光照度的测控系统设计要图给我留言.docx
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光照度的测控系统设计要图给我留言
摘要：
3
一、设计任务与要求3
1.1设计任务3
1.2设计要求3
二、系统原理与方案设计4
２.１原理描述4
２.２ 系统原理框图4
三、电路元件的选择说明4
3.1光照度的概念4
3.2单片机的选择4
3.2.1查阅文献发现各种环境照度值如下：
单位lux5
3.2.28051单片机的引脚分布图及功能说明5
3.3.1光敏三极管的工作原理和结构5
3.3.2光敏三极管的光照特性6
3.3.3光敏三极管的型号选择6
3.4前置运算放大电路6
3.5AD转换器的选择7
3.5.1AD转换器的选型7
3.5.2TLC549引脚图及各引脚功能7
3.6DA转换器的选择7
3.6.1DA转换器的选型8
3.6.2DA0832转换器引脚说明8
3.6.3DAC0832工作方式的选择8
3.7后置放大器9
3.8发光二极管的选择9
3.9外部程序存储器的扩展型号选择10
3.9.1程序存储器的选型10
3.9.2EPROM2726的引脚说明10
3.10地址锁存器的选择10
3.10.1锁存器的选型10
3.10.274LS373的引脚说明10
3.11扩展输入/输出口的型号选择11
3.11.1扩展输入/输出口的选型11
3.11.28255的引脚说明11
3.12电路元件型号列表12
四、电路的设计12
4.1单片机复位电路的设计12
4.2单片机的时钟电路设计13
4.3单片机扩展EPROM电路设计13
4.4单片机扩展输入/输出口电路设计14
4.5LED显示器和键盘电路设计15
4.5.1显示器的工作原理15
4.5.2键盘的工作原理15
4.5.3键盘和显示器连接电路设计16
4.6总电路设计图（见附件）16
五、系统软件设计17
5.1主程序流程图17
5.2显示功能流程图17
5.3键盘功能流程图18
六、心得体会20
参考文献20
摘要：
本系统以LED显示器为控制系统的研究对象，设计了以MCS-51单片机为控制核心的光照测控系统。
利用负反馈调节原理对发光二极管的发光强度进行稳定，二极管发出光的物理信号，利用光敏三极管将物理信号转变成电信号，再用放大器将微弱的电信号放大成需要的0到5V电压，再经过AD转换器将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号输入单片机，单片机进行处理后输出控制信号，此信号需要经过DA转换器转换成模拟信号，再用放大器将此微弱的模拟信号放大成０到５Ｖ的电压加在二极管上。
中途利用键盘键入标准值，并利用７段LED显示器显示光源的发光强度，从而实现反馈控制功能，达到稳定光源的作用
关键词：
单片机传感器光照测控系统反馈控制
一、设计任务与要求
1.1设计任务
要求设计一个以单片机为核心部件的光照测控系统，发光零件采用发光二极管，光电传感器可以采用光敏三级管，此传感器根据光照强度而转化为相应的电流输出，再经过放大器转变为0到5V的电压输出，再经过AD转换器转换成数字信号，进入CPU，然后通过显示器显示光照强度值。
其标注值通过键盘输入到CPU，让测量值与标准值比较，通过CPU控制使DA转换器的输出电压相应的增加和减少，经过放大器使输出电压加到发光二极管上，从而达到稳定光源的目的，使系统具有反馈控制的作用。
1.2设计要求
（1）设计显示器与接口电路：
显示用8位7段ＬＥＤ显示器或ＬＣＤ显示器；
（2）设置键盘及接口电路：
键盘采用２Ｘ８矩阵结构；
（3）片外扩展数据存储器及程序存储器；
（4）扩展相应的Ｉ／Ｏ接口芯片；
（5）选用合适的ＡＤ转换器和ＤＡ转换器；
（6）选择合适的传感器和信号放大电路；
（7）绘制原理框图、原理电路图，要有必要的计算及元件选择说明。
二、系统原理与方案设计
２.１原理描述
利用负反馈调节原理对发光二极管的发光强度进行稳定，就是对发光二极管进行测控的过程。
二极管发出的光的强弱是物理信号，先得利用传感器将物理信号转换为电信号，这里可以选用光敏三极管来实现，然而光敏三极管的输出电流信号是很微弱的，需要利用放大电路放大为０到５Ｖ的电压信号，再经过ＡＤ转换器将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号输入单片机。
单片机进行处理后输出控制信号，此信号需要经过ＤＡ转换器转换成模拟信号，此模拟信号是很微弱的，不能直接点亮二极管，所以需要用放大电路放大成０到５Ｖ的电压加在二极管上。
中途利用键盘键入标准值，并利用７段ＬＥＤ显示器显示光源的发光强度。
从而实现反馈控制功能，达到稳定光源的作用。
２.２ 系统原理框图
图１ 系统原理框图
三、电路元件的选择说明
3.1光照度的概念
光照度，即通常所说得勒克司度（lux），表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。
1勒克司相当于1流明/平方米，即被摄主体每平方米的面积上，受距离一米、发光强度为1烛光的光源，垂直照射的光通量。
光照度是衡量拍摄环境的一个重要指标。
3.2单片机的选择
3.2.1查阅文献发现各种环境照度值如下：
单位lux
黑夜：
0.001—0.02；月夜：
0.02—0.3；阴天室内：
5—50；阴天室外：
50—500；晴天室内：
100—1000；夏季中午太阳光下的照度：
约为10^6次方；阅读书刊时所需的照度：
50—60；家用摄像机标准照度：
1400
一个发光二极管的光照度一般不会超过200lux，如果分度值取1lux，则一个8位的单片机有2^8=256种情况，即可以满足使用要求。
所以在此选用MCS-51系列的8051单片机。
3.2.28051单片机的引脚分布图及功能说明
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布图如下：
