基于51单片机的光照强度检测报告要点.pdf
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1、0 课程设计报告 课程名称:智能仪器课程设计 题目:基于 51 单片机的光照强度 1 摘要 光敏电阻测光强度系统,该系统可以自动检测光照强度的强弱并显示让人们知道此时光 照强度的强弱。人们可以通过看此装置的显示了解现在的光照状态,做合理的光照调节。该 设计可分为三部分:即光照检测部分、信号处理部分、光强显示部分。还可加上照明部分。 对于光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件,它可以完成从光强到电阻值的信号 转换, 再把电阻值转换为电信号就可以作为系统的输入信号。对输入信号处理后,就可以用 来显示了。 对于显示部分可利用数码管来显示,不同的光强对应于不同的数值,就能简单的 显示出不同的光强
2、了。本设计就是由单片机STC89C52RC 芯片, AD 采集模块,运算放大, 和 1602 液晶为核心,辅以必要的电路,构成了一个单片机光照强度检测系统。该光照强度 检测系统可以通过检测光照强度,使得光照在低于一定强度的时候让照明灯亮,是一种常用 的测试仪器,它可以用在需要照明的各个地方,根据灯光的强弱,自动控制照明灯的开关, 有力地节约了电力资源。 关键词 :51 单片机,LM358 ,ADC0809,1602 液晶,光敏电阻 2 目录 一、设计任务、要求 . 3 1.1 设计任务: 3 1.2 设计要求: 3 二、方案总体设计 . 4 2.1 方案一: 4 2.2 方案二: 4 2.3
3、系统采用方案. 4 三、硬件设计 . 6 3.1 单片机最小系统 6 3.2 液晶显示模块 6 3.3 系统电源 7 3.4 整体电路 8 四、软件设计 . 10 4.1 keil 软件介绍 . 10 4.2 程序流程图 . 10 五、仿真与实现 . 12 5.1 proteus 软件介绍 12 5.2 仿真过程 12 5.3 实物制作与调试 14 5.4 使用说明 16 六、总结 . 17 6.1 设计总结: . 17 6.2 经验总结: . 18 七、参考文献 . 19 3 一、设计任务、要求 1.1 设计任务: 1).对更多小器件的了解 2).巩固 51 单片机和C 语言的知识,熟悉单片
4、机和C 语言的实际操作运用 3).掌握仿真软件的运用和原理图的绘制 4).掌握小信号的放大,滤波与采集 5).熟悉调试方法和技巧,提高解决实际问题的能力 6).熟悉设计报告的编写过程 1.2 设计要求: 1).三个按键控制照明灯的控制 2).对小信号进行放大,滤波和采集 3).1602 液晶显示所测光照强度 4 二、方案总体设计 设计一个基于51 单片机的光照强度检测系统。液晶屏幕第一行显示接通照明灯的最低 允许光照强度, 第二行显示当前光照强度;利用光敏电阻随光照强度的改变而相对应地变化 的特性来分压产生一个小信号,再通过运放进行放大,最后通过 AD 转换进行采集,并且显 示出来。利用按键对
5、照明灯控制状态进行调节。蓝滑动变阻器来调节液晶亮度。 2.1 方案一: 由于光敏电阻的阻值范围比较大,并且要输出一个小信号,所以提供给光敏电阻和用于 分压的电阻的电压。利用一条由两个电阻组成的分压电路来提供一个小电压。利用两极运放 对小信号进行放大,第一级放大10 倍,第二级放大5 倍,总体放大50 倍。利用ADC574 进行 8 位数据的转换,单片机通过P1 引脚将数据采集存储,再软件滤波,利用算数平均滤 波的方法滤波。再用四位数码管显示出来。用三个按键调节照明灯的控制状态照明灯,一个 控制照明灯的总开关,按一下照明灯是否允许亮的状态就改变,一个控制设置的允许照明灯 亮的最高亮度值进行单位加
6、,另一个控制设置的允许照明灯亮的最高亮度值进行单位减。利 用一个引脚接控制一个照明灯。 2.2 方案二: 由于光敏电阻的阻值范围比较大,并且要输出一个小信号,所以提供给光敏电阻和用于 分压的电阻的电压。 利用一条由一个稳压二极管和一个电阻组成的分压电路来提供一个小电 压。利用一极运放对小信号进行放大,放大50 倍。利用ADC0809 进行 8 位数据的转换, 单片机通过P2 引脚将数据采集存储,再软件滤波,利用中位值滤波的方法滤波。再用液晶 1602 显示出来。用三个按键调节照明灯的控制状态照明灯,一个控制照明灯的总开关,按 一下照明灯是否允许亮的状态就改变,一个控制设置的允许照明灯亮的最高亮
7、度值进行单位 加,另一个控制设置的允许照明灯亮的最高亮度值进行单位减。利用一个引脚接控制一个照 明灯。 2.3 系统采用方案 1)总体设计: 系统总体框架图如图所示: 5 图 1 系统总体框架 2)总体方案工作原理 在给光敏电阻提供一个用于分压的电源时,如果利用两个电阻分出电压的话,当光敏电 阻的阻值变化时,分出来的电源电压就会变化。所以采用稳压二极管分一个电压,这样更稳 定。采用运放的时候,如果用二级运放,由于运放存在零漂,这样会会使得零漂的现象更加 严重, 但如果只用一级放大并且放大的倍数达到几十倍的话,失真的现象又会变严重。至于 到底失真多大, 就不得而知, 并且零漂的问题无从解决,就选
