基于单片机的光强检测报警器.docx

基于单片机的光强检测报警器.docx

《基于单片机的光强检测报警器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的光强检测报警器.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的光强检测报警器

基于单片机的光强检测报警器[]

————————————————————————————————作者：

————————————————————————————————日期：

摘要

随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们关注。

性能好的电子设备，对外围保护电路要求很高，尤其是精密仪器对光线要求等设备要求更高，为了延长设备的使用寿命。

所以，在企业设备保护中，设计一款智能的光电检测报警电路尤为重要。

本设计采用单片机作为数据处理与控制单元,为了进行数据处理，通过光敏电阻来感应光强弱变化，经过ADC0809转换,直接将数字信号送入到单片机中进行数据处理。

单片机数据处理之后，将光照强度发送到LED进行显示，并通过蜂鸣器和LED进行声光报警。

关键词：

单片机，ADC0809，光敏电阻,蜂鸣器

ABSTRACT

Withthedevelopmentofelectronictechnology，theexpansionofthedigitalcircuitapplications，today'ssociety，theproductofintelligent，digitalhasbecomeatrendforpeopletopursue,equipmentperformance,price,roomfordevelopment,andsomuchattention。

Goodperformanceelectronicdevices,highexternalprotectioncircuit,precisioninstruments，lightrequirements,equipmentrequirements,inordertoextendtheusefullifeofequipment。

Therefore，intheprotectionofbusinessequipment,thedesignofanintelligentphotoelectricdetectoralarmcircuitisparticularlyimportant。

个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络

Thisdesignusesamicrocontrollerasdataprocessingandcontrolunitfordataprocessing,theSCMADC0809acquisitionphotoresistorand10Kresistorvoltagedividertosensethelightintensitychange.MCUdataprocessingwillbesentwhenthelightintensitytotheLEDdisplay.SoundandlightalarmbuzzerandLED.

Keywords：

MCU，ADC0809,Photoresistor，buzzer

第1章引言

1.1课题背景

随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性能、价格、发展空间等备受人们关注。

性能好的电子设备，对外围保护电路要求很高，尤其是精密仪器对光线要求等设备要求更高，为了延长设备的使用寿命。

所以，在企业设备保护中，设计一款智能的光电检测报警电路尤为重要。

光强检测报警器主要根据光敏电阻的特性制作的。

光敏电阻值随受到的光照强度的变化而变化（光照强度越大，电阻值越小）。

将光敏电阻接入电路中，不同光照强度导致光敏电阻值变化，于是光敏电阻上的电压发生变化，导致电路的输出电压也相应变化.根据电压—光照度函数关系,由电压计算得到光照强度值，然后以可视化界面形式输出（LED数码管显示）,以供用户查看结果。

其中光敏电阻的特性是光敏电阻随受到的光照强度的变化电阻值发生变化，光照强度越强电阻越小，在分压电路中获得电压越低.根据这一特性,结合光照强度和输出的模拟电压之间的关系，可以得到某一光强度下的对应的模拟电压。

将模拟电压通过AD转化器转换为数字电压，以便于计算机处理。

然后再将数字电压转换成光照度.

1.2光强检测的意义与技术发展

光是人类生产生活所必须的一种元素,是一种能量的形态,它可以从一个物体传播到另一个物体，其中无需任何物质作媒介。

现在化蔬菜大棚需要控制光照强度，从而使蔬菜快速正常生长；禽舍需要控制光照强度,使动物健康正常生长；人们的生活环境（学生的学习环境,办公室，工厂等）需要控制光照强度，使人们有一个好学习生活环境。

但是在工业生产中，光强过强或过弱，就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。

因此对光强的检测的意义就越来越大。

光强检测系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。

在工业生产过程中，很多时候都需要对光强进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行,产品的质量才能够得到充分的保证。

光强检测报警系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。

嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性,都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。

这条道路就是芯片化道路。

将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。

单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。

1.3课题内容

本课题是基于单片机的光强检测报警器设计,其利用单片机作为系统的主要控制器，通过光敏电阻和10K电阻分压，经过ADC0809转换，直接将数字信号，送入到单片机中进行数据处理,经过一定的控制算法后,通过单片机的输出I/O口,来控制蜂鸣器和LED灯，达到报警的目的，并通过LED显示,达到良好的人机交互.

