具有自動(dòng)亮度控制功能的led光源的設(shè)計(jì)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(yīng)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(jì)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(dá)國家是19%，我國是10%。隨著經(jīng)濟(jì)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(yīng)用越來越受到重視。開發(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能燈具，成為迫在眉睫的任務(wù)。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(yīng)，容易使人眼產(chǎn)生錯(cuò)覺，需要在設(shè)計(jì)上采取措施消除頻閃效應(yīng)，

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(diǎn)：低電壓驅(qū)動(dòng)，最低可用2V電壓驅(qū)動(dòng)；體積小，一般直徑3-5mm，用于被光照明的體積更??；重量輕，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(dòng)、不易損壞、色溫變化時(shí)不會(huì)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(yīng)用前景的是照明用LED，其用作固體照明器件的經(jīng)濟(jì)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(rèn)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(jì)60年代。1970年11月在上海召開的全國砷化鎵學(xué)術(shù)交流會(huì)議上，報(bào)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(jì)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(xué)基金的支持下，北京大學(xué)率先研制出國內(nèi)第一只藍(lán)光發(fā)光二極管。幾年后南昌大學(xué)在國際上率先開發(fā)成功硅襯底藍(lán)光LED材料與芯片的生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)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(dǎo)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(dá)107 lm/

7、W。這項(xiàng)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(xiàng)目的一部分，這個(gè)項(xiàng)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(gè)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(bào)道了LED技術(shù)方面的新進(jìn)展，聲稱光效達(dá)到330lm/W。這種被稱作photon-rectcling的半導(dǎo)體光源可發(fā)出藍(lán)、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(yīng)該指出，從實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)公司已完成一項(xiàng)大型實(shí)驗(yàn)，采用了14000只白光和彩

9、色LED的混合照明整個(gè)房間。光照水平達(dá)到600-700Lux，足夠一間普通辦公室的照明。用計(jì)算機(jī)計(jì)算白光，藍(lán)光，藍(lán)/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(yīng)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(dǎo)體技術(shù)不僅不會(huì)被其他技術(shù)取代，而且會(huì)繼續(xù)沿著原來的軌道向前發(fā)展。半導(dǎo)體照明技術(shù)由于

10、技術(shù)的先進(jìn)性和產(chǎn)品使用的廣泛性，已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ母呖萍碱I(lǐng)域之一。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效果，也被認(rèn)為是一個(gè)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(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)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(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，p型半導(dǎo)體里面空穴占主導(dǎo)地位，n型半導(dǎo)體里面主要是電子，當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)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(fù)合時(shí)

12、會(huì)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(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)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(diǎn)</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(gè)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(gè)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(shí)，光衰為初始的50%。</p><p>　　5. 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時(shí)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(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)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(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，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(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)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(dá)到10流明/瓦。90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)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(dá)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(dá)到50流明/瓦。</p><p>　　1.3.4 LED的應(yīng)用</p><p>　　1.

18、建筑物外觀照明</p><p>　　對建筑物某個(gè)區(qū)域進(jìn)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(diǎn)，因?yàn)樵S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(zhǔn)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(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行照明。對于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作為光源進(jìn)行照明。LED隱藏式的投光燈具會(huì)特別受到青睞。固定端可以設(shè)計(jì)為插拔式，依據(jù)植物生長的高度，方便

20、進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p><p>　　3. 標(biāo)識與指示性照明</p><p>　　需要進(jìn)行空間限定和引導(dǎo)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(dāng)?shù)腖ED自發(fā)光埋地?zé)艋蚯对诖怪眽γ娴臒艟撸缬皠≡河^眾廳內(nèi)的地面引導(dǎo)燈或座椅側(cè)面的指示燈，以及購物中心內(nèi)樓層的引導(dǎo)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(huì)因?yàn)橹谱髦袕澢黾淤M(fèi)用，

21、值得在標(biāo)識設(shè)計(jì)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(huì)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(fèi)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(shí)后仍然維持90％的光通），與PAR燈和金鹵燈的 50～250 小時(shí)的壽命相比，降低了維

