光电传感器论文.doc

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1、摘摘 要要 随着现代信息技术的发展,光子以其独特的优点,具有极快的响应速 度,极大的频宽,信息容量和极高的信息效率推动信息科学技术的发展, 具有越来越大的竞争力.光子技术与微电子技术结合相互交叉、相互 渗透与补充已经成为信息科学技术的主体之一，光子和微电子是现代 信息产业的基础和核心，光电信息产业已成为世界上发达国家的主导 产业。美国政府已将光子学与光子技术列为国家发展的重点，认为该 领域“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力”，并肯定“通信 和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域”。 本论文通过对常用光电检测传感器性能测试演示实验台的研究进 一步展开了对常规光电检测器件的研究。 在

2、本篇论文中共使用了四种光电器件，通过对硬件电路的调试， 掌握了这几种器件的光电特性，并通过调试一些小程序，对这些器件 进行检测，从而了解其工作特点。在软件方面，用了 AVR 系列的 MEGA8 代替了传统的 8051 单片机，尝试了汇编和 C 语言的编程，深 刻地体会到两种语言在不同单片机中的作用。 关键字：光电信号变换关键字：光电信号变换 光电检测技术光电检测技术 光辐射检测光辐射检测 非接触测量非接触测量 MEGA8 Abstract With the development of modern information technology, photon has its unique a

3、dvantage, such as fast response speed, ultra wide band, information capacity and high information efficiency, so it largely promotes the development of information science and technology, and it is more competitive in the future. The combination, penetration and supplement of photon technology and m

4、icroelectronic technology has become one of the main bodies of information science and technology, the foundation and kernel of modern information industry. Photo electronics industry has become the leading industry of developed countries in the world. US government has listed the photons and photon

5、 technology into the important field of country development, it has pointed out that “it has the long-lasting importance and potential in the state safety and economic competition ”, emphasized that “the future world of the research and development of communications and computers will be in the phot

6、on field”. This thesis further researches into the research of common photodetector through “The Research of The Demo Platform for Capability Testing of Common Photodetector ”. In this thesis, we deals with four photo electronic devices. We have commanded the character of these devices and test thes

7、e devices by debugging some programs, by this way we learn the working features of them! In the software field, we use MEGA8 to substitute the traditional 8051 microchips, and trying the assemble language and C language to program! We deeply experience the function of the two languages in different

8、microchips! Keyword: Photoelectric signal is alternated，Photoelectric，detectiotechnology ，The detection of ray radiation，Not contact II measure，MEGA8 I 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论1 1 1.1 引 言.1 1.2 光电检测技术的现代发展2 1.3 论文研究目的和内容2 第二章第二章 光电检测器件光电检测器件3 3 2.1 半导体光电导器件 3 2.2 半导体结型光电器件（光伏器件）10 第三章第三章 新型单片机新型单片机 ATMEGA

9、8ATMEGA8 1717 3.1 综述 .17 3.2 软件调试 .18 3.3 串行编程模式20 第四章第四章 常用光电检测传感器性能测试演示实验台的研究常用光电检测传感器性能测试演示实验台的研究光电置入光电置入 密码锁的设计密码锁的设计2323 4.1 软件设计方法23 4.2 硬件设计方法24 4.3 光电置入密码锁的总体设计25 总总 结结3131 致致 谢谢3232 参考文献参考文献3333 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 引引 言言 现代信息技术包含信息采集、信息传输和信息处理等内容。信息 采集：类似于人的感官系统，负责获得原始的信息，主要由各类传感 器完成。传感器是

10、将各类原始信息(被测控的非电物理量)转换成与之对 应的易于处理的电信号输出的装置。在人的一生中，获得信息量最大 的感官是眼睛，通过光获得的信息占总信息量的 80左右。同样，在 各类传感器中，光电传感器以大容量、非接触、在线和主动获取信息 而脱颖而出，可实现纳米级(高精度)和光子级(弱信号)测量，满足现代 社会对信息获取的要求。现代光电信息处理重点包括如下方面内容： 信息传输：类似于人的神经系统，负责信息的传送，属通讯领域。 传统的通讯分有线(电线)和无线(电磁波)两种，然而，这种通讯方式已 满足不了现代大信息传输的要求。于是，大容量和高带宽的光通讯就 诞生了，有线光通讯(光缆)正在替代电缆通讯

