基于单片机的红外感应器设计[毕业论文].doc

浙江万里学院 本科毕业设计(论文) (2013 届) 论文题目 基于单 片 机 的 红 外 感 应 器 设 计 (英文) infrared sensors circuit design based on single-chip microcomputer 所在学院 电子信息学院 专业班级 通信工程 093 学生姓名 学号 09017437 指导教师 职称 完成日期 2013 年 4 月 27 日 摘 要 传感器是一种能将检测到的信息按一定规律转换成为电信号或其他所需形 式的信息输出的检测装置，而红外感应器是现在市面上应用比较广泛的一种感 应器，它是一种用红外线作为介质的测量系统，不仅在现代科技，国防和工农 业等领域得到了广泛的应用，连在我们日常生活中也常常存在它的身影，比如 商场里的感应水龙头，自动干手器，报警器等都用到了红外感应器。 本文就提出了了一个基于单片机的红外感应器，本设计介绍了由 51 单片机 来构成整个设计的主控芯片的红外感应器，该设计除了具备最基本的语音提示 外，还可以根据周围的光线的强弱来控制过道的灯，除此之外，还能分辨出客 人是进入还是离开。它可以在一定程度上为人们的生活和工作带来便来。 关键词：传感器；51 单片机；红外感应；语音提示；光线强弱 abstract sensor is a an ability to be converted into an electrical signal according to certain rules or other required information in the form output detection device, the infrared sensor is now available in a much wider application as a sensor, it is a measurement system using infrared as a medium, not only in the field of modern science and technology, defense, and industrial and agricultural has been widely used, often its presence even in our daily life, such as shopping malls in the faucet, automatic hand dryer, alarm are all used in the infrared sensor. this paper proposed a microcontroller-based infrared sensors, the design constitutes the entire design of the controller chips by 51 microcontroller infrared sensors, the design with the most basic voice prompts, you can also according to the surrounding light the strength to control the aisle lights, in addition, but also tell the guests to enter or leave. to a certain extent, it can be for people to live and work will bring. key words: sensor；51 single-chip microcontroller; infrared sensor; voice prompts; the intensity of light 目 录 摘 要 3 abstract.4 1 引言 1 1.1 课题的研究背景 1 1.2 课题的内容和要求 2 1.3 本课题的研究意义 .2 1.4 设计主要的应用场所 .2 2 系统模块分析 3 2.1 主控芯片 51 单片机简介 .3 2.1.1 51 单片机简介 .3 2.1.2 本设计中单片机的分析 .3 2.2 语音模块分析 .4 2.2.1 语音芯片简介 .4 2.2.2 语音芯片分类 .4 2.2.3 语音芯片应用范围 .5 2.2.4 本设计中语音模块的分析 .5 2.3 红外模块分析 .5 2.3.1 红外对管的特征和原理 .5 2.3.2 红外对管的分类 .6 2.3.3 本设计中的红外对管分析 .6 3 系统硬件设计 7 3.1 单片机最小系统 .7 3.1.1 复位电路 .7 3.1.2 晶振电路 .8 3.2 光敏感应电路 .8 3.3 语音芯片模块电路 .8 3.4 继电器电路 .9 3.5 红外感应模块电路 .9 3.6 滤波电路 .10 4 系统软件设计 11 4.1 程序生成环境 .11 4.1.1 keil uvision2 简介 11 4.1.2 程序生成步骤 11 4.2 系统流程图 .13 4.2.1 进门流程图 .13 4.2.1 出门流程图 .13 4.3 系统程序分析 .14 4.3.1 模块初始化程序分析 .14 4.3.2 消抖程序分析 .14 4.3.3 语音模块程序分析 .15 5 结论 18 致 谢 19 参考文献 20 附录 1 系统实物图 .21 附录 2 系统整体电路图 .22 附录 3 毕业设计作品说明书 .23 浙江万里学院本科毕业论文 - 1 - 1 引言 1.1 课题的研究背景 人类光凭自己的感觉器官能够获取的信息是有限的，很多信息需要借助外在 的一些工具来获取，而传感器就是一种能够将感受到的被测量的信息按一定的规 律转变成电信号或者其他信号并且输出的一种检测装置，它可以满足信息的存储、 处理、显示、输出、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。 也是人类获取外在信息的一种工具，而红外感应器又是近年来发展比较迅速的一 种无线传感器，不论是在工业，农业，还是军事发展中都起到了巨大的作用，就 连我们的日常生活中，也随处可见它的身影。红外感应器被应用于感应水龙头、 自动干手器、医用洗手器、自动给皂器、感应小便斗冲水器、感应便器、就连一 些商场的迎宾器 1中也用到了红外感应器。 目前有的红外感应器分为光子探测器和热探测器。 1、光子探测器 红外光子探测器是利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光 电型探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生。 原理：红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个 简单的电子光学系统组成。光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的 聚焦，当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时，便发出绿色的光像信号。 2、热探测器 常见的红外热探测器有热电探测器、辐射热测定器、热释电探测器、超导探 测器等。 原理：它通过吸收红外辐射的能量，从而使探测器的温度发生变化，引起探 测器电阻率或电极性的改变，热探测器电阻率或电极性的改变量同样取决与辐射 源的辐射强度和探测器的灵敏度。 随着科技的发展，红外感应器 2运用的范围会越来越广，而本课题就是一个 基于单片基的红外感应器设计。 浙江万里学院本科毕业论文 - 2 - 1.2 课题的内容和要求 本课题是基于 51 单片机 3，由红外感应电路，光敏感应电路、语音模块组 成的一套红外感应器的设计，在 keil 的开发环境下利用 c 语言编程实现各个模 块的功能，并将各个模块之间联系起来。 这套红外感应器可以在客人进门时，发出“欢迎光临”的语音提示，客人离 开时，发出“谢谢惠顾”的语音提示；在光线比较暗的黑夜，可以点亮过道的灯， 可以分辨出客人是进入还是离开。 1.3 本课题的研究意义 本设计是一套基于单片机 4的红外感应器设计，适用于一些小型商店的迎宾 作用，而且在原有的语音迎宾的作用上，加入了路灯控制的作用，在光线暗的夜 晚，给经过过道的客人提供照明，给客人提供更好的服务。该设计还可以分辨出 客人是进入还是离开，给商店里的工作人员提供了更准确的信息，有利于工作人 员更好的工作，提高商店的工作效率。 1.4 设计主要的应用场所 由于此设计在语音提示的基础上，加入了控制过道路灯的作用，可以在周围 光线比较暗的时候为通过的客人提供照明，还能分辨出客人是进入还是离开，能 为店员提供一定的提醒作用，所以可以用在一些小型的店铺或者宾馆等场所，在 一定程度上为商家节约人力，还能给顾客带来一定的便利。 浙江万里学院本科毕业论文 - 3 - 2 系统模块分析 2.1 主控芯片 51 单片机简介 2.1.1 51 单片机简介 51 单片机是对所有兼容 intel 8031 指令系统的单片机的统一称谓。这种系 列单片机的始祖是 intel 的 8031 单片机，后来随着 flash rom 技术的发展， 8031 单片机取得了长久的进展，成为应用最广泛的 8 位单片机之一，最具代表性 的型号是 atmel 公司的 at89 系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司 都有 51 系列的兼容机型推出，之后很长的一段时间内都将占有大量的市场。51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。