图28051引脚
（1）P0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。
（2）P1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。
（3）P2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。
（4）P3.0~P3.7P3口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。
（5）Vss和Vcc主电源引脚。
（6）XTAL1和XTAL2时钟电路引脚。
（8）RST复位控制，ALE允许地址锁存输出。
3.3光敏三极管的选型
3.3.1光敏三极管的工作原理和结构
光敏三极管集电结反向偏置，发射结正向偏置当光线通过透明窗口照射发射结时，由于光照所产生的光电流相当于普通三极管的基极电流，因此集电极电流是原始光电流的β倍。
它具有两个PN结，可以获得电流增益，具有比光敏二极管更高的灵敏度。
3.3.2光敏三极管的光照特性
光敏三极管的光电流与光照度的关系如图；光照特性的线性没有二极管的好；照度小时，光电流随照度的增加而增加得较小，当光照足够大时，输出电流又有饱和现象（图中未画出），这是因为三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降。
3.3.3光敏三极管的型号选择
下表为3DU912型高灵敏度光敏三极管，可用于光电计数、自动控制、转速测量、自动报警、近红外通信与测量等装置，还可用于电子计算机的纸带读取、文字读取等输入装置以及光耦合线路、光符号传感器中。
表13DU912型高灵敏度光敏三极管型号参数
根据上表，选择3DU912型的光敏三极管即可满足使用要求。
3.4前置运算放大电路
一个线性度好、稳定度度高的光电转换与信号放大电路对于整个测试系统统是至关重要的。
它直接影响整个系统的测量精度、灵敏度、稳定性及系统的测试速度等指标。
由于3DU912具有高灵敏度的特点，所以容易引起高频噪声。
此处采用低低通滤波器，过滤掉部分高频噪声，同时采用运运算放大器，将微弱电信号放大至A/D转换器可可用范围。
第一确保了A/D转换器的转换精度，第二确保了信号不失真。
1）原理图（右图）
其中R与C构成了低通滤波器
2）参数与芯片选择。
考虑到整个系统采用5.0V电压统一供电，所以运算放大器应选用低电压型号。
经过挑选选择了LMV321。
该运放的特点是工作电压低（2.7V-5.5V），可适应本产品的需求。
输出的电压信号连入单单片机的A/D转换电路，而A/D转换输入电压最大值为VREF也就是5.0V，而硅光电电池产生的电流在0-2mA之间，所以R=30K为宜。
所选截断频率为200Hz，故C=30u为宜。
左图为5-PinSC70封的LMV321芯片。
其中1接光敏三极管的发射极，2接地，3接光敏三极管的集电极，同时接地，5接5.0V供电电压，4接A/D转换。
并在1与4之间并联电阻与电容。
3.5AD转换器的选择
模拟信号只有转换为数字信号才能送入单片机进行处理，所以在把模拟信号送入单片机前进行AD转换。
3.5.1AD转换器的选型
考虑到单片机8051为8位，所以AD转换器也选8位的，在此选择的是TLC549串行模数转换器。
TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。
它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。
3.5.2TLC549引脚图及各引脚功能
REF+：
正基准电压输入2.5V≤REF+≤Vcc+0.1。
REF－：
负基准电压输入端，-0.1V≤REF-≤2.5V。
且要求：
（REF+）－（REF-）≥1V。
VCC：
系统电源3V≤Vcc≤6V。
GND：
接地端。
CS：
芯片选择输入端，要求输入高电平VIN≥2V，输入低电平VIN≤0.8V。
TLC549引脚图
DATAOUT：
转换结果数据串行输出端，与TTL电平兼容，输出时高位在前低位在后。
ANALOGIN：
模拟信号输入端，0≤ANALOGIN≤Vcc，当ANALOGIN≥REF+电压时，转换结果为全“1”（0FFH），ANALOGIN≤REF-电压时，转换结果为全“0”（00H）。
I/OCLOCK：
外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。
3.6DA转换器的选择
单片机输出的信号为数字信号，只有先转换成模拟信号才能对执行机构进行控制，所以在此需要选用DA转换器。
3.6.1DA转换器的选型
考虑到单片机8051为8位，所以DA转换器也选8位的，在此选择的是DAC0832。
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
3.6.2DA0832转换器引脚说明
D0-D7：
数字信号输入端。
ILE：
输入寄存器允许，高电平有效。
CS：
片选信号，低电平有效。
WR1：
写信号1，低电平有效。
XFER：
传送控制信号，低电平有效。
WR2：
写信号2，低电平有效。
IOUT1、IOUT2：
DAC电流输出端。
Rfb：
是集成在片内的外接运放的反馈电阻。
Vref：
基准电压（-10~10V）。
DAC0832引脚图
Vcc：
是源电压（+5~+15V）。
AGND：
模拟地NGND：
数字地，可与AGND接在一起使用。
DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。
3.6.3DAC0832工作方式的选择
DAC0832有如下3种工作方式：
⑴单缓冲方式。
单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。