8、择一级放大。 如果选用ADC574 的话,还要接正负15V 电源供电,选择ADC0809 直接用 5V 供电。所以选择ADC0809 。因 为既要显示允许照明灯亮的最高光照值,又要显示当前的光照强度值,为了更直观的显示, 选择 1602 液晶。根据这些对比,最终选择选择方案二。 6 三、硬件设计 3.1 单片机最小系统 单片机要正常工作, 首先要产生片内时钟信号。在单片机内部的振荡器的输入端XTAL1 和输出端XTAL2 之间接一个石英晶振就可以够成一个自激振荡器。再在两端之间串联接个 电容并且在两个电容之间接地以便于稳定频率还对振荡频率有微调作用。电容通常选30uF 左右,振荡脉冲频率范围为
9、024MHZ 。该电路中选用12MHZ 晶振。时钟电路图如下: 、 图 2 时钟电路图 单片机在启动时与其他微处理器一样,要让CPU 及系统各部件处于确定的初始状态, 并从初始开始工作。这就需要复位操作。复位电路有两种方式:上电自动复位和按键自动复 位。上电自动复位只是在开始接通电源瞬间复位,接下来想要再次复位就需要断电重启,不 方便。按键自动复位不仅可以在开始接通电源瞬间复位还可以通过按下按键复位随时复位。 所以选择按键复位方式。复位电路如下: 图 3 复位电路图 3.2 液晶显示模块 该系统需要显示两行。控制1602 液晶亮度的是蓝白滑动变阻器。1602 液晶有 16 个管 脚。编号为 1
10、,2 管脚为电源正负极管脚,15,16 为背光源正负极管脚;714 为 dataI/O 管脚与 单片机的P0 口相连,负责液晶与芯片之间的信息传送;4,5,6 分别为数据 /命令选择端、读/ 7 写选择端、使能端,与单片机的, P3.3 ,P3.5,P3.6相连,负责控制液晶与芯片之间数据命 令的读写操作;3 为液晶显示偏压信号端,用于调整液晶显示对比度。1602 液晶显示原理图 如下: 图 4 液晶显示系统图 3.3 系统电源 为了方便控制系统的上电与断电,系统电源中连接了一个8*8 的蓝白自锁开关。此开关 两边各有三个引脚,不同的连接方式,开关的控制方法就不同。带有字母的那面为正面,从 正
11、面观看,该秒表的电源的正极接在蓝白自锁开关的左边,负极则接在蓝白自锁开关的右边。 为了方便观察电源是否接上,在电路中的VCC 与 GND 之间接一个发光二极管并且加一个 1K 的限流电阻防止发光二极管烧坏,电源通电时发光二极管亮,断电时,则暗。再接四个 排针,靠两边的两个排针用于外部电源给系统上电,中间的两个排针是用于单片机烧录程序。 如图所示: 图 5 系统电源图 8 3.4 整体电路 这是采用网络标号的画出的以一张整体电路图。它将整张秒表的电路原理图分为七个部 分:电源模块, P0 口上拉电阻, 1602 液晶显示模块,51 单片机, 复位晶振电路, 控制按键, 清零按键。整张原理看起来美
12、观,并且根据标号很容易找到与之对应的引脚。 在看原理图的时候,看到提供了两种液晶显示系统的模板,我就分析了一下电路原图, 认为两种版本的原理图连接方式都是正确的,并且第一种版本的还和上次做数码管显示的秒 表更相似,焊接的时候可能更容易上手。我就选择做第一版本的原理图去做液晶显示的秒表。 在焊接的时候,我突然想到为什么要提供两个版本的原理图给我们。我就去问了一下同学, 结果得知,老师要求按照第二版本的原理图来做。但是已经有几个元器件焊到板子上去了, 无法更改只能照着第一版本的原理图继续做下去。而事实是第一版本的设计不合理,是要反 方向安插液晶的。 这次错误给了我一个深刻地教训,在我刚看到有两个版
13、本的原理图时,我就应该问自己 一下, 为什么要提供两个版本的原理图,这两个版本的原理图对比起来有什么不同,我应该 选择哪个版本的。最后为了确定我的选择是否正确,我还应该问一下知道的同学,这样才能 避免犯错。 图 6 整体电路图 9 图 7 PCB 整体电路图 图 8 洞洞板整体电路 10 四、软件设计 4.1 keil 软件介绍 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows 界面。另外重要 的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到Keil
14、 C51 生成的目标代码效率非 常之高, 多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语言 的优势。 单片机开发中除必要的硬件外,同样离不开软件,我们写的汇编语言源程序要变为 CPU 可以执行的机器码有两种方法,一种Keil 软件图标是手工汇编,另一种是机器汇编, 目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码,用于 MCS-51 单片机的汇编软件有早期的A51 ,随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇 编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也在不断发展,Keil 软件是目前最流行 开发 MCS-51 系列单片机的软件,这从近年来
