模拟量转换为数字量的红外数据的传输系统论文毕业论文.doc

摘要本文介绍了一种新型的数据传输系统：模拟量转换为数字量的红外数据传输系统。该系统主要是由模拟信号处理与调理模块、A/D转换模块、红外传输模块与信号显示模块等三大模块组成。本系统是基于LM324运算放大器、ADC0809转换器、8051单片机、555定时触发器、红外接收头TSOP1738以及数码显示管(DPY)等元件而设计的。具体设计的设计程序如下：首先将外界微弱的模拟信号进行转换、处理和调理以获得模拟的电信号并除去噪音；接着经A/D转换器将处理过的模拟信号转换为数字信号并传输到单片机中；然后由红外发射电路对数字信号解调，并经红外发射二极管发射出红外线，在另一端通过红外接收器接收红外线并解调为数字量；最后将数字信号传输到单片机中由发光二极管和数码管显示信号。该系统可以将我们周围的各种模拟信号传输到计算机中，我们可以通过计算机对所关心的信号进行检测与控制，也可在屏幕上观测待测信号的变化趋势等等。本系统是利用红外线进行数据传输，让我们不仅可以处理一般的模拟信号，而且还可以在高压、强辐射、有毒气体等严峻环境下更为可靠而有效地检测工业设备参数。因此它在工农业生产、医疗卫生、军事、科研等领域的应用也将越来越广泛。关键词：模拟信号；数字信号；A/D转换；红外发送；红外接收；数字信号显示AbstractThis paper introduces a new data transmission system: the infrared data transmission system that the analog is converted to the digital. The system is mainly composed of three modules: the processing and conditioning analog signals module, the A / D converter module, the infrared transmission and signals display module. The design of this system is based on the LM324 op amp IC, ADC0809 converter, 8051 single-chip, 555 timer trigger, TSOP1738 infrared receiver ,digital display tubes (DPY) and other components. The working procedures are as follows: Firstly, the weak external analog signals can be converted, processed and conditioned to remove noise by certain circuits. Secondly, analog signals will be converted into digital signals and transmitted to the microcontroller by the A / D converter. Thirdly, the MCU will receive the digital signals that will be demodulated by the infrared emission circuit, and the infrared transmitter emits infrared light while the infrared receiver on the other side will receive the infrared light and demodulate it into digital signals. Finally, the digital signals will be transmitted to the microcontroller and the LED digital display signals. The system can transmit the analog signals around us to the computer. We can detect and control signals that we are concerned about though computer, and also observe the varying trends of the signals measured on the screen. This system uses the infrared technology as the means of data transmission, so we can not only cope with the general analog signals, but also can detect the industrial equipment parameters under the critical conditions of high