本文运用AT89S52单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制光敏电阻检测光强信号，数据处理，发出控制信号对蜂鸣器和LED作用，达到报警的目的，同时实现光强报警和光弱报警功能.实现基本的人机对话功能,显示光强值所在档位。

第2章光强检测报警器的设计方案

2.1系统的方案分析

系统总体框图,如图2-1：

图2—1系统总体框图

以AT89S52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四位一体七段数码显示器上。

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。

2.2单片机的选型

在本设计中单片机是系统的控制核心,因此，单片机的选择，对于所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响.单片机种类很多，在众多51系列单片机中,较为常用的是ATMEL公司的AT89S52和AT89S52单片机.AT89S52片内4KROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写,片内有128字节的RAM。

AT89S52已满足本次设计的要求，同时我们对于这个单片机芯片也较为熟悉，因此,在本次设计中选用了ATMEL公司的AT89S52单片机.

2.3显示方案选择

（1）七段LED数码显示

在单片机系统中,发光二极管（LED）常常作为重要的显示手段。

LED显示器内部由7段发光二极管组成，因此亦称之为七段LED显示器,由于主要用于显示各种数字符号，故又称之为LED数码管.每个显示器还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点.但其显示并不是很直观,同时编程相对复杂,可显示字符比较少，但成本相对很低廉。

（2）液晶显示模块芯片

LCD为英文LiquidCrystalDisplay的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。

在实际应用中,用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块.其中，LCD显示模块LCM（LiquidCrystalDisplayModule）是把LCD显示器、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构成一个整体,作为一个独立的部件使用，具有功能较强、易于控制、接口简单等优点，在单片机系统中应用较多。

而本次选择的4位一体的LED数码显示模块，具有价格低、功耗低、连接方便等特点，已经成为单片机应用设计中最常用的信息显示器件了.

2.4AD转换方案

A/D转换采用ADC0809。

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

第3章光强检测报警器硬件设计

3。

1硬件设计

根据上述的芯片资料和方案的对照考虑，确定光强检测报警器的实现电路，如图3-1所示。

图3-1系统总体电路图

在设计中，用了两个主要元件:

控制芯片AT89S52单片机和ADC0809。

其中控制芯片AT89S52单片机的控制功能能满足电路功能实现的要求，它主要实现两个功能：

1.通过P3。

0、P3。

3对ADC0809的引脚START和EOC的控制来实现模拟数字转换器ADC0809的转换开始和结束,并通过P3。

2对输出允许信号OE的控制实现控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据；最后在模拟数字转换结束后通过P1口从ADC0809的数据输出线D7—D0把数据采集进来。

2。

通过P0口把采集进来的数据送到数码管的段信号：

A、B、C、D、E、F、G、DP；并通过P2口的P2.0控制数码管的位信号，实现数码管的动态显示.

另外模拟数字转换器ADC0809实现的功能就是完成对采集进来的模拟信号的数字转换。

电路中，利用ADC0809的IN0口将模拟数据采集进来。

ALE地址锁存允许信号和START转换启动信号分别与单片机的P3.3及P3.0连接,以实现对它的控制；进行A/D转换时，采用查询EOC的标志信号来检测A/D转换是否完毕，若完毕则把数据通过P1端口读入，经过数据处理之后在数码管上显示。

3.2AT89S52单片机

89C51系列单片机最早是由Intel公司开发和生产的,Intel公司在1980年推出MCS—51单片机，也称89C51单片机。

AT89S52单片机是ATMEL公司1989年生产的产品，ATMEL率先把89C51内核与Flash技术相结合,推出轰动业界的AT89系列单片机.

本设计采用ATMEL生产的MCS—51系列的AT89S52单片机芯片作为主芯片。

MCS-51单片机所占的市场分额很大，在单片机领域影响力很大，几十年居于单片机领域领头羊地位，其产品大量作为单片机教材范例使用。

AT89S52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该单片机片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89S52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚,32个外部双向输入/输出（I/O）端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程.其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2.1AT89S52的引脚

图3—2为AT89C51的引脚图.

图3—2AT89S52芯片引脚

40只引脚按照其功能来分，可分为3类：

（1）电源及时钟引脚：

Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2.

（2）控制引脚：

PSEN、ALE、EA、RESET。

（3）I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。

3.2。

2AT89S52的时钟电路

在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。

在由多片单片机组成的系统中,为了各单片机之间的时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。

时钟电路如图3—3所示。

a）内部时钟b）外部时钟

图3—3AT89S52时钟电路

3.2。

3AT89S52的复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序.除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效，其有效时间应持续时间24个振荡脉冲周期以上.复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。

复位电路如图3—4所示。

图3-4AT89S52复位电路

3。

3ADC0809电路

3.3。

1A/D转换器芯片ADC0809简介

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

ADC0809的引脚图如图3-5所示。

图3-5ADC0809引脚图

1、ADC0809的内部结构

ADC0809的内部逻辑结构图如图3-6所示.

图3—6ADC0809内部逻辑结构

图3—6中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法.地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择,其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3-1为通道选择表.

表3—1通道选择表

2、信号引脚

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3—5。

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中.

