【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）利用調(diào)制盤能夠測(cè)量計(jì)算物體方位的集成電路系統(tǒng)-光信息科學(xué)與技術(shù)

摘 要 本 文 研究并開發(fā) 一個(gè) 利用調(diào)制盤 能夠 測(cè)量計(jì)算 物體 方位 的 集成 電路系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì) 使用單片機(jī)的串行通信，實(shí)現(xiàn) 了 計(jì)算機(jī)對(duì)電 路 的數(shù)據(jù)采集 。 另一方面，在 利用術(shù)制作單片機(jī)的采集界面， 以方便地 實(shí)現(xiàn) 對(duì) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理 。 考慮到調(diào)制盤對(duì)方位信息的調(diào)制涉及到傳遞函數(shù)的問題，以及電路與試驗(yàn)的易操作性，我們將通過對(duì)比光源處于不同方位中 形用戶界面）的顯示波形，間接實(shí)現(xiàn)測(cè)量物體方位的目的，而不是 通過顯示波形直接得出物體的方位 。 為了完成本測(cè)量電路系統(tǒng)，我們 設(shè)計(jì)了 3 部分的電路 ， 它們分布在 兩個(gè)電路板上 ，主要運(yùn)用的元件有光敏 電阻、調(diào)制盤、單片機(jī) 、 換和串口 電平 轉(zhuǎn)換芯片 以及 3 部分的電路分別為： 一、 可移動(dòng)的光源，用導(dǎo)線在電路板一中直接引出一個(gè) 實(shí)現(xiàn) 。 二、 可對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制盤， 將其固定在電路板一上并利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 三、 換、單片機(jī)控制處理及串口轉(zhuǎn)換 電路都集成在 電路板二 上，它 是 光源 的接收部件 ，并將采集到的信號(hào)通過串口通信傳輸至 ，因此它是整個(gè)硬件電路的核心 。其 中 ，我們運(yùn)用光敏 電阻 來探測(cè)光源的信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；采用 89片機(jī) 通過 現(xiàn)了電壓 信號(hào)的 換的功能， 將數(shù)值顯示在 液晶顯示器的同時(shí)，利用 現(xiàn)單片機(jī)與 的串口通信。 設(shè)計(jì)的最后，是將傳送到 的信號(hào)通過 術(shù)制作一個(gè)采集界面 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)光調(diào)制信號(hào)的實(shí)時(shí)分析與處理。 基于上述 內(nèi)容，本文首先 歸納本課題需要用到的一些電路模塊，接著 介紹使用的重要元件，將介紹 調(diào)制 盤 的特性與原理 ， 89片機(jī)的引腳配置與結(jié)構(gòu)框圖 等 ； 而 后介紹本測(cè)量系統(tǒng)的硬件 電路 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) ，以及軟件安排；最后將 展示 利用本系統(tǒng)得到的測(cè)量結(jié)果 及分析 。 關(guān)鍵詞 調(diào)制盤 換 串口通 信 目 錄 1 前言 設(shè)計(jì)任務(wù)與構(gòu)想 光源與調(diào)制盤的光調(diào)制 . 光接收與模數(shù)轉(zhuǎn)換 . 單片機(jī)采集、控制、處理 . 液晶顯示 .串口通信與 面顯示 基本元器件及其原理介紹 光學(xué)調(diào)制盤 . 概述 . 基本原理 . 調(diào)制盤的空間頻譜特性及其應(yīng)用 .模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 6 簡(jiǎn)介 . 引腳定義 . 單片機(jī)對(duì) 控制原理與接口 片機(jī) . 芯片主要特性 . 引腳定義 .片簡(jiǎn)介 12 4 硬件電路實(shí)現(xiàn) . .基于 片機(jī)的液晶顯示控制電路 . 介 14 腳定義 14 液晶顯示屏與 口的設(shè)計(jì) 15 采用 片接口的 與 89片機(jī)串行通信的接口電路 16 . 18 串口通信流程 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與 通信的硬件電路 . 理與 術(shù)顯示采集結(jié)果 .最終電路圖 21 5 軟件構(gòu)成 . 實(shí)物系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集結(jié)果展示 . 總結(jié)與展望 . 謝 . . 考 文 獻(xiàn) . .文摘要 . . 32 附錄 A：?jiǎn)纹瑱C(jī)源程序 錄 B： 序代碼 48 1 1 引言 本課題我們研究一個(gè)集成的系統(tǒng)，通過光調(diào)制盤的調(diào)制、光接收與模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)與 串口通信，再利用 集處理與顯示，最終實(shí)現(xiàn) 光調(diào)制盤 用于 物體 方位的測(cè)量。 調(diào)制盤是光強(qiáng)度調(diào)制的一種 ,是點(diǎn)源探測(cè)和跟蹤系統(tǒng)中的一個(gè)元件 。 其主要作用是 :把恒定的輻射通量變成交變的輻射通量 ,以便用交流放大器把信號(hào)放大 ,進(jìn)行空間濾波 ,抑制背景 ,突出目標(biāo)及提供目標(biāo)的方位信息。按調(diào)制方式劃分 ,調(diào)制盤又可分為調(diào)幅式、調(diào)頻式、調(diào)相式、脈 沖編碼式和脈沖調(diào)寬式等。本課題中的所用到的是調(diào)幅式旋轉(zhuǎn)調(diào)制盤。 與單片機(jī)的串口通信系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)、串口通信電路、 串口通信軟件和單片機(jī)的外圍電 路。