本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-基于單片機(jī)綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)

PAGE1桂林電子科技大學(xué)實(shí)訓(xùn)（論文）報(bào)告用紙第1頁共2頁P(yáng)AGE成績(jī)批閱教師日期桂林電子科技大學(xué)實(shí)訓(xùn)報(bào)告2016-2017學(xué)年第一學(xué)期學(xué)院海洋信息工程學(xué)院課程基于單片機(jī)綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)姓名學(xué)號(hào)分組指導(dǎo)老師日期

摘要本設(shè)計(jì)題目是光敏電阻測(cè)量光照強(qiáng)度，用光照的強(qiáng)弱來改變光敏電阻的阻值大小，從而使輸出電壓值改變，通過測(cè)量輸出電壓值的大小就可以間接的測(cè)量光照的強(qiáng)度了。本設(shè)計(jì)有光照強(qiáng)度報(bào)警控制系統(tǒng)和光照強(qiáng)度等級(jí)顯示電路以及光照亮度的顯示。本設(shè)計(jì)采用了STC單片機(jī)為主控制電路，用數(shù)碼管顯示光照強(qiáng)度值，用綠、黃、紅LED來顯示光照亮度等級(jí)，用蜂鳴器來做報(bào)警電路。本設(shè)計(jì)電路各個(gè)部分電路的設(shè)計(jì)原理及功能都能實(shí)現(xiàn)，要求對(duì)各種基本的電子元器件，電阻、電容、二極管、三極管等熟悉，掌握Proteus仿真軟件的運(yùn)用、Protel99SE工具軟件等繪圖軟件，并加以運(yùn)用。用單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過編程控制各個(gè)外圍電路并實(shí)現(xiàn)其功能。本設(shè)計(jì)具有有線路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、性能優(yōu)越等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：光照強(qiáng)度；光敏電阻；單片機(jī)

