1、光照强度测量仪1.题义分析及解决方案设计一个简易的光照强度测量仪，由光照强度产生的模拟电压信号转换为数字信号，然后转换为照度单位是勒克斯显示在LED上；校准照度测量器：在一定的光强度下，产生200数字量的电压，以此对应关系照度电压将其它光强度转换为勒克斯值，显示在LED上。1.1题义需求分析1.1.1光照强度测量仪的概念通过使用某测量仪来测量某光照的强度，这种仪器就称为光照强度测量仪。仪器使用时先将某待测光源直接照射在测量仪的光照接收口实验中为光敏电阻外表，然后在测量仪的可视化界面实验中为LED中观察结果值。光照强度的国际单位SI为勒克斯，又称米烛光。1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的照
2、度，就是一勒克斯。可以标作勒克斯，简称勒。英为lux，简作lx。勒克斯是引出单位，由流明(lm)引出。流明那么由标准单位烛光(cd)引出。1.1.2光照强度测量仪的工作原理测量仪主要根据光敏电阻的特性制作的。光敏电阻值随受到的光照强度的变化而变化光照强度越大，电阻值越小。将光敏电阻接入电路中，不同光照强度导致光敏电阻值变化，于是光敏电阻上的电压发生变化，导致电路的输出电压也相应变化。根据电压-光照度函数关系，由电压计算得到光照强度值，然后以可视化界面形式输出，供用户查看结果。1.1.3从计算机角度解决问题计算机通过PCI线与实验箱上的ES-PCI模块相连，充分利用实验箱上的各个模块完成，有：A
3、3(片选)、B2(时钟)、B4(8255)、D3(光敏电阻)、G4(ADC0809)、G5(LED)以及ES-PCI。通过导线正确连接好电路。使用时光源直接照射在光敏电阻外表，结果光照强度显示在LED上。1.1.4根据设计内容要求可知：光敏电阻的特性：光敏电阻随受到的光照强度的变化电阻值发生变化，光照强度越强电阻越小，在分压电路中获得电压越低。根据这一特性，结合光照强度和输出的模拟电压之间的关系，可以得到某一光强度下的对应的模拟电压。将模拟电压通过AD转化器转换为数字电压，以便于计算机处理。然后再将数字电压转换成光照度。使用STAR ES598PCI单板开发机设计一个应用接口芯片作为八个七段L
4、ED数码管的输入口，接口可以使用8255A或8279。编写程序实现八个LED数码管显示光照度值，该值为根据采样得到的模拟电压转换得到的数字电压对应的光照强度。1.2.解决问题方法及思路1.2.1硬件局部程序设计中用到的硬件是光敏电阻、ADC0809、8255A和七段LED数码管。提出问题：为什么接口使用8255A而不是8279；为什么显示装置使用LED七段数码管而不是LCD；为什么选用光敏电阻；为什么选用ADC0809。解决问题：1.2.1.1接口芯片选用8255A而不是8279是由于8255A在本程序中使用软件控制很容易实现且不需要用到小键盘，具体如表1所示。表18255A芯片与8279芯片
5、用法比拟表器件名称特 点8255A芯片8255芯片是可编程的并行接口芯片，不需要附加外部电路便可和大多数并行传输数据的外部设备相连，数据的各位同时传送，使用十分方便。8279A芯片8279芯片可以实现对键盘/显示器的自动扫描，以减轻CPU负担，具有显示稳定，程序简单，不会出现误动作等。1.2.1.2本实验选择的显示设备是七段LED数码管，没有选择LCD的原因如表3示。表2LED与LCD比拟表LED与LCD相比，LED在亮度，功耗可视角度和刷新速率等方面更具有优势，其最显著的特点是使用寿命长光电转换效能高，绿色环保。LCDLCD占用空间小，功耗低，低辐射，能降低视觉疲劳，但会出现闪烁现象。1.2
6、.1.3本实验选用的是光敏电阻，因为光敏电阻上的光照强度与输出电压成线性关系，得到的模拟电压也成线性关系。1.2.1.4本实验选用的模数转换器是ADC0809。由于本实验的精度要求不是很高，ADC0809的转换精度和转换时间也都不是很高，但其性能价格比有明显的优势，是目前应用比拟广泛的芯片之一，足以满足本次实验需求。1.2.2软件局部 根据题义要求，接口采用的是芯片8255A，A、B口输出，C口输入。将A口设置为段选，B口设置为位选，且A、B口均工作在方式0。用软件编程实现从C口读入信息，通过 8个LED数码管循环显示光照强度实际应用中只用到3个。2.硬件设计2.1.选择芯片8255A2.1.