11、，无线光通信也正在研制 和发展中， 信息处理：类似于人的大脑系统负责对信息的综合处理显然 由电子计算机完成。然而，尽管电子计算机处理速度在不断提高，但 还是满足不了人们的要求，于是，计算机网络就诞生了，人们借助于 光通信技术的发展，利用信息高速公路(光网)的多台计算机来得到或处 理信息。为了进一步满足人们对大信息处理的要求光计算机也正在 研制中。 从上述分析可知，现代信息技术的主体是光子技术与微电子技术， 而光子技术与微电子技术结合，它们相互交叉、相互渗透与补充，就 形成了光电信息技术，光电信息技术的主要内容是电光信息转换和光 电信息的转换及其应用，是现代信息技术的基础和核心。 2 1.21.

12、2 光电检测技术的现代发展光电检测技术的现代发展 光电信息技术是光子技术与微电子技术的结合，是现代信息技术 的核心，广泛应用于各行各业。我国政府十分重视光电子技术和产业 的发展已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国 家重点发展计划，继 1986 年 3 月王大珩等四位专家倡导的“863 计划” 之后，在此基础上开始了“973 计划”，这两个高科技计划的重点是光电 子产业。据国家统计资料显示，受信息化、数字化、网络化浪潮的推 动，中国的光电信息市场和产业也呈现出高速增长态势，成为拉动整 个国民经济增长的第一支柱行业。1999 年底全国范围内建成了“八横八 纵”的光缆网。武汉、广东和

13、长春等地提出了建设中国光谷的规划。 本世纪是光的年代，因此深入研究光电技术并应用于现代工业与 国防事业之中，势在必行。 1.31.3 论文研究目的和内容论文研究目的和内容 本论文通过对常用光电检测传感器性能测试演示实验台的研究进 一步展开了对常规光电检测器件的研究。 论文研究目的在于掌握各种光电器件的特性及使用方法，了解现 代智能化器件在光电信息处理中的应用。从而进一步掌握基于实验台 的系统硬件设计和调试以及软件的编程。培养在调试过程中发现错误 并排除故障的能力。 论文的内容主要是由于光电置入式智能密码锁使用了光敏电阻， 光电开关，红外对管等光电传感器，利用其对光的敏感特性，实现光 电信息置入

14、。同时利用性能卓越的新型的单片机 mega8 的中断源进行 有效的结合，实现对密码的置入。 3 第二章第二章 光电检测器件光电检测器件 2.12.1 半导体光电导器件半导体光电导器件 光电信息转换是光电信息技术的核心内容，正是由于各类光电信息 转换器件的发明和性能的不断改善，才导致了现代光电信息技术的迅 猛发展。 光电信息转换原理，主要有以下四种： 1外光电效应。在入射光能量作用下，某些物体内的电子逸出物 体表面，向外发射电子，用此原理制成的光电信息转换器件有光电倍 增管、真空光电管、充气光电管等。 2光电导效应。在入射光线的作用下，半导体材料中的电子受到 能量大于或等于禁带宽度的光子的激发，

15、将由价带越过禁带跃迁到导 带，从而使导带中电子浓度加大，材料的电阻率减小。基于这种原理 的光电信息转换器件有光敏电阻等。 3光伏效应。在入射光能量作用下能使物体产生一定方向的电动 势。以 PN 结为例，由于光线照射 PN 结而产生的电子和空穴，在内电 场作用下分别移向 N 和 P 区，从而对外形成光生电动势。基于该效应 制成的光电信息转换器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。 4光电热效应。光照引起材料温度发生变化而产生电流，如热释 电、蹄镉汞(CMT)等，这类器件称为热电探测器。 一、一、光敏电阻光敏电阻 光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃升到 导带时，导带中的电阻和价带