当前常用的 51 系列 单片机主要产品有： atmel 的：89c51、89c52、89c2051 等； intel 的：80c31、80c51、87c51，80c32、80c52、87c52 等； philips、华邦、dallas、siemens(infineon)等公司的许多产品。 国产宏晶 stc 单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内 51 单片机 较大市场。而本次设计中采用的主控芯片就是国产宏晶 stc 89c51 单片机，不仅 价格低廉，而且擦写次数多，功耗小，无法解密。 2.1.2 本设计中单片机的分析 51 单片机 5作为本设计的主控芯片，它的 p1.1 和 p1.2 口连接红外模块，p0.0 口连接语音模块，p3.2 口连接继电器，p0.2 口连接到光敏感应电路，红外感应 模块通过感应到的变化将信息传递给主控芯片，单片机检测到这个变化将相应的 信息传递给语音模块，语音模块根据这个变化通过扬声器作出相应的语音提示， 同时光敏感应电路将检测到的光照强弱的信息传递给单片机，单片机将这个变化 通过信息传递给继电器，来控制关闭还是开启过道的电灯，51 单片机作为本设计 的主控芯片，在整个系统中发挥着主控作用。本设计中的 51 单片 6机的引脚图 如图 2-1 所示： 浙江万里学院本科毕业论文 - 4 - 图 2-1 本设计中的单片机引脚图 2.2 语音模块分析 2.2.1 语音芯片简介 语音芯片根据集成电路类型来分,凡是与声音有关系的集成电路被统称为语 音芯片(又称语音 ic,这里应该叫成 voice ic),但是在语音芯片的大类型中,又被 分为语音 ic(这里应该叫成 speech ic),音乐 ic(这里应该叫成 music ic)两种。 2.2.2 语音芯片分类 （a）现在市场上常见语音芯片分类： 短时间芯片有 10 秒，20 秒，40 秒，80 秒,170 秒的芯片， 常用的模块有：6 分钟，8 分钟，16 分钟，1 小时的等。 通用的芯片有：3 秒到 340 秒 (b)现在市场上常见音乐芯片分类： 单音片：是一种最基本的音乐 ic,是音乐单通道的,同一时间音符输出的多少,决 定了单音片的效果,有 70 多,100 多音符等等. 音乐通道：2 通道、3 通道、4 通道、8 通道、12 通道等更多。 控制方式：按键控制，一线串口控制，二线串口控制，三线串口控制，并口 控制，单片机控制，等等 。 浙江万里学院本科毕业论文 - 5 - (c)现行的语音芯片主要是在广州和深圳两地研发并且生产，主要的语音芯 片大概分 20 秒、40 秒、80 秒、170 秒等等，与传统的芯片相比，这些 ic 多数采 用的是 8 脚封装，使操作变得更加简单了。 2.2.3 语音芯片应用范围 家电行业：电磁炉、电饭煲、冰箱、洗衣机、空调、风扇等等 安防报警：倒车雷达、叉车报警器、家庭防盗等 医疗器械：弱视治疗仪、血压计、臭氧治疗仪等等 广告媒体：语音广告牌、镜子广告机、迎宾器等等 玩具系列：语音识别、小汽车，布娃娃等等 智能交通：一卡通设备、红绿灯提醒等等 交通工具：语音电动车，语音公交站 2.2.4 本设计中语音模块的分析 本设计中的语音模块采用的是 wtw-16p 语音芯片，事先将“欢迎光临”和 “谢谢惠顾”这两句话存储到语音模块中，再通过 p0.0 将语音模块连接到主控 芯片中,再根据具体单片机输出的信息，作出相应的变化，将信息传递给扬声器。 2.3 红外模块分析 2.3.1 红外对管的特征和原理 发射的红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。 红外发对管工作时处于脉冲状态，因为脉动光的有效传送距离与脉冲的峰值电流 成正比，所以只需要尽量提高峰值 ip，就能增加红外光的发射距离，就可以增加 红外线的控制距离。而想要提高 ip，只要减小脉冲占空比，就是压缩脉冲的宽度 就可以了。减小脉冲占空比还可以使小功率的红外发光二极管的发射距离大大 增加。常见的红外发光二极管，根据功率的大小可以分为小功率（1mw10mw）、 中功率(20mw50mw)和大功率(50mw100mw 以上)三大类。要使红外发光二极管 浙江万里学院本科毕业论文 - 6 - 产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压就可以了。 红外线接收管（红外收发管）是将红外线光信号转变成电信号的一种半导体 器件，它的核心部件是一个特殊材料的 pn 结，和普通二极管相比，在结构上采 取了很大的改变，红外线接收管增大接受入，那么电流就随之增大，红外接收管 可以分两种，一种是二极管，一种是三极管。 红外接收管（红外收发管）就是将光信号（不可见光）转换成电信号，一般 是接收、放大、解调一体头，红外信号经接收管解调后，数据 “0”和“1”的 区别通常体现在信号周期或高低电平的时间长短上，单片机解码时，通常将接收 头输出脚连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间从而获 取数据。