AbstractsThisdesignisentitledtothephotoresistortomeasurelightintensity,thestrengthofthelighttochangethephotosensitiveresistorsize,sothattheoutputvoltagechanges,bymeasuringthesizeoftheoutputvoltagevaluecanbeindirectlymeasuringthelightintensity.Thedesignofthelightintensityalarmcontrolsystemandthelightintensityleveldisplaycircuitandilluminationbrightnessofthedisplay.ThisdesignusestheSTCmicrocontroller-basedcontrolcircuit,digitaldisplaylightintensity,lightgreen,yellow,redLEDdisplaybrightnesslevels,todowithbuzzeralarmcircuit.Thedesignofthecircuitdesignprinciplesandfunctionsofvariouspartsofthecircuitcanachieve,requiringavarietyofbasicelectroniccomponents,resistors,capacitors,diodes,transistorsandotherfamiliarandmastertheuseofProteussimulationsoftwareProtel99SEsoftwaretoolssuchasmappingsoftwareanduseofthem.ADoftheinternalmicrocontrollertoconvertanalogintodigital,programmedtocontrolthevariousperipheralcircuitsandtoachieveitsfunction.Thedesignofthecircuitissimple,compact,lowcost,superiorperformancecharacteristics.Keywords：Lightintensity;photosensitiveresistance;MCUPAGE1桂林電子科技大學(xué)訓(xùn)（論文）報(bào)告用紙第1頁共1頁目錄引言 11.系統(tǒng)概述 11.1設(shè)計(jì)要求 11.2方案設(shè)計(jì) 21.2.1方案說明 21.2.2方案論證 22.硬件電路設(shè)計(jì)與分析 32.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 32.2光敏電阻的主要特性及參數(shù) 52.3光敏電阻接入電路圖 62.4數(shù)碼管顯示電路 72.5報(bào)警電路 73.軟件設(shè)計(jì) 83.1主程序 83.2安裝調(diào)試及測(cè)量數(shù)據(jù)分析 93.3出現(xiàn)的問題與解決的方法 94.實(shí)訓(xùn)的心得體會(huì) 10致謝 11參考文獻(xiàn) 12附錄 13PAGE13桂林電子科技大學(xué)訓(xùn)（論文）報(bào)告用紙第13頁共13頁引言光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱并顯示讓人們知道此時(shí)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱。人們可以設(shè)定光照強(qiáng)度的范圍，一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)通知或直接采取措施使光照強(qiáng)度在此范圍內(nèi)。人們可以通過看此裝置的顯示了解現(xiàn)在的光照狀態(tài)，做合理的光照調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)可分為三部分：即光照檢測(cè)部分、信號(hào)處理部分、光強(qiáng)顯示部分。還可加上報(bào)警部分。對(duì)于光照檢測(cè)部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測(cè)元件，它可以完成從光強(qiáng)到電阻值的信號(hào)轉(zhuǎn)換，再把電阻值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)就可以作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。對(duì)輸入信號(hào)處理后，就可以用來顯示了。對(duì)于顯示部分可利用數(shù)碼管來顯示，不同的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于不同數(shù)碼管顯示值，就能簡(jiǎn)單的顯示出不同的光強(qiáng)了。1系統(tǒng)概述1.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)、顯示、（報(bào)警）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界三種不同條件下光強(qiáng)的分檔指示和報(bào)警（弱、適宜、強(qiáng)）。通過采樣到的光照射強(qiáng)度選擇，在數(shù)碼管上顯示電壓的大小。(1)自己設(shè)計(jì)至少三種以上不同光照條件，測(cè)定不同光照條件下光電傳感器的輸出；(2)傳感器測(cè)量電路采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器完成，完成至少三種以上不同光照條件下顯示報(bào)警系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計(jì)；(3)完成自然光光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示報(bào)警系統(tǒng)電路方框圖、電路原理圖的設(shè)計(jì)；(4)完成自然光光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示報(bào)警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的計(jì)算（備注：1.含各種元件參數(shù)的計(jì)算過程或依據(jù)2.選定最接近計(jì)算結(jié)果的元件規(guī)格）；(5)設(shè)計(jì)結(jié)束后，進(jìn)行仿真調(diào)試。（6）不斷檢測(cè)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的相差情況（6）仿真調(diào)試方案 （7）給出系統(tǒng)整機(jī)電路圖。（8）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告1.2方案設(shè)計(jì)1.2.1方案說明(1)傳感器選擇：選用光敏電阻作為采集光照信號(hào)的傳感器。(2)電阻測(cè)試：在室外太陽光強(qiáng)照射下、室內(nèi)適宜光照下、室內(nèi)昏暗條件下三種光照條件下分別測(cè)的光敏電阻的阻值為<=320歐、1.4--3.6k歐、>=15.6k歐。(3)方案原理圖：系統(tǒng)功能描述：考慮到系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值,確定了光照適宜時(shí)的光敏電阻值的范圍為1.4--3.6k歐，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)，LED1點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)，LED2點(diǎn)亮；黑暗時(shí)，LED3點(diǎn)亮，蜂鳴器也報(bào)警。