START-—转换启动信号。

START上升沿时,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线.通道端口选择线,A为低地址,C为高地址，引脚图中为ADDA,ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表9—1。

CLK-—时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供,因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。

EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志,又可作为中断请求信号使用。

D7~D0—-数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc-—+5V电源。

Vref--参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）。

。

3.3。

2AT89S52单片机与ADC0809的接口

ADC0809与AT89S52单片机的连接如图3—7所示。

图3-7ADC0809与MCS—51单片机的连接电路

电路连接主要涉及两个问题。

一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。

模拟通道选择信号A、B、C分别接P3。

4、P3。

5、P3.6，而地址锁存允许信号ALE由P3。

1控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H~0FEFFH。

START信号接由P3。

0控制。

另外参考电压直接利用本系统的Vcc，因此要求Vcc为标准的5V电压。

3。

4显示电路

显示电路采用4位一体的数码管来实现.

数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划”a，b,c，d,e,f，g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮.

透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料,不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠,而且功耗更低。

实现电路如图3-8所示。

8段连接单片机的P1口，位选通采用NPN9015（或者8550）三极管来有效控制它的通断，分别对应单片机的P2。

0、P2.1、P2.2、P2.3。

图3-8显示电路

3。

5光强采集电路

光强采集，采用光敏电阻进行设计.敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料.这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性.这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

采用分压原理,设计电路如图3-9所示：

本文为互联网收集，请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途

图3-9光强检测电路

3.6键盘电路

按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态,来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的.键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段.键盘分两大类：

编码键盘和非编码键盘.

编码键盘：

由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。

每按一次键，键盘自动提供被按键的读数,同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。

这种键盘容易使用，但硬件比较复杂,对于主机任务繁重的情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案.

非编码键盘:

只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如按键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件设计较为简单，但占用CPU较多时间，非编码键盘有：

独立式按键结构、矩阵式按键结构两种。

矩阵式按键结构适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。

矩阵键盘工作的原理:

行线通过上拉电阻接到+5V上。

无按键，行线处于高电平状态,有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。

列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高,则行线电平为高。

矩阵式按键结构的优点就是节约单片机I/O口,适用于按键比较多的场合.

独立式按键结构，独立式按键就是按键相互独立,每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。

各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。

当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。

因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。

优点:

电路配置灵活，软件结构简单。

缺点：

每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时,I/O口浪费大，电路结构显得复杂。

因此,此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合.在本设计当中，由于只需要四个按键，所以采用独立式键盘结构,电路连接图如图3-10所示：

图3—10键盘电路

3.7控制输出电路

控制输出采用3个不同颜色的LED灯,进行显示报警，如下图3-11：

图3—11LED灯报警

报警电路实现的是当环境温度值超过系统设置的上限值或者小于系统设置的下限值时，都将通过I/O口驱动蜂鸣器，进行蜂鸣器报警。

而单片机I/O口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器,所以设计了蜂鸣器驱动电路，具体电路连接如图3—12所示:

图3-12蜂鸣器电路

第4章系统程序设计

本部分详细介绍了基于AT89S52单片机的光强检测报警器的软件设计。

根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如光强采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序。

采用KeiluVision3集成编译环境和汇编语言来进行系统软件的设计.本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。

4.1设计思路与流程图

系统要完成光强检测报警器,需要实现光强信号的采集与A/D转换、数据处理、数据显示、数据输出等基本功能。

从功能上可将其分为光强信号采集及A/D转换、数据处理、人机交互、执行四大部分进行设计，软件系统框图如图4-1所示：

图4-1软件系统框图

光强信号采集子程序，主要完成光强信号采集与A/D功能。

采集子程序主要包括单片机给ADC0809写命令、单片机ADC0809写数据、单片机从ADC0809读数据等部分.

数据处理子程序，当单片机收到温度传感器发送的温度数据后,数据处理子程序对该数据进行处理，主要是把采集到的二进制的温度数据转换成十进制温度数据。

人机交互子程序包括按键子程序、LED显示子程序。

LED显示子程序的功能是，实现将数据处理后的十进制光强数据,使用LED显示出来。

执行子程序，该子程序所实现的功能，是把程序设置的系统光强限定值与数据处理子程序处理后的当前光强值进行比较，根据比较的结果，执行单片机的I/O口输出的状态。

控制LED灯与蜂鸣器。

主程序流程图如图4-2所示：

图4-2主程序流程图

4。

2ADC子程序

模/数（A/D）转换测量子函数用来控制对ADC0809的模拟输入电压进行A/D转换，并将对应的数值移入内存单元.其程序流程如图4—3。

图4-3A/D转换测量子函数流程图

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效.ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零;下跳沿时，