16、中的空穴二者均参与导电，因此电阻显 著减小，称为光敏电阻。这种本征光电导效应可用来检测可见光和近 红外辐射。如果入射光子从杂质能级跃升到导带(非本征光电导)，那么 N 型材料的电导率增大。与此相似的，当光子能量使电子由价带跃升 4 到 P 型主能级，从而使价带中留有可移动的交穴时，P 型材料就会出 现非本征光电导。 光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下特点： 1光谱响应相当宽。根据不同的光电导材料，光敏电阻的灵敏域 可在紫外光区，可见光区，也可在红外区和远红外区。 2所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应。 3无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。 4灵敏度高工作电流大，可达数毫安

17、。 光敏电阻的原理是半导体的光电导效应，只有能量（h）大于材 料禁带宽度（Eg）的光子，才能使材料产生光电导效应。每一种半导 体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊 处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。 光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、 云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带 有窗口的金属或塑料外壳内。光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为 这样既可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而 既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。 图 2-1 光敏电阻结构图 5 1光敏电阻的特性光敏电阻的特性 （1）光电

18、导灵敏度 g S 按灵敏度定义（响应量与输入量之比） ，可得 (2.1.1) P g G S E = ：光电导，单位为西门子 S（） 。 P G 1 ：照度，单位为勒克斯（lx） 。E 单位为西门子/勒克斯（）或。 g SlxSWSm2 （2）.光电特性 光电流与照度的关系称为光电特性。光敏电阻光电特性如下： (2.1.2) Pg IS E Ug a= ：光电流 P I ：照度E ：电压指数 ：光电导灵敏度 g S :光敏电阻两端所加的电压U 与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下 1，在强光照下0.5，一般0.51。 与光电导体和电极材料 之间的接触有关，欧姆接触时1，非欧姆

19、接触时=1.11.2。 6 图 2.2 硫化镉光敏电阻的光电特性曲线 由图可见，硫化镉光敏电阻在弱光照下，与具有良好的线性 P IE 关系，在强光照下则为非线性关系，其它光敏电阻也有类似的性质。 如果电压指数1，在弱光照下有 (2.1.3) Pg IS EU= （3）光谱特性 光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中 可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的相对关系。 7 图 2.3 在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶 4-硫化镉与硒化镉混合多晶 图 2.4 在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 由图可见，

20、硫化镉单晶、硫化镉与硒化镉混合多晶，硫化镉多晶、 硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰 值波长在 515600um 之间。 （4）温度特性 光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系 数有正有负， (2.1.4) 21 112 () RR R TT a - = - 、分别为与温度、相对应的亮电阻。 1 R 2 R 1 T 2 T 温度对光谱响应也有影响。一般说，光谱特性主要决定于材料， 材料的禁带宽度越窄则对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激 发也会使自由载流子浓度增加，使复合加快，灵敏度降低。因此，采 取冷却灵敏面的办法来提高灵敏度往往是很有效的。

21、8 图 2.5 硫化铅光敏电阻在冷却情况下相对光谱灵敏度的变化 （5）频率特性。 光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生 与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电 阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光 频率的增加而减小。 图 2.6 几种光敏电阻的频率特性曲线 1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅 （6）伏安特性 在一定的光照下，加到光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮 9 电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性，常用曲线表示。 图中的虚线为额定功耗线。使用光敏电阻时，应不使电阻的实际 功耗超过额定值。从图上来说，就是不能使静态

22、工作点居于虚线以内 的区域。按这一要求，在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗 线相交。 0 1 1 R tg L Gtg 1 A Q B ), 0( L R E M n E 0 E E max P )0 ,(EN U I 图 2.7 光敏电阻的伏安特性曲线 2光敏电阻的使用光敏电阻的使用 光敏电阻的重要特点是，光谱响应范围宽，测光范围宽，灵敏度 高，无极性之分。但由于材料不同，在性能上差别较大。使用中应注 意： 1）当用于模拟量测量时，因光照指数 与光照强弱有关，只有在弱 光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。 2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其 与人眼的光谱光视