重点是找到数据“0”与“1”间的波形差别就可以了。 2.3.2 红外对管的分类 红外线对管就是红外线的发射与接收。它的发射与接收的有两种方式，一种 是反射式，另一种是直射式。反射式指的是发光管和接收管并列在一起，平时接 收管始终没有光照，只有在发光管发出的红外光遇到反射物体时，接收管收到反 射回来的红外线才工作；直射式指发光管和接收管相对分别安放在发射与受控物 的两端，中间相距一定距离。 2.3.3 本设计中的红外对管分析 本设计中采用的是反射式的红外对管，无人经过时，接收管是收不到红外线 的，当有人经过时，发光管发射出来的红外线遇到人被反射回来时，接收管接收 到反射回来的红外线，导致电平发生变化，红外模块经过 p1.1 和 p1.2 口将信息 传递给单片机，单片机就检测到这个变化将相应的信息发送给语音模块，作出相 应的变动。 浙江万里学院本科毕业论文 - 7 - 3 系统硬件设计 本课题的硬件部分由 4 大部分组成：单片机最小系统，红外感应电路，光敏 感应电路和语音模块组成，通过单片机接收和发送数据，来控制其他电路，通过 接收到的数据，传递给下一个模块，从而来作出相应的改动，系统总的硬件功能 模块图如图 3-1 所示。 光 敏 红 外 感 应 语 言 模 块 扬 声 器 控 制 电 灯隔 离 主 控 s t c 8 9 c 5 1 单 片 机 图 3-1 系统硬件总功能模块图 3.1 单片机最小系统 单片机最小系统通常作为系统的最前端，它既是协调整机工作的控制器，又 是数据处理器。其模块主要包括：复位电路、下载电路、晶振电路等控制电路。 3.1.1 复位电路 单片机的 rst 引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电 平有效，高电平的持续时间应为 2 个机器周期以上。复位以后，单片机内各部分 恢复到初始状态，单片机从 rom 的 0000h 开始执行程序。如图 3-2 所示。 图 3-2 复位电路 浙江万里学院本科毕业论文 - 8 - 单片机的复位方式有上电复位和手工复位两种，图 3.2 是 51 系列单片机常 用的上电复位和手动复位组合电路。 3.1.2 晶振电路 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的 xtal0 和 xtal1 两 个引脚之间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。如图 3-3 所示： 图 3-3 晶振电路 电路中，电容器 c1 和 c2 对晶振有微调作用。 3.2 光敏感应电路 光敏感应电路通过 p0.2 口连接到 51 单片机上，根据周围光线的强弱将信号 发送给主控芯片，主控芯片再做出相信的信息，来控制过道的灯点亮或者熄灭， 光敏感应工作电路如图 3-4 所示： 图 3-4 光敏感应电路 3.3 语音芯片模块电路 wtw-16p 语音芯片 7电路通过 p0.0 口连接到 51 单片机上，根据客人是进入 还是离开，分别发出“欢迎光临”和“谢谢惠顾”的语音提示，发出语音 8提示 浙江万里学院本科毕业论文 - 9 - 的同时 led 灯亮，电路图如图 3-5 所示。 图 3-5 语音芯片模块电路 3.4 继电器电路 继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时， 在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统 （又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于 自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。因为本设计中要控制 过道路灯，灯泡的电压要 220v，所以要连接继电器，工作电路如图 3-6 所示： 图 3-6 继电器电路 3.5 红外感应模块电路 红外感应 9模块通过 p1.1 和 p1.2 口连接到 51 单片机上，检测客人是先通 过第一个红外感应还是第二个红外感应，当有客人经过时，红外对管发光器发出 的红外被挡住，部分光反射回来被收光器收到时，就引起了电平的变化，单片机 就检测到了电平的变化，分辨出客人是进入还是离开，工作电路如图 3-7 所示： 浙江万里学院本科毕业论文 - 10 - 图 3-7 红外感应电路 3.6 滤波电路 滤波电路作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分， 使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。