【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 /O口，主要作為通用 I/O口使用，由特殊功能寄存器 P1 管理 P1 口 各 位 的 工 作 狀 態(tài) ， 其 地 址 為 90H ， 各 位 地 址 為90H~ 單片機(jī)的 P1 口除了可以作為一般的 I/O 接口，其中 5 位還有第二功能，見(jiàn)表 、 用于定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2， 、 、 ISP 功能，它的作用是把在 PC上編號(hào)的程序通過(guò)所 定義的這三根 ISP 接口線進(jìn)行在線下載，即直接傳輸并固化到 STC89C52RC單片機(jī)中的閃存中 .固化時(shí) RST引腳要接到 Vcc端，編程前首先要擦除該芯片，接入 SCK 引腳的時(shí)鐘頻率不能大于單片機(jī)頻率的 1/16.這種方法比使用一般的編程器廉價(jià)、方便 . 表 21 P1口的第二功能 引腳號(hào) 第二功能 T2（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入 /時(shí)鐘輸出 ） T2 EX（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2的捕 獲 觸發(fā)和 雙向 控制） MOSI（ 主機(jī)輸出線，用于 在系統(tǒng)編程） MISO（ 主機(jī)輸入線，用于 在系統(tǒng)編程 ） SCK（ 串行時(shí)鐘線，用于 在系統(tǒng)編程） 9) P2口： P2 口是一個(gè) 準(zhǔn)雙向的 8位 并行 I/O 口， 既可以作為通用 I/O 接口使用，也可以作為高 8 位地址線使用 .由特殊功能寄存器 P2 管理 P2口各位的工作狀態(tài)，其地址為A0H，各位地址為 A0H~，它輸出高 8位地址，即 A8~做總線時(shí)，也可以作為普通 I/O 接口使用 .本課題中使用了 ~PNP 管的基極相連， PNP 管的發(fā)射極與集電極分別接入電源和八段數(shù)碼管的位選端相連，當(dāng) ~ 中有一位為低電平時(shí) ，三極管導(dǎo)通，相應(yīng)位選端被置高電平，對(duì)應(yīng)位數(shù)碼管顯示數(shù)字 . 10) P3口： P3 口是一 個(gè)多功能的準(zhǔn)雙向 8位 并行 I/O口， 它的每一位既可以作為通用 I/O接口使用，又具有第二功能，見(jiàn)表 特殊功能寄存器 P3 管理 P3 口各位的工作狀態(tài)，其地址為 B0H~ 作為控制 LED 燈亮滅的輸出端； 口和 口用做外部中斷， 和 ，分別用于控制燈的開(kāi)啟與熄滅； ，通過(guò)控制 口的狀態(tài)可以發(fā)出蜂鳴器警告 . 基于 51單片機(jī)的智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 9 表 22 P3口的第二功能 第二功能的名稱及作用 RXD（串行 口的 輸入端） TXD（串行 口的 輸出端） INT0（ 外部中斷 0輸入端，兩種觸發(fā)方式：低電平觸發(fā)和下降沿觸發(fā)） INT1（ 外部中斷 1輸入端，兩種觸發(fā)方式：低電平觸發(fā)和下降沿觸發(fā)） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0中斷 的 外部輸入端） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1中斷 的 外部輸入端） WR（片 外 RAM寫(xiě)入選通控制端 ） RD（片 外 RAM讀取選通 控制端） 數(shù)碼管 掃描 電路 本設(shè)計(jì)中所使 用的數(shù)碼管為共陽(yáng)數(shù)碼管 .當(dāng)段選為低電平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的燈段點(diǎn)亮，各位的段選通過(guò)一個(gè)電阻與 P0口相連，這里必須接電阻，防止發(fā)光二極管過(guò)功率燒壞 .位選端通過(guò) PNP型三極管與電源相連， PNP型三極管的基極通過(guò)一個(gè)電阻與 P2口相連，控制數(shù)碼管顯示數(shù)值的位，其電路如圖 24 所示： 圖 24 數(shù)碼管顯示模塊 這里要特別注意數(shù)碼管的位選端不能直接與 P2口相連，在實(shí)際的電路調(diào)試中，若一開(kāi)始將位選端與 P2口相連，將會(huì)造成數(shù)碼管各位顯示的字段模糊，這是由于發(fā)光二極管屬于二極管的一種，其發(fā)光主要是由于電子和空穴在該二極管的 PN結(jié)處發(fā)生復(fù)合，并以光子的形式發(fā)出能量，當(dāng)發(fā)出能量的波長(zhǎng)恰好為某中可見(jiàn)光的波長(zhǎng)時(shí)，就顯示出該種顏色的光 [5]，PN結(jié)的特性可知復(fù)合率和載流子的濃度等因素有關(guān)，因此必然和流過(guò)其內(nèi)部的正向電流大小有關(guān)，而單片機(jī)的拉電流不足 1 mA，這就造成了流過(guò)各數(shù)碼管 LED燈的電流很小，亮度較暗，顯示的字段難以分辨 .