光强测量系统设计 2.docx
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光强测量系统设计2
光强测量系统设计
目录
设计摘要…………………………………………………………………2
一、光强测量系统概述…………………………………………………2
二、光强测量系统工作原理……………………………………………2
三、光强测量系统硬件组成……………………………………………3
四、光强测量系统程序设计……………………………………………6
五、光强测量系统的技术指标…………………………………………10
六、光强测量系统的方案论证…………………………………………11
七、结论…………………………………………………………………11
附录……………………………………………………………………12
光强测量系统设计
摘要：
采用光敏电阻作为主要感应元件，设计以8051单片机为核心，控制、数据处理和即时显示为他点的光强测量系统。
制作光强测量系统可以实现实时测量，数据存储等功能，具有稳定、实用、方便、快捷、可靠性高的特点，解决光强测量的技术问题，有广泛的应用前景。
一、光强测量系统概述
光强测量系统以光强度测量为核心功能，但是在实时处理光强数据时，往往不是要求即时数据，而是需要一个长期数据处理结果和即时数据的比较，所以数据存储和比较显示就显得尤为重要，这次课设完成的光强测量系统就完成了以上功能，有很强的实用性。
这次设计的光强测量系统中，在光强的测量上完成了即时测量、微延迟显示，和时段平均测量值的计算和显示，并将时段光强数据存储在设计好的扩展存储空间中。
通过这样的设计完成了一个高效多能的光强测量显示系统，达到了一个采集系统的标准。
二、光强测量系统工作原理
以8051单片机为核心，在单片机内部完成数据的存储及处理功能，通过数模转换芯片完成模拟信号到数字信号的转换及输入，再将数据存入存储芯片，在单片机进行数据处理后再对需要显示的数字信号进行译码显示在七段数码显示器上。
每个芯片的电源处有耦合电容相连，当电容器充电达到2V时，此电容就作为电源为电路提供工作电压。
单片机的RESET口上提供了供电自启动，在X1,X2口上提供了12MHZ晶振，以支持单片机的运行与启动。
系统完成了采集功能，存储功能，数据处理功能，测量数据显示功能，达到了设计的基本要求。
三、光强测量系统硬件组成
图1为光强测量系统硬件电路原理图，主要由AD转换器、译码器、单片机、显示、存储器等部分组成。
AD转换系统与51单片机P0口相连接，传输采集到、处理过后的光强信息，以8位2进制数字信号传输进P0口。
存储系统为简单的扩展RAM系统，由74LS373和6116组成6116为2KB的SRAM芯片，图中P2.7作为6116的片选信号，P0口和P2.0~P2.2共11根地址线接6116的A0~A10，因此，6116的地址范围为7800H~7FFFH。
8051以MOVX访问6116。
显示系统为两个4位BCD-七段显示译码器74LS49与P1口相连，要求P1口输出8位BCD码，符合74LS49的译码规则，完成译码，再传输到7段数码显示器上进行数据显示。
51单片机在接收到AD转换系统传入的数字信号后进行数据处理和存储，在对2进制数进行BCD码转换后再输出到P1口进行相应显示，并再次循环，达到即时测量的目的，同时有供电自启动系统保证系统通电后单片机的复位。
图一：
光强测量系统原理图
（1）单片机系统
单片机采用8051。
塔是ROM型单片机，片内有4KB的ROM，256字节的RAM/SFR以及有32个I/O口、面向控制的8位CPU和指令系统、一个全双工串行口、两个16位定时/计数器、5个中断源、两个中断优先级的终端结构、一个片内内时钟振荡器和时钟电路，可寻址64K字节的程序存储器和64K字节的外部数据存储器。
P1口与两片74LS48译码芯片和显示相连，需要输出8位BCD码；P0口与AD0809为主体的模数转换系统相连，用作数据输入，得到即时的光强采集数字信号；P2口用于读写控制和中断。
（2）模数转换电路
模数转换电路用P0口进行数据通信，以太阳能板RO为模拟信号输入源，（其内阻需要进行相对光强和数模转换器的相应调整）以ADC0809转换模拟信号到数字信号。
ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D转换CMOS器件，在检测控制应用中，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换（在本系统中只应用1路模拟信号采集），输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。
它的采集范围为0~5V电压。
ADC0809分辨率为8位，最大不可调误差小于ULSB，可锁存三态输出，能与8位微处理器接口，输出与TTL兼容，不必进行零点和满度调整，供电电压为5V，图中是以中断方式与单片机接口，这种接口方式不浪费CPU时间。
模数转换电路把收集到的光强信息转换为8位2进制数字信号传输给单片机，起到信息采集的作用，但提供的数字信号仅仅能做储存和数据处理使用，要进一步使用则需要进行2进制数到BCD码的转换才能输出到译码显示端口进行下一步的处理。
（3）显示电路
显示部分采用数码显示，利用2个输入BCD-七段显示译码器74LS49和七段显示完成与单片机系统的显示接口，以显示即时光强信息，时段光强信息以及出错信息等。
这部分电路把输出的BCD码经段译码器译码后，换成七段码（abcdefg）和小数点DP送到段驱动器输出。
需要注意的是，显示必须延时一段时间，以保证观看者对信息的获取，但在我的知识范围内，延时只能采用NOP语句，在编程过程中有繁琐和资源浪费的弊端，但本人无法解决，只能采用编程部分部分省略的办法进行处理。
（4）存储器
读写器中设计了存储器。
存储器选用74LS373和6116组成扩展2KBRAM。
74LS373为地址锁存器。
系统正常工作后，每隔一段时间要将采集信息放在存储器中存储并等待做下一步处理。
本系统中能存储的数据信息有线，若本系统中的存储容量不够可根据具体情况进行扩展可以采用线选法或地址译码法进行进一步的RAM扩展，达到性能扩充的目的。
（5）晶振电路和来电自启动
采用12MHZ晶振和两片电容相连接地完成晶振电路。
采用电容电阻串联完成来电自启动电路。
两部分电路保证了单片机的正常运转，考虑到系统简单，设计时没有采用来电自启动和手动重置并存的方法，自认为在这样一个较简单的系统中采用这种电路会增加系统的复杂性。
四、光强测量系统程序设计
下面介绍光强测量系统软件设计方法。
考虑到光强量是一个需要长期测量结果的量，我们需要将即时量和一段时间的平均值显示在显示系统中，所以需要将测得值先存入存储系统，做处理后输出。
在程序设计中需要注意两个问题，一是要对A/D转换依据接口方式进行相应处理，本系统中采用了中断方式进行接口，需要进行相关编程，二是数据的存储地址处理，需要依扩展数据存储空间而定，三是显示系统传输需要输出一个8位BCD码。
在编程中一定要注意处理以下三个问题。
1.主程序
主程序主要完成系统变量的初始化，循环采集数据，存储数据，将操作显示。
在光强测量系统中使用了2KB存储器，主要存储的内容为1字节的光强数字信号和1字节的光强信号平均值。
因此最大能存储1024个光强记录，存储首地址为7800H，末地址为7FFFH。
循环采集需要使用系统中断方式进行。
数据处理需要进行2进制数到BCD码的转换，主程序流程如下图所示
2存储程序
存储程序应分为两个部分，一个是存储即时信息，一个是存储即时平均值
SAVE:
MOVDPTR,#7800H;将地址指向扩展数据空间第一个地址
CLRA;清空A累加器
CLRR4;清空R4
CLRR2;清空R2
CLRR1;清空R1
RESE:
PUSHACC;保存现场
SETBEA;开中断
SETBIT1;外中断1定义为跳变触发
MOVDPTR,#0BFFFH;送ADC0809口地址
MOVA,#00H;选通IN0通道
MOVX@DPTR,A;启动A/D转换
NOP;延时10us
NOP
NOP
NOP
NOP
SETBEX1
POPACC
RET;以上为A/D转换启动程序
PUSHPSW;保护现场
PUSHACC
PUSHDPH
PUSHDPL
MOVDPTR,#0BFFFH
MOVXA,@DPTR;读A/D转换结果
MOVR1,A;送入R1指针
MOVA,#00H;再次启动IN0通道
MOVX@DPTR,A
POPDPL;恢复现场
