光強測量系統(tǒng)設(shè)計 2

1、光 強 測 量 系 統(tǒng) 設(shè) 計目錄設(shè)計摘要2一、光強測量系統(tǒng)概述2二、光強測量系統(tǒng)工作原理2三、光強測量系統(tǒng)硬件組成3四、光強測量系統(tǒng)程序設(shè)計6五、光強測量系統(tǒng)的技術(shù)指標10六、光強測量系統(tǒng)的方案論證11七、結(jié)論11附錄12光強測量系統(tǒng)設(shè)計摘 要：采用光敏電阻作為主要感應(yīng)元件，設(shè)計以8051單片機為核心，控制、數(shù)據(jù)處理和即時顯示為他點的光強測量系統(tǒng)。制作光強測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時測量，數(shù)據(jù)存儲等功能，具有穩(wěn)定、實用、方便、快捷、可靠性高的特點，解決光強測量的技術(shù)問題，有廣泛的應(yīng)用前景。一、光強測量系統(tǒng)概述光強測量系統(tǒng)以光強度測量為核心功能，但是在實時處理光強數(shù)據(jù)時，往往不是要求即時數(shù)據(jù)，而是需要

2、一個長期數(shù)據(jù)處理結(jié)果和即時數(shù)據(jù)的比較，所以數(shù)據(jù)存儲和比較顯示就顯得尤為重要，這次課設(shè)完成的光強測量系統(tǒng)就完成了以上功能，有很強的實用性。這次設(shè)計的光強測量系統(tǒng)中，在光強的測量上完成了即時測量、微延遲顯示，和時段平均測量值的計算和顯示，并將時段光強數(shù)據(jù)存儲在設(shè)計好的擴展存儲空間中。通過這樣的設(shè)計完成了一個高效多能的光強測量顯示系統(tǒng)，達到了一個采集系統(tǒng)的標準。二、光強測量系統(tǒng)工作原理以8051單片機為核心，在單片機內(nèi)部完成數(shù)據(jù)的存儲及處理功能，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換及輸入，再將數(shù)據(jù)存入存儲芯片，在單片機進行數(shù)據(jù)處理后再對需要顯示的數(shù)字信號進行譯碼顯示在七段數(shù)碼顯示器上。每個芯

3、片的電源處有耦合電容相連，當電容器充電達到2V時，此電容就作為電源為電路提供工作電壓。單片機的RESET口上提供了供電自啟動，在X1,X2口上提供了12MHZ晶振，以支持單片機的運行與啟動。系統(tǒng)完成了采集功能，存儲功能，數(shù)據(jù)處理功能，測量數(shù)據(jù)顯示功能，達到了設(shè)計的基本要求。三、光強測量系統(tǒng)硬件組成圖1為光強測量系統(tǒng)硬件電路原理圖，主要由AD轉(zhuǎn)換器、譯碼器、單片機、顯示、存儲器等部分組成。AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與51單片機P0口相連接，傳輸采集到、處理過后的光強信息，以8位2進制數(shù)字信號傳輸進P0口。存儲系統(tǒng)為簡單的擴展RAM系統(tǒng)，由74LS373和6116組成6116為2KB的SRAM芯片，圖中P2.7

4、作為6116的片選信號，P0口和P2.0P2.2共11根地址線接6116的A0A10，因此，6116的地址范圍為7800H7FFFH。8051以MOVX訪問6116。顯示系統(tǒng)為兩個4位BCD-七段顯示譯碼器74LS49與P1口相連，要求P1口輸出8位BCD碼，符合74LS49的譯碼規(guī)則，完成譯碼，再傳輸?shù)?段數(shù)碼顯示器上進行數(shù)據(jù)顯示。51單片機在接收到AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)傳入的數(shù)字信號后進行數(shù)據(jù)處理和存儲，在對2進制數(shù)進行BCD碼轉(zhuǎn)換后再輸出到P1口進行相應(yīng)顯示，并再次循環(huán)，達到即時測量的目的，同時有供電自啟動系統(tǒng)保證系統(tǒng)通電后單片機的復(fù)位。圖一：光強測量系統(tǒng)原理圖（1）單片機系統(tǒng)單片機采用8051。

5、塔是ROM型單片機，片內(nèi)有4KB的ROM，256字節(jié)的RAM/SFR以及有32個I/O口、面向控制的8位CPU和指令系統(tǒng)、一個全雙工串行口、兩個16位定時/計數(shù)器、5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的終端結(jié)構(gòu)、一個片內(nèi)內(nèi)時鐘振蕩器和時鐘電路，可尋址64K字節(jié)的程序存儲器和64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器。P1口與兩片74LS48譯碼芯片和顯示相連，需要輸出8位BCD碼；P0口與AD0809為主體的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相連，用作數(shù)據(jù)輸入，得到即時的光強采集數(shù)字信號；P2口用于讀寫控制和中斷。（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用P0口進行數(shù)據(jù)通信，以太陽能板RO為模擬信號輸入源，（其內(nèi)阻需要進行相對光強和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)調(diào)