而 通過(guò) PNP管接地后，形成一個(gè)完整的回路，可以通過(guò)改變與LED燈串聯(lián)的電阻大小來(lái)調(diào)節(jié)電流，在選擇合適的阻值后，數(shù)碼管各位均可正常顯示 .兩位基于 51單片機(jī)的智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 10 共陽(yáng)數(shù)碼管（四位共陽(yáng)數(shù)碼管即為兩個(gè)兩位共陽(yáng)數(shù)碼管并接）電路原理如圖 25所示 ： 圖 25 兩位數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由圖 25原理圖可知，當(dāng) ~ 口中的某一位為低電平時(shí)，其對(duì)應(yīng)的 PNP 三極管導(dǎo)通，高電平 VCC 通過(guò)三極管輸入到數(shù)碼管對(duì)應(yīng)位各段發(fā)光二級(jí)管的陽(yáng)極，當(dāng) ~口中的某幾位為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，反之則是熄滅的 .又由于編號(hào)為 A~DP的發(fā)光二極管在前面板中是以一定的位置關(guān)系擺放的，所以當(dāng)輸入特定的二進(jìn)制代碼的時(shí)候，在數(shù)碼管的前面板上將會(huì)顯示可見(jiàn)的數(shù)字形狀，一般的共陽(yáng)數(shù)碼管可以顯示 0~F 的字樣，轉(zhuǎn)換后的十六進(jìn)制代碼分別為： C0， F9， A4， B0， 99， 92， 82， F8， 80， 90， 88， 83，C6， A1， 86， 8E[6]. 蜂鳴器和發(fā)光二極管回路 因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的定時(shí)警告功能，所以必須用到蜂鳴器，警報(bào)電路原理如圖 26所示，本設(shè)計(jì)采用的蜂鳴器為有源蜂鳴器，分正負(fù)極，必須正確的接在電路中才能正常工作 .同理，發(fā)光二極管也有正負(fù)極，同時(shí)還要串聯(lián)一個(gè)電阻，防止過(guò)功率燒壞 [7].當(dāng)外部激勵(lì)信號(hào)輸入（ 口）后，單片機(jī)通過(guò) 口發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)開(kāi)啟發(fā)光二極管并通過(guò)內(nèi)部程序開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后，單片機(jī)將會(huì)改變 為低電平關(guān)閉發(fā)光二極 管并且通過(guò) 口發(fā)送一連串的激勵(lì)信號(hào)控制蜂鳴器有間隔的發(fā)出聲響 .該 圖中還包含兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，用來(lái)模擬外部中斷 0和外部中斷 1 的輸入 . 基于 51單片機(jī)的智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 11 圖 26 警報(bào)電路原理圖 信號(hào)采集放大電路設(shè)計(jì) 紅外傳感器 RE200B 本課題使用的 RE200B 是紅外傳感器的一種，相對(duì)于傳統(tǒng)的紅外傳感器，該傳感器采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測(cè)紅外輻射，采用雙靈敏元互補(bǔ)方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器工作的穩(wěn)定性 [8].其具體參數(shù)如下：雙元熱釋電紅外傳感器面積為 mm2；工作波長(zhǎng)為 7~14 um；具有 1 Hz 調(diào)制頻率和 Hz 帶寬、 dB 增益；噪聲 200 mV；工作電壓范圍為 ~15 V，電流為 ~24 uA 源極電壓（ S 端輸出信號(hào)）大小為 ~ V；工作溫度從 20 ℃ 到 +70 ℃ . 上述特性指標(biāo)均在源極（ S 極）電阻為 47 k? 條件下測(cè)量得出的，使用該傳感器時(shí)，可根據(jù)自己的需要調(diào)整源極電阻的大小 .所有電壓參數(shù)的測(cè)量都是采用峰 — 峰值定標(biāo) .使用傳感器時(shí)，要注意控制管腳的彎曲或焊接部位距管腳基部 4 mm 以上，防止引腳脫落或是過(guò)高溫度使內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效 . 運(yùn)算放大電路 本課題使用的運(yùn)算放大器是 BISS0001 芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 27所示 .