POPDPH
POPACC
POPPSW
RETI;以上为A/D转换中断处理程序
MOVA,R2;将上一次求取的光强信息总量存入A累加器
MOVXDPTR,R1;存入即时光强信息
ADDA,R1;求取光强信息总量
MOVR2,A;将光强信息总量存入R2
INCR4;统计光强信息个数
INCDPTR;存储地址更改
MOVB,R4;将光强信息统计个数存入B累加器
DIVAB;求取平均光强信息
MOVR3,A;将平均光强信息存入R3
MOVXDPTR,R3;存入平均光强信息
INCDPTR;指向下一个存储地址
LACALLRESE;完成循环
3.显示程序
根据图1，在显示电路中，为P2口输出的8位2进制BCD码，所以应该为简单调用程序，程序如下：
DIPS:
MOVP2,R5;将要显示的信息送入P2
LACALLDIPS;完成循环
4.数据处理程序
只需要不断输出数据处理结果到P2口，根据显示程序，只需要将处理结果不断送入R5，程序如下：
DETAIL:
MOVB,#10
MOVA,R1;将二进制即时光强信息存入A
DIVAB;A中得10位数，B中得个位数
SWAPA
ADDA,B;组合成2位BCD码
MOVR1,A;将BCD码的光强信息存入R1
MOVR5,R1;显示即时光强信息
NOP
……
NOP;1秒的显示延迟（中间有NOP省略）
MOVB,#10
MOVA,R3;将二进制平均光强信息存入A
DIVAB;A中得10位数，B中得个位数
SWAPA;组合成2位BCD码
ADDA,B;组合成2位BCD码
MOVR3,A;将BCD码的光强信息存入R3
MOVR5,R3;显示平均光强信息
NOP
……
NOP;1秒的显示延迟（中间有NOP省略）
LACALLDETAIL
5.总程序：
由上总程序应为：
HEAD:
MOVDPTR,#7800H;将地址指向扩展数据空间第一个地址
CLRA;清空A累加器
CLRR4;清空R4
CLRR2;清空R2
CLRR1;清空R1
RESE:
MOVXA,@DPTR
CJNEA,#7FFFH,CC;判断存储空间是否充满
SJMPHH;没有则继续
JNCHEAD;充满则初始化
HH:
MOVR1,P1;没有则继续
PUSHACC;保存现场
SETBEA;开中断
SETBIT1;外中断1定义为跳变触发
MOVDPTR,#0BFFFH;送ADC0809口地址
MOVA,#00H;选通IN0通道
MOVX@DPTR,A;启动A/D转换
NOP;延时10us
NOP
NOP
NOP
NOP
SETBEX1
POPACC
RET;以上为A/D转换启动程序
PUSHPSW;保护现场
PUSHACC
PUSHDPH
PUSHDPL
MOVDPTR,#0BFFFH
MOVXA,@DPTR;读A/D转换结果
MOVR1,A;送入R1指针
MOVA,#00H;再次启动IN0通道
MOVX@DPTR,A
POPDPL;恢复现场
POPDPH
POPACC
POPPSW
RETI;以上为A/D转换中断处理程序
MOVA,R2;将上一次求取的光强信息总量存入A累加器
MOVXDPTR,R1;存入即时光强信息
ADDA,R1;求取光强信息总量
MOVR2,A;将光强信息总量存入R2
INCR4;统计光强信息个数
INCDPTR;存储地址更改
MOVB,R4;将光强信息统计个数存入B累加器
DIVAB;求取平均光强信息
MOVR3,A;将平均光强信息存入R3
MOVXDPTR,R3;存入平均光强信息
INCDPTR;指向下一个存储地址
DETAIL:
MOVB,#10
MOVA,R1;将二进制即时光强信息存入A
DIVAB;A中得10位数，B中得个位数
SWAPA
ADDA,B;组合成2位BCD码
MOVR1,A;将BCD码的光强信息存入R1
MOVR5,R1;显示即时光强信息
NOP
……
NOP;1秒的显示延迟（中间有NOP省略）
MOVB,#10
MOVA,R3;将二进制平均光强信息存入A
DIVAB;A中得10位数，B中得个位数
SWAPA;组合成2位BCD码
ADDA,B;组合成2位BCD码
MOVR3,A;将BCD码的光强信息存入R3
MOVR5,R3;显示平均光强信息
NOP
……
NOP1秒的显示延迟（中间有NOP省略）
DIPS:
