毕业设计论文多亮度等级调光灯制作060101.docx
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毕业设计论文多亮度等级调光灯制作060101
毕业设计论文
设计（论文）题目：
多亮度等级调光灯制作
下达日期：
2008年11月日
开始日期：
2008年11月日
完成日期：
2009年01月日
指导教师：
学生专业：
班级：
学生姓名：
教研室主任：
信息工程系
摘要
本系统基于单片机MSP430F449为控制核心。
通过控制可控硅的导通角控制灯的明亮程度。
系统的硬件部分主要包括键盘、MSP430F449单片机、延时计数器、光电耦合电路、主控制电路，同步和过零检测电路。
控制信号为简单的键盘输入，当不同的按键按下，可以直观的看到灯的多种亮度。
主控制电路为非门、光电耦合器和双向可控硅及电阻电容共同组成，在这里与双向可控硅并联的电阻和电容起对可控硅的保护作用。
同步信号是通过变压器变压并经过光电耦合电路取得。
软件是由C语言编写，编译链接后下载到MSP430F449中运行。
软件能够实现本设计的功能要求，程序通过键盘信号采集、时序生成和对延时计数器赋值来产生符合要求的控制信号。
本设计结构简单，易于实现，性能稳定实用。
关键词：
MSP430F449微控制器，单片机，可控硅
Abstract
TheMSP430F449MCU-basedsystemforthecontrolofthecoreusesSCRtocontroltheon-anglecontrolofthebrightlightsdegree。
Thehardware，includessomeofthemajorkeyboard，MSP430F449microcontroller，Phasedelaycircuit，photoelectriccoupledcircuit，themaincontrolcircuit，synchronizationandzerodetectioncircuit。
Controlsignalforthesimplekeyboardinput，whenadifferentbuttonpress，youcanseethelightsofthevisualvarietyofbrightness.
Keywords:
MSP430F449Microcontroller，Single-ChipMicrocomputer，SCR
第一章绪论
1.1单片机介绍
单片机（Single-ChipMicrocomputer）,又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
1.2单片机的分类
应用中的单片机种类繁多，现介绍几种主要的单片机如下:
ATMEL公司的AVR单片机：
是增强型RISC内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。
AVR单片机采用增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力。
AVR单片机工作电压为2。
7～6。
0V，可以实现耗电最优化。
AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。
Motorola单片机：
Motorola是世界上最大的单片机厂商。
从M6800开始，开发了广泛的品种，4位，8位，16位32位的单片机都能生产，其中典型的代表有:
8位机M6805，M68HC05系列，8位增强型M68HC11，M68HC12，16位机M68HC16，32位机M683XX。
Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。
MicroGhip单片机:
MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，分别仅有33，35，58条指令，采用Harvard双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。
适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。
在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高。
发展非常迅速。
Scenix单片机:
Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel的PentiumII等一起被<>评选为1998年世界十大处理器。
在技术上有其独到之处:
SX系列双时钟设置，指令运行速度可达50/75/100MIPS（每秒执行百万条指令，XXXMInstructionPerSecond）;具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定，公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能，如多路UART，多路A/D，PWM，SPI，DTMF，FS，LCD驱动等等。
采用EEPROM/FLASH程序存储器，可以实现在线系统编程。
通过计算机RS232C接口，采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。
东芝单片机:
东芝单片机门类齐全，4位机在家电领域有很大市场，8位机主要有870系列，90系列，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗降至10UA数量级。
东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的CPU结构，面向VCD，数字相机，图像处理等市场。
8051单片机:
8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
LG公司生产的GMS90系列单片机，与IntelMCS-51系列，Atmel89C51/52，89C2051等单片机兼容，CMOS技术，高达40MHZ的时钟频率，应用于:
多功能电话，智能传感器，电度表，工业控制，防盗报警装置，各种计费器，各种IC卡装置，DVD，VCD，CD-ROM。
Zilog单片机:
Z8单片机是Zilog公司的产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，开发工具价廉物美。
Z8单片机以低价位面向低端应用。
我想很多人都知道Z80单板机，直到90年代后期，很多大学的微机原理还是讲述Z80。
1.3单片机的发展趋势
现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期。
世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
1.低功耗CMOS化：
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
2.微型单片化：
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3.主流与多品种共存：
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场份额。
此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。
在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。
80C51单片机已成为单片机发展的主流。
专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
1.4单片机的组成及特点
单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。
1.4.1单片机的组成
单片机一般由以下几个部分组成：
①中央处理单元：
数据处理、测试位，置位，复位位操作
②只读存储器：
永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM
③随机存取内存：
在程序运行时存储工作变量和资料
④并行输入/输出口（I/O）：
作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片
⑤串行输入/输出口：
串行通信、扩展I/O接口芯片
⑥定时/计数器：
计数满溢出、中断标志位置位、向CPU提出中断请求
⑦时钟电路：
内振、外振
⑧中断系统：
中断源、2级优先
⑨看门狗电路：
Watchdog
单片机通过内部总线把计算机的各主要部件连接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
单片机中的CPU、存储器等部件将在后面章节陆续介绍。
1.4.2单片机的特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要发如下特点：