电路如图 3-8 所示： 图 3-8 滤波电路 浙江万里学院本科毕业论文 - 11 - 4 系统软件设计 4.1 程序生成环境 4.1.1 keil uvision2 简介 keil uvision2 是德国 keil software 公司出品的 51 系列兼容单片机 c 语言 软件开发系统，使用接近于传统 c 语言的语法来开发，与汇编相比，c 语言在结 构上、可维护性上、可读性上、功能上有明显的优势，因此更加易学易用,而且 大大的提高了项目开发周期和工作效率,他还能嵌入汇编，可以在关键的位置嵌 入，使程序达到接近于汇编的工作效率。keilc51 标准 c 编译器为 8051 微控制器 的软件开发提供了 c 语言环境,同时还保留了汇编代码快速、高效的特点。c51 编 译器的功能在不断增强，可以让你更加贴近 cpu 本身，以及其它的衍生产品。 c51 已被完全集成到 uvision2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：项目 管理器，调试器编译器，汇编器，实时操作系统。uvision2 ide 可以为它们提供 灵活的开发环境。 4.1.2 程序生成步骤 1、新建工程 新建工程如图 4-1 所示： 图 4-1 新建工程 新建保存文件夹如图 4-2 所示： 浙江万里学院本科毕业论文 - 12 - 图 4-2 新建保存文件夹 选择所用芯片如图 4-3 所示： 图 4-3 选单片机 2、用 c 语言建立源程序文件 建立源程序文件如图 4-4 所示： 图 4-4 建立源程序文件 3、把源文件添加到工程中 4、编译并生成 hex 文件 浙江万里学院本科毕业论文 - 13 - 把编译成功的文件改成 hex 的格式，然后烧录到单片机里面。 4.2 系统流程图 4.2.1 进门流程图 当客人进门时，先经过红外对管 1，如果此时语音系统 10不忙，那就会发出 “欢迎光临”的语音提示，同时如果外部光下暗，就点亮过道的灯，如果语音系 统刚好忙，则跳出模板，流程如图 4-5 所示： 图 4-5 进门流程图 4.2.1 出门流程图 当客人出门时，先经过红外对管 2，如果此时语音系统不忙，那就会发出 “谢谢惠顾”的语音提示，同时如果外部光线暗，就点亮过道的灯，光线亮 11， 就关闭过道的灯，如果语音系统刚好忙，则跳出模板，流程如图 4-6 所示： 浙江万里学院本科毕业论文 - 14 - 图 4-6 出门流程图 4.3 系统程序分析 4.3.1 模块初始化程序分析 为了使各个模块可以正常运行，能实现需要的功能，所以要进行模块初始化， 模块初始化的程序如下： unsigned char i; rst=0; delay1ms(5); rst=1; delay1ms(20); sda=0; delay1ms(5); for(i=0;i=1; 1、进门程序分析 图 4-7 奇地址时序图 图 4-7 是奇地址时序图，主要的程序如下： if(hw1=1) delay(200); if(hw1=1) if(busy=0) fd=1; send_oneline(fd); if(light_in=0|light_out=1) light_out=0; 如果地址是 1，那么就是奇地址时序，就是奇地址读语音时序，通过扬声器 发出“欢迎光临”的语音提示。 2、出门程序分析 图 4-8 偶地址时序图 浙江万里学院本科毕业论文 - 17 - 图 4-8 是偶地址时序图，主要的程序如下： if(hw1=1) if(busy=1) fd=2; send_oneline(fd); if(light_in=1|light_out=0) light_out=1; 如果地址是 2，那么就是偶地址时序，就是偶地址读语音时序，通过扬声器 发出“谢谢惠顾”的语音提示。 浙江万里学院本科毕业论文 - 18 - 5 结论 本文主要是设计了一种基于单片机的红外感应器，在此过程中，通过不断地 改进和不断地试验，最终完成了系统的基本要求，基本能达到系统的基本功能。 本系统以 51 单片机为主控核心芯片，在结合光敏感应模块，红外感应模块 和语音模块等其他部件的应用，通过分辨出客人的进入还是离开来发出不同的语 音提示，同时通过光敏感应模块对周围光线的感应，来做出相应的亮灯还是熄灯 的操作。通过系统方案的设计，系统软件和硬件的设计和制作，进行调试，最终 实现了整体功能的要求。 通过试验，本设计能够基本完成所预想的功能。在这里由于作者水平有限， 设计上还只能做到一些简单的功能，在不断地学习中，可以在这些基本功能的基 础上加上一些统计进出的人数，显示更多的信息这些其他的功能，可以不断完善 和提高这个方案。 浙江万里学院本科毕业论文 - 19 - 致 谢 四年的时间转瞬即逝，毕业设计的完成，也意味着我们大学生涯的结束。在 大学的生活里我们不仅学到了知识，也学到了很多做人的道理。在这里，我要感 谢大学四年来对我的培养。感谢学校能够提供我们一个这样锻炼和提高自己能力 的机会，让我们能够坚持到底，在我们走入社会之前有了一个深刻的实践经验的 体会。 在这次毕业设计中，特别要感谢我的指导老师，是吴老师