23、效率曲线符合。 3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波 长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长 波区的灵敏度。 4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说， 10 光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输 出。 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过 1000Hz，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须 以牺牲灵敏度为代价。 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值 不能很小。 2.22.2 半导体结型光电器件（光伏器件）半导体结型光电器件（光伏器件） 利用半导体

24、PN 结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型 光电器件。这类器件品种很多，其中包括各种光电池、光电二极管、 光电晶体管、光电场效应管、PIN 管、雪崩光电二极管、光可控硅、 阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD） 、光电耦 合器件等。 一、半导体发光二极管 发光是一种能量转换现象。当系统受到外界激发后，从稳定的低 能态跃迁到不稳定的高能态，在系统由不稳定的高能态重新回到稳定 的低能态时，如果其多余的能量以光的形式辐射出来，就产生发光现 象。半导体发光二极管利用注入 p-n 结的少数载流子与多数载流子复 合发光，是一种直接把电能转换成光能的固体发光器件。 1半导体发光二极管

25、的结构和原理 发光二极管(light emitting diode，LED)，是利用正向偏置 PN 结中电子 与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流 产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。 11 图 2.8 LED 结构图 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片， 在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称 PN 结。在半导体 材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的 能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向 电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原

26、 理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。 当它处于正向工作状态时 （即两端加上正向电压） ，电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体 就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 2LED 光源的特点 (1)LED 辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。 (2)LED 的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现 各种发光颜色。如采用 GaP：ZnO 或 GaAaP 材料的红色 LED，GaAaP 材料的橙色、黄色 LED，以及 GaN 蓝色 LED 等。而且通过红、绿、 蓝三原色的组合，可以实现全色化。 12 (3)LED 的辉度高。随着各种颜色 LED 辉度的迅速提高，

27、即使 在日光下，由 LED 发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室外用 信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。 (4)LED 的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围 内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、 家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。 (5)寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面 的信号光源，是一个新的应用领域。 3发光二极管的主要特性 （1）伏安特性 图 2.9 发光二极管伏安特性曲线 通过发光二极管的电流与加到二极管两端电压之间的关系，称为 发光二极管的伏安特性。图中，UT 为开启电压。UUT 时，

28、二极管 导通发光。UUT 时，二极管截止不发光。UT 的大小与材料、工艺 等因素有关。一般 GaAs 管的 UT 约为 1.3V；GaP 管的 UT 约为 2V；GaAsP 管的 UT 约为 1.6V；GaAlAs 管的 UT 约为 1.55V。 （2）发光亮度 发光二极管的发光亮度，基本上是正比于电流密度的，一般管的 发光亮度都与电流密度成正比例，亮度正比于电流密度这种性质，对 于采用脉冲驱动的方式是很有利的，它可以在平均电流与直流电流相 等的情况下，获得很高的亮度。 （3）温度特性 13 图 2.10 发光电流与温度的关系曲线 温度对 PN 结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，

29、 结温升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的 关系大致如上图所示。 （4）时间响应 这里说的时间响应，是指发光二极管启亮与熄灭时的时间延迟。 发光二极管的响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。当利用脉 冲电流去驱动发光二极管时，应考虑到脉冲宽度、空度比与响应时间 的关系。 （5）寿命 发光二极管的寿命都很长，在电流密度 j1的情况下，可 2 cmA 达以上。不过，电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度h 6 10 大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短。 二、光电耦合器 1光电耦合器的原理 光电耦合器是一种把电子信号转换成为光学信号，然后又回复电 子信号的半导体器件。当电流

30、移向电耦合器的输入面（如下图），光 学信号由发光二极管输出 。输出面的光学感应器察觉之，同时电流移 动。 14 图 2.11 电耦合器的操作原理 图 2.12 电耦合器 2光电耦合器的应用 1）、光电耦合器用于电平转换。 2）、光电耦合器用于逻辑门电路。 3）、光电耦合器起隔离作用。 由于光电耦合的抗干扰性比晶体管好，因此，用光电耦合器组成 的逻辑电路要比晶体管可靠得多。 三、光电开关 1、工作原理 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检 测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无 的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关 15 将输入电