pressure, strong radiation, toxic gases more reliably and effectively. Therefore, this system will also be used more and more extensively in industrial and agricultural production, health, military, scientific research and other fields. Keywords: analog signals; digital signals; A / D conversion; infrared transmission; infrared receiver; digital signal display目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1 红外技术的发展和研究现状11.2 研究课题的提出和意义21.3研究内容的总体结构3第二章 模拟信号处理与调理42.1 传感器42.2前置放大电路42.3 滤波电路52.4 主放大电路7第三章A/D转换83.1 A/D转换器83.1.1 A/D转换的原理83.1.2 ADC0809的介绍103.1.3 ADC的技术参数123.2 ADC0809与8051的电路连接133.2.1 8051单片机的介绍133.2.2 8路模拟信号的选择163.2.3 转换数据的传送173.2.5 编写程序18第四章 红外数据传输194.1 红外传输的工作原理194.1.1 红外传输的结构194.1.2 调制与解调194.2 红外发送单元204.2.1 555定时器204.2.2 红外发射二极管224.2.4 红外发射电路224.3 红外接收单元244.3.1 红外接收器244.3.2红外接收头TSOP1738的内部结构244.3.3 红外接收电路254.4信号显示单元254.1.1 发光二极管显示264.1.2 数码管显示26参考文献28结束语29致谢30附录31第一章 绪论1.1 红外技术的发展和研究现状1800年英国物理学家F.W赫胥尔从热的观点来研究各种色光时， 发现了红外线：红外线的波长在0.76100um之间， 按波长范围可分为近红外、中红外、 远红外、 极远红外四类， 它在电磁波连续频谱中的位置处于无线电波与可见光之间的区域。1892年红外光被用于有机基团的测定。1905 年Coblenz发表了128种有机化合物和无机化合物的红外吸收光谱。 1930年有人测得了大量有机化合物的红外吸收光谱， 并对基频峰的归宿作了总结归纳。1947年世界上第一台双光束自动记录红外光谱仪的诞生， 标志着红外光谱法已进入了一个新的发展阶段。如今红外光谱仪的发展已经历了四代：第一代是棱镜式色散型红外光谱仪， 对温度、 湿度敏感， 对环境要求苛刻； 第二代是光栅型色散式红外光谱仪； 第三代产品是干涉型红外光谱仪， 具有宽的测量范围、 高精度、 高分辨率和极快的测量速度； 第四代是70年代末出现的傅立叶变换红外光谱仪， 它在能量、 单色性、 灵敏度等各方面都比前几代光谱仪大为提高。红外线是可见光谱中位于红色光之外的光线，尽管肉眼看不到这种光线。但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号，实施红外线通信。利用红外线通信无需连线，只需将两设备的红外线装置对正即可传输数据。红外数据传输就是利用红外线作为传输介质在计算机与外设(或计算机)之间进行数据传输的方法。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.7525um之间。红外数据协会(Infrared Data Association，简称IRDA)成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850950nm之内。红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；IRDA已经是一套标准，HG收/发的组件也是标准化产品。目前大多数作为采样数据的终端希望通过串口或红外接口与移动设备(如掌上电脑等)进行通信。和传统的遥控器中采用的红外相比较，红外数据传输的实现方式是不同的。在笔记本电脑，手机，PDA和数码相机上的红外传输均采用红外数据传输。随着我国国际地位和科研水平的不断提高，红外线数据传输系统对用户有着极大的吸引力。它在军事、科研、工农业生产、医疗卫生等领域的应用也将越来越广泛。1.2 研究课题的提出和意义在人类的自然环境中，存在着各种各样的信息：温度、气压、声音、图像等等，这些都属于连续性的模拟信号。在实际生活中有可能处于某种特殊情况下，比如说：高温高压下无法用现有仪器进行直接测量，或者是说目前还没有仪器直接测量自然界中的某一信号，抑或者是需要对自然界的某一信号在另一屏幕上显示出来等等，但又需要测试这种情况下的模拟量，这时候就需要对待研究的外界模拟信号进行处理与调理、转换、传输，显示在计算机上。本设计所要研究的模拟量转换为数字量的红外数据传输系统就就是基于这种情况而提出的。