其中單片機(jī)是電路系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)相關(guān)指令，并控制電路的工作狀態(tài)。 串口通信軟件用于向下位機(jī)發(fā)送控制命令，并接受下位機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)而測(cè)試系統(tǒng)性能。串口通信電路是連接下位機(jī)與 的橋梁，是二者進(jìn)行串口通信的基礎(chǔ)。外圍電路包括了 光接收 與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路， 單片機(jī)的 數(shù)據(jù)采集電路、 復(fù)位電路、程序下載接口電路等 。 由于單片機(jī)輸出的 平與 的 232 串口電平的電氣特性不匹配。為了使單片機(jī)能與 正常通信，采用美信公司的 片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換 1。 司開發(fā)的一種科學(xué)計(jì)算軟件。 行穩(wěn)定、可靠、使用方便 ,是廣大科研人員進(jìn)行科學(xué)研究的得力助手。 僅具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能 ,還具有滿足一般要求的數(shù)據(jù)采集以及界面設(shè)計(jì)開發(fā)功能 。 由于 其 超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力 ， 廣泛的應(yīng)用于信號(hào)處 理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，而且它的圖形用戶界面 (程技術(shù)簡(jiǎn)單易學(xué)，即使非專業(yè)人員也能編制出界面友好、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。 對(duì)于一般的微轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集過程較為簡(jiǎn)單，但要對(duì)采集的結(jié)果進(jìn)行快速的實(shí)時(shí)處理就比較困難，因?yàn)榻^大多數(shù) 提供簡(jiǎn)單的 8 位無符號(hào)數(shù)的四則運(yùn)算指令系統(tǒng)，對(duì)于有符號(hào)數(shù)的乘方、開方等運(yùn)算軟件實(shí)現(xiàn)起來比較困難。利用 串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過 89片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)能與 及時(shí)的通信，能從單片機(jī)中獲取到分別從 2 個(gè)通道采集到的數(shù)據(jù)并保存到 中供日后使用。通過 大的繪圖功能，可以把 2 個(gè)通道所得到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn) 二維 的重現(xiàn)，能夠更深刻地了解到采集到的數(shù)據(jù)所代表的各種意義。 2 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與構(gòu)想 圖 1 總設(shè)計(jì)框圖 光源與 調(diào)制盤的光調(diào)制 光源 ： 基本沒什么 特別的要求，用普通的 泡組合起來就可以 。 光調(diào)制 ： 學(xué)習(xí) 調(diào)制盤 的基本知識(shí) 與特性 ， 包括其基本結(jié)構(gòu)和空間頻譜特性等，進(jìn)一步 掌握其 調(diào)制的 基本 原理并學(xué)會(huì)應(yīng)用。 3 光接收與模數(shù)轉(zhuǎn)換 光接收： 掌握一些應(yīng)用電子和光電等知識(shí)，懂得紅外發(fā)射和紅外接收器件的的工作原理 ，擬 選用光敏電阻作為接收器件。 模數(shù)轉(zhuǎn)換： 就是為了將上面得到的模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓，然后送到單片機(jī)里面 ，這里將使用 8 位分辨率、雙通道的 片 。 單片機(jī)采集、控制、處理 單片機(jī)這部分需要實(shí)現(xiàn)四大功能，一是采集 塊送來的電壓信號(hào)，二是處理得到的電壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)為光強(qiáng)，三是在液晶顯示屏幕上同時(shí)顯示光強(qiáng)信號(hào)，四是將得到的電壓信號(hào)送到串口電路中 ，以便后續(xù)的處理 。此外，單片機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)還需要進(jìn)行編程。 液晶顯示 初步確定使用 查閱其基本資料 ，包括引腳定義和 顯示原理，進(jìn)行 基于單片機(jī)控制的液晶顯示 模塊的 設(shè)計(jì) 。 串口通信與 面顯示 串口通信： 主要用來將單片機(jī)送過來的信號(hào)送到電腦串口 ，這里涉及到電平 轉(zhuǎn)換 ，考慮選用 片 ，它是 美信公司專門為電腦的 準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 ， 使用 +5V 單電源供電 。 面顯示： 主要需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，一是讀取電腦串口信號(hào)，二是顯示讀取到的電壓信號(hào)，三是處理得到的電壓信號(hào)并將得到的光強(qiáng)顯示在界面上。此外， 面功能的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行編程。 3 基本元器件及其原理介紹 光學(xué)調(diào)制盤 概述 調(diào)制盤是一種用途較廣的光學(xué)調(diào)制器。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、體積也可以做得很少。