即光照不適宜時(shí)就會(huì)報(bào)警，所以該系統(tǒng)不但可以完成光強(qiáng)的顯示、報(bào)警，而且可以判斷光照是否適宜。原理框圖如下：數(shù)碼管數(shù)碼管顯示電路報(bào)警電路光敏電阻光敏電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)處理電路圖1原理框圖1.2.2方案論證(1)光照強(qiáng)度的信號(hào)采集部分采用光敏電阻作為信號(hào)采集器件。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小；當(dāng)受到光照時(shí)，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬；體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐震動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。所以選擇光敏電阻采集光照信號(hào)，并把不同的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，電路如原理圖所示。于是，就把對(duì)光照信號(hào)的處理轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓信號(hào)V的處理。(2)信號(hào)處理部分：采用集成電壓比較器LM358N作為信號(hào)處理的核心元件，電路連接如原理圖所示。光強(qiáng)、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三個(gè)電壓值V1，V2，V3作為比較器的輸入電壓；兩個(gè)比較器設(shè)置兩個(gè)參考電壓Vref1，Vref2。工作過程分析如下：光照較強(qiáng)時(shí)V1>Vref1>Vref2，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時(shí)Vref1>V2>Vref2，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0）；光照黑暗時(shí)V3<Vref2<Vref1兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V）。這樣就完成了從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,顯示部分就變得容易了。(3)光強(qiáng)顯示部分采用數(shù)碼管管顯示不同的光強(qiáng)狀態(tài)。由于比較器的驅(qū)動(dòng)能力有限，所以在輸出端加一個(gè)上拉電阻提高其驅(qū)動(dòng)能力。電路連接如原理圖所示，分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮；光照適宜時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點(diǎn)亮；光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點(diǎn)亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來了。（4）光報(bào)警部分采用有源蜂鳴器作為報(bào)警器件。電路連接如原理圖所示，用兩個(gè)NPN型BJT三極管的導(dǎo)通來控制報(bào)警電路的導(dǎo)通，三極管的導(dǎo)通又受發(fā)光二極管導(dǎo)通與否的控制，發(fā)光二極管的導(dǎo)通受光照的控制。所以光強(qiáng)就可以控制報(bào)警器了，設(shè)計(jì)方案采用了當(dāng)光照較強(qiáng)或較暗時(shí)報(bào)警。工作過程分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮，三極管BJT1被導(dǎo)通，報(bào)警電路被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點(diǎn)亮，三極管BJT1截止，報(bào)警電路也截止；光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點(diǎn)亮，BJT2被導(dǎo)通，報(bào)警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。2硬件電路設(shè)計(jì)與分析2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)STC12C5A08S2簡(jiǎn)介：新一代宏晶芯片具有1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，25萬次/秒1T8051帶總線,無法解密,管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52,有全球唯一ID號(hào)可省復(fù)位電路,36-44個(gè)I/O內(nèi)部R/C時(shí)鐘的新一代宏晶芯片加密性強(qiáng)，解密難度高。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對(duì)外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器CPU正在處理某件事的時(shí)候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊急事件。時(shí)鐘電路。由于頻率較大時(shí)，三角波、正弦波、方波等波中每一點(diǎn)延時(shí)時(shí)間為幾微秒，故延時(shí)時(shí)間還要加上指令時(shí)間即可得到指定頻率的波形，該電路用24MHz晶振。如下圖：圖2主控電路圖●寬電壓：5.5～3.3V，2.2～3.6V（STC12LE5A60S2系列）●增加第二復(fù)位功能腳（高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門檻電壓，頻率<12MHz時(shí)，無需此功能）●增加外部掉電檢測(cè)電路,可在掉電時(shí),及時(shí)將數(shù)存進(jìn)EEPROM,正常工作時(shí)無需操作EEP●低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一個(gè)中斷喚醒）●低功耗設(shè)計(jì)：掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持上升沿和遠(yuǎn)程喚醒●工作頻率：0～35MHz，相當(dāng)于普通8051：0～420MHz圖3單片機(jī)內(nèi)部接入2.2光敏電阻的主要特性及參數(shù)（1）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。（2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時(shí)候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。（3）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受光照射時(shí)的電阻值（亮電阻）的相對(duì)變化值。