7、1芯片8255A在本设计中的作用芯片8255A通过数据口从CPU承受转换得到的光照度数据，通过B口输出作为位选，实现LED数码管的动态显示，通过A口将数值输出到LED数码管。2.1.2芯片8255A的功能分析2.1.2.1 8255引脚图8255是可编程并行接口，内部有3个相互独立的8位数据端口，即A口、B口和C口。三个端口都可以作为输入端口或输出端口。A口有三种工作方式：即方式0、方式1和方式2，而B口只能工作在方式0或方式1下，而C口通常作为联络信号使用。8255的工作只有当片选CS有效时才能进展,而控制逻辑端口实现对其他端口的控制。2.1.2.2 CPU接口数据总线缓冲器和读/写控制逻辑
8、数据总线缓冲器:这是一个8位双向三态缓冲器，三态是由读/写控制逻辑控制的。这个缓冲器是8255A与CPU数据总线的接口。所有数据的输入/输出，以及CPU用输出指令向8255A发出的控制字和用输入指令从8255A读入的外设状态信息，都是通过这个缓冲器传递的。读/写控制逻辑:它与CPU的6根控制线相连，控制8255A内部的各种操作。控制线RESET用来使8255A复位。和地址线A1及A0用于芯片选择和通道寻址。控制线和用来决定8位内部和外部数据总线上信息传送的方向，即控制把CPU的控制命令或输出的数据送到相应的通道，或把状态信息或输入数据送到CPU。8255A的读/写控制逻辑的作用，是从CPU的地
9、址和控制总线上承受输入的信号，转变成各种命令送到A组或B组控制电路进展相应的操作。2.1.2.38255A的引脚信号与外设相连的PA7PA0：A口数据信号线。PB7PB0：B口数据信号线。PC7PC0：C口数据信号线。与CPU相连的RESET：复位信号。当此信号来时，所有存放器都被去除。同时三个数据端口被自动置为输入端口。D7D0：它们是8255A的数据线和系统总线相连。CS:片选信号。在系统中，一般根据全部接口芯片来分配假设于低位地址比方A5、A4、A3组成各种芯片选择码，当这几位地址组成某一个低电平，于8255A被选中。只有当有效时，读信号写才对8255进展读写。 RD：读信号。当此信号有
10、效时，CPU可从8255A中读取数据。WR：写信号。当此信号有效时，CPU可向8255A中写入数据。A1、A0：端口选择信号。8255A内部有3个数据端口和1个控制端口，共4个端口。规定当A1、A0：为00时，选中A端口；为01时，选中B端口；为10时，选中C端口；为11时，选中控制口。8255的根本操作如下表3所示。表3 8255的根本操作2.1.2.4芯片8255A的技术参数，如下表4所示：参数说明：输入最低电压：min-0.5V，max0.8 V输入最高电压：2.0 V输出最低电压：0.45 V输出最高电压：2.4 V表4 8255A的技术参数2.1.2.5 8255A工作方式控制字A口
11、、B口为输出模式，工作于方式0。CPU中的数据经由数据线路到达8255A，再由A口、B口分别段选、位选后输出到LED。详细控制字见表5。表58255A的工作方式控制字方式0的工作特点这种方式通常不用联络信号，不使用中断，三个通道中的每一个都有可以由程序选定作为输入或输出。其功能为：两个8位通道：通道A、B。两个四位通道：通道C高4位和低四位；任何一个通道可以作输入/输出；输出是锁存的；输入是不锁存的；在方式0时各个通道的输入/输出可有16种不同的组合。2.2选择LED七段数码管2.2.1LED七段数码管在实验中的作用LED发光二级管Light-Emitting Diode，在本设计中采用7段发
12、光二级管作为终端显示。物理构造：LED发光二级管，采用砷化镓、镓铝砷和磷化镓等材料制成，其内部构造为一个PN结，具有单向导电性。2.2.2LED七段数码管的功能分析工作原理：当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大局部以光的形式出现。数字成像：七段LED显示器可以控制在哪几个数位上，哪几个发光二极管亮，从而显示数字。如果发光二极管共阳极，那么输入为0时亮，为1时不亮，反之如果发光共阴极，那么输入1时亮，0时不亮。在本实验中选用了共阴极。所谓共阴极