31、流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光 线的强弱或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接 近可见光的红外线光波型。 2、光电开关的分类 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或 X 射线。人眼 可见的光波是 380nm-780nm，发射波长为 780nm-1mm 的长射线称为 红外线，浙江省洞头县光电开关厂生产的红外线光电开关优先使用的 是接近可见光波长的近红外线。 红外线光电开关（光电传感器）属于光电接近开关的简称，它是 利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物 体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。 根据检测方式的不同

32、，红外线光电开关可分为： （1）漫反射式光电开关 漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有 被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接 收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或 其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。 图 2.13 反射光电开关原理图 图 2.14 引起理想漫反射的光度分布 16 图 2.15 局部较强漫反射时的光度分布 （2）镜反射式光电开关 镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射 器发出光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻 断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。 图 2

33、.16 镜反射式光电开关原理图 （3）对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器 和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发 射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检 测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。 图 2.17 对射式光电开关原理图 （4）槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的 U 字型结构，其发射器和接收器分别 位于 U 型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过 U 型槽且阻断 光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较 安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 17 第

34、三章第三章 新型单片机新型单片机 ATmega8 3.13.1 综述综述 ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制 器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8 的 数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之 间的矛盾。 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄 存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟 周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率， 并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 ATmega8 有如下特点:8K 字节的

35、系统内可编程Flash( 具有同时读写的 能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计 数器(T/C)， 片内/ 外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串 行接口， 10 位6 路(8 路为TQFP 与MLF 封装)ADC，具有片内振荡 器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及五种可以通过软 件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡 器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作

36、；在省电 模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余 功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步 定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关 噪声. 本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程， 也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以 18 使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区。在更新应用Flash存 储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操

37、作。通过将8 位RISC CPU声明本数据手册的典型值来源于对器件的 仿真，以及其他基于相同产生工艺的AVR 微控制器。 3.23.2 软件调试软件调试 一、开发软件一、开发软件 AVR STUDIO(AVR 集成开发软件)，ATMEL 开发的 AVR STUDIO 软件是一个用于开发 AVR 系列单片机的集成环境。该软件有 以下功能： 汇编程序汇编器、模拟仿真功能、实时仿真功能（需仿真机配合） 、 AVR Prog 串行编程、STK500/AVRISP/JTAG ICE 编程等功能。AVR STUDIO 支持 ATMREL 全系列仿真机。 C 语言目前已成为设计嵌入式系统的标准语言，它既是不

38、同高级 语言的结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级 语言对硬件访问的方便、代码效率高的特点，因此十分适合于嵌入式 系统的程序设计。 ICCAVR 是美国 ImegaCraft 公司推出的一种 C 编程器，主要用于 开发 ATMEL 公司的 AVR 系列单片机。ICCAVR 是一种用 ANSI 标准 C 语言开发微控制器的一种程序设计语言，其集成开发环境(IDE)除了 集成项目管理、程序编辑、程序编译、错误提示等常用的功能以外， 还包括了浏览、应用程序向导、ISP 下载工具和 AVR 资源配置计算器 等方便使用的工具。 二、熔丝位配置二、熔丝位配置 ATmega8有两个字节的熔

39、丝位：熔丝位高字节（FHB）和熔丝位 低字节（FLB） ，下表给出了它们的名称、作用和出厂设定值熔丝位未 编程的状态为“1”，被编成后的状态为“0”。 下表中，熔丝位SPINE不能通过串行方式编程；熔丝位CKPOT的作用 与CKSEL有关。熔丝BOOTSZ1.0的默认值定义的引导加载区为最大值 19 1024。 表3-1熔丝位高字节 熔丝位名称位用途默认值 RSEDISBL7设定引脚PC6为I/O或 RESET 1(PC6为RESET引角) WDTON6WDT总为有效1（由WDTCR位设定 WDT是否有效） SPINE5允许串行编程和程序 下载 0（允许SPI编程） CKOPT4晶振选项1 E

