简易课堂考勤系统的软硬件实现毕业论文.doc

北华航天工业学院毕业论文 I 简易课堂考勤系统的软硬件实现毕业论文简易课堂考勤系统的软硬件实现毕业论文 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题简介 1 1 2 当前同类产品介绍 1 1 2 1 智能会议签到系统 错误 未定义书签 错误 未定义书签 1 2 2 基于 WEB 会议签到系统 错误 未定义书签 错误 未定义书签 1 2 3 首码条码会议签到系统 错误 未定义书签 错误 未定义书签 1 3 课题的建立以及本文完成的主要工作 1 1 3 1 课题的建立 1 1 3 2 本文主要包括以下内容 2 第 2 章 系统的硬件设计 3 2 1 系统的结构框图 3 2 2 系统功能的实现方法 3 2 3 元器件的原理与应用 4 2 3 1 AT89S51 4 2 3 2 外部 RAM 扩展 11 2 3 3 串口扩展数码管与 74LS164 14 2 3 4 红外发射接收二极管 17 2 4 系统工作原理 17 2 5 电路原理图与 PCB 的设计 19 2 5 1 Protel 99SE 的介绍 19 2 5 2 电路原理图的设计 19 2 5 3 PCB 板的设计 23 2 5 4 PCB 设计归纳 26 2 6 小结 28 第 3 章 系统的软件设计 29 3 1 程序流程图 29 3 2 相关子程序 34 3 2 1 二进制转 BCD 码子程序 34 3 2 2 清外部 RAM 子程序 35 北华航天工业学院毕业论文 II 3 2 3 串口显示子程序 36 3 2 4 未到学生查寻子程序 37 3 3 Proteus 功能仿真 39 3 3 1 Proteus 简介 39 3 3 2 功能仿真原理图 39 3 3 3 功能仿真结果 40 3 4 小结 41 第 4 章 系统调试 41 4 1 电路的连接 实物图见附录 3 41 4 2 硬件的调试 42 致谢 42 参考文献 43 附录 45 附录 1 45 附录 2 50 附录 3 55 附录 4 56 北华航天工业学院毕业论文 1 简易课堂考勤系统的软硬件实现 第 1 章 绪论 1 1 课题设计背景 无论公司还是企业 都会涉及到对职工的考勤管理 考勤管理在生产管理过程中充 当着一个十分重要角色 考勤管理的效率对生产的效果起着举足轻重的作用 随着现代 科学技术的发展 越来越多的公司和企业对职工的考勤管理都实行了信息化管理 使用 计算机系统代替繁琐冗余的手工方式来管理考勤事务 传统的手工方式不仅效率低下 而且容易出错 采用计算机技术进行管理可以克服手工管理的缺点 将人们从烦杂的劳 动中解放出来 同样在高校的教学和学生工作管理过程中 考勤是一项重要的内容 目 前教师对于上课考勤主要采用人工纸笔登记的方法 此方法不但费时 而且可靠性差 急需一种自动化管理手段 来提高考勤效率 1 2 系统现状分析 随着我国国民经济建设的蓬勃发展和具有中国特色的社会主义市场经济体制的迅速 完善 各个行业都在积极使用现代化的手段 不断改善服务质量 提高工作效率 这些 都在很大程度上给各个行业提出越来越严峻的挑战 对高校体系无论是在行政职能 学 生管理水平以及优质教学上都提出更高的要求 建设一个有效的信息管理系统是解决这 一问题的必由之路 考勤管理作为高校内部的一种管理也是如此 由于高校人数较多 每一位学生的具体实际情况也不尽相同 日常的考勤工作 如果没有一个完整的管理 后果将不堪设想 我国高校信息化水平一直处在比较初级的阶段 真正具备计算机信息化比较高应用水 平的高校在全国比例少之又少 然而 随着我国市场经济的不断成熟 高校的竞争也在 不断的加剧 同时高校组织管理观念的变革以及教学流程标准化也在不断完善 各高校 信息化建设的热情近几年来有了显著的提高 因此开发一个高效率的考勤系统进行学生 管理尤为重要 1 31 3 课题的建立以及本文完成的主要工作课题的建立以及本文完成的主要工作 1 3 1 课题的建立 1 采用发光二极管和光敏二极管构成了光电传感器电路 完成学生学号的识别 采 用存储器和显示器完成学生学号的存储与显示 2 以 AT89S52 单片机为核心来实现该系统 1 3 2 本文完成的主要工作 本文主要介绍以下各部分内容 北华航天工业学院毕业论文 2 1 硬件设计 2 