6、整）以ADC0809轉(zhuǎn)換模擬信號到數(shù)字信號。ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換CMOS器件，在檢測控制應(yīng)用中，能對多路模擬信號進行分時采集和A/D轉(zhuǎn)換（在本系統(tǒng)中只應(yīng)用1路模擬信號采集），輸出數(shù)字信號通過三態(tài)緩沖器，可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連接。它的采集范圍為05V電壓。ADC0809分辨率為8位，最大不可調(diào)誤差小于ULSB，可鎖存三態(tài)輸出，能與8位微處理器接口，輸出與TTL兼容，不必進行零點和滿度調(diào)整，供電電壓為5V，圖中是以中斷方式與單片機接口，這種接口方式不浪費CPU時間。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把收集到的光強信息轉(zhuǎn)換為8位2進制數(shù)字信號傳輸給單片機，起到信息采集的作用，但提供的數(shù)字信

7、號僅僅能做儲存和數(shù)據(jù)處理使用，要進一步使用則需要進行2進制數(shù)到BCD碼的轉(zhuǎn)換才能輸出到譯碼顯示端口進行下一步的處理。（3）顯示電路顯示部分采用數(shù)碼顯示，利用2個輸入BCD-七段顯示譯碼器74LS49和七段顯示完成與單片機系統(tǒng)的顯示接口，以顯示即時光強信息，時段光強信息以及出錯信息等。這部分電路把輸出的BCD碼經(jīng)段譯碼器譯碼后，換成七段碼（abcdefg）和小數(shù)點DP送到段驅(qū)動器輸出。需要注意的是，顯示必須延時一段時間，以保證觀看者對信息的獲取，但在我的知識范圍內(nèi)，延時只能采用NOP語句，在編程過程中有繁瑣和資源浪費的弊端，但本人無法解決，只能采用編程部分部分省略的辦法進行處理。（4）存儲器讀寫

8、器中設(shè)計了存儲器。存儲器選用74LS373和6116組成擴展2KBRAM。74LS373為地址鎖存器。系統(tǒng)正常工作后，每隔一段時間要將采集信息放在存儲器中存儲并等待做下一步處理。本系統(tǒng)中能存儲的數(shù)據(jù)信息有線，若本系統(tǒng)中的存儲容量不夠可根據(jù)具體情況進行擴展可以采用線選法或地址譯碼法進行進一步的RAM擴展，達到性能擴充的目的。（5）晶振電路和來電自啟動 采用12MHZ晶振和兩片電容相連接地完成晶振電路。采用電容電阻串聯(lián)完成來電自啟動電路。兩部分電路保證了單片機的正常運轉(zhuǎn)，考慮到系統(tǒng)簡單，設(shè)計時沒有采用來電自啟動和手動重置并存的方法，自認為在這樣一個較簡單的系統(tǒng)中采用這種電路會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。四、

9、光強測量系統(tǒng)程序設(shè)計下面介紹光強測量系統(tǒng)軟件設(shè)計方法?？紤]到光強量是一個需要長期測量結(jié)果的量，我們需要將即時量和一段時間的平均值顯示在顯示系統(tǒng)中，所以需要將測得值先存入存儲系統(tǒng)，做處理后輸出。在程序設(shè)計中需要注意兩個問題，一是要對A/D轉(zhuǎn)換依據(jù)接口方式進行相應(yīng)處理，本系統(tǒng)中采用了中斷方式進行接口，需要進行相關(guān)編程，二是數(shù)據(jù)的存儲地址處理，需要依擴展數(shù)據(jù)存儲空間而定，三是顯示系統(tǒng)傳輸需要輸出一個8位BCD碼。在編程中一定要注意處理以下三個問題。1.主程序主程序主要完成系統(tǒng)變量的初始化，循環(huán)采集數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)，將操作顯示。在光強測量系統(tǒng)中使用了2KB存儲器，主要存儲的內(nèi)容為1字節(jié)的光強數(shù)字信號和1