红外传输有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。然我们还是需要注意一下红外线技术的一些局限性。其传输技术的具有以下特点：（1） 它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；（2） 通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；（3） 主要是用来取代点对点的线缆连接；（4） 具有不能穿透障碍物的特性，有效保障了会议信息的安全与保密；（5） 安装方便快捷，成本低。随着信息技术的飞速发展与普及，在现代控制中，红外数据传输作为一种无线通信的装置，具有体积小、功耗低、功能强、成本低的优点，和传统的遥控器中采用的红外相比较，红外数据传输的实现方式是不同的。一方面，目前电视、空调等家用电器上广泛应用红外数据传输，大多数作为采样数据的终端希望通过串口或红外接口与移动设备(如掌上电脑等)进行通信，在笔记本电脑、手机、PDA和数码相机上的红外传输均采用红外数据传输；另一方面，在高压、辐射、有毒气体等环境下工作的工业设备中采用红外数据传输不仅安全可靠，而且能有效地隔离电气干扰；此外，随着我国国际地位和科研水平的不断提高，红外线数据传输系统对用户有着极大的吸引力，它在工农业生产、医疗卫生、军事、科研等领域的应用也将越来越广泛，该系统的设计可以为这些应用提供可靠的工具。该设计系统兼顾了应用中经济和实际的需要：一方面由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的数模转换；对宁一方面另一方面红外线做信号载波具有成本低、传播范围和方向可以控制、不产生电磁辐射干扰和被干扰等诸多优点，因此采用红外线技术进行数据传输（红外数据传输）为数据传输提供了新的方法，被广泛地应用在各个技术领域中。1.3研究内容的总体结构本文的目的是研究和设计一个模拟量转换为数字量的红外数据传输系统，主要由A/D转换与红外传输组成。具体包括信号处理与调理，A/D转换，红外发射、红外接收等几个组成部分，系统总体结构如图1.1。模拟信号处理与调理A/D转换红外传输信号显示图1.1 系统总体结构图第一章，绪论部分，主要介绍了红外技术的发展和研究现状、研究课题的提出和意义以及本文研究的主要内容。第二章，模拟信号处理与调理部分，运用传感器将外界的模拟非电量信号转换为模拟电量信号，并由前置放大、滤波及主放大电路对模拟信号进行处理与调理。第三章，A/D转换部分，阐述ADC的结构和工作原理，并以ADC0809和8051单片机为例实现模拟信号向数字信号的转换。第四章，红外数据传输部分，介绍红外数据传输系统的基本原理，并设计基于8051单片机的电路发送数据、运用专用红外接收模块TSOP1738接收信号，实现红外数据传输，并通过8051单片机接口利用发光二级光（LED）和数字显示管（DPY）显示接收到的信号最后，本文的参考文献、结束语、致谢以及附图部分。第二章 模拟信号处理与调理信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波等功能环节。信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应AD转换等环节的工作。信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等，信号调理结构如图2.1所示。 前置放 大传感器滤波电路主放大图2.1 信号调理结构图2.1 传感器传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能仪器中占据了极其重要的地位。传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其它能量形式转换成电量的形式，以便进一步对信号进行加工与处理，传感器的输出往往总是电信号。这主要是电信号较容易地放大、反馈、滤波、存储及传送等操作。不同的检测对象将会使用不同的传感器将外界的非电信号转换为电信号，并且传感器的选择与研究不是本设计研究的重点，所以为了一般起见常常把传感器作为信号源看待。根据电路理论的知识我们可以知道，电路的信号源都可以等效两种形式：以理想电压源和源内阻RS串联的等效信号源，即戴维南等效电路；以理想电流源和源内阻RS并联的等效信号源，即诺顿等效电路。本设计采用戴维南等效电路的的形式进行涉及该系统。另外从传感器出来的信号很微弱，一般只有几百微伏到几毫伏的数量级。本社设计取微弱信号转换成的电压信号小于2mV（实际中可以将传感器输出的模拟信号通过示波器观察其波形，测定它的幅值）。2.2前置放大电路通常所需要的模拟电信号中混杂有其它电信号，并且信号十分微弱；另一方面，噪声背景强且信号源的阻抗比较大，加之电极引入的极化电压差值较大(比电差值幅度大几百倍)，因此，需要利用前置放大电路来来提高信号的幅值，并且通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，本次设计选用LM324做为主要主体器件，具有高输入阻抗、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，非常适合作为前置放大器使用，前置放大电路如图2.2所示。