软件设计 3 系统功能仿真 4 系统调试 北华航天工业学院毕业论文 3 第 2 章 系统的硬件设计 2 1 系统的结构框图系统的结构框图 系统的硬件设计主要分卡号的采集 处理 显示三部分 结构框图如下图所示 光 电 转 换 插 卡 单片机 读卡 识别和 显示 存储 显示学号 系统的结构框图 2 2 系统设计思想 课堂签到系统采用插卡的方法 如系统的结构框图所示 其中卡可以采用一些废旧的 电话卡或其它卡来制作 根据学生的学号在卡上打上与其对应的二进制的孔 利用光电传 感器 将卡号转化为学号 送入单片机进行识别 存储和显示 完成学生的签到 另外 系 统中还设置了显示未到学生学号的功能 1 2 选红外对管作为此系统的光电传感器 将 9 对红外对管竖着排列 左边一列为发射 管 右边一列为接收管 收发管一一对应 左右列间隔 5 个毫米左右 卡片上有 9 位 小孔代表 0 不是孔的代表 1 等间距一字排开 正好对应着红外对管 其中第 9 位始终为小孔 用来判断插卡是否有效 在插卡的同时可以判断动作是否有效 即使插 卡重复 仅记录一次卡的数据 不影响考勤 并且插卡时可以显示当前学号 要注意的 是 在课前考勤时 应将拨段开关拨到 A 处 此状态下 单片机用来考勤课前到的学生 拨到 B 处用于考勤迟到学生 表 2 1 卡号与学号对应表 卡号学号 0000000001 0000000012 0000000103 0000000114 011111101254 011111110255 北华航天工业学院毕业论文 4 图 2 2 红外对管与签到卡示意图 单片机的外部 RAM 内开辟了 3 块大小相同的数据区 分别是已到学生数据区 迟 到学生数据区和未到学生数据区 在考勤已到学生时 由于拨段开关处于 A 状态 由 P1 口读到的卡号将会存入到外部 RAM 的已到学生数据区中 在考勤迟到学生时 由于 拨段开关处于 B 状态 由 P1 口读到的卡号将会存入到外部 RAM 的迟到学生数据区中 触动按键 1 单片机会将迟到学生数据区中不为 0 的数据通过串口显示迟到学生学号 触动按键 2 单片机会将未到学生数据区中为 0 的数据通过串口进行显示 在此之前要 将已到和未到学生学号传送到未到学生数据区的对应单元中 2 3 系统硬件模块设计 课堂签到系统的硬件部分可分为三大部分 即插卡部分 存储部分和显示部分 其中 插 卡部分通过自制光电传感器来实现卡号的采集 存储部分采用常用的 SRAM6264 来实现 显示部分采用单片机的串口驱动 LED 数码管 本系统设计中 单片机采用 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机 它是一种低功耗 高速的八位 CMOS 芯片 片内含有 4KB Flash ROM 128 字节 RAM 工作电压范围为 2 7 6V 实际使用 5V 供电 32 条 I O 线 2 个 16 位定时 计数器和 5 个中断源等资源 可以很方便的实现键盘 显示 A D 转换 D A 转换以及 控制输出接口 3 4 2 3 1 插卡电路 插卡电路通过自制光电传感器 5 实现 为了节省成本 本系统中采用发光二极管和 普通光敏二极管构成了光电传感器电路 由八个高亮发光二极管 普通光敏二极管和电阻 构成简单的光电传感器 发光二极管和光敏二极管成对相向横装在有机玻璃插槽孔中 学生手持签到卡上的预制孔与此插槽孔位置对应 用卡片上预制孔的组合形态构成二进制 编码 卡码 电路中反向连接的光敏二极管与排阻用来产生单片机可识别的二进制代码 北华航天工业学院毕业论文 5 分压电线与单片机P1口八线相连 经测试 在普通室内灯光环境下 对应无光照和有光照2 种情况 分压点处的电压变化分别在0 2 V 以下和4 6V 以上 满足单片机I O口的高低电 平需要 1 发光二极管简介 一 发光二极管的发光原理 发光二极管是由 族化合物 如 GaAs 砷化镓 GaP 磷化镓 GaAsP 磷 砷化镓 等半导体制成的 其核心是 PN 结 因此它具有一般 P N 结的 I N 特性 即正向 导通 反向 截止 击穿特性 此外 在一定条件下 它还具有发光特性 在正向电压 下 电子由 N 区注入 P 区 空穴由 P 区注入 N 区 进入对方区域的少数载流子 少子 一部分与多数载流子 多子 复合而发光 如图 1 所示 假设发光是在 P 