基于单片机综合应用设计实训.doc

2桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 2 页 共 2页成 绩批阅教师日 期桂林电子科技大学 实训报告2016-2017学年第一学期学 院 海洋信息工程学院 课 程 基于单片机综合应用设计实训 姓 名 学 号 分 组 指导老师 日 期 摘 要本设计题目是光敏电阻测量光照强度，用光照的强弱来改变光敏电阻的阻值大小，从而使输出电压值改变，通过测量输出电压值的大小就可以间接的测量光照的强度了。本设计有光照强度报警控制系统和光照强度等级显示电路以及光照亮度的显示。本设计采用了STC单片机为主控制电路，用数码管显示光照强度值，用绿、黄、红LED来显示光照亮度等级，用蜂鸣器来做报警电路。本设计电路各个部分电路的设计原理及功能都能实现，要求对各种基本的电子元器件，电阻、电容、二极管、三极管等熟悉，掌握Proteus 仿真软件的运用、Protel 99 SE工具软件等绘图软件，并加以运用。用单片机内部的AD转换实现模拟转化为数字量，通过编程控制各个外围电路并实现其功能。本设计具有有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等特点。关键词：光照强度；光敏电阻；单片机 Abstracts This design is entitled to the photoresistor to measure light intensity, the strength of the light to change the photosensitive resistor size, so that the output voltage changes, by measuring the size of the output voltage value can be indirectly measuring the light intensity. The design of the light intensity alarm control system and the light intensity level display circuit and illumination brightness of the display. This design uses the STC microcontroller-based control circuit, digital display light intensity, light green, yellow, red LED display brightness levels, to do with buzzer alarm circuit. The design of the circuit design principles and functions of various parts of the circuit can achieve, requiring a variety of basic electronic components, resistors, capacitors, diodes, transistors and other familiar and master the use of Proteus simulation software Protel 99 SE software tools such as mapping software and use of them. AD of the internal microcontroller to convert analog into digital, programmed to control the various peripheral circuits and to achieve its function. The design of the circuit is simple, compact, low cost, superior performance characteristics.Key words：Light intensity; photosensitive resistance; MCU 1桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 1 页 共1页 目 录引言11.系统概述11.1 设计要求11.2方案设计21.2.1方案说明21.2.2方案论证22.硬件电路设计与分析32.1单片机最小系统32.2光敏电阻的主要特性及参数52.3光敏电阻接入电路图62.4数码管显示电路72.5报警电路73.软件设计83.1主程序83.2安装调试及测量数据分析93.3出现的问题与解决的方法94.实训的心得体会10致谢11参考文献12附录1313桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第13页 共13页引言光照强度自动检测显示系统，该系统可以自动检测光照强度的强弱并显示让人们知道此时光照强度的强弱。人们可以设定光照强度的范围，一旦超出此范围该系统可以发出警报通知或直接采取措施使光照强度在此范围内。人们可以通过看此装置的显示了解现在的光照状态，做合理的光照调节。该设计可分为三部分：即光照检测部分、信号处理部分、光强显示部分。还可加上报警部分。对于光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件，它可以完成从光强到电阻值的信号转换，再把电阻值转换为电信号就可以作为系统的输入信号。对输入信号处理后，就可以用来显示了。对于显示部分可利用数码管来显示，不同的光强对应于不同数码管显示值，就能简单的显示出不同的光强了。1 系统概述1.1 设计要求设计一个光照强度自动检测、显示、（报警）系统，实现对外界三种不同条件下光强的分档指示和报警（弱、适宜、强）。通过采样到的光照射强度选择，在数码管上显示电压的大小。 (1)自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的输出；(2)传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完成，完成至少三种以上不同光照条件下显示报警系统方案的论证和设计；(3)完成自然光光照强度自动检测显示报警系统电路方框图、电路原理图的设计；(4)完成自然光光照强度自动检测显示报警系统中核心芯片的选型、系统中各个参数的计算（备注：1. 含各种元件参数的计算过程或依据2. 