廣泛應(yīng)用于輻射測(cè)量，光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)定，光學(xué)定向、制導(dǎo)和測(cè)速等方面。 調(diào)制盤最基本的作用，是把恒定的輻射通量變成周期性重復(fù)的光輻射通量。對(duì)一般的光電系統(tǒng)，調(diào)制盤的作用主要有如下幾點(diǎn)：（ 1）提供目標(biāo)的空間方位；（ 2）進(jìn)行空間濾波以抑制背景干擾；（ 3）抑制噪聲與干擾以提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能。 調(diào)制盤種類繁多，圖案各異，目標(biāo)像點(diǎn)與調(diào)制盤之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式也各有不同， 4 因此提供目標(biāo)方位的方式也各不相同。按照調(diào)制方 式不同，可將調(diào)制盤這種光強(qiáng)度調(diào)制器分為以下幾種類型：調(diào)幅式（ 調(diào)頻式 (調(diào)相式 (調(diào)寬式 (脈沖編碼式 ，分別舉例如下圖： 圖 2 調(diào)制盤圖案舉例 基本原理 調(diào)制盤是一種光強(qiáng)度的調(diào)制器，它是在透光的基板（如玻璃）上用照相法或其它方法做出透光或不透光的柵格或條紋，形成一定的圖案。簡(jiǎn)單的調(diào)制盤也可用金屬片打孔得到。它通常放在被測(cè)目標(biāo)的像平面上。目標(biāo)所呈的像通常是一個(gè)點(diǎn)（小圓斑）或一條線。調(diào)制盤由電機(jī)帶動(dòng)作機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，使目標(biāo)像點(diǎn)的光能量透過調(diào)制盤后變成周期性變化的光信號(hào)。 這種把恒定的光輻射強(qiáng)度（或能量） 變成交變的輻射稱為光強(qiáng)度調(diào)制。 調(diào)制盤除了能使光輻射強(qiáng)度形成交變的以外，它還可以攜帶更多的信息。例如，他可以攜帶目標(biāo)空間狀態(tài)的信息，作為一個(gè)空間濾波器。在光電定向和制導(dǎo)系統(tǒng)中恰當(dāng)設(shè)計(jì)調(diào)制盤圖案，可以攜帶目標(biāo)方位信息使系統(tǒng)能夠分辨目標(biāo)相對(duì)于自己所在的方位。在這些應(yīng)用中，首先是利用了調(diào)制盤的頻譜特性。 調(diào)制盤的空間頻譜特性及其應(yīng)用 調(diào)制盤上制成各種圖案，例如圖盤在圓周方向上有透光和不透光的條紋（或格子）；或者矩形盤每厘米長(zhǎng)度內(nèi)有多少對(duì)透光和不透光的格子，這就是調(diào)制盤 的空間特性。當(dāng)調(diào)制盤運(yùn)動(dòng)時(shí)，透過調(diào)制盤圖案的光強(qiáng)度將作周期性變化形成光脈沖信號(hào)，它是很直觀的。但是， 從光脈沖信號(hào)波形難以直接得到定量的測(cè)量結(jié)果，如利用其頻譜特性，則很容易和電子線路配合對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到精確測(cè)量的結(jié)果。 5 假設(shè)目標(biāo)像是一條輻照度均勻的亮線，處于盤的半徑方向，圓形調(diào)制盤具有扇形透光和不透光的圖案，盤的直徑相對(duì)像來說很大，盤在像面上作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。下圖所示為可能出現(xiàn)的幾種情況： 圖 3 調(diào)制盤條紋寬 B 和像寬 b 不同情況下調(diào)制盤輸出信號(hào)波形 a. 盤的扇形格很寬。若亮線寬度為 b，盤的格寬為 B， Bb，則相對(duì)盤的格寬來說亮 線寬度可忽略不計(jì)。此時(shí)，調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，后面探測(cè)器得到矩形脈沖信號(hào)，如圖 1-（ a）。 b. 如果調(diào)制盤的格寬 B 縮小到原來格寬的 1/5，即一周內(nèi)扇面對(duì)數(shù)增加 5 倍，此時(shí)調(diào) 盤圖案掃過亮線 后在圖案后面不再是矩形波而是梯形波，如圖 1-（ b）。如果 把盤轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 1/5，探測(cè)器得到梯形脈沖頻率仍與圖 1-（ a）矩形脈沖頻率一樣。 c. 如果 盤的格寬進(jìn)一步縮小為 B=b，則盤掃過亮線后輸出為三角形脈沖，如圖 1-（ c）。只有亮線和盤上透光的扇形完全重合的瞬間才出現(xiàn)最大信號(hào)，其他位置上只有部分像 的能量能透過。調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速后，脈沖頻率可以和圖 1-（ a）和（ b）波形的頻率完全一致。 d. 如果盤的扇形格比亮線窄，在 2B=b 時(shí)，盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出為直流，如圖 1-（ d）所示。因?yàn)楸P轉(zhuǎn)動(dòng)的任何時(shí)刻都透過亮線總能量的一半。 可以想象，如果倒過來，調(diào)制盤 的扇形格寬是一定的。而目標(biāo)像總能量不變，其能量分布的寬度由窄變寬，那么盤轉(zhuǎn)動(dòng)后輸出波形就是由矩形脈沖變成梯形脈沖。如果像 6 的光能分布并不均勻，那么輸出波形就是不規(guī)則的脈沖。 可見，調(diào)制盤的輸出信號(hào)的頻率是圖案的空間頻率（每周透和不透格的對(duì)數(shù)）和盤的轉(zhuǎn)速的乘積。而輸出脈沖 的波形取決于調(diào)制盤圖案的尺寸和像的尺寸的相對(duì)關(guān)系，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。調(diào)制盤格寬由寬變窄，但都是透和不透相間。盤的透過函數(shù)都是矩形波（只是空間頻率改變），而輸出波形并不全是矩形，這說明它攜帶了目標(biāo)像的信息。 