基于AT89C51单片机的光照检测系统设计
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部分参考设计如下：
基于AT89C51单片机的光照检测系统设计
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。性能优良的电子设备对外围保护电路的要求很高，尤其是精密仪器对光线控制等方面的需求更为严格。为了延长设备的使用寿命，确保稳定运行，在企业设备保护中，设计一款智能的光电检测电路尤为重要。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，具备高效的计算和数据管理能力。光敏电阻用于感应环境光强的变化，能够实时监测光照情况。通过ADC0804模数转换器，将光敏电阻检测到的模拟光强信号转换为数字信号，直接送入单片机中进行数据处理。单片机接收到数字信号后，结合预设算法对光照强度进行分析和处理，并根据不同的光照条件作出相应的判断和控制。
数据处理完成后，单片机将光照强度信息发送到LED显示模块，实时显示当前的光照水平，方便用户进行直观监测。此外，本系统还配备了声光报警功能，当光强超过或低于设定值时，系统会通过LED闪烁或蜂鸣器发出警报，提醒用户注意光照变化。这种设计不仅提高了系统的灵敏度和可靠性，还有效增强了用户的操作体验。
该光电检测电路具有较强的扩展性，可以根据不同场合的需求调整参数或增加功能模块，如加入远程监控或无线传输，实现更高级别的自动化控制。系统在工业生产、实验室环境、农业温室等需要光照监控的场合中具有广泛应用前景。通过智能光电检测，有助于提高设备的运行效率和保护精密仪器，延长其使用寿命，为企业节约成本并提升管理水平。
关键词：单片机，ADC0804，光敏电阻，
ABSTRACT
With the development of electronic technology, the expansion of the digital circuit applications, today’s society, the product of intelligent, digital has become a trend for people to pursue, equipment performance, price, room for development, and so much attention. Good performance electronic devices, high external protection circuit, precision instruments, light requirements, equipment requirements, in order to extend the useful life of equipment. Therefore, in the protection of business equipment, the design of an intelligent photoelectric detector alarm circuit is particularly important.
This design uses a microcontroller as data processing and control unit for data processing, the SCM ADC0804 acquisition photoresistor and 10K resistor voltage divider to sense the light intensity change. MCU data processing will be sent when the light intensity to the LED display. Sound and light alarm buzzer and LED.
Keywords: MCU, ADC0804, Photoresistor，buzzer
目录
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。性能优良的电子设备对外围保护电路的要求很高，尤其是精密仪器对光线控制等方面的需求更为严格。为了延长设备的使用寿命，确保稳定运行，在企业设备保护中，设计一款智能的光电检测电路尤为重要。
光强检测设计主要基于光敏电阻的特性来制作。光敏电阻的电阻值随着光照强度的变化而变化。具体而言，当光照强度增加时，光敏电阻的电阻值会减小，反之，光照强度减小时，电阻值增大。因此，在分压电路中，光敏电阻的电压也会随光照强度的变化而发生相应变化。根据光敏电阻的电压-光照度函数关系，可以通过测量电压值来推算当前的光照强度。
该系统将光敏电阻接入电路中，通过测量电压的变化并结合已知的光照强度和电压之间的关系，计算出当前的光照强度值。这一数值将通过LED数码管等可视化界面显示，以便用户实时查看光照强度。为了进一步提高测量精度，系统还使用了模数转换器（ADC）来将模拟电压转换为数字信号。这样，计算机或单片机可以处理这些数字信号，并通过算法将其转换成准确的光照度值。
该设计不仅能够实时监测光强变化，提供可靠的反馈信息，还能通过显示和报警系统及时通知用户光照异常，避免设备因光照条件不当而导致的损坏。随着技术的进一步发展，光电检测电路能够实现更高效的自动化管理，广泛应用于各种要求光照控制的领域，如实验室、农业温室、工业生产线等，不仅延长设备的使用寿命，也提高了生产效率和安全性。