图 2.2 前置放大电路图放大增益可调(范围约11000倍)，并可由公式： (2.1) 来确定。为防止前置放大器工作于饱和区或截止区，其增益不能过大。一般 l 0倍左右效果较好。本设计取：R1=30K,R2=3 K, 倍。在调试集成运算放大器组成的放大电路时，会发现有不明的震荡、漂移等现象发生，这往往是由于电源布线不合理而造成的。在芯片LM324的电源电路的布线中增加0.01uF的去耦电容C2、C3可以很好的解决了这个问题。下述中集成运算放大器LM324的引脚中也增加有去耦电容，也是起这个作用。2.3 滤波电路滤波器是一种能使一定频率的信号通过，而阻止或衰减其它频率信号的电路。滤波器可由LC或RC无源元件组成，称之为无源滤波器；也可以由有源器件和LC或RC网络构成，称之为有源滤波器。按频率特性可将有源滤波器分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)和带阻(BEF)等四种。本设计选用一阶高通滤波器和一阶低通滤波器滤去其他频率的信号。假定输入模拟信号频率f约为31KHz。根据待测模拟信号频率f和以下关系式确定与组成滤波器的元件（电阻R和电容C）的值： (2.2)1. 高通滤波电路通常经过一阶低通滤波器后仍不理想，存在很多毛刺；另一方面，信号仍是叠加在一个较大的直流电压上的小交流信号。为了防止对小交流信号进行放大处理发生饱和，必须作高通滤波处理，将其更低频率的无用信号和直流信号除去，高通滤波电路如图2.3所示。图2.3 高通滤波电路图因为原波形的频率约为31KHz，所以本文取低通滤波器的截止频率为30.6KHz。则 （2.3）取C3=1uf，则R3=5.2K。2. 低通滤波电路图2.4 一阶低通滤波电路图通过示波器观察输入信号的波形，由于模拟信号经传感器及前置放大电路引进了一些高频率的干扰信号，波形中有较多的毛刺，需要经过一阶有源低通滤波进行滤波处理，一阶低通滤波电路如图2.4所示。因为原波形的频率约为31KHz，所以本文取低通滤波器的截止频率为31.2KHz。则 （2.4）取C3=1uf，则R3=5.1K。2.4 主放大电路需要检测的微弱模拟信号都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量。由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，这些微弱信号不能直接用于采样处理。前置放大电路主图2.5 主放大电路图要起到电流转电压的作用，但后续电路为A/D转换电路，所需电压幅值为5V，传感器出来的信号小于2mV，经过前置放大10倍后，所以输出的电压信号还需要继续放大200倍，才能达到达到A/D转换所需的要求05V。因此还需应用主放大电路。本模块选用以集成运算放大器LM324为主体元件将信号放大200倍。为了让本电路放大200倍，闭环电路电阻取值为：R5=2K，R6=100，放大倍数倍，其主放大电路如图2.5所示。第三章A/D转换对模拟信号调理完毕后，模拟信号在05V的范围内，此时该做的工作就是要将这个模拟信号转换为数字信号，这样才能将需要检测的微弱信号传送到计算机中进行处理，A/D转换模块就是完成这项功能的。另外，转换后所得的数字量需经单片机解调才能用于后续的传输，所以还需将数字量传输到单片机中。所以本模块由A/D转换和ADC与8051单片机的连接电路构成，A/D转换总体结构如图3.1所示。ADC08098051单片机3.1 A/D转换总体结构图3.1 A/D转换器A/D转换器按其工作原理的不同分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两种。直接A/D转换器将模拟信号直接转换为数字信号，这类A/D转换器具有较快的转换速度，典型电路有并行比较型器A/D转换器、逐次比较型A/D转换器。而间接A/D转换器则先将模拟信号转换成某一中间变量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量输出。这类A/D转换器的速度较慢，典型电路有双积分型A/D转换器、电压频率转换型A/D转换器。其中，逐次近似型A/D转换是目前应用最为广泛的中、高速A/D转换器，其最大特点是转换速率较快，而且在售价（成本）、精度和转换速率三个重要的标志之间易于取得较好的平衡。所以本设计选用逐次近似性A/D转换器ADC0809。3.1.1 A/D转换的原理 A/D转换要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间、幅值都离散的数字量，一般要经过采样、保持、量化和编码几个过程。（1）.取样与保持取样电路可将输入模拟量转换为在时间离散的模拟量，取样过程示意如图3.2所示。传输门TG由取样信号控制,在高电平期间，TG导通，输出信号等于输入信号，而在的低电平期间，传输门关闭，输出信号。取样信号的频率愈高，取得的信号经低通滤波后能真实的复现输入信号。合理的取样频率由取样定理确定。