【文章內(nèi)容簡介】 /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，見表 、 用于定時 /計數(shù)器 2， 、 、 ISP 功能，它的作用是把在 PC上編號的程序通過所 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 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、方便 . 表 21 P1口的第二功能 引腳號 第二功能 T2（定時 /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入 /時鐘輸出 ） T2 EX（定時 /計數(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（ 串行時鐘線，用于 在系統(tǒng)編程） 9) P2口： P2 口是一個 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，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 ，三極管導(dǎo)通，相應(yīng)位選端被置高電平，對應(yīng)位數(shù)碼管顯示數(shù)字 . 10) P3口： P3 口是一 個多功能的準(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啟與熄滅； ，通過控制 口的狀態(tài)可以發(fā)出蜂鳴器警告 . 基于 51單片機(jī)的智能臺燈的設(shè)計與應(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 /計數(shù)器 0中斷 的 外部輸入端） T1（定時 /計數(shù)器 1中斷 的 外部輸入端） WR（片 外 RAM寫入選通控制端 ） RD（片 外 RAM讀取選通 控制端） 數(shù)碼管 掃描 電路 本設(shè)計中所使 用的數(shù)碼管為共陽數(shù)碼管 .當(dāng)段選為低電平時，所對應(yīng)的燈段點亮，各位的段選通過一個電阻與 P0口相連，這里必須接電阻，防止發(fā)光二極管過功率燒壞 .位選端通過 PNP型三極管與電源相連， PNP型三極管的基極通過一個電阻與 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，在實際的電路調(diào)試中，若一開始將位選端與 P2口相連，將會造成數(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)出能量的波長恰好為某中可見光的波長時，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 PNP管接地后，形成一個完整的回路，可以通過改變與LED燈串聯(lián)的電阻大小來調(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)的智能臺燈的設(shè)計與應(yīng)用 10 共陽數(shù)碼管（四位共陽數(shù)碼管即為兩個兩位共陽數(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，其對應(yīng)的 PNP 三極管導(dǎo)通，高電平 VCC 通過三極管輸入到數(shù)碼管對應(yīng)位各段發(fā)光二級管的陽極，當(dāng) ~口中的某幾位為低電平時，對應(yīng)的發(fā)光二極管點亮，反之則是熄滅的 .又由于編號為 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)制代碼的時候，在數(shù)碼管的前面板上將會顯示可見的數(shù)字形狀，一般的共陽數(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 因為要實現(xiàn)電路系統(tǒng)的定時警告功能，所以必須用到蜂鳴器，警報電路原理如圖 26所示，本設(shè)計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，同時還要串聯(lián)一個電阻，防止過功率燒壞 [7].當(dāng)外部激勵信號輸入（ 口）后，單片機(jī)通過 口發(fā)送一個高電平信號開啟發(fā)光二極管并通過內(nèi)部程序開始計時，計時結(jié)束后，單片機(jī)將會改變 為低電平關(guān)閉發(fā)光二極 管并且通過 口發(fā)送一連串的激勵信號控制蜂鳴器有間隔的發(fā)出聲響 .該 圖中還包含兩個按鍵開關(guān)，用來模擬外部中斷 0和外部中斷 1 的輸入 . 基于 51單片機(jī)的智能臺燈的設(shè)計與應(yīng)用 11 圖 26 警報電路原理圖 信號采集放大電路設(shè)計 紅外傳感器 RE200B 本課題使用的 RE200B 是紅外傳感器的一種，相對于傳統(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）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? 條件下測量得出的，使用該傳感器時，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)的測量都是采用峰 — 峰值定標(biāo) .使用傳感器時，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高溫度使內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效 . 運算放大電路 本課題使用的運算放大器是 BISS0001 芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 27所示 .該芯片采用兩級運算放大器進(jìn)行信號放大，內(nèi)部具有雙向鑒幅器，具有較強(qiáng)的信號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)成被動式的熱釋電紅外開關(guān) [8].