23、護(hù)費(fèi)用和更換光源的頻率。另外，LED克服了金鹵燈使用一段時(shí)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(yīng)用已蔚然成風(fēng)。</p><p><b>　　6. 視頻屏幕</b></p><p>　　全彩色LED顯示屏是當(dāng)今世界上最為引人注目的戶外大型顯示裝置，采用先進(jìn)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(shí)現(xiàn)不同的亮度、色彩、分辨率，以滿足各種用途。它可以動(dòng)態(tài)顯示圖文動(dòng)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(dāng)屬美國曼哈頓時(shí)代廣場紐約證券交易所，總計(jì)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(gè)畫面，而同時(shí)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(gè)朝

25、向浦西的建筑立面鑲上了長100ｍ的超大型LED屏，總計(jì)面積達(dá)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(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機(jī)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(lán)光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)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(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)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(xué)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　本章根據(jù)論文課題要求的性能指標(biāo)進(jìn)行方案論證，給出課題要求的性能指標(biāo)，根據(jù)系

28、統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.1 性能指標(biāo)</b></p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)功能</p><p>　　系統(tǒng)采集外部光照強(qiáng)度，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)控制LED的通斷，達(dá)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(shí)間：t>1s</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想</p><p>　　本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C52作為本設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)方案</p><p>　　根據(jù)上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的描述，具有自動(dòng)控制功能的LED光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成。該部分電路是整個(gè)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(dāng)?shù)男畔⑻幚?，輸出到LED亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jī)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(gè)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(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)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(jī)連接。該電路在系統(tǒng)中的主要作用是用來從上位機(jī)向單片機(jī)中下載系統(tǒng)程序。</p><p>　　5. LED光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊</p><p>　　光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊主要由鎖存器、電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)也與MCS-51系列單片機(jī)完全該芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器為8KB ROM存儲(chǔ)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(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對芯片多次拔插，所以不會(huì)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(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(yīng)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(jià)比比較適合本系統(tǒng)。在選擇光敏傳感器的時(shí)候，我們選擇簡單實(shí)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(shí)現(xiàn)的功能，完成系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)論證，給出系統(tǒng)原理框圖，并簡述系統(tǒng)方案各模塊實(shí)現(xiàn)的功能。</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)</p><p>　　本章根據(jù)已完成的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(xì)介紹各個(gè)電路模塊元件的構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)的功能，完成系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，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(gè)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(fù)位電路，時(shí)鐘電路構(gòu)成。</p><p>　　3.1.1 主控芯片</p>

39、<p><b>　　1. 單片機(jī)選型</b></p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，因此選擇合適的單片機(jī)型號很重要。根據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能需要的單片機(jī)硬件資源，在性能指標(biāo)滿足的情況下，該系統(tǒng)的單片機(jī)型號選擇8051系列的STC89C52芯片。</p><p>　　STC89C52系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速

40、、低功耗的單片機(jī)，指令碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇。STC89C52具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)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(gè)子模塊程序之間的切換；STC89C52的運(yùn)算速度可滿足一般的設(shè)計(jì)要求；而且STC系列單片機(jī)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(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　8051系列單片機(jī)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(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)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(jī)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(jī)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(gè)單片機(jī)的核心部件，51系列單片機(jī)是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，它能處理8位二進(jìn)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(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。</p>&

43、lt;p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)：</p><p>　　數(shù)據(jù)存取器（RAM）可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)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(gè)。</p><p>　　程序存儲(chǔ)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(gè)8位掩膜ROM。 </p><p><b>　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器：</b></p><p>　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于硬件的定時(shí)或計(jì)數(shù)。8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)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(jī)的并行輸入輸出（I/O）口主要用于和外部設(shè)備進(jìn)行通信，以便于處理外部的輸入和將運(yùn)算結(jié)果反饋到外部設(shè)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(shè)

46、備間的串行數(shù)據(jù)傳送。 8051內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)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(dāng)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(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)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(shí)鐘電路：</b></p><p>　　8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容。</p><p>　　3. 51系列單片機(jī)的引腳功能</p><p>　　8051系列單片機(jī)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(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)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(shí)，接+5V電源。</p><p

49、>　　Pin19:時(shí)鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　Pin18:時(shí)鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。</p><p>　　8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)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(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)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(fù)位信號復(fù)用

51、腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)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(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。</p><p>　　Pin30:ALE/當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，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(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號，這個(gè)信號可以用于識別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。</p><p>　　Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)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(chǔ)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(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(chǔ)器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器的8031,EA端必須接地。在編程時(shí)，EA