选定最接近计算结果的元件规格）；(5)设计结束后，进行仿真调试。（6）不断检测设计和实践的相差情况（6）仿真调试方案（7）给出系统整机电路图。（8）完成课程设计报告1.2 方案设计1.2.1方案说明(1)传感器选择：选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。(2)电阻测试：在室外太阳光强照射下、室内适宜光照下、室内昏暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为=15.6k欧。(3)方案原理图：系统功能描述：考虑到系统的实用价值,确定了光照适宜时的光敏电阻值的范围为1.4-3.6k欧，当光照过强时，LED1点亮，蜂鸣器报警；光照适宜时，LED2点亮；黑暗时，LED3点亮，蜂鸣器也报警。即光照不适宜时就会报警，所以该系统不但可以完成光强的显示、报警，而且可以判断光照是否适宜。原理框图如下：数码管显示电路报警电路光敏电阻光敏电阻信号转换电路信号处理电路 图1 原理框图1.2.2方案论证(1)光照强度的信号采集部分采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小； 当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。(2)信号处理部分：采用集成电压比较器LM358N作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。光强、适宜、黑暗三种光照状态转换为三个电压值V1，V2，V3作为比较器的输入电压；两个比较器设置两个参考电压Vref1，Vref2。工作过程分析如下：光照较强时V1 Vref1Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时Vref1V2 Vref2， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0）； 光照黑暗时V3 Vref2 Vref1 两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V）。这样就完成了从模拟信号到数字信号的转换,显示部分就变得容易了。(3)光强显示部分采用数码管管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，所以在输出端加一个上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮。这样三种状态就显示出来了。（4）光报警部分采用有源蜂鸣器作为报警器件。电路连接如原理图所示，用两个NPN型BJT三极管的导通来控制报警电路的导通，三极管的导通又受发光二极管导通与否的控制，发光二极管的导通受光照的控制。所以光强就可以控制报警器了，设计方案采用了当光照较强或较暗时报警。工作过程分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮，三极管BJT1被导通，报警电路被导通，蜂鸣器报警；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮，三极管BJT1截止，报警电路也截止； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮，BJT2被导通，报警电路也被导通，蜂鸣器报警。2 硬件电路设计与分析2.1单片机最小系统STC12C5A08S2简介：新一代宏晶芯片具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D转换，25万次/秒1T 8051带总线,无法解密,管脚直接兼容传统89C52,有全球唯一ID号可省复位电路,36-44个I/O内部R/C时钟的新一代宏晶芯片加密性强，解密难度高。中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。时钟电路。由于频率较大时，三角波、正弦波、方波等波中每一点延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形，该电路用24MHz晶振。如下图： 图2 主控电路图宽电压：5.53.3V，2.23.6V（STC12LE5A60S2系列） 增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率12MHz时，无需此功能）增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP 低功耗设计：空闲模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一个中断唤醒） 低功耗设计：掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持上升沿和远程唤醒 工作频率：035MHz，相当于普通8051：0420MHz 图3 单片机内部接入2.2光敏电阻的主要特性及参数（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。 （2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。 （3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。 (4）在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 、（5）光敏电阻的光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种 类结合起来考虑，才能获得满意的效果。（6）光敏电阻的伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。（7）当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。 2.3光敏电阻接入电路图 图4 光敏电阻接入电路2.4数码管显示电路 图5 数码管电路 2.5报警电路采用有源蜂鸣器作为报警器件。 图6 光报警电路和光显示电路3 软件设计软件设计上，根据功能分了几个模块编程。模块主要有：主程序模块、检测光度模块，比较光亮度模块。