13、是指将各LED二极管的阴极连接在一起一般相连接地各阳极接到相应器件引脚上。发光二极管是一种外加电压超过额定电压时发生击穿，并因此能产生可发光的器件，数码显示器通常由多个发光二极管来组成七段或八段笔画显示器，当段组合发光时，便会显示某一个数码管或字符，七段代码的各位用作ag和DP的输入。为8个发光二极管的公共引线，实验中引线接内部8个二极管的阴极，abcdefg(dp)那么为8个发光二极管的阳极的引线。实验中LED管采用动态显示：3个LED显示器按固定的时间间隔显示一段时间1.25ms，利用人眼视觉滞后，感觉3个LED显示器同时点亮且无闪烁感。2.2.3LED七段数码管的技术参数 表6 LED显
14、示的技术参数主要参数:此时的驱动电流为25mA。发光二极管的压降一般为1.52.0 V，其工作电流一般取1020mA为宜。发光二极管的发光颜色有：红色光、黄色光、绿色光、红外光等。发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。由于8255A的最大驱动电流为4.0mA，而LED的工作电流一般为1020mA，所以需要加一个驱动器74LS244。2.2.4LED七段显示器的功能分析表7 LED真值表LED数字显示原理：如下列图8为LED数码管及其框图图8 LED显示器上面两图分别为外形图和原理图，当七段数码管点亮其中几段可显示数字和简单的西文字符，将七段数码
15、管负极连接到一起称为公共端，而发光二极管的正极那么分别由引脚引出，便于控制哪个发光二极管点亮，在右图中如果在端接低电平，而在其他引出线上施加不同的电平，那么对高电平的发光二极管就会点亮，由于将8个发光二极管负极全部连接在一起，称为共阴极数码管，还有将8个发光二极管的正极连接在一起，故称之为共阳极数码管。本次实验用的数码管需动态扫描显示，其接口电路将所有数码管的笔画控制段与ah同名端连在一起，接到一个并行端口，每个公共极端由独立的I/O线控制，CPU向字模输出口送出字形码时，所有数码管接收到一样的字形码，终究哪个数码管显示，取决于每个LED的端，所谓动态扫描，就是显示一位信息时，其他位不能显示，
16、必须采用分时方法，轮流控制端。2.3选择光敏电阻2.3.1光敏电阻在本设计中的作用光敏电阻在实验中是用来提供模拟电压的，通过光照度的变化改变电阻值，提供变化的模拟电压。2.3.2光敏电阻的功能分析物理构造：光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 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。无光照时，光敏电阻值暗电阻很大，电路中电流暗电流很小。 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值亮电阻急剧减少，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下
17、。光敏电阻的原理构造：它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。工作原理：光敏电阻接有一个稳定电压，当光照度变化时，光敏电阻的阻值会改变，通过比例放大器输出电阻的压降。2.3.3光敏电阻的技术参数亮阻约为2K欧，暗阻大于1M欧，外观直径 5毫米，最高承受电压直流120V，最大功耗100mW上升响应时间 20ms，下降响应时间 30ms。实验中光敏电阻电路输出的电压范围为0-5V。光敏电阻电路图如下：2.4
18、选择芯片ADC08092.4.1ADC0809在本设计中的作用ADC0809接收光敏电阻电路传送的模拟电压，将模拟电压转换为数字电压，传送给CPU进展数据转换，CPU将数字电压通过电压与光照度的比例关系转换为光照度。2.4.2ADC0809的功能分析物理构造：ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部构造由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近数码存放器、时序及控制逻辑和三态输出锁存器组成。工作原理：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比拟器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动