15、各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil 即可看 出。 Keil 提供了包括C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等 在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision )将这些部份组合在一起。运行 Keil 软件需要Pentium 或以上的CPU,16MB 或更多 RAM 、20M 以上空闲的硬盘空间、WIN98 、 NT 、WIN2000 、WINXP 等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51 系列单片机的爱好 者来说是十分必要的,如果你使用C 语言编程,那么Keil 几乎就是你的不二之选(目前在 国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件),即使不
16、使用C 语言而仅 用汇编语言编程,其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开 发大型软件时更能体现高级语言的优势。与汇编相比,C 语言在功能上、结构性、可读性、 可维护性上有明显的优势,因而易学易用。用过汇编语言后再使用C 来开发,体会更加深 刻。 4.2 程序流程图 11 图 9 主程序流程图 图 10 定时器中断程序流程图 12 五、仿真与实现 5.1 proteus软件介绍 Proteus 是世界上著名的EDA 工具 (仿真软件 ),从原理图布图、 代码调试到单片机与外 围电路
17、协同仿真,一键切换到PCB 设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世 界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理 器模型支持8051 、HC11 、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、 AVR 、ARM 、8086 和 MSP430 等, 2010 年又增加了Cortex 和 DSP 系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编 译方面,它也支持KEIL,IAR和 MPLAB 等多种编译器。PROTEUS不仅可将许多单片机实 例功能形象化, 也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示 实验的效果,
18、后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、 连接线路等却和传统的 单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能,例:元器 件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。使用Proteus 软件进行 单片机系统仿真设计,是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用,有利于培养 学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力;在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛 中,我们使用Proteus 开发环境对学生进行培训,在不需要硬件投入的条件下,学生普遍 反映,对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受,更容易提高。实践证明,在使用 Proteus进行系统仿
19、真开发成功之后再进行实际制作,能极大提高单片机系统设计效率。因 此, Proteus 有较高的推广利用价值。 5.2 仿真过程 图2为使用 keil 软件编写程序时的调试过程图。我用的是C 语言来编写。第一次编写完 程序后,然后编译一下,出现的对话框中显示有几个错误,点击错误提示,主程序会出现光 标只向错误的地方,根据这个错误提示,然后进行更改, 再编译一下, 程序还是显示有错误, 再重复上次的操作,进过了几次修改后,就如图所示没有错误提示了。编写程序就是这样, 需要不断修改,程序才能准确。程序编写好,还要编译成HEX 文件。只有HEX 文件才能 烧录到到单片机上。 13 图11 keil 软
20、件仿真图 图10为 proteus 仿真原理图。在proteus 界面连接好电路图后,箭头放在单片机上单 击右键, 会出现一个对话框,可以通过这个对话框中的选项,加载程序到仿真图的单片机中, 也进行元器件的放置方向进行调整,也可以删除元器件,还用很多功能选择项,不过在画这 张原理图时暂时还没用到。在出现的对话框中点击EDIT PROPOTES再在出现的对话框中 点击 program file那行的那个文件图标,从里面找出先前已经在KEIL 软件中编译的HEX 文 件, 。 点击文件后, 然后在单击edit component对话框的右上角的OK 选项。然后点击 Proteus 的首界面的左下角
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