其輸出電平與大部分單片機(jī)要求的輸入信號兼容，因此被廣泛運用于自動控制模塊的信號處理電路中 .BISS0001 運算放大器具有以下主要特點： 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； 2）采用數(shù)?；旌系姆椒?，信號處理 上更加靈活； 3）內(nèi)部具有多個獨立的高輸入阻抗運算放大器；內(nèi)設(shè)輸出維持時間和觸發(fā)封鎖時間定時器，可自由控制輸出信號的延遲 .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?時允許重復(fù)觸發(fā)，為? 0?時不可重復(fù)觸發(fā) VO 控制信號的輸出端 RR1 輸出維持時間 Tx的調(diào)節(jié)端，用來調(diào)節(jié)輸出信號的脈寬 RC1 輸出維持時間 Tx的調(diào)節(jié)端，用來調(diào)節(jié)輸出信號的脈寬 RC2 觸發(fā)封鎖時間 Ti的調(diào)節(jié)端，在封鎖時間內(nèi)不再對輸入信號響應(yīng) RR2 觸發(fā)封 鎖時間 Ti的調(diào)節(jié)端，在封鎖時間內(nèi)不再對輸入信號響應(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)接地時可以復(fù)位定時器 VC 觸發(fā)禁止端，當(dāng) VCVR時允許觸發(fā)，反之則禁止觸發(fā) IB 運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 第二級運算放大器的輸出端 2IN 第二級運算放大器的反相輸入端 1IN+ 第一級運算放大器的同相輸入端 1IN 第一級運算放大器的反相輸入端 基于 51單片機(jī)的智能臺燈的設(shè)計與應(yīng)用 12 1OUT 第一級運算放大器的輸出端 紅外傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)信號經(jīng)過運算放大器 OP1 進(jìn)行初次放大，同時濾波電路將一同輸入的高頻信號過濾，放大后的傳感信號耦合至運算放大器 OP2 的反相輸入端進(jìn)行二次放大，此后將輸出信號送到由運算放大器 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 時才能檢測出有效的觸發(fā)信號 VH≈ 、 VL≈ ，所以當(dāng) VDD=5 V 時，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)成了一個比較器，當(dāng)輸入電壓 VCVR（ VR≈ ）時， OP3 輸出為低電平，鎖住與門 AND:A，使其輸出為低電平不再變化，禁止觸發(fā)信號 VS 向下級傳遞；而當(dāng) VCVR 時， OP3輸出為高電平，與門 AND:A 開啟， VS 的狀態(tài)傳送至狀態(tài)控制器， VO 跳變?yōu)楦唠娖剑撕筮M(jìn)入延時周期 Tx時間結(jié)束時， VO 跳變?yōu)榈碗娖?，同時啟動封鎖時間定時器進(jìn)入封鎖周期 Ti時間變化范圍內(nèi)， VS 的任何變化都不能使 VO發(fā)生跳變，可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾 .當(dāng) A端接高電平時，處于可重復(fù)觸發(fā)的狀態(tài)，可根據(jù)需要通過調(diào)節(jié) RRRC RR2 以及 RC2 外接的電容電阻大小來改變 VO 信號的延遲時間和鎖存時間，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 . 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 .在計算其輸出電壓之前，這里先引入兩個概念 —— ?虛短?和?虛斷?，運算放大器有兩個輸入端（除去電源 VCC和 GND），內(nèi)部為差分結(jié)構(gòu)，由于理想運算放大器的輸入電阻趨近于無窮大，因此流入其兩個輸入端的電流幾乎為零，可視為斷路，此為?虛斷?；同時由于理想運算放大器的增益無窮大，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 —— 兩個數(shù)相乘，如果已知其中一個 數(shù)為無窮大，僅當(dāng)另一個數(shù)趨近于零時，其乘積結(jié)果才有可能為收斂 —— 可知運放的兩個輸入端電壓差很小，幾乎趨近于零，可近似看做兩個輸入端的電壓相同，相當(dāng)于基于 51單片機(jī)的智能臺燈的設(shè)計與應(yīng)用 13 短路，此為?虛短? [9].下面計算該電路對輸入的響應(yīng) .這里定義輸入信號為 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)的計算與它們無關(guān) —— C2 和 C4 作為濾波電容在對低頻信號放大時是不起作用的，可視為開路，而由于 C3 和 C5 的值很大，在短時間內(nèi)的信號變化對其兩端電壓影響很小，可視為不變 .下面為計算過程： 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)點電流守恒可知流過 R5 和 R6 的電流大小相同，流過 R7 和 R8 的電流大小也相同，此外，式（ 22）運用了疊加法計算電壓值，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）運用了?虛短?的原理 .最后計算得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，在實驗電路中我們設(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)的智能臺燈的設(shè)計與應(yīng)用 14 圖 28 BISS0001構(gòu)成的濾波放大電路 信號處理電路 整個信號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