此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。
⑵双缓冲方式。
双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。
此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。
⑶直通方式。
直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即CS*，XFER*，WR1*，WR2*均接地，ILE接高电平。
此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。
考虑到控制发光二极管的亮度只有一路模拟信号输出，所以选择单缓冲工作方式。
原理图如下：
如右图所示,由运算放大器进行电流→电压转换，使用内部反馈电阻。
输出电压值VOUT和输入数字量D的关系：
VOUT=-VREF×D/256
D=0～255，VOUT=0～－VREF×255/256
VREF=-5V，VOUT=0～+（255/256）V
VREF=+5V，VOUT=0～－（255/256）V
单极性电压输出电路
3.7后置放大器
DA转换器的输出电压是很微弱的，要想驱动二极管
还需要对信号进行放大，使之成为0到5V的电压源供电。
在此选用LM2904放大电路。
其基本参数如下：
放大器类型：
通用转换速率：
0.6V/μs
增益带宽积：
1.1MHz电流-输入偏压：
20nA
电压-输入偏移：
2000μV电流-电源:
700μA
电流-输出/通道:
40Ma安装类型：
表面贴装
运放类型:
低功率变化斜率:
0.6V/μs
工作温度范围:
-40°Cto+125°C封装类型:
SOIC
增益带宽:
1.1MHz电源电压最大:
30V
电源电压最小:
3V表面安装器件:
表面安装
3.8发光二极管的选择
普通发光二极管属于电流控制型器件，在使用时需串接适当阻值的限流电阻，电压控制型发光二极管（BTV），是将发光二极管和限流电阻集成制作为一体，使用时可直接并接在电压源两端。
下表为电压控制型发光二极管的一些型号，根据使用电压5V，又没有其它特别的要求，故选择发光二极管的型号为HTV314055。
电压控制型发光二极管的外形和内部图
表电压控制型发光二极管的部分型号
工作电压/V
耗散功率/W
正向电流/mA
反向电压/V
波长
/nm
发光
颜色
HTV314055
5
0.1
15
≥5
700
红
HTV334059
9
0.1
10
≥5
585
黄
HTV344052
12
0.12
10
≥5
565
绿
HTV314051
15
0.15
10
≥5
700
红
HTV314058
18
0.15
10
≥5
700
红
HTV314054
24
0.2
10
≥5
700
红
3.9外部程序存储器的扩展型号选择
3.9.1程序存储器的选型
题目要求扩展外部程序存储器，为了编程的方便，选择紫外线擦出电可写入的只读存储器EPROM。
能与MCS—51系列的单片机的典型产品有2712、2732、2764、27128、27256等，考虑到本系统的程序内容不是很多，8K的空间就够用了，故选择2764（8K*8）。
3.9.2EPROM2726的引脚说明
A0—A12：
地址线
I/O0—I/O7:
数据输出线
CS：
片选线
OE：
数据输出选通线
PGM：
编程脉冲输入
VPP：
编程电压输入
3.10地址锁存器的选择
3.10.1锁存器的选型
2764引脚配置
因为8051单片机的Po口为地址/数据分时复用口，扩展外部程序存储器的低八位地址从此口输出，如果没有锁存器，则低八位的地址会被数据信息冲洗掉。
为了与8051和2764相配，故可选74LS373作为此系统的地址锁存器。
3.10.274LS373的引脚说明
74LS373端Q0～Q7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。
当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号说明：
D0～D7数据输入端
OE三态允许控制端（低电平有效）
LE锁存允许端
Q0～Q7输出端
3.11扩展输入/输出口的型号选择
3.11.1扩展输入/输出口的选型
为了与8051匹配，扩展输入/输出口选用8255。
3.11.28255的引脚说明
8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。
具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。
其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。
8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。
8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。
同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。
由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：
与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
1）与CPU连接部分
根据定义，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0～D7。
由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0～A1。
此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。
各信号的引脚编号如下：