該芯片采用兩級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，內(nèi)部具有雙向鑒幅器，具有較強(qiáng)的信號(hào)放大和抑制噪聲的能力，它配以 RE200B 紅外傳感器和少量外接元件（電容和電阻等）可以構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān) [8].其輸出電平與大部分單片機(jī)要求的輸入信號(hào)兼容，因此被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)控制模塊的信號(hào)處理電路中 .BISS0001 運(yùn)算放大器具有以下主要特點(diǎn)： 1）采用 CMOS 制造工藝，具有功耗低、速度快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)； 2）采用數(shù)?；旌系姆椒?，信號(hào)處理 上更加靈活； 3）內(nèi)部具有多個(gè)獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器；內(nèi)設(shè)輸出維持時(shí)間和觸發(fā)封鎖時(shí)間定時(shí)器，可自由控制輸出信號(hào)的延遲 .表 23介紹了 BISS0001 各引腳的功能 . 表 23 BISS0001各引腳功能 引腳名稱 各引腳的功能 A 為? 1?時(shí)允許重復(fù)觸發(fā)，為? 0?時(shí)不可重復(fù)觸發(fā) VO 控制信號(hào)的輸出端 RR1 輸出維持時(shí)間 Tx的調(diào)節(jié)端，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的脈寬 RC1 輸出維持時(shí)間 Tx的調(diào)節(jié)端，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的脈寬 RC2 觸發(fā)封鎖時(shí)間 Ti的調(diào)節(jié)端，在封鎖時(shí)間內(nèi)不再對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng) RR2 觸發(fā)封 鎖時(shí)間 Ti的調(diào)節(jié)端，在封鎖時(shí)間內(nèi)不再對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng) VSS 參考地端，通常接工作電源負(fù)端 VRF 參考電壓輸入端，通常接 VDD，當(dāng)接地時(shí)可以復(fù)位定時(shí)器 VC 觸發(fā)禁止端，當(dāng) VCVR時(shí)允許觸發(fā)，反之則禁止觸發(fā) IB 運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端，必須接入路才能正常工作 VDD 工作電源正端 2OUT 第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端 2IN 第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端 1IN+ 第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸入端 1IN 第一級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端 基于 51單片機(jī)的智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 12 1OUT 第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端 紅外傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器 OP1 進(jìn)行初次放大，同時(shí)濾波電路將一同輸入的高頻信號(hào)過(guò)濾，放大后的傳感信號(hào)耦合至運(yùn)算放大器 OP2 的反相輸入端進(jìn)行二次放大，此后將輸出信號(hào)送到由運(yùn)算放大器 COP1 和 COP2 組成的雙向鑒幅器，僅當(dāng) OP2 輸出電壓高于 VH或是低于 VL 時(shí)才能檢測(cè)出有效的觸發(fā)信號(hào) VH≈ 、 VL≈ ，所以當(dāng) VDD=5 V 時(shí)，可以有效抑制177。 1 V 的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性 .OP3 構(gòu)成了一個(gè)比較器，當(dāng)輸入電壓 VCVR（ VR≈ ）時(shí)， OP3 輸出為低電平，鎖住與門(mén) AND:A，使其輸出為低電平不再變化，禁止觸發(fā)信號(hào) VS 向下級(jí)傳遞；而當(dāng) VCVR 時(shí)， OP3輸出為高電平，與門(mén) AND:A 開(kāi)啟， VS 的狀態(tài)傳送至狀態(tài)控制器， VO 跳變?yōu)楦唠娖?