区中发生的 那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光 或者先被 发光中心捕获后 再与空穴复合发光 除了这种发光复合外 还有些电子被非发光中心 这个中心介于导带 介带中间附近 捕获 而后再与空穴复合 每次释放的能量不大 不能形成可见光 发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大 光量子效率越高 由于复合是在少子扩散区内发光的 所以光仅在靠近 PN 结面数 m 以内产生 理论和实践证明 光的峰值波长 与发光区域的半导体材料禁带宽度 g 有关 即 1240 Eg mm 式中 Eg 的单位为电子伏特 eV 若能产生可见光 波长在 380nm 北华航天工业学院毕业论文 6 紫光 780nm 红光 半导体材料的 Eg 应在 3 26 1 63eV 之间 比红光波长长的光为 红外光 现在已有红外 红 黄 绿及蓝光发光二极管 但其中蓝光二极管成本 价格 很高 使用不普遍 二 发光二极管的特性 1 极限参数的意义 1 允许功耗 Pm 允许加于 LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值 超 过此值 LED 发热 损坏 2 最大正向直流电流 IFm 允许加的最大的正向直流电流 超过此值可损坏二极管 3 最大反向电压 VRm 所允许加的最大反向电压 超过此值 发光二极管可能被击 穿损坏 4 工作环境 topm 发光二极管可正常工作的环境温度范围 低于或高于此温度范围 发光二极管将不能正常工作 效率大大降低 2 电参数的意义 1 光谱分布和峰值波长 某一个发光二极管所发之光并非单一波长 其波长大体按 图 2 所示 由图可见 该发光管所发之光中某一波长 0 的光强最大 该波长为峰值波 长 2 发光强度 IV 发光二极管的发光强度通常是指法线 对圆柱形发光管是指其轴 线 方向上的发光强度 若在该方向上辐射强度为 1 683 W sr 时 则发光 1 坎德拉 符号为 cd 由于一般 LED 的发光二强度小 所以发光强度常用坎德拉 mcd 作单位 3 光谱半宽度 它表示发光管的光谱纯度 是指图 3 中 1 2 峰值光强所对应两 波长之间隔 4 半值角 1 2 和视角 1 2 是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴 向 法向 的夹角 半值角的 2 倍为视角 或称半功率角 图 3 给出的二只不同型号 发光二极管发光强度角分布的情况 中垂线 法线 AO 的坐标为相对发光强度 即发光 强度与最大发光强度的之比 显然 法线方向上的相对发光强度为 1 离开法线方向 的角度越大 相对发光强度越小 由此图可以得到半值角或视角值 北华航天工业学院毕业论文 7 5 正向工作电流 If 它是指发光二极管正常发光时的正向电流值 在实际使用中应 根据需要选择 IF 在 0 6 IFm 以下 6 正向工作电压 VF 参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的 一 般是在 IF 20mA 时测得的 发光二极管正向工作电压 VF 在 1 4 3V 在外界温度升高时 VF 将下降 7 V I 特性 发光二极管的电压与电流的关系可用图 4 表示 在正向电压正小于某 一值 叫阈值 时 电流极小 不发光 当电压超过某一值后 正向电流随电压迅速增 加 发光 由 V I 曲线可以得出发光管的正向电压 反向电流及反向电压等参数 正向 的发光管反向漏电流 IR 10 A 以下 三 发光二极管的分类 1 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分 可分成红色 橙色 绿色 又细分黄绿 标准绿和纯绿 蓝光等 另外 有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片 根据发光二极管出光处 掺或不掺散射剂 有色还是无色 上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明 无色 透明 有色散射和无色散射四种类型 散射型发光二极管和达于做指示灯用 2 