調(diào)制盤輸出脈沖的波形不同雖然能形象地說明目標(biāo)像的情況，但是不能作出定量評(píng)定。如果把周期性脈沖信號(hào)做傅里葉級(jí)數(shù)展開，每一種脈沖波形都是由無限多個(gè)正弦波的諧波分量組成。波形不同，各諧波的振幅值各不相同?？梢杂芍C波分量的振幅值定量描述被測(cè)目標(biāo)的情況。所以在實(shí)用中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可得出定量結(jié)果 2。 在調(diào)制盤直徑 很大時(shí)，盤上扇形格掃過目標(biāo)像時(shí)等效于矩形條紋沿 x 方向掃過目標(biāo)像。目標(biāo)像光強(qiáng)分布表示為 x ，調(diào)制盤透過函數(shù)表示為 調(diào)制盤輸出函數(shù)表示為 是 x 和 卷積，可表示為 )(*)(xC 它等效于把目標(biāo)像的光強(qiáng)分布函數(shù) x 視為有無限細(xì)的許多亮線排列而成，各亮線依次被調(diào)制盤調(diào)制后輸出信號(hào)的疊加。 調(diào)制盤輸出函數(shù) 頻譜 C 是目標(biāo)像光強(qiáng)分布函數(shù) x 的頻譜 與調(diào)制盤透過函數(shù) 頻譜 R 的乘積，可表示為 C = R 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 簡(jiǎn)介 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 有以下特點(diǎn)： 8 位分辨率； 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與 兼容； 7 5V 電源供電時(shí)輸入電壓在 05V 之間； 工作頻率為 250換時(shí)間為 32 S； 一般功耗僅為 15 8P、 14P列直插）、 種封裝； 商用級(jí)芯片溫寬為 0C 70C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為 40C 85C； 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá) 256 級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 05片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32 S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的 芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。 引腳定義 圖 4 腳圖 選使能，低電平芯片使能。 擬輸入通道 0，或作為 擬輸入通道 1，或作為 片參考 0 電位（地）。 據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。 據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 片時(shí)鐘輸入。 源輸入及 參考電壓輸入（復(fù)用）。 單片機(jī)對(duì) 控制原理與接口 一般情況下， 單片機(jī)的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線， 分別是 I。但由于 與 在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路 8 設(shè)計(jì)時(shí) 也 可以將 聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 當(dāng) 工作時(shí)其 入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用， I 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將 能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘 輸入端 入時(shí)鐘脈沖， I 端則使用 輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。 在第 1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第 2、 3 個(gè) 脈沖下沉之前 應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能 。 輸入。到第 3 個(gè)脈沖的下沉之后 的輸入電平就失去輸入作用，此后 I 端則開始利用數(shù)據(jù)輸出 行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4 個(gè)脈沖下沉開始由 輸出轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)最高位 后每一個(gè)脈沖下沉 輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第 11 個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸 出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個(gè)字節(jié)的下沉輸出 后輸 出 8 位數(shù)據(jù)，到第 19 個(gè) 脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次 A/D 轉(zhuǎn) 換的結(jié)束。最后將 高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。 片機(jī) 片主要特性 片機(jī)是 司新近推出的高檔、增強(qiáng)型產(chǎn)品。它是一個(gè)低功耗、高性能 位微控制器，片內(nèi)含通用 8 位中央處理器和 儲(chǔ)單元， 8 可反復(fù)擦寫 1000 次的 讀程序存儲(chǔ)器，片上許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程 ， 亦適于常規(guī)編程器 ，本設(shè)計(jì)中使用的是偉納程器 。 