，此后進(jìn)入延時(shí)周期 Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)， VO 跳變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器進(jìn)入封鎖周期 Ti時(shí)間變化范圍內(nèi)， VS 的任何變化都不能使 VO發(fā)生跳變，可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾 .當(dāng) A端接高電平時(shí)，處于可重復(fù)觸發(fā)的狀態(tài)，可根據(jù)需要通過(guò)調(diào)節(jié) RRRC RR2 以及 RC2 外接的電容電阻大小來(lái)改變 VO 信號(hào)的延遲時(shí)間和鎖存時(shí)間，以 達(dá)到在最大限度的抑制干擾的前提下輸出可重復(fù)變化的信號(hào) . 圖 27 BISS0001內(nèi)部結(jié)構(gòu) BISS0001 與外部電路構(gòu)成的放大濾波電路如圖 28（ a）所示 .在計(jì)算其輸出電壓之前，這里先引入兩個(gè)概念 —— ?虛短?和?虛斷?，運(yùn)算放大器有兩個(gè)輸入端（除去電源 VCC和 GND），內(nèi)部為差分結(jié)構(gòu)，由于理想運(yùn)算放大器的輸入電阻趨近于無(wú)窮大，因此流入其兩個(gè)輸入端的電流幾乎為零，可視為斷路，此為?虛斷?；同時(shí)由于理想運(yùn)算放大器的增益無(wú)窮大，而輸出電壓幅值有限，則根據(jù)高等數(shù)學(xué)中收斂的概念 —— 兩個(gè)數(shù)相乘，如果已知其中一個(gè) 數(shù)為無(wú)窮大，僅當(dāng)另一個(gè)數(shù)趨近于零時(shí)，其乘積結(jié)果才有可能為收斂 —— 可知運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電壓差很小，幾乎趨近于零，可近似看做兩個(gè)輸入端的電壓相同，相當(dāng)于基于 51單片機(jī)的智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 13 短路，此為?虛短? [9].下面計(jì)算該電路對(duì)輸入的響應(yīng) .這里定義輸入信號(hào)為 Vin， OP2:B 的同相端電壓為 Vp1，反相端電壓為 Vn1，輸出端電壓為 Vo1， OP2:A 的同相端電壓為 Vp2，反相端電壓為 Vn2，輸出端電壓為 Vo2，這里忽略所有電容，如圖 28（ b），放大倍數(shù)的計(jì)算與它們無(wú)關(guān) —— C2 和 C4 作為濾波電容在對(duì)低頻信號(hào)放大時(shí)是不起作用的，可視為開(kāi)路，而由于 C3 和 C5 的值很大，在短時(shí)間內(nèi)的信號(hào)變化對(duì)其兩端電壓影響很小，可視為不變 .下面為計(jì)算過(guò)程： inp VV ?1 Mp VV ?2 87 811 RR RVV on ??? （ 21） 65 665 5 212 RR RVRR RVV oon ?????? （ 22） 式（ 21）和（ 22）運(yùn)用了?虛斷?的原理，即流入 OP2:A 和 OP2:B 反相端的電流為零，因此根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流守恒可知流過(guò) R5 和 R6 的電流大小相同，流過(guò) R7 和 R8 的電流大小也相同，此外，式（ 22）運(yùn)用了疊加法計(jì)算電壓值，將 Vo1和 Vo2分別置零，分別求出 Vo1和 Vo2在 Vn2上的分壓，相加后即為 Vo1和 Vo2共同作用在 OP2:A 反相端的電壓 [10]. 11 pn VV ? 22 pn VV ? （ 23） 式（ 23）運(yùn)用了?虛短?的原理 .最后計(jì)算得inMo VRRRRVRRV ??????? )871(65)651(2.由于Vin為紅外傳感器 RE200B 的輸出電壓，范圍為 ~ V， VM 的值約為 ，我們需要的 Vo2在 Vin有輸入時(shí)應(yīng)該大于 VH≈ 或小于 VL≈ ，因此很容易算出 R RR7 和 R8 的比值大小，在實(shí)驗(yàn)電路中我們?cè)O(shè)定 R5=1 MΩ ， R6=10 kΩ ， R7=2 MΩ ， R8=47 kΩ . 圖 28（ a）帶濾波放大電路 圖 28（ b）不帶濾波放大電路 基于 51單片機(jī)的智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 14 圖 28 BISS0001構(gòu)成的濾波放大電路 信號(hào)處理電路 整個(gè)信號(hào)處理電路由光敏電阻、紅外傳感器、 BISS000濾波電容以及不同大小的電容電阻構(gòu)成，其電路原理如圖 29所示，注意此圖中的電阻電容標(biāo)號(hào)與上一小節(jié)有所區(qū)別 .其中 C C C4 為濾波電容， R2 與紅外傳感器的源極（ S 端）相連，為其內(nèi)部差分結(jié)構(gòu)提供偏