19、 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进展。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换完毕，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。2.4.3ADC0809的技术参数ADC0809是8路8位A/D转换器，即分辨率8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100s单个5V电源供电 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-4085摄氏度低功耗，约15mW。2.4.4 ADC0809主要信号引脚的功能说明。见图9。图9 引脚图ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如下
20、图。下面说明各引脚功能。 IN7IN08路模拟量输入端。D7D08位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE地址锁存允许信号，输入，高电平有效。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲至少100ns宽使其启动。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开场进展A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。 EOCA/D转换完毕信号，输出，当A/D转换完毕时，此端输出一个高电平转换期间一直为低电平。 OE数据输出允许信号，输入，高电平
21、有效(OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据)。当A/D转换完毕时，此端输入一个高电平，才能翻开输出三态门，输出数字量。CLK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ，通常使用频率为500KHz的时钟信号。 REF+、REF-基准电压。参考电源、参考电压用来与输入的模拟信号进展比拟，作为逐次逼近的基准。其典型值为Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V。Vcc电源，单一5V。 GND接地。2.5硬件总逻辑图及其说明硬件总逻辑图如下列图10所示：图10 硬件总逻辑图芯片8255A的数据线D0D7与主机低八位数据线相连，8255A的RD线、WR线、A0、A1、RES
22、ET分别与主机的RD线、WR线、A0、A1、RESET线连接。8255A的A口控制LED的段选，B口控制位选.光敏电路如下：在单片机上的接口连接如下：3.控制程序设计3.1控制程序设计思路说明初始化8255芯片，设置工作方式控制字为89100010001B，即A、B口为输出，分别控制LED的段选、位选，C口输入。下列图为控制字：以采样五十次为一周期，求得五十次采样的总值。然后除以50，得到采样50次的平均值，存入LastAD。在每一次采样过程中，都在PC机和LED上输出上一周期采样转化得到的光照强度单位：勒克斯。具体转化过程为：采样得到的模拟值经过AD转化后为电压值，电压范围为0-5V。而考虑
23、到实际生活中，一般照明为200lux，重点照明为300lux，所以实验中可显示的光照强度为0-500lux。于是参考两者之间的线性关系，定下入下列图的关系：图10 电压-光照度函数3.2程序流程图3.3控制程序 .MODEL TINYPCIBAR3 EQU 1CH ;8位I/O空间基地址(它就是实验仪的基地址,也为DMA & 32 BIT RAM板卡上的8237提供基地址)Vendor_ID EQU 10EBH ;厂商ID号Device_ID EQU 8376 ;设备ID号 .STACK 100 .DATA ADDR_0809 DW 00F0HLastAD DB 0 ;上一次AD转换值IO_B
24、it8_BaseAddress DW ?BUFFERDB H . V$msg0 DB BIOS不支持访问PCI$msg1 DB 找不到Star PCI9052板卡 $msg2 DB读8位I/O空间基地址时出错$msg3 DB AD转换结果(前边是16进制数,后边是十进制数): $_ADD DW 00E3H ;控制口偏移量PA_ADD DW 00E0H ;PA口偏移量PB_ADD DW 00E1H ;PB口偏移量PC_ADD DW 00E2H ;PC口偏移量LED_DATA DB 3Fh,06h,5Bh,4Fh,66h,6Dh,7Dh,07h,7Fh,6Fh ;0-9的七段代码表SHIFT DB