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。如今，在现代农业和工业中，光照强度的控制显得尤为重要。化蔬菜大棚需要精准调控光照强度，以促进蔬菜的正常生长；禽舍需要控制光照强度，确保动物的健康成长；人们的学习和工作环境（如学校、办公室、工厂等）也需要控制适宜的光照强度，以提高工作效率和学习效果。与此同时，在工业生产中，过强或过弱的光照都可能引发生产安全问题，影响产品质量，甚至降低产量。因此，光照强度的检测和控制变得越来越重要，并且在工业、农业和科研领域得到广泛应用。
光强检测系统的设计基于嵌入式系统，随着技术的发展，嵌入式系统逐渐从微型计算机时代走向成熟。尽管微型计算机曾在过去为嵌入式系统提供了基础，但其体积庞大、价格昂贵、可靠性不足等问题无法满足现代社会对嵌入式系统的需求。因此，嵌入式系统开始向更小型、更低成本、更高可靠性的方向发展。这一过程中，芯片化成为嵌入式系统发展的关键路径。通过将计算机功能集成到一个芯片中，嵌入式系统实现了高度的集成与优化，开创了单片机时代。
单片机自20世纪70年代末诞生以来，经历了SCM（单片微型计算机）、MCU（微控制单元）和SOC（系统级芯片）三个发展阶段。从最初的基本控制器到如今强大的集成系统，单片机的技术逐步演进，使得光强检测系统能够在工业生产、农业控制、环境监测等多领域发挥重要作用，进一步提升了各行业的自动化和智能化水平。通过嵌入式系统的应用，光照控制与监测更加高效、精准，极大促进了生产与生活的优化。
1.3 课题内容
本课题是基于单片机的光强检测器设计，旨在通过单片机作为系统的核心控制单元，完成光强信号的采集与处理。系统通过光敏电阻与10K电阻组成分压电路，光敏电阻的电阻值会随光照强度的变化而变化，进而影响电压值。该电压信号经过ADC0804模数转换器转换为数字信号，再由单片机进行数据处理。单片机根据光强变化数据，结合一定的控制算法，实时计算并输出光强值。处理后的结果通过LED显示模块呈现，确保用户能够直观地查看当前光照强度。
本设计采用AT89C51单片机作为主控制单元，不仅完成数据处理，还具备控制光敏电阻检测光强信号的功能。通过简单的人机界面，系统能够实时显示当前的光照强度，并根据需要进行调整。这样的设计具有良好的人机交互性，用户可以方便地了解环境光强的变化，及时做出响应。同时，单片机的应用使得系统更加稳定、可靠，并且具备较高的扩展性，未来可根据需求加入其他功能，如自动调节光强、数据存储等。整体设计为用户提供了一个简单、便捷、直观的光照监控解决方案，适用于各种需要光照控制和检测的场合。
第2章 光强检测器的设计方案
2.1 系统的方案分析
系统总体框图，如图2-1：
以AT89C51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。
2.2 单片机的选型
在本设计中单片机是系
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Liquid Crystal Display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。
2.4 AD转换方案
A/D转换采用ADC0804。ADC0804 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AT89C51单片机和ADC0804。其中控制芯片AT89C51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P3.7、P3.6对ADC0804的引脚RW和RD的控制来实现模拟数字转换器ADC0804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ADC0804的数据输出线D7-D0把数据采集进来。
2.通过P2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ADC0804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ADC0804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。
3.2.1 AT89C51的引脚
图3-2为AT89C51的引脚图。
图3-2 AT89C51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。
3.2.2 AT89C51的时钟电路
在AT89C51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。
图3-3 AT89C51时钟电路
3.2.3 AT89C51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3-4 AT89C51复位电路
3.3 ADC0804电路
3.3.1 A/D转换器芯片ADC0804简介
ADC0804的管脚图如下所示
它的主要电气特性如下：
工作电压：＋5V，即VCC＝＋5V。
模拟输入电压范围：0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。
分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0～255之间。
转换时间：100us（fCK＝640KHz时）。
转换误差：±1LSB。
参考电压：2.5V，即Vref＝2.5V。
1.ADC0804的转换原理
ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。第四次寻找结果：11010000 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第五次寻找结果：11010000 （若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）
