LabVIEW程序设计从入门到精通教学课件及习题.docx

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1、目录1 引言22 系统总体设计方案3 2.1 设计思路3 2.2 设计方案33 系统硬件的设计4 443.1.2 单片机发展历史与应用6 3.2 光敏电阻的原理与介绍73.2.1 光敏电阻的构造783.2.3 光敏电阻工作原理8 3.3 A/D模数转换电路的设计10 3.4 数码管显示电路的设计114系统软件设计12 4.1 软件简介与程序调试12 4.2 Keil工程的建立与编译12 4.3 程序调试135元件清单146系统调试与测试结果15 15 157测量结果分析158总结16参考文献：16第 16 页1 引言本系统是一个基于单片机的数字式光照检测仪，通过数码管显示光度，并且具有判断光照

2、方位能力。以89C51单片机为核心，控制A/D芯片采集数据，辅以数码管数实现功能。本系统采用光敏电阻采集光照强度信息。光照强度直接反映在光敏电电阻阻值上，进而反映在光敏电阻两端的电压值上。然后通过单片机控制A/D模数转换对电压信号进行采集。本设计适当地利用了光敏电阻的特性以与单片机的强大的运算控制功能，实现了光照强度的检测，并在数码管上显示。本系统充分利用了现有资源，结构合理，性能稳定，成本低，满足题目要求。加强对单片机的学习与认识，正确运用所学单片机的理论知识，将理论与实际相结合，单片机在我们的生活。中得到越来越广泛的应用，单片机注定影响一个时代，只要存在计算机的地方就会有他的存在，学好单片

3、机对今后的学习与工作有很多益处。采用光敏电阻为光传感器，利用光敏电阻的光照特性完成光强的检测。具体方法是将利用光敏电阻值随光照强度变化的特性，使得电路的输出电压而变化。根据这一特性，结合光照强度与输出模拟电压之间的关系，分别对三路电压值进行采集得到某一光强度下对应的模拟电压，将模拟电压通过ADC0804模数转换器转换为数字电压，通过C语言编程，将其集于单片机中。从ADC0804 的模拟量通道输入05V 之间的模拟量，通过ADC0804 转换成数字量送给单片机，经单片机处理后在数码管上以十进制形成显示出来，学习用单片机控制A/D模数转换。光照强度检测仪的主体是光敏电阻，光敏电阻是采用半导体材料制

4、作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。光敏电阻的特性是光照变化时其电阻值随着变化，所以可以通过光照强度的变化得出阻值的变化，而电阻值的变化可以反映在电阻两端的电压值的变化情况上，这样可以设计一个简单的电路，该电路由光敏电阻分压并可以将光敏电阻两端的电压信号作为输入信号输入单片机，然后进行数模转换，将输入单片机的电压模

5、拟信号转换成数字信号，在led上显示。2 系统总体设计方案 2.1 设计思路 通过LED灯距离光敏电阻的远近，反应出光敏电阻所受的光强，进而影响光敏电阻的阻值变化，通过AD0804转换成数字量，在四位数码管上显示出数值，从而出光敏电阻对光电信号的检测。 2.2 设计方案 采用光敏电阻支路串联检测光照强度，可以得到一个模拟采样电压，将这三如下图2.1所示：图2.1设计方案三原理图本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，STC89C51单片机作为主控制器。性能稳定，抗干扰能力强，不易受外界环境温度等因素影响，灵敏度也较高，但是由于光照传感器采用光敏电阻且为三条支路并联采集模拟电压信号，会

6、存在一定的误差。总体上来说，本方案电路结构简单、所用元器件供给充足、成本造价低、性能稳定且误差范围也在设计选题的要求之内，能在简单低成本的基础上很好的完成设计选题的任务，故实验中采用本方案。3 系统硬件的设计 单片机原理与介绍 单片机定义与特点 在一块芯片上集成CPU、数据存储器、程序存储器、输入输出与定时/计数器等部件的一台小型计算机，它体积小、结构紧凑、功耗低，嵌入到某应用系统中，主要完成信号控制功能，又称“嵌入式微控制器”。本设计采用89C51单片机，89C51单片机引脚图如图3.1所示。图3.1 89C51单片机引脚图89C51单片机各个引脚介绍：输入输出引脚：（1）P0口：P0口为一

7、个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 (2) P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程与校验时，P1口作为第八位地址接收。 (3) P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O

8、口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程与校验时接收高八位地址信号与控制信号。(4) P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入