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧向管 表面安装用微型管 等 圆形灯按直径分为 2mm 4 4mm 5mm 8mm 10mm 及 20mm 等 国外通 北华航天工业学院毕业论文 8 常把 3mm 的 发光二极管记作 T 1 把 5mm 的记作 T 1 3 4 把 4 4mm 的记作 T 1 1 4 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况 从发光强度角分布图来 分有三类 1 高指向性 一般为尖头环氧封装 或是带金属反射腔封装 且不加散射剂 半值 角为 5 20 或更小 具有很高的指向性 可作局部照明光源用 或与光检出器联用 以组成自动检测系统 2 标准型 通常作指示灯用 其半值角为 20 45 3 散射型 这是视角较大的指示灯 半值角为 45 90 或更大 散射剂的量较 大 3 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封 金属底座环氧封装 陶瓷底座环氧封装及玻 璃封装等结构 4 按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED 发光强度100mcd 把发光强度在 10 100mcd 间的叫高亮度发光二极管 一般 LED 的 工作电流在十几 mA 至几十 mA 而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下 亮度与普通发光 管相同 除上述分类方法外 还有按芯片材料分类及按功能分类的方法 四 发光二极管的应用 由于发光二极管的颜色 尺寸 形状 发光强度及透明情况等不同 所以使用发光 二极管时应根据实际需要进行恰当选择 由于发光二极管具有最大正向电流 IFm 最大 反向电压 VRm 的限制 使用时 应保证不超过此值 为安全起见 实际电流 IF 应在 0 6 IFm 以下 应让可能出现的反向电压 VR Create Netlist 之后在 PCB 图上 导入网络表 Design Load Nets 就看见器件哗啦啦的全堆上去了 各管脚之间还有飞 线提示连接 然后就可以对器件布局了 一般布局按如下原则进行 按电气性能合 理分区 一般分为 数字电路区 即怕干扰 又产生干扰 模拟电路区 怕干扰 功率驱 动区 干扰源 完成同一功能的电路 应尽量近放置 并调整各元器件以保证连线 最为简洁 同时 调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁 对于质量 大的元器件应考虑安装位置和安装强度 发热元件应与温度敏感元件分开放置 必要时 还应考虑热对流措施 I O 驱动器件尽量靠近印刷板的边 靠近引出接插件 时钟产生器 如 晶振或钟振 要尽量靠近用到该时钟的器件 在每个集成电 路的电源输入脚和地之间 需加一个去耦电容 一般采用高频性能好的独石电容 电路 板空间较密时 也可在几个集成电路周围加一个钽电容 继电器线圈处要加放电二 极管 1N4148 即可 布局要求要均衡 疏密有序 不能头重脚轻或一头沉 需要 特别注意 在放置元器件时 一定要考虑元器件的实际尺寸大小 所占面积和高度 元 器件之间的相对位置 以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和 便利性同时 应 该在保证上面原则能够体现的前提下 适当修改器件的摆放 使之整齐美观 如同样的 器件要摆放整齐 方向一致 不能摆得 错落有致 这个步骤关系到板子整体形象和 下一步布线的难易程度 所以一点要花大力气去考虑 布局时 对不太肯定的地方可以 先作初步布线 充分考虑 4 布线 布线是整个 PCB 设计中最重要的工序 这将直接影响着 PCB 板的性能 好坏 在 PCB 的设计过程中 布线一般有这么三种境界的划分 首先是布通 这时 PCB 设计时的最基本的要求 如果线路都没布通 搞得到处是飞线 那将是一块不合格 的板子 可以说还没入门 其次是电器性能的满足 这是衡量一块印刷电路板是否合格 的标准 这是在布通之后 认真调整布线 使其能达到最佳的电器性能 接着是美观 假如你的布线布通了 也没有什么影响电器性能的地方 但是一眼看过去杂乱无章的 加上五彩缤纷 花花绿绿的 那就算你的电器性能怎么好 