MOVP2,R5将要显示的信息送入P2
SJMPHEAD完成循环
五、光强测量系统的技术指标
经以上方案的测定，此系统应工作在12MHZ的晶振频率下，由来电自启动控制电路工作和复位，每次程序循环时间约为2.1秒，即约每2.1秒采样一次，显示光强即时值1秒，光强平均值1秒。
因为每采集1024个光强记录即存满已设置的扩展RAM，总空间为2K，所以依据程序设计，每2.1*1024=2150.4秒，即每5小时5分50.4秒即自动系统复位一次，既是说系统的循环测量周期为5小时5分50.4秒。
系统供电电压为5V，采集范围为0~5V，需要5V的稳压电源供电。
六、光强测量系统的方案论证
这次设计的光强测量系统中，在光强的测量上完成了即时测量、微延迟显示，和时段平均测量值的计算和显示延迟，并将时段光强数据存储在设计好的扩展存储空间中。
通过这样的设计完成了一个高效多能的光强测量显示系统，达到了一个采集系统的标准。
在芯片选择中，系统选择了简单易用、产量化的芯片，除单片机外有5个IC，2个外设，因此价格相对低廉，因为除了单片机外，其他芯片体积较小，所以整体制版体积较小，而且要求供电电压低可以达到简便易用的效果。
在实时测量中，因为采用了显示延迟，能使使用者较方便地读出测量量。
系统提供了外存储设备，可扩展性好，测量循环周期长，可以测量较长时间的平均值，能在实际应用中使用。
因为电路较简单，采用了来电自启动方式，出现问题可以断电重启，方便简单。
七、结论
经过严密的分析设计，本光强测量系统形成了一个以51单片机为核心，量产化简单芯片组成的，除单片机外共有5个IC，两个外设的实用光强测量系统，性能稳定，体积小，功能使用，系统技术要求达标，运算速率快，重置简单，工作时段长，可靠性高，程序设计简单，价格相对较低，工作要求低。
是一个可靠，易用，方便生产，具有很高市场价值的产品。
参考文献：
1.胡乾斌李光斌等.单片微型计算机原理与应用.武汉：
华中科技大学出版社.1996
2.康华光.电子技术基础.武汉：
高等教育出版社.2002
3.吕能元等.MCS-51单片微型计算机原理.接口技术.应用实例.北京:
科学出版社,1993
4.张毅刚等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社.1990
附录:
一、光强测量系统原理图
二、光强测量系统PCB
三、光强测量系统材料清单
PartType
Designator
Footprint
Description
1K
R2
AXIAL0.3
1K
R1
AXIAL0.3
4HEADER
POWER
SIP4
4PinHeader
10uF
C5
RB.2/.4
ElectrolyticCapacitor
10uF
C3
RB.2/.4
ElectrolyticCapacitor
39pF
C1
RAD0.2
Capacitor
39pF
C4
RAD0.2
Capacitor
39pF
C2
RAD0.2
Capacitor
74F02
74F021
DIP-14
Quad2-InputNORGate
74F02
74F022
DIP-14
Quad2-InputNORGate
74F04
74F04
DIP-14
HexInverter
74LS49
74LS491
DIP-14
74LS49
74LS492
DIP-14
74LS373
74LS373
DIP-20
OctalD-TypeTransparentLatchwith3-StateOutput
6116
6116
DIP-24
8051AH
8051AH
DIP-40
ADC0809
ADC0809
DIP-28
AMBERCC
AMBERCC1
DIP-10
CommonCathhodeSeven-SegmentDisplay,RightHandDecimal
AMBERCC
AMBERCC2
DIP-10
CommonCathhodeSeven-SegmentDisplay,RightHandDecimal
CRYSTAL
CRYSTAL
XTAL1
Crystal
RES2
RO
AXIAL0.3
Solarpanels
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