器件采用 司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) 令系統(tǒng)及 工業(yè) 80腳結(jié)構(gòu)，在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 在系統(tǒng)可編程 得 眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。 有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ； 8k 字節(jié) 256 字節(jié) 32 位 I/O 口線 ， 看門狗定時(shí)器 ， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針 ， 三個(gè) 16 位定 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu) ， 全雙工串行口 ， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。 另外， 降至 0態(tài)邏輯操作 ， 支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。 空閑模式下 ， 止工作，允許 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下 ， 容被保存，振蕩器被凍結(jié) ， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 9 引腳定義 圖 5 單片機(jī) 89 電源 地 ： 位漏極開路的雙向 I/為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) 輯電平。對(duì) 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， 程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 ： 位雙向 I/O 口， 出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) 輯電平。對(duì) 口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ 在 0 編程和校驗(yàn)時(shí)， 位地址字節(jié)。 此外， 計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入（ 2）和時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2的觸發(fā)輸入（ 2具體如下 所示。 引腳號(hào) 第二功能 2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘輸出 2時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） 系統(tǒng)編程用） 系統(tǒng)編程用） 系統(tǒng)編程用） ： 位雙 向 I/O 口， 出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) 輯電平。對(duì) 口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 ， 送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， 使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8位地址（如問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 2鎖存器的內(nèi)容。在 2口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控 制信號(hào)。 ： 位雙向 I/O 口， 出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) 輯電平。對(duì) 口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ 二功能）使用，如下所示。在 引腳號(hào) 第二功能 行輸入） 行輸出） 部中斷 0) 部中斷 0) 0（定時(shí)器 0外部輸入） 1（定時(shí)器 1外部輸入 ） R(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) 11 D(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) 復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)， 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后， 輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 址 8 的 位高電平有效。 地址鎖存控制信號(hào)（ 訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈 沖。在 引腳（ 用作編程輸入脈沖。在一般情況下，晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或 時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 果需要，通過將地址為 8位置 “1”， 一位置 “1”， 在執(zhí)行 則， 被微弱拉高。這個(gè) 能標(biāo)志位（地址為 8位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（ 外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。 