9、，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 其它的控制或复用引脚： XTAL1/XTAL2： XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率最高可以达到33MHz。电容取30pF10pF。单片机程序指令的执行是以振荡器的振荡来驱动的。在MCS-51架构中，每12个振荡器周期组成一个指令周期（或称机器周期）。单片机执行指令的时间是以指令周期为单位的。不同指令的执行时间可能是不同的，一条指令的

10、执行时间最短为一个指令周期。因此，单片机所接的振荡器频率越高，它执行指令的速度就越快RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引

11、脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 3.1.2 单片机发展历史与应用 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能

12、力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口与中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、ScO三大阶段。20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。我国单片机起步较晚，我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列

13、单片机与其增强型、拓展型的衍生机型，MCS-51是最早进入我国的单片机主流品种之一，在我国得到广泛应用，直到现在仍为单片机主流系列。当今社会，应用单片机的产品已经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足迹。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与数据处理，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，以与程控玩具、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、医疗器械以与各种智能机械了。单片机的应用从根本上改变着传统的控制系统设计思想与设计方法，从前必

14、须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。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)、并行与串行通信接口，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，功能也就越强大。从单片机的发展历程看，未来单片机技术将向多功能、高性能、高速度、低电压

15、、低功耗、外围电路内装化与片内储存器容量增加的方向发展。3.2 光敏电阻的原理与介绍 3.2.1 光敏电阻的构造 光敏电阻器件是光信号转换类传感器,它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长与紫外线波长。光敏电阻不只局限于对光的探测,它还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可,因而在工业自动控制与智能机器人中得到广泛应用。本课题主要用于光敏电阻的光照特性等的研究。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟

16、等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究与工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯与其他照明系统的自动亮灭，自动给水与自动停水装置，机械上的自动保护装置与“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。光敏电阻的主要参数光电流、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。暗电流、

17、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。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。光谱响应：光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。光照特性：光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。伏安特性曲线：伏安特性曲线用

18、来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。3.2.3 光敏电阻工作原理构成光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物以与蹄化物等半导体。半导体的导电能力取决于自身载流子的多少。当光透过透明窗照射到梳状电极上时，若光子能量hf大于半导体的禁带宽度，则价带中的电子吸收能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴。电子一空穴对的不断增加，则使半异体的正向电阻迅速变小。光照越强，产生的电子一空穴对越多，其电阻下降越快。入射光消失，电子一空穴对因电极性相反而逐渐复合，电阻随之逐渐恢复原值。光敏电阻的特性：光电特性：当光敏电阻两电极问施加电压不变时，光照度与电阻与电

19、流问的关系称为光电特性。一般光电特性曲线如图1.1所示。图1.1 光敏电阻光电特性曲线伏安特性：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。图1.2中，曲线1、2分别表示照度为零与照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，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，而且无饱与现象。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、最高工作电压与额定电流的限制。超过最高工作电压与最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。光照强度检测接收光源的器件是光敏电阻，光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其

20、阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。光敏电阻的特性是光照变化时其电阻值随着变化，所以可以通过电阻值的变化得出光照强度的变化，而电阻值的变化可以反映在电阻两端的电压值的变化情况上，这样可以设计一个简单的电路，该电路由光敏电阻分压并可以将光敏电阻两端的电压信号作为输入信号输入单片机，然后进行数模转换，将输入单片机的电压模拟信号转换成数字信号，再由单片机处理转换出来的数字信号。光敏电阻的入射光强，电阻减小；入射光弱，电阻增大。该器件一般可用于光的测量、光的控制与光电转换（将光的变化转换为电的变化）。3.3 A/D模数转换电路的设计A/D 转换器就是模拟/数字转换器是将输入的

21、模拟信号转换成为数字信号。本实验中利用模数转换将模拟电压值转换为离散的数字量再送入单片机进行数据处理。制作中选用芯片ADC0804为8位CMOS逐次比较型模数转换器。该芯片工作电源电压为5V，它的转换分辨率为8位256级，即表现为输入电压分辨率为0.02V；也就是说输入电压每增加0.02V，转换输出的数据才加1，经计算可知在误差允许的范围之内，故方案可行。模数转换的过程：模数转换包括采样、保持、量化与编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声与接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取 。通常采样脉冲的宽度 是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化

22、，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。 量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的， 则量化噪声均方值与量化间隔与模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样与保持就利用一个电路连续完成，量化与编码也是在转换过程中同时实现的， 且所用时间又是保持时间的一部分。如下图： 注：AD0804转换电路图3.4 数码管显示电路的设计数码管显示电路采用两位共阳数码管LG5022BH，其中由单片机的P0.1与P0.0作为位选口，输出低电平