10、字節(jié)的光強信號平均值。因此最大能存儲1024個光強記錄，存儲首地址為7800H，末地址為7FFFH。循環(huán)采集需要使用系統(tǒng)中斷方式進行。數(shù)據(jù)處理需要進行2進制數(shù)到BCD碼的轉(zhuǎn)換，主程序流程如下圖所示2存儲程序存儲程序應(yīng)分為兩個部分，一個是存儲即時信息，一個是存儲即時平均值SAVE:MOV DPTR,#7800H ;將地址指向擴展數(shù)據(jù)空間第一個地址CLR A ;清空A累加器CLR R4 ;清空R4CLR R2 ;清空R2CLR R1 ;清空R1RESE:PUSH ACC ;保存現(xiàn)場SETB EA ;開中斷SETB IT1 ;外中斷1定義為跳變觸發(fā)MOV DPTR,#0BFFFH ;送ADC0809

11、口地址MOV A,#00H ;選通IN0通道MOVX DPTR,A ;啟動A/D轉(zhuǎn)換NOP ;延時10usNOPNOPNOPNOPSETB EX1POP ACCRET ;以上為A/D轉(zhuǎn)換啟動程序PUSH PSW ;保護現(xiàn)場PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLMOV DPTR,#0BFFFH MOVX A,DPTR ;讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV R1,A ;送入R1指針MOV A,#00H ;再次啟動IN0通道MOVX DPTR,APOP DPL ;恢復(fù)現(xiàn)場POP DPHPOP ACCPOP PSWRETI ;以上為A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序MOV A,R2 ;將上一次求取的光強信息總量存入

12、A累加器MOVX DPTR,R1 ;存入即時光強信息ADD A,R1 ;求取光強信息總量MOV R2,A ;將光強信息總量存入R2INC R4 ;統(tǒng)計光強信息個數(shù)INC DPTR ;存儲地址更改MOV B,R4 ;將光強信息統(tǒng)計個數(shù)存入B累加器DIV AB ;求取平均光強信息MOV R3,A ;將平均光強信息存入R3MOVX DPTR,R3 ;存入平均光強信息INC DPTR ;指向下一個存儲地址LACALL RESE ;完成循環(huán)3.顯示程序根據(jù)圖1，在顯示電路中，為P2口輸出的8位2進制BCD碼，所以應(yīng)該為簡單調(diào)用程序，程序如下：DIPS: MOV P2,R5 ;將要顯示的信息送入P2LAC

13、ALL DIPS ;完成循環(huán)4.數(shù)據(jù)處理程序只需要不斷輸出數(shù)據(jù)處理結(jié)果到P2口，根據(jù)顯示程序，只需要將處理結(jié)果不斷送入R5，程序如下： DETAIL: MOV B,#10 MOV A,R1 ;將二進制即時光強信息存入ADIV AB ;A中得10位數(shù)，B中得個位數(shù)SWAP AADD A,B ;組合成2位BCD碼MOV R1,A ;將BCD碼的光強信息存入R1MOV R5,R1 ;顯示即時光強信息NOP NOP ;1秒的顯示延遲（中間有NOP省略）MOV B,#10 MOV A,R3 ;將二進制平均光強信息存入ADIV AB ;A中得10位數(shù)，B中得個位數(shù)SWAP A ;組合成2位BCD碼ADD

14、A,B ;組合成2位BCD碼MOV R3,A ;將BCD碼的光強信息存入R3MOV R5,R3 ;顯示平均光強信息NOPNOP ;1秒的顯示延遲（中間有NOP省略）LACALL DETAIL5.總程序：由上總程序應(yīng)為：HEAD: MOV DPTR,#7800H ;將地址指向擴展數(shù)據(jù)空間第一個地址CLR A ;清空A累加器CLR R4 ;清空R4CLR R2 ;清空R2CLR R1 ;清空R1RESE: MOVX A,DPTRCJNE A,#7FFFH ,CC ;判斷存儲空間是否充滿SJMP HH ;沒有則繼續(xù)JNC HEAD ;充滿則初始化HH: MOV R1,P1 ;沒有則繼續(xù)PUSH AC

15、C ;保存現(xiàn)場SETB EA ;開中斷SETB IT1 ;外中斷1定義為跳變觸發(fā)MOV DPTR,#0BFFFH ;送ADC0809口地址MOV A,#00H ;選通IN0通道MOVX DPTR,A ;啟動A/D轉(zhuǎn)換NOP ;延時10usNOPNOPNOPNOPSETB EX1POP ACCRET ;以上為A/D轉(zhuǎn)換啟動程序PUSH PSW ;保護現(xiàn)場PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLMOV DPTR,#0BFFFH MOVX A,DPTR ;讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV R1,A ;送入R1指針MOV A,#00H ;再次啟動IN0通道MOVX DPTR,APOP DPL ;恢復(fù)現(xiàn)場