25、 0FEH ;用于位选.CODESTART: MOV AX,DATAMOV DS,AX NOP CALL InitPCI CALL ModifyAddress ;根据PCI提供的基地址,将偏移地址转化为实地址 MOV AH,09H LEA DX,msg3 INT 21H CALL Init8255 ;初始化8255AXOR AL,ALJMP START6START1: MOV CX,50 ;采样五十次 MOV BX,0 ;累计五十次采样值START2: CALL AD0809 XOR AH,AH ;采样值在AL中,AH清0后，AX即为采样值 ADD BX,AX ;BX为采样总值 CALL DI
26、SPLAY_PC ;在PC机上显示结果CALL DISPLAY_LED ;LED显示上一次采样的结果LastADLOOP START2 MOV AX,50 XCHG AX,BX DIV BL ;五十次的平均值,BL=50,平均值在AL中，余数在AH中CMP AL,LastADJZ START3START6: MOV LastAD,AL;LastAD值为AD转换值START3: CALL IfExit JZ START1 JMP ExitAD0809 PROC NEARMOV SI,CXMOV AL,0MOV DX,ADDR_0809OUT DX,ALMOV DX,IO_Bit8_BaseAdd
27、ressMOV CX,100AD08091:IN AL,DXLOOP AD08091 ;延时,等待AD转换完成MOV DX,ADDR_0809IN AL,DXMOVCX,SIRETAD0809 ENDPToChar PROC NEAR ;转化为可显示的16进制数 ADD AL,0CMP AL,9 E ToChar1 ADD AL,07HToChar1: RETToChar ENDPDISPLAY_PC PROC NEAR MOV SI,AX ;相当于PUSH MOV DI,BX MOV AL,LastAD ;将AD转换值读入AX中 MOV AH,AL AND AL,0FH CALL ToCha
28、r MOV BUFFER + 1,AL MOV AL,AH AND AL,0F0H ROR AL,4 CALL ToChar MOV BUFFER,AL MOV AL,AH XOR AH,AH MOV BL,51 ;255/5 (16进制的1 = 1/51V) DIV BL OR AL,0 ;转化为可显示的10进制数 MOV BUFFER + 4,AL;整数局部 MOV AL,10 MUL AH DIV BL OR AL,0 MOV BUFFER + 6,AL;第一位小数 MOV AL,10 MUL AH DIV BL OR AL,0 MOV BUFFER + 7,AL;第二位小数 MOV D
29、X,43 MOV AH,02H INT 10H ;定位光标 LEA DX,BUFFER MOV AH,09H INT 21H ;显示结果 MOV AX,SI ;相当于POP MOV BX,DI RETDISPLAY_PC ENDPTO_LED PROC NEAR ;LED显示 LEA BX,LED_DATA XLAT ;经代码表转换为七段LED表中的段码，AL=BXAL MOV DX,PA_ADD ;从8255A 的PA口读取数字量,段选 OUT DX,AL MOV AL,SHIFT ;七段LED的位选，0FEH选取最低位，位选 MOV DX,PB_ADD ;PB口位选 OUT DX,AL C
30、ALL DLTIME ;延时 ROL AL,1 ;向前选取次低位，位选 MOV SHIFT,AL MOV AL,0FFH ;制止显示,全置为灭,防止数字串位 OUT DX,AL RETTO_LED ENDPDISPLAY_LED PROC NEAR MOV SI,AX MOV DI,BX XOR AX,AX MOV AL,BUFFER + 7 SUB AL,30H CALL TO_LED ;在LED上显示右起第一位数 MOV AL,BUFFER + 6 SUB AL,30H CALL TO_LED ;显示第二位数 MOV AL,BUFFER + 4 SUB AL,30H CALL TO_LED ;显示第三位数 MOV SHIFT,0FEH ;恢复SHIFT原值，应用于下一次输出MOV AX,SI MOV BX,DI RETDISPLAY_LED ENDP