在别人眼里还是垃圾一块 这样给测试和维修带来极大的不便 布线要整齐 划一 不能纵横交错毫无章法 这些都 要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现 否则就是舍本逐末了 布线时主 要按以下原则进行 一般情况下 首先应对电源线和地线进行布线 以保证电路板 的电气性能 在条件允许的范围内 尽量加宽电源 地线宽度 最好是地线比电源线宽 它们的关系 是 地线 电源线 信号线 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 最细宽度可 北华航天工业学院毕业论文 27 达 0 05 0 07mm 电源线一般为 1 2 2 5mm 对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成 一个回路 即构成一个地网来使用 模拟电路的地则不能这样使用 预先对要求比 较严格的线 如高频线 进行布线 输入端与输出端的边线应避免相邻平行 以免产生 反射干扰 必要时应加地线隔离 两相邻层的布线要互相垂直 平行容易产生寄生耦合 振荡器外壳接地 时钟线要尽量短 且不能引得到处都是 时钟振荡电路下面 特 殊高速逻辑电路部分要加大地的面积 而不应该走其它信号线 以使周围电场趋近于零 尽可能采用 45o 的折线布线 不可使用 90o 折线 以减小高频信号的辐射 要求 高的线还要用双弧线 任何信号线都不要形成环路 如不可避免 环路应尽量小 信号线的过孔要尽量少 关键的线尽量短而粗 并在两边加上保护地 通过扁 平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时 要用 地线 信号 地线 的方式引出 关 键信号应预留测试点 以方便生产和维修检测用 原理图布线完成后 应对布线进 行优化 同时 经初步网络检查和 DRC 检查无误后 对未布线区域进行地线填充 用 大面积铜层作地线用 在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用 或是做成 多层板 电源 地线各占用一层 2 PCB 布线工艺要求 1 线的要求 信号线宽为 0 3mm 12mil 电源线宽为 0 77mm 30mil 或 1 27mm 50mil 线与线之间和线与焊盘之间的距离大于等于 0 33mm 13mil 实际应用 中 条件允许时应考虑加大距离 布线密度较高时 可考虑 但不建议 采用 IC 脚间走 两根线 线的宽度为 0 254mm 10mil 线间距不小于 0 254mm 10mil 特殊情况下 当 器件管脚较密 宽度较窄时 可按适当减小线宽和线间距 2 焊盘 PAD 与过渡孔 VIA 的基本要求是 盘的直径比孔的直径要大于 0 6mm 例如 通用插脚式电阻 电容和集成电路等 采用盘 孔尺寸 1 6mm 0 8mm 63mil 32mil 插座 插针和二极管 1N4007 等 采用 1 8mm 1 0mm 71mil 39mil 实际应 用中 应根据实际元件的尺寸来定 有条件时 可适当加大焊盘尺寸 PCB 板上设计的元件安装孔径应比元件管脚的实际尺寸大 0 2 0 4mm 左右 3 过孔 VIA 一般为 1 27mm 0 7mm 50mil 28mil 当布线密度较高时 过孔 尺寸可适当减小 但不宜过小 可考虑采用 1 0mm 0 6mm 40mil 24mil 4 焊盘 线 过孔的间距要求 PAD and VIA 0 3mm 12mil PAD and PAD 0 3mm 12mil PAD and TRACK 0 3mm 12mil TRACK and TRACK 0 3mm 12mil 密度较高时 北华航天工业学院毕业论文 28 PAD and VIA 0 254mm 10mil PAD and PAD 0 254mm 10mil PAD and TRACK 0 254mm 10mil TRACK and TRACK 0 254mm 10mil 2 6 小结 本章主要介绍系统的工作原理和功能的实现方法 并且描述了各元器件的原理与 PCB 电路的设计 第 3 章 系统的软件设计 3 1 程序流程图 1 主程序流程图 北华航天工业学院毕业论文 29 2 中断程序流程图 北华航天工业学院毕业论文 