當(dāng) 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從 0000H 到 了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， 2伏 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 振蕩器反相放大器的輸出端。 圖 6 晶振 電路 12 片簡(jiǎn)介 圖 7 片引腳圖 司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的 片，適用于各種 通信接口。 片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的 +5V 電源電壓變換成為 入電平所需的 10 V 電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的 5V 電源就可以了。對(duì)于沒有 12 V 電源的場(chǎng)合，其適應(yīng)性更強(qiáng)， 其典型工作電 路如下圖所示 。 圖 8 型工作電路圖 13 圖中上半部分電容 V 、 V 是電源變換電路部分。 在實(shí)際應(yīng)用中，器件對(duì)電源噪聲很敏感。因此，5， 其值為 。電容 同樣數(shù)值的鉭電解電容 /16V，用以提高抗干擾能力，在連接時(shí)必須盡量靠近器件。 下半部分為發(fā)送和接收部分。實(shí)際應(yīng)用 中 ，平的89片機(jī)的串行發(fā)送端 平的 89片機(jī)的串行接收端 C 機(jī)的 口的接收端 C 機(jī)的 口的發(fā)送端 。 4 硬件電路實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)的接口電路 單片機(jī)接口與 腳的連接可參照前面 的控制原理，這里不再敖述。其接口電路如下圖： 圖 9 連接示意圖 為了高速有效的實(shí)現(xiàn)通信，我們采用匯編語言編寫接口程序。由于 數(shù)據(jù) O 0K 14 轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32 S，所以 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采樣頻率可以很快，從而也保證通過調(diào)制盤的調(diào)制光對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。 基于 片機(jī)的液晶顯示控制電路 經(jīng) 很普遍了，市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于 制原理是完全相同的，因此 可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。字符型 4條引腳線或 16條引腳線的 出來的 2條線是背光電源線 5 腳 )和地線 6 腳 )。 置了 是顯示數(shù)據(jù) 來寄存待顯示的字符代碼。共 80個(gè)字節(jié)，其地址和屏幕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表： 表 1 顯示位置 1 2 3 4 5 6 7 40 址 第一行 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 27H 第二行 40H 41H 42H 43H 44H 45H 46H 67H 也就是說 ， 想要在 幕的第一行第一列顯示一個(gè) A字 ,就要向 00H 地址寫入“ A”字的代碼就行了，但具體的寫入是要按 塊的指令格式來進(jìn)行的。我們知道文本文件中每一個(gè)字符都是用一個(gè)字節(jié)的代碼記錄的。一個(gè)漢字是用兩個(gè)字節(jié)的代碼記錄。在 我們只要打開文本文件就能在屏幕上看到對(duì)應(yīng)的字符是因?yàn)樵诓僮飨到y(tǒng)里和 都固化有字符字模。什么是字模？就代表了是在點(diǎn)陣屏幕 上點(diǎn)亮和熄滅的信息數(shù)據(jù)。 前文提到， 想要在 幕的第一行第一列顯示一個(gè) A字 ， 就要向 0A”字的代碼 41 41A”字呢？ 同樣，在 就是 置了 192 個(gè)常用字符的字模，存于字符產(chǎn)生器 ，另外 ， 還有 8個(gè)允許用戶自定義的字符產(chǎn)生 為 腳定義 控制原理與 14 腳的 全一樣，定義如下表所示： 15 表 2 腳定義 引腳號(hào) 引腳名 電平 輸入 /輸出 作用 1 電源地 2 電源 (+5V) 3 對(duì)比調(diào)整電壓 4 ,10 輸入 使能信號(hào)， 1 時(shí)讀取信息， 10 (下降沿 )執(zhí)行 指令 7 (最低位 ) 8 (最高位 ) 15 A +光電源正極 16 K 接地 光電源負(fù)極 液晶顯示屏與 口的設(shè)計(jì) 在實(shí)際應(yīng)用中 ,液晶模塊與單片機(jī)的連接方式很多。從占用 I/O 口線的多少來分有串行方式和并行方式 ,其中串行方式速度較慢、占用的 I/O 口少 ,并行方式分為 4 線和 8 線、速度較快、占用的 I/O 口多 ,實(shí)際應(yīng)用中以并行方式居多。單片機(jī)的 和 的部份引腳與 液晶顯示連接電路如下圖所示。 16 圖 10 示與控制電路 采用 片接口的 與 89片機(jī) 串行通信的接口電路 利用 配置的異步通信適配器，可以很方便地完成 與 89片機(jī)的數(shù)據(jù)通信。 與 89片機(jī)最簡(jiǎn)單的連接是零調(diào)制 3 線經(jīng)濟(jì)型，這是進(jìn)行全雙工通信所必須的最少數(shù)目的線路。 以下為 9 針 口 的引腳定義及 圖例： 表 3 口引腳定義 9 針 口（ 引腳 簡(jiǎn)寫 功能說明 1 波偵測(cè)（ 2 收數(shù)據(jù)（ 3 送數(shù)據(jù)（ 4 據(jù)終端準(zhǔn)備（ 17 5 線（ 6 據(jù)準(zhǔn)備好（ 7 求發(fā)送（ o 8 除發(fā)送（ o 9 鈴指示（ 圖 11 9 針型串口圖例 把單片機(jī)的電平信號(hào)經(jīng)過芯片 處理輸出到 2 腳 3 腳 5 腳接到地線，就是所謂的零調(diào)制 3 線經(jīng)濟(jì)型連接。 