取样定理：设取样信号的频率为，输入模拟信号的最高频率分量的为，则与必须满足下面的关系： （3.1）一般取TG3.2 取样过程示意图A1A2开关驱动电路CH3.3 取样-保持电路的原理图将取样所得信号转换位数字信号往往需要一定的时间，为了给后续的量化编码电路提供一个稳定值，取样电路的输出还须保持一段时间。一般取样与保持过程都是同时完成的，取样-保持电路的原理如图3.3所示。取样-保持电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。电路中要求，且A1区有较大的输入阻抗，以减小对输入信号源的影响。A2选用较高输入阻抗和低输出阻抗的运放，这样不仅CH上所存电荷不易泄漏，而且电路还具有较高的带负载能力。开关S闭合时，电路处于取样阶段，电容器CH充电。由于，因此；开关 S断开时，若A2的输入阻抗足够大且S为较理想的开关，可认为CH几乎没有放电回路，输出电压保持不变。这样就起到了保持的作用。（2）.量化和编码数字量在数值上是离散的，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。要实现A/D转换，还必须将取样-保持电路的输出表示为最小数量单位的整数倍。将数值连续的模拟量转换为数字量的过程称为量化。最小数量单位成为量化单位。量化单位是数字信号最低为1时所对应的模拟量，即1LSB。由于被取样电压是连续的，它的值不一定都能整除，所以，在量化过程中，不可避免地存在误差，成为量化误差，用表示。属于原理误差，它是无法消除的。A/D转换的位数越多，1LSB所对应的越小，量化误差的绝对值也越小。量化的方法，一般有舍尾取整和四舍五入法两种。舍尾取整的处理方法是：如果输入电压vi在两个相邻的量化值之间时，即时，取vi的量化值为。四舍五入的处理方法是：当的尾数不足时，舍去尾数取整数；当的尾数大于或等于时，则量化单位在原数上加一个。将量化后的结果用二进制码或其他代码表示出来的过程成为编码。经编码是出的代码就是A/D转换的结果。3.1.2 ADC0809的介绍1. ADC0809的信号引脚ADC0809为28脚标准封装直插式芯片，ADC0809引脚如图3.4所示。ADC0809是8位A/D转换芯片，由单一+5V电源供电。片内带具有锁存功能的8路模拟开关，可以对8路05V的模拟输入电压分时进行转换，转换时间为100us左右；片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、高阻抗斩波稳定比较器、256R电阻T型网络和网状电子开关以及逐次逼近寄存器，采用逐次逼近技术实现A/D转换；其内部无时钟电路，时钟必须由外部提供，典型的时钟频率为640kHz；输出具有TTL三态锁存缓存器，可直接与单片机总线相连。 ADC0809各引脚功能如下： IN0IN7：8路模拟量输入端。 C、B、A：三根地址译码输入线，根据C、B、A的组合值，控制多路转换开关，对8路模拟输入通道IN0IN7进行转换。例如CBA为000时，接通IN0，当CBA为111时，接通IN7。 ALE：地址锁存控制端，高电平有效。在ALE的上升沿将C、B、A通路地址锁存到内部地址锁存器中，并将相应的模拟量输入通道接入A/D转换器。 OE：数字量输出允许信号输入端，高电平有效。当该端被选中时，允许从A/D转换器的输出锁存器中读取数字量。图3.4 ADC0809引脚图 START：启动信号输入端，下降沿启动A/D进行新的一次转换。 EOC：A/D转换结束标志，可以作为转换结束的中断请求信号。 CLOCK：时钟输入端。 D7D0：数字量输出端。 VCC：电源输入端，接+5V。 GND：接地端。 、：参考电源输入端，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平。由于ADC0809一般转换05V的模拟信号，所以接+5V，接0V。2. ADC0809的内部结构ADC0809的内部结构如图3.5所示。它由控制路逻辑电路、数据寄存器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。电路启动后，第一个CP将移位寄存器置1000 0000，该数字经数据寄存器送入D/A转换器。输入模拟电压vi首先与1000 0000所对应的电压相比较（取），如果，则比较器输出为1，如果,则比较器输出为0，此结果存于数据寄存器D7位；第二个CP使移位寄存器为0100 0000。如果最高位已存1，则此时D/A转换器的输出电压，再与相比较，如果，则次高位D6存1，否则D6=0；如果最高位为0，则，与比较，如果，则数据寄存器的D6位存1，否则存0，以此类推，逐次比较得到输出数字量。电 压比较器控制逻辑电 路时钟CP移位寄存器数据寄存器D/A转换器D7 D6 D1 D0启动方波图3.5 ADC0809的内部结构图3.1.3 ADC的技术参数ADC的技术参数反映了其性能特点，其主要的指标有以下几个：（1）分辨率：分辨率反映ADC对输入微小变化相应的能力，通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平表示。（2）精度：精度有绝对误差和相对误差两种表示方法。绝对误差是指对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差的最大值，通常以数字量的最小有效位（LSB）分数值来表示。