(4）在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。、（5）光敏電阻的光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。（6）光敏電阻的伏安特性

在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。（7）當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏，

電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。

2.3光敏電阻接入電路圖圖4光敏電阻接入電路2.4數(shù)碼管顯示電路圖5數(shù)碼管電路2.5報(bào)警電路采用有源蜂鳴器作為報(bào)警器件。圖6光報(bào)警電路和光顯示電路3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)功能分了幾個(gè)模塊編程。模塊主要有：主程序模塊、檢測(cè)光度模塊，比較光亮度模塊。3.1主程序結(jié)束黃色LED亮，光強(qiáng)度適中AD轉(zhuǎn)換值小于70綠色LED亮，光強(qiáng)度弱檢測(cè)所得電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換開始紅色LED亮，光強(qiáng)度強(qiáng)，蜂鳴器報(bào)警AD轉(zhuǎn)換值小于40光強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)束黃色LED亮，光強(qiáng)度適中AD轉(zhuǎn)換值小于70綠色LED亮，光強(qiáng)度弱檢測(cè)所得電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換開始紅色LED亮，光強(qiáng)度強(qiáng)，蜂鳴器報(bào)警AD轉(zhuǎn)換值小于40光強(qiáng)度檢測(cè) NO NO YES YES圖7主程序的流程框圖應(yīng)用Keil進(jìn)行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存—建立工程并添加源文件—設(shè)置工程—編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標(biāo)文件—程序調(diào)試。成功編譯/匯編、連接后，選擇菜單Debug-Start/StopDebugSession(或按Ctrl+F5鍵)進(jìn)入程序調(diào)試狀態(tài)，Keil提供對(duì)程序的模擬調(diào)試功能，內(nèi)建一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真CPU以模擬執(zhí)行程序。Keil能以單步執(zhí)行(按F11或選擇Debug-Step)、過程單步執(zhí)行(按F10或選擇Debug-StepOver)。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯(cuò)，可采用在線匯編功能對(duì)程序進(jìn)行在線修改(Debug-InlineAssambly…)，不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、對(duì)工程重新進(jìn)行編譯/匯編和連接、然后再次進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對(duì)于一些必須滿足一定條件(如按鍵被按下等)才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進(jìn)行調(diào)試的程序行，可采用斷點(diǎn)設(shè)置的方法處理(Debug-Insert/RemoveBreakpoint或Debug-Breakpoints…等)。3.2安裝調(diào)試及測(cè)量數(shù)據(jù)分析3.2.1通電、用萬用表根據(jù)電路圖仔細(xì)檢查各線路連接是否正常。3.2.2先是調(diào)試單片機(jī)部分，DA和運(yùn)算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483軟件通過串口下程序。看是否可以正常下程序。3.2.3可以正常下程序時(shí)，給51單片機(jī)下一個(gè)讓所有I/0口一會(huì)兒輸入0，延時(shí)，再輸出1，以此類推。用萬用表測(cè)量各I/O口得電壓是不是一會(huì)兒高，一會(huì)兒低。3.2.4在單片機(jī)報(bào)警器和LM358芯片，給單片機(jī)下測(cè)試程序，通過看數(shù)碼管輸出是否正常。3.3出現(xiàn)的問題與解決的方法3.3.1調(diào)試單片機(jī)的串口時(shí)，發(fā)現(xiàn)不能正常的下程序。我想可能是單片機(jī)壞了借了一塊學(xué)習(xí)板測(cè)試了一下單片機(jī)芯片，發(fā)現(xiàn)可以正常下載。這說明很可能是我單片機(jī)的引腳可能出現(xiàn)焊接問題。有可能哪個(gè)引腳虛焊或假焊了。我仔細(xì)查看了電路圖于是我將電路板重新加焊一遍。終于可以正常下載了。3.3.2開始寫的測(cè)試程序輸出的數(shù)據(jù)誤差很大。我想可能是光敏二極管這一模塊出現(xiàn)了問題，于是不斷的排查和檢測(cè)。最終還是被我弄好了。3.3.4盡可能的讓電路板做到很完美，調(diào)節(jié)好各級(jí)的電阻讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確。剛開始報(bào)警聲音很小。這也是要檢測(cè)和排查修改的范圍。3.3.5測(cè)量?jī)x器：示波器;直流穩(wěn)壓電源;萬用表。4實(shí)訓(xùn)的心得體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)傳感器、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深的的理解也加強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手能力。也第一次這么近距離的了解自動(dòng)化的含義，了解傳感器。接觸到我們以后需要使用和進(jìn)一步了解的程序。不管是電路理論，還是實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過此次設(shè)計(jì)后我的能力都有了不少提升。同時(shí)在本次課程設(shè)計(jì)時(shí)，也暴露了自己的不少毛病，如設(shè)計(jì)過程中缺乏規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化，仿真軟件不熟悉等。剛開始的的時(shí)候，Protel完全不會(huì)，但經(jīng)過兩天的摸索，也逐步上手了。通過這幾天的努力奮斗，最終做