30 3 2 程序源代码 ORG0000H AJMPSTAR ORG0003H AJMPC1 ORG0030H STAR MOVSP 70H SETBIT0 MOVIE 10000001B 中断初始化 SETBP3 2 MOVDPTR 2000H MOVR7 127 BUTT CLRP2 7 JNB P2 7 BUTT 等待按键 即等待学生打卡 MAIN MOVA P1 JZBUTT MOVR0 A MOVR1 A CLRC SUBBA 128 JNB CY BUTT 判断读卡是否有效 MOVX A DPTR 0FFH 考勤标志为 0FFH 北华航天工业学院毕业论文 31 Q1 INC DPTR DJNZR0 Q1 MOVA 0FFH MOVX DPTR A MOVA R1 LCALL L1 显示考勤学生学号 AJMPSTAR C0 CLRP2 6 JNBP2 6 BUTT 等待上课铃声 显示缺勤 学生学号 C1 MOVDPTR 2001H MOVR3 1 MOVDPTR 2000H MOVA 1 C2 MOVR3 A MOVXA DPTR MOVX A A DPTR CJNEA 0FFH C3 INC DPTR MOVA R3 INC R3 INCA DJNZR7 C2 RETI C3 MOVA R3 LCALL L1 LCALL DELAY1 DELAY1 的作用是延长缺勤学号的显示时间 INC DPTR INC R3 DJNZR7 C2 RETI L1 MOVB 100 DIV AB MOVR4 A MOV A 10 XCHA B DIV AB MOVR5 A XCHA B MOVR6 A MOVDPTR TAB2 MOVSCON 00H MOVA R4 显示百位 MOVCA A DPTR MOVSBUF A LCALL LOOP 北华航天工业学院毕业论文 32 MOVA R5 显示十位 MOVCA A DPTR MOVSBUF A LCALL LOOP MOVA R6 显示个位 MOVCA A DPTR MOVSBUF A LCALL LOOP RET LOOP JNB TI LOOP 等待串口中断 CLRTI LCALL DELAY RET DELAY MOVR1 2 LOOP4 MOVR2 100 LOOP5 MOVR3 60 DJNZR3 DJNZR2 LOOP5 DJNZR1 LOOP4 DJNZR1 RET DELAY1 MOVR1 2 LOOP4 MOVR2 200 LOOP5 MOVR3 60 DJNZR3 DJNZR2 LOOP5 DJNZR1 LOOP4 DJNZR1 RET TAB2 DB 3FH 06H 5BH 4fH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH END 北华航天工业学院毕业论文 33 3 3 Proteus 功能仿真 3 3 1 Proteus 简介 Proteus 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统 可仿真各种电路和 IC 并 支持单片机 元件库齐全 使用方便 是不可多得的专业的单片机软件仿真系统 该软件的特点 1 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准 并在同类产品中具有明显的优 势 2 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS 一 232 动态仿真 1 C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真的功能 有各种虚 拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 3 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 4 支持大量的存储器和外围芯片 总之该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件 功能极其强大 可 仿真 51 AVR PIC 单片机 3 3 2 功能仿真原理图 图 3 5 仿真原理图 功能仿真时 用 9 位的拨段开关来代替红外对管作为卡号采集器 