54、/Vpp腳還需加上21V的編程電壓[6]。</p><p>　　3.1.2 復(fù)位電路</p><p>　　復(fù)位是單片機(jī)的CPU及系統(tǒng)的各個(gè)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(jī)的時(shí)候需要進(jìn)行單片機(jī)的復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)是單片機(jī)在上電時(shí)，首先進(jìn)入的一個(gè)特定的狀態(tài)。在復(fù)位狀態(tài)下，CPU和整個(gè)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(jī)的復(fù)位電路是促使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的硬件結(jié)構(gòu)。單片機(jī)的復(fù)位是很重要的，復(fù)位操作可以完成單片機(jī)的初始化，也可使處于死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新開始運(yùn)行[16]。</p><p><b>　　1. 復(fù)位要求</b></p><p>　　單片機(jī)復(fù)位的原理是在時(shí)鐘電路開始工作后，在單片機(jī)的RST引腳施加24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（即兩個(gè)機(jī)器周

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

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

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

59、</p><p>　　通過比較上面兩種復(fù)位電路，在實(shí)際應(yīng)用中，我們在本系統(tǒng)選擇手動(dòng)加上電復(fù)位電路比較實(shí)用[7]。</p><p>　　3.1.3 時(shí)鐘電路</p><p>　　時(shí)鐘電路是用于產(chǎn)生單片機(jī)正常工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部包含有一個(gè)振蕩器，可以用于CPU的時(shí)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(shí)鐘信號來供內(nèi)部CPU運(yùn)行

60、使用。</p><p><b>　　1. 內(nèi)部時(shí)鐘模式</b></p><p>　　內(nèi)部時(shí)鐘模式是采用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器來工作的模式。51系列單片機(jī)內(nèi)部包含有一個(gè)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(dāng)單片機(jī)工作于內(nèi)部時(shí)鐘模式的時(shí)候，只需在XTAL

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

62、接的振蕩器和電容盡可能接近單片機(jī)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(jī)CPU提供時(shí)鐘信號[17]。</p><p>　　圖3.5 內(nèi)部時(shí)鐘電路</p><p><b>　　2. 外部時(shí)鐘模式</b></p><p>　　外部時(shí)鐘模式是采用外部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號，直接提供給單片機(jī)使用。對于不同的結(jié)

63、構(gòu)的單片機(jī)，外部時(shí)鐘信號接入的方式有所不同。</p><p>　　對于普通的8051單片機(jī)，外部時(shí)鐘信號由XTAL2引腳接入后直接送到單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘信號發(fā)生器，而引腳XTAL1則應(yīng)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(gè)上拉電阻。</p><p>　　對于CMOS型的80C51, 80C52, AT89S52等單片機(jī)，和普通的8051不同的是其內(nèi)部

64、的時(shí)鐘信號取自于反相放大器的輸入端。因此外部的時(shí)鐘信號應(yīng)該接到單片機(jī)的XTAL1引腳，而XTAL2引腳懸空即可。</p><p>　　根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，我們選擇內(nèi)部時(shí)鐘電路，外接頻率12.000MHz的晶體振蕩器，選擇兩個(gè)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(gè)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(jìn)

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(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)用非常廣泛。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和器件性價(jià)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(qiáng)，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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平。其

69、中CS和WR用來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號。CS、RD用來讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當(dāng)它們同時(shí)為低電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)鎖存器DB0~DB7各端上出現(xiàn)8位并行二進(jìn)制數(shù)碼。</p><p>　　CLKI（引腳4）和CLKR（引腳19）：ADC0801~0804片內(nèi)有時(shí)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(shí)鐘，其振蕩頻率為fCLK≈1/1.1RC。其典型應(yīng)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(shí)鐘，則外部fCLK 可從CLKI 端送入，此時(shí)不接R、C。允許的時(shí)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(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。</p&

71、gt;<p>　　CS＝0時(shí)，允許進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。WR由低跳高時(shí)A/D轉(zhuǎn)換開始，8位逐次比較需8×8=64個(gè)時(shí)鐘周期，再加上控制邏輯操作，一次轉(zhuǎn)換需要66～73個(gè)時(shí)鐘周期。在典型應(yīng)用fCLK＝640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為103μｓ～114μｓ。當(dāng)fCLK超過640kHz，轉(zhuǎn)換精度下降，超過極限值1460kHz時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)芯片的VIN-端應(yīng)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(gè)引腳。模擬地AGND 和數(shù)字地DGND 分別設(shè)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(yīng)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(diǎn)無需

