塊，電源模塊，LED光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊，串口通

95、信模塊。設計各個模塊的實現(xiàn)方法，功能，對元器件進行選型。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件編程的設計與實現(xiàn)</p><p>　　硬件電路設計完成后的工作是通過軟件編程來實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，也就是進行軟件開發(fā)。對于電子系統(tǒng)，軟件設計建立在具體硬件電路基礎之上，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及工作的可靠性不僅需要合理的硬件設計，很大程度上取決于功能完善、算法先進的軟件設計。一個合理的軟件設計能夠充分發(fā)

96、揮微控制器的運算和邏輯控制功能，可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。</p><p>　　本章主要介紹系統(tǒng)軟件編程設計思路，并給出了各分模塊的軟件設計流程圖和編程思想。</p><p>　　4.1 軟件總體設計與流程</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)程序開發(fā)軟件介紹</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設計采用了Keil C51這種單片機C語言，K

97、eil C51軟件是眾多單片機應用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編，和C語言的程序設計，界面友好，易學易用。單片機開發(fā)軟件KeilC編程界面如圖4.1所示。</p><p>　　采用Keil C51開發(fā)8051單片機應用程序一般需要以下步驟。</p><p>　　1. 在u Vision3集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建一個新項目（Project），并位該項目選定合適的單片機CP

98、U器件，本系統(tǒng)選擇AT89C52芯片。</p><p>　　2. 利用u Vision3的文件編輯器編寫C語言源程序文件，并將文件添加到項目中去。一個項目可以包含多個文件，除源程序文件外還可以由庫文件或文本說明文件。</p><p>　　3. 通過u Vision3的各種選項，配置Cx51編輯器，Ax51宏編輯器，BL51/Lx51連接定位器以及Debug調(diào)試期的功能。</p>

99、<p>　　4. 利用u Vision3的構(gòu)造（Build）功能對項目中的源程序文件進行編譯連接，生成絕對目標代碼和可選的HEX文件，如果出現(xiàn)編譯連接錯誤則返回到第2步，修改源程序中的錯誤后重新構(gòu)造整個項目。</p><p>　　5. 將沒有錯誤的絕對目標代碼裝入u Vision3調(diào)試器進行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后，將HEX文件寫入到單片機應用系統(tǒng)的EPROM中[10]。</p><

100、p>　　圖4.1 單片機開發(fā)軟件KeilC編程界面</p><p>　　4.1.2 系統(tǒng)主程序的設計</p><p>　　系統(tǒng)軟件部分設計采用模塊化設計的方法，把實現(xiàn)系統(tǒng)全部功能一個完整的大程序分解為幾個功能相對獨立的比較小的程序模塊，對實現(xiàn)各個功能的程序模塊分別進行設計、編程和調(diào)試，最后把各個調(diào)試好的程序模塊聯(lián)成一個完整的程序。模塊化程序設計的優(yōu)點是單個功能明確，設計和調(diào)試比較方

101、便、容易完成。一個模塊可以為多個程序所共享[19]。在本系統(tǒng)單片機部分程序設計中，模塊化編程的具體體現(xiàn)是把各個功能相對獨立的模塊作為子函數(shù)，即把程序設計成一個初始化子程序和一個大循環(huán)。程序初始化完成之后，在大循環(huán)里面實現(xiàn)單片機軟件功能，即由LED驅(qū)動程序，ADC0804采集程序兩個模塊組成。主程序是一個不斷循環(huán)檢測結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 系統(tǒng)主程序流程圖</p

102、><p>　　當系統(tǒng)上電自檢、初始化后，進入單片機控制的大循環(huán)之中，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)、調(diào)用電壓轉(zhuǎn)換函數(shù)、調(diào)用LED驅(qū)動函數(shù)。最后在完成校驗之后進入下一次循環(huán)。</p><p>　　4.2 各子模塊軟件設計與實現(xiàn)</p><p>　　4.2.1 LED驅(qū)動模塊程序</p><p>　　單片機控制LED的通斷主要分為兩部分，即控制LED的正極與

103、負極。單片機P0口通過控制鎖存器74HC573來調(diào)節(jié)LED的通斷。LED驅(qū)動模塊程序由LED操作函數(shù)和LED點亮函數(shù)兩個函數(shù)組成。LED點亮個數(shù)函數(shù)的功能是用來實現(xiàn)調(diào)節(jié)LED發(fā)光個數(shù)；LED操作函數(shù)是根據(jù)ADC0804轉(zhuǎn)換程序采集的外部電壓來調(diào)用LED點亮函數(shù)。LED操作函數(shù)程序流程圖如圖4.3所示，LED點亮個數(shù)函數(shù)流程圖如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.3 LED操作函數(shù)程序流程圖</p&g

104、t;<p>　　圖4.4 LED點亮個數(shù)函數(shù)流程圖</p><p>　　4.2.2 ADC0804轉(zhuǎn)換模塊程序</p><p>　　基于ADC0804的電壓數(shù)據(jù)采集程序比較簡單，值涉及到ADC0804的啟動和讀取電壓數(shù)字量，ADC0804轉(zhuǎn)換完成后將觸發(fā)外部中斷INT0，程序編寫主要集中在外部中斷INT0的中斷服務程序。ADC0804轉(zhuǎn)換程序模塊如圖4-5所示。</

105、p><p>　　圖4.5 ADC0804轉(zhuǎn)換程序模塊流程圖</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先簡要介紹了系統(tǒng)軟件編程語言與編程工具及如何使用編程工具，接著給出了軟件總體設計與流程，最后將系統(tǒng)級的設計細化到模塊級設計，具體而詳細的給出了ADC0804轉(zhuǎn)換模塊程序和LED驅(qū)動模塊程序的設計與流程，以各

106、個模塊為單元進行具體的設計</p><p><b>　　第5章 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試及問題分析</p><p>　　系統(tǒng)硬件設計制作完成之后，首先應該測試硬件電路。</p><p>　　首先檢查系統(tǒng)電源是否接入硬件電路，各個元件管腳是否有虛焊，特別是發(fā)光二極管和極性電容的管腳是否

107、正負極反接。經(jīng)過用萬用表檢查之后，發(fā)現(xiàn)在電路設計的時候，電源開關(guān)被短路，在電路中沒有任何作用。</p><p>　　經(jīng)過初步檢查之后，就可以向系統(tǒng)接入電源，對系統(tǒng)硬件進一步進行調(diào)試。</p><p>　　電路連接好之后，我們可以向系統(tǒng)中下載硬件電路測試程序，經(jīng)過實驗，系統(tǒng)串口通信模塊完全可以向單片機中下載程序，說明串口通信模塊符合要求。下載完系統(tǒng)硬件測試程序后，就可以檢測系統(tǒng)LED光源亮度

108、調(diào)節(jié)驅(qū)動電路。硬件電路測試程序如下：</p><p>　　void LED_Test( void )</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar i, j;</p><p>　　for (i = 1; i < 7; i++)</p><p><b>　　

109、{</b></p><p>　　for (j = 1; j < 7; j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　LED_TurnOnOneLED(i, j);//調(diào)用子函數(shù)</p><p>　　Delay_ms(1000);//延時1s</p><p>

110、;<b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　for (i = 1; i < 10; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　LED_TurnOnLED(i);</p><p>