40、ESAVE3芯片擦除时保护1无保护 BOOTSZ12设定引导加载区大小0 BOOTSZ01设定引导加载区大小0 BOOTRST0设置复位向量1 表3-2熔丝位低字节 熔丝位名称位用 途默认值 BODLEVEL7BOD 触发电平1 BODEN6BOD 允许1 SUTI5设置复位启动 延时时间 1 SUT04设置复位启动 延时时间 0 SKSEL33选择时钟源0 SKSEL22选择时钟源0 SKSEL11选择时钟源0 SKSEL00选择时钟源1 熔丝 SUT1.0 的默认值定义了最大的复位启动延时时间；熔丝 CKSEL3.0 的默认值定义是用芯片内部的 RC 振荡源（1MHz）为系统时 20 钟源

41、。当加密锁定熔丝位 LB1 被编成后，其他所有的熔丝位被锁定， 因此，应在编程 LB1 前改变其他熔丝位的状态 3.33.3 串行编程模式串行编程模式 在引脚 RESET 接地时，FLASH 程序存储器、EPROM 数据存储器、熔 丝位和加密锁定为都可以通过串行 SPI 总线来编程。该串行接口包括 引脚 SCK（串行时钟）、MOSI（输入）、MISO（输出）。当 RESET 引 脚为电平后，应先执行串行编程允许指令，再执行编程/擦除操作。下 图为串行编程接线图，如果已经设置使用芯片内部 RC 振荡器，XTAL1 可以不用。 图 3.1 串行编程接线图 当仅需要编程 EPROM 时，由于内部定时

42、的编程操作中已经包含 了对 EPROM 的自动擦除周期，因此无需先执行芯片擦除指令。芯片 擦除指令是把程序和数据存储器的每一单元都变成 0XFF。 根据系统时钟源的不同，串行编程时钟 SCK 必须同系统时钟相配合， SCK 的低电平和高电平的最小时间定义如下： LOW:大于 2 个 MCU 时钟周期(fck12MHz);大于 3 个 MCU 时钟周期 (fck12MHz)。 21 HIGH:大于 2 个 MCU 时钟周期(fck12MHz);大于 3 个 MCU 时钟周期 (fck12MHz)。 1.串行编程时序与命令 在串行编程中，输入的串行数据由 SCK 的上升沿输入，输出的串行数 据由

43、SCK 的下降沿输出。 2.串行编程的实现 (1)上电过程:在 Vcc 和 GND 之间上电，同时将 RESET 和 SCK 设 置为“ 0” 。 (2)等待至少 20ms，有 MOSI 引脚送入允许串行编程指令，是芯片 进入串行编程状态。 (3)命令的输入必须与 SCK 时钟同步，否则命令是不能被执行的。 如果时序正确，在输入允许串行编程的第 3 个字节时，芯片将送出该 命令的第 2 个字节。当命令 4 个字节全部输入后，如果没有收到芯片 回送的 0x53，控制 RESET 输入一个正脉冲，然后再次输入允许串行 编程命令。 (4)需要时先输入芯片擦除程序，等待 9ms 在进行下一编程的过程，

44、 确保芯片擦除操作的完成。 (5)FLASH 是按页编程的，及一次写操作将对一个页编程。写入的 数据应先装入临时缓冲页，写入地址为页内自寻址地址，宽度为 5 位。 对相同的一个字地址，应先装入字的低位字节，再装入字的高位字节。 缓冲页填充完成后，使用写 FLASH 命令将缓冲页内容写入程序存储器 中，该命令中的 7 位地址为页寻址地址。如果不采用轮循方式写存储 器，则要等待 4。5ms 在进行下一页的写操作过程，以保证当前页写造 作正常进行。在当前页写操作时，不能进行其他的写操作。 (6)EPROM 是按字节编程的，及一次写操作可以直接编程一个字 节，因此命令中要同时给出寻址地址和数据。在写