第六次寻找结果：11010100 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第七次寻找结果：11010110 （若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第八次寻找结果：11010110 （若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）
这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图1的模拟输入电压Vin。
3.3.2AT89C51单片机与ADC0804的接口
ADC0804与AT89C51单片机的连接如图3-7所示。
图3-7 ADC0804与MCS-51单片机的连接电路
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
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：
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
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，如下图3-11：
图3-11 LED灯
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，进行。而单片机I/O口输出的电流无法直接驱动，所以设计了驱动电路，具体电路连接如图3-12所示：
图3-12 电路
第4章 系统程序设计
本部分详细介绍了基于AT89C51单片机的光强检测器的软件设计。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Keil uVision3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：
4.4显示子函数
因为显示用到4个LED数码管，考虑到AT89C51的I/O口不足，所以采用采用动态扫描法实现4位数码管的数值显示。通过控制P3口的输出数值控制LED亮与不亮，从而达到动态显示，节省I/O口的目的。测量所得的A/D转换数据放在定义的ad_data内存单元中，测量所得的A/D数据在显示时需要经过转换变成十进制BCD码。
4.5按键程序
在本设计当中，当按键被按下时，I/O口电平为低；松开时，I/O口电平为高。按键扫描程序通过读取I/O口的电平即可知道对应按键的状态。
按键的抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms，这是一个很重要的参数。抖动过程引起电平信号的波动，有可能令CPU误解为多次按键操作，从而引起误处理[22]。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，提高按键处理的可靠性，应在程序中做按键消抖
第5章 系统调试和功能测试
单片机的系统调试主要包括硬件调试和软件调试，这两者是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。
5.1 系统硬件调试
硬件设计方面从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段。
首先，我们应该排除元器件失效问题。 造成这类错误的原因有两个：一是元器件买来时就已坏了；另一个是由于焊接错误,造成器件损坏。要排除这种错误我们可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和连接是否一致，在保证安装无误后,用替换方法排除错误。
其次，排除电源故障问题。 在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V～4.8V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。
5.3 系统功能测试
在硬件及软件调试成功后，我们将对其进行功能测试，观察是否与设计要求相符。软件采用KEIL调试成功，同时进行硬件电路板的设计制造，烧好程序后进行软硬件联调。
结束语
本文介绍了一种基于AT89C51单片机的光强检测器设计，采用光敏电阻分压，对环境光强信号进行采集，并将采集到的光强值转换成数字信号送到单片机进行处理，用LED对当前温度信号值进行显示，并且根据数据处理的结果，使用单片机控制LED灯和。
关于本次毕业设计，由于设计经验的不足和所掌握知识的限制，当初设想的一些其他功能无法完全实现。这次的设计应该说是我们之前三年多的学习的一个汇总报告，通过这次的设计让我想到许多之前犯的错误。太习惯于考试，所以没有把学习的目标摆正，学的很多知识都只是为了应付考试而学，对于自己真正掌握了解的只是却显得十分不足，所以从一开始的设计就显得自己无从下手。
从这次毕业设计中，让我更深刻的体会到理论联系实际的重要性，只有多听多看多实践，才能更好的运用所学知识。
这对于以后的学习工作都同样的重要，让我更好的意识到：实践方能出真知。
致谢
首先，我要衷心感谢我的指导老师！
本次设计的选题及论文的修改，老师都给予了悉心指导和帮助，在此，献上最诚挚的敬意。
另外要感谢大学三年学习生活中帮助我的同学们和老师们，感谢她们在毕业设计期间为我提供的无私帮助!在课题进行到比较困难的时候，经常能提出宝贵的意见及给了我很强大的力量帮助。
最后，向在百忙中抽出宝贵时间参与论文评审和答辩的专家，表示由衷地感谢！
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