16、POP DPHPOP ACCPOP PSWRETI ;以上為A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序MOV A,R2 ;將上一次求取的光強信息總量存入A累加器MOVX DPTR,R1 ;存入即時光強信息ADD A,R1 ;求取光強信息總量MOV R2,A ;將光強信息總量存入R2INC R4 ;統(tǒng)計光強信息個數(shù)INC DPTR ;存儲地址更改MOV B,R4 ;將光強信息統(tǒng)計個數(shù)存入B累加器DIV AB ;求取平均光強信息MOV R3,A ;將平均光強信息存入R3MOVX DPTR,R3 ;存入平均光強信息INC DPTR ;指向下一個存儲地址DETAIL: MOV B,#10 MOV A,R1 ;將二進制即時

17、光強信息存入ADIV AB ;A中得10位數(shù)，B中得個位數(shù)SWAP AADD A,B ;組合成2位BCD碼MOV R1,A ;將BCD碼的光強信息存入R1MOV R5,R1 ;顯示即時光強信息NOP NOP ;1秒的顯示延遲（中間有NOP省略）MOV B,#10 MOV A,R3 ;將二進制平均光強信息存入ADIV AB ;A中得10位數(shù)，B中得個位數(shù)SWAP A ;組合成2位BCD碼ADD A,B ;組合成2位BCD碼MOV R3,A ;將BCD碼的光強信息存入R3MOV R5,R3 ;顯示平均光強信息NOPNOP 1秒的顯示延遲（中間有NOP省略）DIPS: MOV P2,R5 將要顯示的

18、信息送入P2SJMP HEAD 完成循環(huán)五、光強測量系統(tǒng)的技術(shù)指標經(jīng)以上方案的測定，此系統(tǒng)應(yīng)工作在12MHZ的晶振頻率下，由來電自啟動控制電路工作和復(fù)位，每次程序循環(huán)時間約為2.1秒，即約每2.1秒采樣一次，顯示光強即時值1秒，光強平均值1秒。因為每采集1024個光強記錄即存滿已設(shè)置的擴展RAM，總空間為2K，所以依據(jù)程序設(shè)計，每2.1*1024=2150.4秒，即每5小時5分50.4秒即自動系統(tǒng)復(fù)位一次，既是說系統(tǒng)的循環(huán)測量周期為5小時5分50.4秒。系統(tǒng)供電電壓為5V，采集范圍為05V，需要5V的穩(wěn)壓電源供電。六、光強測量系統(tǒng)的方案論證這次設(shè)計的光強測量系統(tǒng)中，在光強的測量上完成了即時測量

19、、微延遲顯示，和時段平均測量值的計算和顯示延遲，并將時段光強數(shù)據(jù)存儲在設(shè)計好的擴展存儲空間中。通過這樣的設(shè)計完成了一個高效多能的光強測量顯示系統(tǒng)，達到了一個采集系統(tǒng)的標準。在芯片選擇中，系統(tǒng)選擇了簡單易用、產(chǎn)量化的芯片，除單片機外有5個IC，2個外設(shè)，因此價格相對低廉，因為除了單片機外，其他芯片體積較小，所以整體制版體積較小，而且要求供電電壓低可以達到簡便易用的效果。在實時測量中，因為采用了顯示延遲，能使使用者較方便地讀出測量量。系統(tǒng)提供了外存儲設(shè)備，可擴展性好，測量循環(huán)周期長，可以測量較長時間的平均值，能在實際應(yīng)用中使用。因為電路較簡單，采用了來電自啟動方式，出現(xiàn)問題可以斷電重啟，方便簡單。

20、七、結(jié)論 經(jīng)過嚴密的分析設(shè)計，本光強測量系統(tǒng)形成了一個以51單片機為核心，量產(chǎn)化簡單芯片組成的，除單片機外共有5個IC，兩個外設(shè)的實用光強測量系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，體積小，功能使用，系統(tǒng)技術(shù)要求達標，運算速率快，重置簡單，工作時段長，可靠性高，程序設(shè)計簡單，價格相對較低，工作要求低。是一個可靠，易用，方便生產(chǎn)，具有很高市場價值的產(chǎn)品。參考文獻：1. 胡乾斌 李光斌 等.單片微型計算機原理與應(yīng)用.武漢：華中科技大學(xué)出版社.19962. 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).武漢：高等教育出版社.20023. 呂能元等.MCS-51單片微型計算機原理.接口技術(shù).應(yīng)用實例.北京:科學(xué)出版社,19934. 張毅剛等.MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.1990附錄:一、 光強測量系統(tǒng)原理圖二、 光強測量系統(tǒng)PCB三、 光強測量系統(tǒng)材料清單Part TypeDesignatorFoot