由于 89片機(jī)輸入、輸出電平為 平，而 配置的是 準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，因此，要完成 與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在采用 芯片實(shí)現(xiàn) 89片機(jī)與 的 準(zhǔn)接口通信電路。 先從 片仲兩路發(fā)送接收中，任選一路作為接口。應(yīng)注意其發(fā)送、接收的引腳要對(duì)應(yīng)。如果使 的 接收端 定要對(duì)應(yīng)接接口電路如下圖所示： 18 圖 12 采用 口的串行通信電路圖 口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力 ， 被廣泛的應(yīng)用于信號(hào)處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域 ，而且它的圖形用戶界面編程技術(shù) (簡(jiǎn)單易學(xué) ，即使非專業(yè)人員也能編制出界面友好、 功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。 是 司開發(fā)的一種科學(xué)計(jì)算軟件。 行穩(wěn)定、可靠、 使用方便，是廣大科研人員進(jìn)行科學(xué)研究的得力助手。僅具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，還具有滿足一般要求的數(shù)據(jù)采集以及界面設(shè)計(jì)開發(fā)功能。 是內(nèi)置于 進(jìn)行圖形界面開發(fā)的模塊 4。 口通信技術(shù) 對(duì)于 統(tǒng)而言，硬件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序有著十分嚴(yán)格的規(guī)范，可以用 C 或匯編語言進(jìn)行開發(fā)，而 身是一個(gè)跨平臺(tái)的軟件，并不具備直接訪問硬件的能力。即使安裝了驅(qū)動(dòng)程序并能正常工作的硬件設(shè)備， 沒有統(tǒng)一的形式對(duì)其進(jìn)行訪問。 對(duì)于系統(tǒng)的串口，在 以類（ 形式提供了支持。當(dāng)用指令建立了一個(gè)串口對(duì)象（句柄）以后，對(duì)串口的硬件操作可以文件操作的軟件形式來完成，方法比較簡(jiǎn)單。常用的串口操作命令及其含義如下表（ 1）所示，這些命令既可在 可以 M 文件的形式出現(xiàn)，使用起來十分方便。 19 表 4 口操作命令表 命令及實(shí)例 命令含義 S=9600) 建立一個(gè)波特率為 9600 的串口 S ) 顯示串口的所有屬性 ) 打開串口 S ) 以指定格式從串口 S 讀入數(shù)據(jù) ) 以廣西方式向串口 S 發(fā)送數(shù)據(jù) ) 關(guān)閉串口對(duì)象 S ) 刪除串口對(duì)象 S 串口通信流程 與單片機(jī)的串口通信 的 傳輸過程是：由單片機(jī)發(fā)送握手信號(hào)， 接到握手信號(hào)后發(fā)應(yīng)答信號(hào)，并準(zhǔn)備接收信號(hào)，單片機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)后準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，并說明通信過程掛鉤成功，總的測(cè)量次數(shù)和鍵值作為第 0 組發(fā)送，發(fā)送完畢累加校驗(yàn)和，發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤時(shí)重發(fā)，程序 的流程圖如 下 圖所示 圖 13 串口通信流程圖 20 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與 通信的硬件電路 為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微轉(zhuǎn)換器選用 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 公司的 集成芯片 面 與 已做過詳細(xì)介紹，這里不再敖述。 另外， 成了與計(jì)算機(jī)通信的 口，此模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與串口傳輸電路集成為一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)具體過程是，調(diào)制盤將 調(diào)制后，被光敏電阻接收，并通過電位器調(diào)整后講光敏電阻的端電壓傳輸?shù)?模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)到單片機(jī)處理，并通過 口電路實(shí)現(xiàn)與 通信 5，圖示如下： 圖 14 硬件電路結(jié)構(gòu) 理與 術(shù)顯示采集結(jié)果 利用 圖形用戶界面編程技術(shù) (現(xiàn)系統(tǒng)界面和系統(tǒng)各種功能控件，然后在該 件所生成對(duì)應(yīng)的 M 文件里編寫 這些控件的回調(diào)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)這些按鍵的不同功能。 21 常用的 的控件有： (1)按鈕 (件：用于實(shí)現(xiàn)功能的開關(guān)，可以產(chǎn)生回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)各種功能。包括按鍵 “開始 ”、 “停止 ”、 “清空數(shù)據(jù) ”、 “確定 ”、 “取消 ”、 “保存數(shù)據(jù) ”、 “載入數(shù)據(jù) ”、 “開始繪圖 ”、 “退出 ”。 (2)按鈕組 (件 ：用于單選按鈕控件的分組。系統(tǒng)中包括“采集方式”、“繪圖選項(xiàng)”。 (3)檢查框 (件：用于多項(xiàng)選擇，可以同時(shí)選擇多個(gè)指定條件。