相对误差是指整个转换范围内，任意以数字量对应的模拟量的实际值与理论值之差，用模拟量的百分比表示。（3）转换时间：转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开是有效的时间间隔，其倒数称为转换速率。（4）电源灵敏度：电源灵敏度是指A/D转换芯片的供电电源的电压发生变化时产生的转换误差。一般用电源电压变化1%时相应的模拟量变化的百分数来表示。3.2 ADC0809与8051的电路连接A/D转换后的数据传输到单片机中才能继续进行处理，本设计选用8051单片机。本模块电路连接主要涉及两个问题：一是8路模拟信号的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。3.2.1 8051单片机的介绍1. 8051单片机的内部结构51单片机是目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，该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单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机既是基础入门的一种单片机，也是应用最广泛的一种。本设计采用8051单片机，8051单片机的组成如下： 8位CPU; 4KB程序存储器（ROM）(52为8K); 256字节的数据存储器（RAM）; 32条I/O口线； 111条指令，大部分为单字节指令； 21个特殊功能寄存器； 2个可编程定时/计数器； 5个中断源，2个优先级； 一个全双工串行通信口； 外部数据存储器寻址空间64KB； 外部程序存储器寻址空间为64KB； 逻辑操作位寻址功能； 双列直插40inDIP封装； 单一+5V电源供电；（1） CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；（2） RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；（3） ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；（4） I/O口：四个8位并行I/O口，既可用做输入，也可用作输出；（5） T/C：两个定时/计数器，既可以工作在定时模式，也可工作在计数模式；（6） 五个中断源的中断控制系统；（7） 一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；（8） 片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高震荡频率为12M.Hz。2. 8051单片机的信号引脚8051单片机有40个引脚，采用双列直插（DIP）封装形式，8051单片机引脚如图3.6所示，各引脚按功能分类介绍如下：（1） 电源引脚1) VCC(40脚)：供电电源+5V。2) GND( 20脚)：接地脚。（2） 外接晶体引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）1) 当利用内部时钟电路时，XTAL1与XTAL2之间接一晶体振荡器。XTAL1为内部放大电路输入端，XTAL2为输出端。2) 当外界时钟信号时，对HMOS型单片机，XTAL1接地，XTA2接外部输入时钟脉冲。而对于CHMOS型单片机XTAL1为驱动端，XTAL2为悬浮。（3） 控制信号引脚1) RST/VPD(9脚)：按复位电路可实现复位；接+5V备用电源，当电源VCC掉电时内部RAM的数据不丢失。2) ALE/（30脚）：当访问外部存储器时，ALE作为低位地址锁存允许控制；对于8751的片内EPROM编程，PROG用于输入编程脉冲。3) (29脚)：访问片外程序存储器时作读选通信号，低电平有效。4) /VPP(31脚)：当端保持高电平时，访问内部程序存储器（4KB），但当PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从0000H开始），不管单片机内部是否有程序存储器。由于8031内无ROM，端应接低电平；对于8751EPROM型单片机，此引脚用施加编程电源VPP。图3.6 8051单片机引脚图（4） I/O口引脚8051共有4个8位I/O口，共占用32个引脚，各I/O口引脚及其功能如下：P0口（P0.0P0.7）占用3239脚；P1口（P1.0P1.7）占用18脚；P2口（P2.0P2.7）占用2128脚；P3口（P3.0P3.7）占用1017脚。1) P0口是一个8位不带上拉电阻的漏极开路型准双向I/O口，因此该口输出时需外接上拉电阻，而P1、P2和P3口都是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。2) 在访问片外ROM时，P0口分时兼做数据总线和低8位地址线；P2口作高位地址线。3) 内部带程序存储器的芯片，在EPROM编程和程序验证时，P1输入低8位地址，P2输入高8位地址，P0输入指令代码（注：P1、P2作输入口时，必须要使每位先置“1”，然后读入外部数据）。