（1）数据总线DB：
编号为D0～D7，用于8255与CPU传送8位数据。
8255引脚配置图
（2）地址总线AB：
编号为A0～A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。
（3）控制总线CB：
片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。
当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。
2）与外设接口部分
根据定义，8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。
各通道的引脚编号如下：
（1）A口：
编号为PA0～PA7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。
（2）B口：
编号为PB0～PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。
（3）C口：
编号为PC0～PC7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。
3）控制器
8255将3个通道分为两组，即PA0～PA7与PC4～PC7组成A组，PB0～PB7与PC0～PC3组成B组。
如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：
（1）A组控制器：
控制A口与上C口的输入与输出。
（2）B组控制器：
控制B口与下C口的输入与输出。
引脚功能
RESET:
复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。
CS:
芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.
RD:
读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。
WR:
写入信号，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。
D0～D7:
三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。
3.12电路元件型号列表
表电路元件型号列表
光敏三极管
前置放大器
AD转换器
单片机（CPU）
DA转换器
3DU912
LMV321
TLC549
8051
DAC0832
发光二极管
扩展I/O口
扩展EPROM
地址锁存器
—
HTV314055
8255
2764
74LS373
—
四、电路的设计
4.1单片机复位电路的设计
为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
复位电路工作原理：
VCC上电时，C充电，在10K电阻上出
单片机的复位电路
现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。
工作期间，按下S，C放电。
S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。
几个毫秒后，单片机进入工作状态。
4.2单片机的时钟电路设计
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必须的时钟控制信号，MCS-51单片机的内部电路在时钟信号的控制下，严格的执行指令进行工作，在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出所需要的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。
CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制。
MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此时钟频率直接影响单片的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟设计电路有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。
由于只有一个CPU，不需要处理器之间的同步，所以我们这里采用内部时钟控制。
MCS-51单片机内部由一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为51单片机的引脚XTAL1，输出为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路如下图所示。
电路中的电容C1和C2的典型值通常取为30pF左右，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响石英晶体振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶振的振荡器的频率范围通常是在1.2MHz-12MHz之间，晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快，晶振和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作，为了提高温度稳定性，应该采用温度稳定性能好的电容。
内部时钟电路
4.3单片机扩展EPROM电路设计
程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。
程序存储器以程序计数器PC作
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