①.有优异的性能价格比。
②.集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
③.控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
④.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
⑤.外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
⑥.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
1.5单片机的发展
1.5.1单片机发展的三大阶段
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：
SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
SOC即片上系统（SystemOnChip）阶段，单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
1.5.2单片机发展简史
如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：
第一阶段（1976-1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
1、完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
2、CPU外围功能单元的集中管理模式。
3、体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
4、指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
第三阶段（1982-1990）8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS–51系列的广泛应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了智能控制的特征。
第四阶段（1990-）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.6单片机的应用
单片机主要有单机应用和多机应用，且由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。
它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：
①.单机应用:
（一个系统使用一块单片机——普通应用模式）
②.家用电器:
自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。
单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
如高档的洗衣机，空调器，电冰箱，彩电，DVD，音响，手机，高档电子玩具等电器，用单片机做自动控制。
③.智能设备:
用单片机改造普通仪器，仪表，读卡机等，使其（集测量，处理，控制功能为一体）智能化，微型化。
单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
机电一体化是机械工业发展的方向。
机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。
单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
④.网络与通信的智能接口:
在大型计算机控制的网络或通信电路与外围设备的接口电路中，用单片机来控制或管理，可大大提高系统的运行速度和接口的管理水平。
⑤.工业测控:
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。
例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。
单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
对工业设备（如机床，汽车，高档中西餐厨具，锅炉，供水系统，生产自动化，自动报警系统，卫星信号接收等）进行智能测控，大大地降低了劳动强度和生产成本，提高了产品质量的稳定性。
⑥.多机应用:
（一个系统使用多块单片机——高科技应用模式）
⑦.功能弥散系统:
⑧.并行多机处理系统:
在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。
多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。
单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。
单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
⑨.局域网络系统:
综上所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
第2章设计方案论述
2.1可控硅介绍
晶闸管又叫可控硅。
可控硅（SCR:
SiliconControlledRectifier）是可控硅整流器的简称。
可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型。
它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。
它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。
2.1.1可控硅的分类
自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。
可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种。
其中螺旋式的应用较多。
按其工作特性，可控硅（THYRISTOR）可分为普通可控硅（SCR）即单向可控硅、双向可控硅（TRIAC）和其它特殊可控硅。
2.1.2可控硅的主要参数
可控硅的主要参数有：
①.额定通态平均电流IT在一定条件下，阳极---阴极间可以连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。
②.正向阻断峰值电压VPF在控制极开路未加触发信号，阳极正向电压还未超过导能电压时，可以重复加在可控硅两端的正向峰值电压。
可控硅承受的正向电压峰值，不能超过手册给出的这个参数值。
③.反向阴断峰值电压VPR当可控硅加反向电压，处于反向关断状态时，可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。
使用时，不能超过手册给出的这个参数值。
④.控制极触发电流Ig1、触发电压VGT在规定的环境温度下，阳极---阴极间加有一定电压时，可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极电流和电压。
⑤.维持电流IH在规定温度下，控制极断路，维持可控硅导通所必需的最小阳极正向电流。
近年来，许多新型可控硅元件相继问世，如适于高频应用的快速可控硅，可以用正或负的触发信号控制两个方向导通的双向可控硅，可以用正触发信号使其导通，用负触发信号使其关断的可控硅等等。
2.1.3常用封装形式
常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。
2.1.4主要生产厂家
主要厂家品牌有：
ST，NXP/PHILIPS，NEC，ON/MOTOROLA，RENESAS/MITSUBISHI，LITTELFUSE/TECCOR，TOSHIBA，JX，SANREX，SANKEN，SEMIKRON，EUPEC，IR等。
2.2可控硅的结构和特性
可控硅由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：
第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。
晶闸管和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。
①可控硅有三个电极----阳极（A）阴极（C）和控制极（G）。
它有管芯是P型导体和N型导体交迭组成的四层结构，共有三个PN结。
如图：
②可控硅和只有一个PN结的硅整流二极度管在结构上迥然不同。
可控硅的四层结构和控制极的引用，为其发挥“以小控大”的优异控制特性奠定了基础。
在应用可控硅时，只要在控
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