4) P3口除作双向I/O口外还兼有专用功能。P3口专用功能见表3.1。表3.1 P3口专用号功能表P3口线专用功能P3.0RXD（串行口输入端)P3.1TXD（串行口输出端）P3.2（外部中断0输入端）P3.3（外部中断1输入端）P3.4T0（定时器0外部输入端）P3.5T1（定时器1外部输入端）P3.6（片外数据存储器写控制端）P3.7(片外数据存储器读控制端)3.2.2 8路模拟信号的选择ADC0809与8051的连接如图3.7所示，模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2）；地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则设+5VCLK C BAD7D0 IN7ADC0809 START ALE OE IN0 EOC +74LS373 ALE P0.0P0.7 8051 P2.0 图3.7 ADC0809与8051的连接图8路模拟通道IN0IN7的地址为FE00HFE07H；通道地址选择以作为选通信号； 把ALE信号与START信号接在一起，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。启动A/D转换只需一条MOV指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如：要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换。注意：此处的A与A/D转换无关，可以为任何值。MOV DPTR, #FE00H ;送入ADC0809的口地址MOVX DPTR, A ;启动A/D转换（IN0）3.2.3 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1） 定时传送方式对于一种A/D转换来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128us，相当与6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送，（2） 查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式测试EOC的状态，即可确定转换是否完成，并接着进行数据传送。（3） 中断方式把表明转换完成的状态（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。所用的指令为MOVX读指令，选择IN0通道为例，则有：MOV DPTR, #FE00HMOVX A, DPTR该指令在送出有效口地址的同时发出有效信号，使ADC0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据总线送入A累加器中。这里需要说明的是，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址相连，也可与数据线相连，例如与D0D2相连。这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道IN0IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：MOV DPTR , #FE00H ;送入0809口地址MOV A , #07H ;D2D1D0=111,选择IN7通道MOVX DPTR , A ;启动A/D转换3.2.5 编写程序A/D转换的程序设计主要分为下面几步：（1） 选通模拟量输入通道；（2） 启动转换信号；（3） 用查询、中断或软件延时等方式等待转换结束；（4） 读取转换结果；（5） 将查询结果存入RAM，进行数据处理或执行其他程序本设计采用中断方式编程，设有一个8路模拟量输入的巡回监测系统，采样数据依次存放在外部RAM 0A0H0A7H单元中，假设ADC0809的8个通道IN0IN7地址为FE00HFE07H。其中数据采样的初始化程序和中断服务程序（假定只采样一次）如下：初始化程序：MOV R0 , #OA0H ;数据存储区首地址MOV R2 ,#08H ;8路计数器SETB IT1 ;边沿触发方式SETB EA ;中断允许SETB EX1 ;允许外部中断1中断MOV DPTR , #FE00H ;D/A转换器地址LOOP: MOVX DPTR , A ;启动A/D转换HERE: SJMP HERE ;等待中断中断服务程序： DJNZ R2, ADEND MOVX A , DPTR ;数据采集 MOVX R0 , A ;存数 INC DPTR ;指向下一模拟通道INC R0 ;指向数据存储器下一单元 MOVX DPTR, AADEND: RET I第四章 红外数据传输在数据传输中，常常利用非电信号来传递控制信号和数据，以实现遥控或遥测的功能，红外传输系统具有控制简单、实施方便，传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式。