74、調(diào)整。</p><p>　　2．ADC0804典型應(yīng)用電路如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 ADC0804典型應(yīng)用電路</p><p><b>　　3.3 電源模塊</b></p><p>　　電源電路的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)占有重要的地位，它的技術(shù)指標(biāo)會(huì)影響到整個(gè)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(huì)有明顯的下降，甚至不能正常工作，所以對電源有嚴(yán)格的要求。電源模塊為整個(gè)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(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)供電，該方案簡單方便，適用于系統(tǒng)調(diào)試

76、時(shí)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(yīng)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(dāng)輸出電較大時(shí)，7805應(yīng)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(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的主要途徑。51系類單片機(jī)提供了功能強(qiáng)大的全雙工串行通信接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信或單片機(jī)與主機(jī)之間的通信。</p><p>　　串行通信是指數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位按照順序一位一位地進(jìn)行傳輸。這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬件成本及單片機(jī)的引腳資源，并且抗干擾能力強(qiáng)，適合于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，缺點(diǎn)是每次發(fā)送一個(gè)比特，導(dǎo)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(jī)的串行通信是將數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位，按照一定的順序進(jìn)行逐位發(fā)送，接收方則按照對應(yīng)的順序逐位接收，并將數(shù)據(jù)恢復(fù)出來。單片機(jī)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(jìn)行傳送的，每個(gè)幀為一個(gè)字符或一個(gè)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(gè)控制發(fā)送和接收的時(shí)鐘，這兩個(gè)時(shí)鐘不同，相互獨(dú)立。</p><p>　　一個(gè)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(yàn)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(shí)，字符間隔不固定，各個(gè)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(shí)，停止位之后，傳輸線路上自動(dòng)保持高電平。</p><p>　　異步串行通信的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行時(shí)鐘同步，字符幀的長度不受限制，使用起來比較方便，應(yīng)用范圍廣；其缺點(diǎn)是傳送每個(gè)字符都要有起始位，奇偶校驗(yàn)位和停止位，這樣便降低了有效地?cái)?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(yàn)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(gè)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(cuò)校驗(yàn)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(jìn)行同步串行通信時(shí)，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(gè)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(fù)成一個(gè)一個(gè)的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后進(jìn)行校驗(yàn)，如果無傳輸錯(cuò)誤，則可以結(jié)束一幀的傳輸。</p><p>　　同步串行通信的優(yōu)點(diǎn)是不

84、用單獨(dú)發(fā)送每個(gè)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(diǎn)是需要進(jìn)行發(fā)送方和接收方之間的時(shí)鐘同步，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)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(jī)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(jī)之間不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，任一時(shí)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(biāo)準(zhǔn)是EIA（Electronic Industry Association）廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)。RS-232的一個(gè)典型應(yīng)用就是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC的串行通信二者的電氣連接就是基于RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)的芯片。MAX232含有兩個(gè)RS-232發(fā)送驅(qū)動(dòng)器和接受驅(qū)動(dòng)器。其中發(fā)送器的輸入是TTL/CMOS電平，輸出為RS-232電平。當(dāng)MAX232的工作電壓為+5V，而RS-232接收端負(fù)載為5K時(shí)發(fā)送器的輸出電壓為+-8V；空載時(shí)輸出電壓在（V+-0.6V）~V-之

87、間變化。MAX232的兩個(gè)發(fā)送器若只用一個(gè)發(fā)送器，另一個(gè)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(dāng)輸入端懸空時(shí)，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(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)模塊</p><p>　　光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊整個(gè)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(dòng)器和36個(gè)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(jìn)制3泰非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，當(dāng)鎖存使能端為高時(shí)，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(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持是的數(shù)據(jù)會(huì)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(dòng)芯片ULN2003</p><p>　　ULN2003是高耐壓，大電