45、EPROM 的操作中， 先自动对指定字节进行擦除，在写入数据。如果不采用轮循方式写存 储器，则要等待 9ms 在进行下一字节的写操作过程，以保证当前字节 写操作正常进行。 (7)任何存储空间的存储单元内容都可以通过读命令读出校验。读 22 命令得出的指定地址的数据从串行输出引脚 MISO 输出。 (8)在编程结束后，RESER 引脚可以设置为高电平，是芯片开始正 常执行写入的程序。 (9)掉电过程。如果芯片编程完毕需要取消电源时，应设置 RESER 为“1”，然后断开 Vcc。 3使用轮循方式写 FLASH 在一个写 FLASH 页期间，可以读取该页中任何一个地址的内容。 如该地址还未被编程，

46、则读出值为 0xFF；如已被编程，则读出的是写 入数据。因此，可以使用查询的方法，确定是否前也已经编程完毕， 可以开始新的页的编程操作。注意，如果写入的值为 0xFF 时，该值是 不能用于轮循判断的，此时必须等待 4.5ms， 再开始写新的页。 4使用轮循方式写 EPROM 再写一个自己到 EPROM 间，可以读取该字节的内容，如该地址 还未被编程，则读出值为 0xFF ；如已被编程，则读出的是写入数据。 因此，可以使用查询的方法，确定是否当前字节已经编程完毕，可以 开始下一个字节的编程操作。注意，如果写入的值为 0xFF 时，该值 是不能用于轮循判断的，此时必须等待 9ms，再开写下一字节。

47、 23 第四章第四章 常用光电检测传感器性能测试演示实验台的常用光电检测传感器性能测试演示实验台的 研究研究光电置光电置入密码锁的设计入密码锁的设计 4.14.1 软件设计方法软件设计方法 一、模块化的总体设计 当明确软件设计的总任务之后，即可进入软件总体结构设计。此 时，一般采用自顶向下的方法，即把任务从上到下逐步细分，一直分 到可以具体处理的基本单元为止。如果这个基本单元程序定义明确， 可以独立地进行设计，调试，纠错而且可以移植时，它就称之为模块。 模块化的总体结构具有概念清楚，组合灵活和易于调试及连接等优点。 模块的划分有很大的灵活性，但也不能随意划分，划分时应遵循以下 原则： 1每个模

48、块应具有独立的功能，能产生明确的结果； 2模块间的控制耦合应尽量简单，模块之间的数据耦合应尽量少； 3模块长度适中，模块语句的长度通常在 20-100 的范围较合适。 二、结构化的程序设计 1、 “自顶向下的设计方法” 按照这种“自顶向下”的方法，不管仪器或检测系统的功能怎样复 杂，分析设计工作都能有计划有步骤的进行。其中自顶向下的软件设 计方法要领是： 24 对于没一个程序模块，应明确规定其输入、输出和模块的功能； 一旦认定一部分问题能够归入一个模块之内，就不要再进一步 设想如何来实现它，即不要纠缠细枝末节； 于传递模块间信息数据的设计，与过程或算法的设计同样重要。 2、模块化编程 为了程序

49、便于编写、调试和排除错误，也为了便于检验和维护， 总是设法把程序编写成一个结构完整、相对独立的程序段，这就是所 谓的一个程序模块。编程设计时考虑下列原则： 适当划分模块； 模块功能独立； 模块单入口，单出口； 对每一个模块作出具体定义，包括解决某问题的算法、允许的 输入输出值范围以及副作用； 在模块中只有顺序、循环、分支三种基本结构； 尽可能采用符号化参数，分离 I/O 功能和数值处理功能，减少 共同存储单元等。 3三种基本结构程序结构 顺序结构 分支结构 循环结构 4.24.2 硬件设计方法硬件设计方法 常见硬件故障分析 1逻辑错误： 样机硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误 所造成。这类错误包括错线、开路、短路，其中短路是最常见也是最 难以排除的故障。单片机系统往往要求体积很小，印刷板的布线密度 很高，由于工艺原因经常造成引线之间的短路。开路常常是由于金属 25 化不好，或插件接触不良造成。 2元器件失效： 元器件失效的原因有两个方面，一是由于元器件本身损坏或性能 差，诸如电阻，电容的型号参数不正确，集成电路损坏，或速度、功 率等