多亮度等级调光灯制作终稿学位论文.docx
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多亮度等级调光灯制作终稿学位论文
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
目录
摘要1
目录2
第一章绪论5
1.1单片机介绍5
1.2单片机的分类5
1.3单片机的发展趋势6
1.4单片机的组成及特点7
1.4.1单片机的组成8
1.4.2单片机的特点8
1.5单片机的发展9
1.5.1单片机发展的三大阶段9
1.5.2单片机发展简史9
1.6单片机的应用10
第2章设计方案论述11
2.1可控硅介绍11
2.1.1可控硅的分类11
2.1.2可控硅的主要参数11
2.1.3常用封装形式12
2.1.4主要生产厂家12
2.2可控硅的结构和特性12
2.3调光灯设计的功能要求和工作原理13
2.4可控硅作用、特点13
2.4.1单向可控硅13
2.4.2单向可控硅基本结构13
2.4.3双向可控硅14
2.5可控硅的导通原理14
2.6方案论证与比较15
2.6本章小结16
第3章MSP430芯片介绍16
3.1MSP430芯片简介16
3.2MSP430单片机的发展17
3.3MSP430单片机的特点18
3.4MSP430系列与89C51系列的比较19
3.5MSP430产品系列类型描述20
3.6本章小结21
第4章多亮度等级调光灯的设计21
4.1设计原理21
4.2功能简介21
4.3硬件部分21
4.3.1硬件结构图22
4.3.2电路说明22
4.3.4硬件流程图：
22
4.4控制器的选择思路23
4.5可控硅主驱动电路24
4.6控制电路24
4.7人机交互-键盘接口25
4.8本章小结25
第5章软件设计26
5.1软件开发环境介绍26
5.1.2嵌入式IAREmbeddedWorkbenchIDE26
5.1.2一个可扩展的模块化的环境26
5.1.3特性26
5.1.4项目管理27
5.1.5源代码控制27
5.1.6窗口管理27
5.1.7文本编辑器27
5.2软件设计28
5.2.1软件组成28
5.2.1程序流程图如下28
5.3软件实现29
5.4测试的方法与仪器29
5.5测试数据及测试结果分析29
5.6本章小结30
课题背景30
参考文献31
附录32
Ⅰ.硬件结构图32
Ⅱ.元器件清单32
致谢33
毕业设计总结34
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
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