92、流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管構(gòu)成。</p><p>　　該電路的特點(diǎn)如下：ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)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(dòng)模塊電路</p><p>　　在該模塊電路中，兩個(gè)鎖存器74HC573芯片接收單片機(jī)P0口輸出的二進(jìn)制數(shù)，來調(diào)節(jié)36個(gè)LED的通斷，其中一個(gè)控制LED的正極，另一個(gè)控制負(fù)極。由于LED個(gè)數(shù)較多，需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，而需要加入U(xiǎn)LN2003芯片來增大電流

94、[1]。36個(gè)LED以6x6方正排列。光源亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)模塊，串口通

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

96、揮微控制器的運(yùn)算和邏輯控制功能，可靠地實(shí)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(shè)計(jì)思路，并給出了各分模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖和編程思想。</p><p>　　4.1 軟件總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)采用了Keil C51這種單片機(jī)C語言，K

97、eil C51軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。單片機(jī)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(jī)應(yīng)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(gè)新項(xiàng)目（Project），并位該項(xiàng)目選定合適的單片機(jī)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(xiàng)目中去。一個(gè)項(xiàng)目可以包含多個(gè)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(xiàng)，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(xiàng)目中的源程序文件進(jìn)行編譯連接，生成絕對目標(biāo)代碼和可選的HEX文件，如果出現(xiàn)編譯連接錯(cuò)誤則返回到第2步，修改源程序中的錯(cuò)誤后重新構(gòu)造整個(gè)項(xiàng)目。</p><p>　　5. 將沒有錯(cuò)誤的絕對目標(biāo)代碼裝入u Vision3調(diào)試器進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后，將HEX文件寫入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的EPROM中[10]。</p><

100、p>　　圖4.1 單片機(jī)開發(fā)軟件KeilC編程界面</p><p>　　4.1.2 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，把實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全部功能一個(gè)完整的大程序分解為幾個(gè)功能相對獨(dú)立的比較小的程序模塊，對實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后把各個(gè)調(diào)試好的程序模塊聯(lián)成一個(gè)完整的程序。模塊化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)功能明確，設(shè)計(jì)和調(diào)試比較方

101、便、容易完成。一個(gè)模塊可以為多個(gè)程序所共享[19]。在本系統(tǒng)單片機(jī)部分程序設(shè)計(jì)中，模塊化編程的具體體現(xiàn)是把各個(gè)功能相對獨(dú)立的模塊作為子函數(shù)，即把程序設(shè)計(jì)成一個(gè)初始化子程序和一個(gè)大循環(huán)。程序初始化完成之后，在大循環(huán)里面實(shí)現(xiàn)單片機(jī)軟件功能，即由LED驅(qū)動(dòng)程序，ADC0804采集程序兩個(gè)模塊組成。主程序是一個(gè)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(dāng)系統(tǒng)上電自檢、初始化后，進(jìn)入單片機(jī)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(dòng)函數(shù)。最后在完成校驗(yàn)之后進(jìn)入下一次循環(huán)。</p><p>　　4.2 各子模塊軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.2.1 LED驅(qū)動(dòng)模塊程序</p><p>　　單片機(jī)控制LED的通斷主要分為兩部分，即控制LED的正極與

103、負(fù)極。單片機(jī)P0口通過控制鎖存器74HC573來調(diào)節(jié)LED的通斷。LED驅(qū)動(dòng)模塊程序由LED操作函數(shù)和LED點(diǎn)亮函數(shù)兩個(gè)函數(shù)組成。LED點(diǎn)亮個(gè)數(shù)函數(shù)的功能是用來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED發(fā)光個(gè)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(diǎn)亮函數(shù)。LED操作函數(shù)程序流程圖如圖4.3所示，LED點(diǎn)亮個(gè)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(diǎn)亮個(gè)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(dòng)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(wù)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(shè)計(jì)與流程，最后將系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)細(xì)化到模塊級設(shè)計(jì)，具體而詳細(xì)的給出了ADC0804轉(zhuǎn)換模塊程序和LED驅(qū)動(dòng)模塊程序的設(shè)計(jì)與流程，以各

106、個(gè)模塊為單元進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)</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(shè)計(jì)制作完成之后，首先應(yīng)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(gè)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(fù)極反接。經(jīng)過用萬用表檢查之后，發(fā)現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)的時(shí)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(jìn)一步進(jìn)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(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)串口通信模塊完全可以向單片機(jī)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(dòng)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(shí)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>