3.1 主程序结束黄色LED亮，光强度适中AD转换值小于70绿色LED亮，光强度弱检测所得电压进行AD转换开始红色LED亮，光强度强，蜂鸣器报警AD转换值小于40光强度检测NONOYESYES图7 主程序的流程框图应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存建立工程并添加源文件设置工程编译/汇编、连接，产生目标文件程序调试。成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug-Start/Stop Debug Session(或按Ctrl+F5键)进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行(按F11或选择Debug-Step)、过程单步执行(按F10或选择Debug-Step Over)。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改(Debug-Inline Assambly)，不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件(如按键被按下等)才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理(Debug-Insert/Remove Breakpoint或Debug-Breakpoints等)。3.2 安装调试及测量数据分析3.2.1 通电、用万用表根据电路图仔细检查各线路连接是否正常。3.2.2 先是调试单片机部分，DA和运算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483软件通过串口下程序。看是否可以正常下程序。3.2.3可以正常下程序时，给51单片机下一个让所有I/0口一会儿输入0，延时，再输出1，以此类推。用万用表测量各I/O口得电压是不是一会儿高，一会儿低。3.2.4在单片机报警器和LM358芯片，给单片机下测试程序，通过看数码管输出是否正常。3.3 出现的问题与解决的方法3.3.1调试单片机的串口时，发现不能正常的下程序。我想可能是单片机坏了借了一块学习板测试了一下单片机芯片，发现可以正常下载。这说明很可能是我单片机的引脚可能出现焊接问题。有可能哪个引脚虚焊或假焊了。我仔细查看了电路图于是我将电路板重新加焊一遍。终于可以正常下载了。3.3.2 开始写的测试程序输出的数据误差很大。我想可能是光敏二极管这一模块出现了问题，于是不断的排查和检测。最终还是被我弄好了。3.3.4尽可能的让电路板做到很完美，调节好各级的电阻让实验结果精确。刚开始报警声音很小。这也是要检测和排查修改的范围。3.3.5测量仪器：示波器;直流稳压电源;万用表。4 实训的心得体会通过本次课程设计，我对传感器、电路系统设计有了更深的的理解也加强了我的实际动手能力。也第一次这么近距离的了解自动化的含义，了解传感器。接触到我们以后需要使用和进一步了解的程序。不管是电路理论，还是实际应用，经过此次设计后我的能力都有了不少提升。同时在本次课程设计时，也暴露了自己的不少毛病，如设计过程中缺乏规范化，标准化，仿真软件不熟悉等。刚开始的的时候，Protel完全不会，但经过两天的摸索，也逐步上手了。通过这几天的努力奋斗，最终做出电路原理图，心里有一种莫名的成就感。在这次课程设计中，我也有很多不足，做事太急。方案的设计没有能实现很多的功能，知识面狭隘，学过的知识遗忘了。我会努力将基础打牢，争取在下一次的课程设计中有新颖的想法，做的东西功能更为全面。平常我们上课学习理论知识有时觉得挺容易的，但一旦自己真正动手设计，才发现自己有很多不足。只有实践才能提高自己的能力，因此我希望有更多类似课程设计。 致谢 开始老师指导我们课题方案设计，在选题以及研究设计方法上给予的悉心指导，使我尽快理清思路，通过请教老师以及查找资料使我较快的完成了对软件的编程及调试和顺利完成了论文写作。整个实训内容都是在老师悉心指导下完成的，老师严谨的治学作风、求实的工作态度使我受益匪浅，更重要的是从老师身上学到了对待任何事情的那种精益求精和一丝不苟的精神和态度，特别是在王守华老师的身上我学到了一种思维的扩展。在本次实训中，我遇到了很多难题，然而这些难题让我不断的学习，在困难中进步，本次实训同学们帮了我很多忙，通过同学之间的相互帮助，我更加顺利地完成了本次实训，在此感谢我的同学朋友们！我要感谢学校给我们提供实训的机会我要感谢学校给我们提供实训的机会，感谢指导教师对我的教导，我还要感谢给予我很多关心和帮助的同学们，你们对我的关爱让我深深感受到了生活的美好，谢谢你们一直以来给予我的理解、鼓励和支持，你们是我不断取得进步的永恒动力。参考文献 1王贤勇,赵传申，单片机原理与接口技术M.北京:清华大学出版社, 2010 2杨拴科，模拟电子技术基础J.北京：高等教育出版社，2010 3李元庆，电路基础 M.广东:华南理工大学出版社, 2007 4戴梅鄂,史嘉权.微型计算机技术及应用M.北京:清华大学出版社, 2002 5蒋延彪.单片机原理及应用M.重庆:重庆大学出版社, 2003 6胡汉才.单片机原理及系统设计M.北京:清华大学出版社, 2002 7丁镇生.传感器及传感技术应用M.北京:电子工业出版社,2000.附录： 原理图PCB图BOM物料清单 目 录第一章 总 论1第一节 项目名称及承办单位1第二节 研究工作的依据与范围2第三节 简要研究结论3第四节 主要经济技术指标5第二章 项目提出的背景及必要性7第一节 项目提出的背景7第二节 项目建设的必要性13第三章 市场预测与需求分析19第一节 车用生物燃气市场发展分析19第二节 有机肥市场分析23第四章 建设规模与产品方案29第一节 建设规模29第二节 产品方案29第五章 厂址选择与建设条件31第一节 厂址方案31第二节 建设条件32第六章 工艺技术方案40第一节 项目组成40第二节 生产技术方案40第三节 生产设备53第七章 原辅材料供应56第一节 原辅材料供应56第二节 公用设施58第八章 工程建设方案59第一节 总图运输59第二节 建筑结构工程62第三节 公用工程70第九章 环境保护、劳动安全卫生75第一节 环境保护75第二节 劳动安全卫生77第十章 节能与消防84第一节 节 能84第二节 消 防89第十一章 企业组织与劳动定员92第一节 企业组织92第二节 劳动定员92第三节 人员培训93第十二章 项目实施进度计划94第十三章 建设项目招标方案95第十四章 投资估算与资金筹措97第一节 投资估算97第二节 资金筹措98第十五章 财 务 评 价100第十六章 社会影响分析105第一节 社会效益分析105第二节 社会风险分析106