系統(tǒng)中包括 “通道 X”、 “通道 Y”、 “通道 Z”。 (4)單選按鈕 (件：在同一個(gè)按鈕級(jí)控件中，唯一選擇其中一個(gè)條件，不能進(jìn)行多項(xiàng)選擇。系統(tǒng)中包括 “實(shí)時(shí)采集、手動(dòng)采集 ”、 “強(qiáng)度圖、二維矢量圖、三維矢量圖 ”。 (5)彈出式菜單 (件：點(diǎn)擊后能夠彈出菜單供用戶選擇。系統(tǒng)中包括串口選擇、波特率設(shè)置、繪畫強(qiáng)度圖時(shí)的通道選擇。 (6)面 板 (件：用于程序不同部份的劃分。系統(tǒng)中包括 “選擇通道 ”、 “數(shù)據(jù)采集 ”、 “數(shù)據(jù)處理 ”。 (7)靜態(tài)文本 (用于顯示文本，可用于其它控件的說明。系統(tǒng)中包括 “ “波特率 ”、 “采集頻率 ”。 (8)編輯框 (件：讓用戶能自由輸入變量。 (9)表格 (用于顯示數(shù)據(jù)。 通過以上的控件，即使數(shù)據(jù)的在無人狀態(tài)下，也能實(shí)現(xiàn)根據(jù)使用者設(shè)定的頻率進(jìn)行自動(dòng)的實(shí)時(shí)采集方式 ，也能實(shí)現(xiàn)適合用于不定點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集的手動(dòng)采集方式。通過利用電腦的儲(chǔ)存空間，可以讓能夠采集到的數(shù)據(jù)量大大地增加，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存供日后使用。 在使用本軟件時(shí)，應(yīng)該注意開始采集時(shí)應(yīng)先保持所選擇的串行口沒有被其它程序占用和下位機(jī)處于工作狀態(tài)。當(dāng)選擇實(shí)時(shí)采集開始后不能再對(duì)采集頻率 進(jìn)行修改，若要改變采集頻率應(yīng)先停止采集，再進(jìn)行修改。在數(shù)據(jù)采集過程中也不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換和繪圖。 此部分本不屬于硬件電路部分，但因?yàn)樽詈箫@示采集數(shù)據(jù)需要編程實(shí)現(xiàn)，此部分的 術(shù)介紹權(quán)當(dāng)為后面的軟件編程作基礎(chǔ) 。 終電路圖 22 圖 15 總電路圖 5 軟件構(gòu)成 23 圖 16 軟件安排總框架 設(shè)置串行口端口和波特率 設(shè)置采集方式 設(shè)置采集頻率 實(shí)時(shí)采集 手動(dòng)采集 開始 保存數(shù)據(jù) 載入數(shù)據(jù) 繪圖方式 強(qiáng)度圖 二維矢量圖 三維矢量圖 選擇組合通道 選擇組合通道 選擇組合通道 開始繪圖 退出 繼續(xù)采集 停止 清空數(shù)據(jù) 線性轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤 等待接收信號(hào) 發(fā)送信號(hào) 獲得通道信號(hào) 打開相應(yīng)通道進(jìn)行 換 發(fā)送 2 組數(shù)據(jù) 等待接收數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)顯示 份 選擇通道 片機(jī)部分 24 6 實(shí)物 系統(tǒng)及 數(shù)據(jù)采集結(jié)果展示 首先， 根據(jù)光源寬度和調(diào)制盤格寬不同比例下的輸出圖像以及測(cè)量的需要，我們 制作了一個(gè)調(diào)幅式 調(diào)制盤，旭日式是最簡(jiǎn)單的 把 調(diào)制盤 ， 固定在一塊電路板上，接上電源+5V 電源便可工作。 如下圖所示： 圖 17 光源與調(diào)制盤 根據(jù) 介紹的調(diào)制盤空間頻譜特性，可知，光源位于調(diào)制盤徑向不同位置時(shí)，穩(wěn)定電壓下調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速均勻， 而由于通光時(shí)間的不同，在接收信號(hào)的持續(xù)時(shí)間也變長(zhǎng)，這些都可以將采集到的信號(hào)通過處理顯現(xiàn)出來。因此，這里沒有將 源焊死在電路板上，而是制作了一個(gè)可移動(dòng)的光源，方便得到不同方位下的采集信號(hào)。反過來，我們要實(shí)現(xiàn)的是通過采集到的信號(hào)， 通過 示處理得到的曲線圖，從而比較 得出光源的方位，這也是本課 題的研究目的。 25 圖 17 光源置于調(diào)制盤徑向靠外側(cè)位置 圖 18 光源置于調(diào)制盤徑向靠圓心位置 26 光敏電阻接在一塊小電路板上，接收的光信號(hào)是 通過調(diào)制盤后得到的，由于光強(qiáng)有限，測(cè)量信號(hào)時(shí)光敏電阻需要盡量靠近調(diào)制盤，具體位置如下圖： 圖 19 測(cè)量時(shí)光源與接收板相對(duì)位置 在接收板中，光敏電阻 R 是與一個(gè)固定電阻 2K 串聯(lián)后接著 +5V 電源上的，而光敏電阻的兩端則并接兩條線將電壓作為輸出信號(hào)被送到 無光 或弱光 時(shí)R12K，此時(shí)輸出電壓 幾乎 為電源電壓 5V。 當(dāng)有光照的條件下，光敏電阻 R 不斷減小，到達(dá)一定條件 (R 約為 12K)下 ， 分壓 作用 會(huì)越來越明顯 ，故光敏電阻兩端的電壓逐漸變小。 根據(jù)公式 ）（ ，光敏電阻 為 R，輸出電壓0U ， 在無光時(shí)，R ， 10 ，輸出電壓幾乎等于電源電壓； 當(dāng) 光強(qiáng)逐漸增大時(shí)， R 減小到與 2K)相當(dāng)時(shí)，輸出，此時(shí)電壓的變化已經(jīng)相當(dāng)明顯了，因此 電路的輸出是與光強(qiáng)成反比的。以下兩幅是在普通光環(huán)境和暗環(huán)境下的液晶顯示圖像，這里光敏電阻 均已調(diào)至靠近光源和調(diào)制盤的位置 ： 27 圖 20 光環(huán)境下的液晶顯示 圖 21 暗環(huán)境下的液晶顯示 28 液晶屏幕上有兩個(gè)示數(shù)，是因?yàn)橹谱髁藘蓚€(gè)光敏接收板，分