23、时数码管被选中；P1口作为段选，输出低电平时相应的段被点亮。数码管的驱动选用三极管S8550，电阻R9与R10选取1K的阻值大小，以提供合适的电流使三极管导通。数码管显示原理：按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管与共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管。 注：数码管显示电路图4系统软件设计 4.1 软件简介与程序调试 Keil软件的简介：Keil 是一个公司的名字。是由德国慕尼黑的Keil Ele

24、ktronik GmbH与美国德克萨斯的Keil Software组成。Keil软件是目前最流行开发51系列单片机的软件。支持c语言，汇编语言。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理与一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很

25、紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能表达高级语言的优势。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。C语言丰富而实用的语句决定了C语言程序灵活性以与强大的代码组织能力，利用C语言，我们可以很方便地编写出庞大的工程，可以很轻松地实现多人协作编程。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数与功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。4.2 Keil工程的建立与编译首先启动Keil软件的集成开发环境，可以从桌面上直接双击uVision的图标以启动该软件。UVison启动后，程序窗口的左边有一个工程管理窗口，该窗口有3

26、个标签，分别是Files、Regs、与Books，这三个标签页分别显示当前项目的文件结构、CPU的寄存器与部份特殊功能寄存器的值（调试时才出现）与所选CPU的附加说明文件。在设置好工程后，即可进行编译、连接。选择菜单Project-Build target，对当前工程进行连接，如果当前文件已修改，软件会先对该文件进行编译，然后再连接以产生目标代码；如果选择Rebuild All target files将会对当前工程中的所有文件重新进行编译然后再连接，确保最终生产的目标代码是最新的，而 Translate .项则仅对该文件进行编译，不进行连接。以上操作也可以通过工具栏按钮直接进行。图是有关编译

27、、设置的工具栏按钮，从左到右分别是：编译、编译连接、全部重建、停止编译与对工程进行设置。编译过程中的信息将出现在输出窗口中的Build页中，如果源程序中有语法错误，会有错误报告出现，双击该行，可以定位到出错的位置。对源程序反复修改之后，最终会得到如图所示的结果，提示获得了名为exam1.hex的文件，该文件即可被编程器读入并写到芯片中，同时还产生了一些其它相关的文件，可被用于Keil的仿真与调试，这时可以进入下一步调试的工作。图4.2 软件调试窗口4.3 程序调试考虑各功能模块，进行模块化程序设计。首先调试初始化主程序，主要包括各功能端口的初始化，输入口与输出口的初始值。读ADC0804子程序

28、调试，使之能正确读入光敏电阻两端的电压值。然后要对数码管显示程序进行调试。程序流程图如4.3：5元件清单元器件名称数量STC89C511ADC08041电阻（10k）2上拉电阻pack1电容（150pf）1光敏电阻1四位共阳极数码管（LG5022BH）1 电源（5v）3 地GROUD2 导线 若干6系统调试与测试结果 调节光敏电阻上的正负号，可实现光敏电阻的阻值，得到模拟电压量经过AD转换后再数码管上显示电压值。7测量结果分析 通过改变灯与光敏电阻的远近，数码管上相应发生电压值变化。但是理论上光敏电阻两端的电压值与数码管显示的电压值不符合。但是呈线性关系，数码管上显示的值为实际测量光敏电阻两端

29、电压的2倍，经过调节源程序使输出与输入变化的值相等。8总结硬件系统关系到所要设计的电子产品好怀，如系统抗干扰性等，所以要合理的安排尽量减少干扰提高性能。单片机是很容易受干扰的控制器，当采用外部晶振时，应尽量让其靠近单片机减少对其干扰，防止程序乱飞现象。同时还可以采用隔离等方式减少干扰，硬件系统设计的好坏很大部分来源于经验，所以要养成动手的好习惯。软件设计是核心部分，具有多样化，灵活性高，易移植等优点，要深深理会各指令的含义才能更加熟练应用，本设计用到定时器中断以减少对CPU的占用，更好的处理其他功能。软件的设计大部分采用模块化设计的方法以方便调试，并使其可读性大大增强，方便更改与移植。光敏电阻

30、作为光照传感器，在精度要求不是很高的场合下，可以用于光照检测电路的设计，并实现对光照的检测、控制与调节。本设计最终实现所采用的方案易于扩展与调试，完成了设计要求。但是有误差，精度不高，并且系统的可靠性还有待进一步提高。参考文献： 1李群芳，肖看.单片机原理、接口与应用M.北京：清华大学出版社，20052张毅刚，谭晓军.MCS51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20063李群芳，黄健.单片微型计算机与接口技术M.北京：电子工业出版社，2005 4何立民.单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2006 5蒋辉平，周国雄.单片机原理与应用设计M.北京:北京航空航天大学出版社，2007