本设计就是采用红外线将转换来的数字信号传输到其它检测、控制设备（一般为计算机设备）中，以便对要处理的微弱信号进行检测与控制。本设计通过前面对微弱模拟信号的接收、处理以及转换成数字信号，并将数字信号传输到了8051单片机中，为红外传输做好了准备。接下来的工作就是要对所得到的数字信号利用红外线进行传输，以便传输到目的设备中进行检测或者控制。4.1 红外传输的工作原理4.1.1 红外传输的结构红外传输组成结构主要包括：红外发射器，通信信道，红外接收器三大部分组成。发送端采用方波方式，将二进制数字信号调制成某一频率的方波序列，并驱动红外发射二极管以光方波的形式发送出去；通信通道是利用940 nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体；接收端将收到的光方波转换成电信号。再经过放大、滤波处理后送给解调电路，还原为二进制数字信号后输出。由于光的直线传播，所以应让红外发射二极管（HG）对准红外接收器，保证红外发射二极管（HG）发出的红外光能被接收器接收，红外传输原理结构如图4.1所示。红外发射电路红外接收头单片机单片机输出调制发送接受解调显示图4.1 红外传输原理结构图4.1.2 调制与解调红外传输实质就是对二进制数字信号进行调制和解调，以便利用红外线对模拟量信号进行传输，红外传输接口就是针对红外传输的调制解调器。调制是由红外发射电路来完成，它把编码后的二进制信号调制成某一频率的方波信号，即是调制后用于红外发射二极管(HG)发送的信号。 红外接收需先进行解调，解调的过程是通过红外接收管进行接收的。其基本工作过程为：当接收到调理信号时，输出低电平，否则输出为高电平，是调制的逆过程。4.2 红外发送单元红外发射模块完成信号变换并向空间发射红外方波，它的关键是红外发射二极管（HG）和相应的驱动电路。红外发射二极管（HG）首先要满足其调制带宽大于信号的频谱宽度，保证通信线路畅通。此时HG的发射波长应与接收器的光电探测器的峰值响应相匹配，最大程度地抑制背景杂散光干扰，现阶段一般选用780nm950 nm的红外波段进行数字信号传输。由于红外无线通信系统的信噪比与发射功率的平方成正比，所以适当提高红外发射器的发射功率，并采用空间分集、全息漫射片等可使发射端的光功率在空间均匀分布的措施来降低误码率，提高通信质量。4.2.1 555定时器图4.2 555定时器内部结构图555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构如图4.2所示。三个5K的电阻串联组成分压器，为比较器C1、C2提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时（可对地接上0.01uF左右的滤波电容），比较器C1和C2的基准电压分别为和。是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端。如果控制电压端（5）外接电压电压，则比较器C1和C2的基准电压就变为和。比较器C1和C2的输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态。放电三极管T未能外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三极管的集电极（7脚）一般都要外界上拉电阻。为直接复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，放电三极管T截止，输出端即为低电平。本设计中。表4.1 555定时器功能表输入输出阈值输入（）触发输入（）复位（）输出()放电三极管T00导通11截止10截止1不变不变当,时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，简单SR锁存器R=0，S=1，Q端置“0” ；放电三极管T导通，输出端为低电平。当,时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，简单SR锁存器R=1，S=0，Q端置“1” ；放电三极管T截止，输出端为高电平。当,时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，简单SR锁存器R=1，S=1， Q端置“1” ；放电三极管T截止，输出端为高电平。综上分析，可得555定时器功能表，如表4.1所示。4.2.2 红外发射二极管红外发光二极管，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光,管压降约1.3V1.5V。为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。常见的红外发射二极管有850nm、880nm、940nm等几种不同波长，但一般与接收头配套的发射二极管都是用940nm。这里主要有两个原因：（1） 价格便宜，这几种不同的发射二极管从价格来说，850最贵、880次之、940最便宜。（2） 从发射功率上来说，发射距离与功率是成正比，所以是850最大、880次之、940最弱，如果只是从发射二极管的角度考虑，为了增强接收距离，那应该选择850nm，但是我们