效果更为理想 也容易操作 北华航天工业学院毕业论文 34 3 3 3 功能仿真结果 图 3 6 初始状态的显示 图 3 7 插入卡号 7 时的显示 图 3 8 插入卡号 255 时的显示 通过 proteus 软件仿真 基本实现了本次设计的功能 3 4 小结 本章介绍了部分子程序及其框图 并且描述了该系统的软件仿真 北华航天工业学院毕业论文 35 第第 4 章章 系统调试系统调试 本次系统调试分为软件调试 硬件调试与系统联调 软件调试是通过 Protus 仿真在 第三章已经介绍 本章主要介绍硬件调试 4 1 电路的连接 实物图见附录 3 出现的问题及解决办法 1 单片机最小系统的验证 设计了一个简单的 LED 灯闪烁实验 LED 灯不显示 电路无法正常工作 经查证 晶振 电源 复位电路都没有问题 是 31 引脚 EA VPP 没 有接高电平 单片机的 31 引脚接高电平时 执行程序从内部开始 2 红外对管的安装工艺要求高 整个设计过程为了避免插反卡的现象 红外对管在 安装时距离万能板两边的边沿的长度是不等的 考虑到红外对管的实验精度问题 卡槽的制作也应有较高的要求 由于资金和时间 的关系没有制作标准卡槽 4 2 硬件的调试 出现的问题及解决办法 整套设备连接完成后 无法实现功能 串口不显示 最终查得数码管没有接电源 由于使用的是废旧的万能板 个人的焊接水平有限 有时会有脱焊虚焊的现象 在 调试过程中都得到查证 北华航天工业学院毕业论文 36 致致 谢谢 四年的大学生活即将结束 在此感谢母校的培养 向电子工程系及所有教导过我的 老师致以崇高的敬意 在此衷心的感谢设计过程中给予我指导与帮助的李宗睿老师 使我可以顺利完成此 次设计 李宗睿老师在整个设计过程中 给我了很多的建议 包括四月份我在外地试工 时 李老师照常敦促我完成毕业设计 并给我最中肯的建议 使我在试工阶段仍旧完成 了预期的目标 李老师雄厚的理论基础和丰富的科研经验 更让我钦佩不已 进一步增 强了我对电子电路设计的兴趣 同时感谢我的同学 在我们各自的设计过程中 有疑点 我们相互讨论 共同进步 在这次设计中还存在很多不足之处 这些缺陷 也暴露了我在以前学习过程中的疏 漏之处 这所有的一切都将永远激励我去学习 去创造 由于本人水平有限 设计中一 定还存在很多的不足 在此恳请各位老师批评指点 在以后的学习中我会积极进取 请 老师以及我们朋友们放心 北华航天工业学院毕业论文 37 参考文献 1 汤龙梅 王宜怀 基于射频识别卡的会议签到系统 RFIDMSS 的设计和实现 军 民两用技术与产品 2003 年 12 期 2 王丁 王磐炬 一种简易实用的课堂签到器 电子世界 2005 年 7 12 期 3 张志平 姜晓峰 基于 WEB 的实验课签到系统设计与实现 苏州大学学报 工科版 2006 年第 26 卷第 2 期 4 雷金莉 张伟 李永博 基于单片机的课堂签到系统设计与实现 宝鸡文理学院学报 自然科学版 2007 年 第 27 卷 第 01 期 5 王林 王宜怀 刘刚 基于射频卡与校园网的学生实验签到系统 苏州大学学报 工 科版 2007 年第 27 卷第 03 期 6 梁森 欧阳三态 王侃夫 自动检测技术与应用 机械工业出版社 7 胡辉 李叶紫 胡力平 单片机原理与应用 中国水利水电出版社 8 赵建领 51 系列单片机开发宝典 电子工业出版社 9 W T Welford R Winston High Collection Nonimaging Optics Academic Press Inc 1989 10 David Karlins Build Your Own Web Site M McGraw Hill Osborne Media 2003 1 北华航天工业学院毕业论文 38 附附 录录 附录附录 1 1 基于基于 NONIMAGINGNONIMAGING OPTICSOPTICS 实现光电传感器实现光电传感器 姜军姜军 美国美国 摘要 本文讨论了在光电传感器中混合 TIR lens 和 nonimaging optics 的应用 用一个商 用的不连续的射线追踪软件评价光电传感器的性能和设计 在 conceptual thru beam 光 电传感器中将 TIR lens 的结果与复合抛物面聚光和光学成像的结果进行对比 1 导言 作为工业控制一种手段 光电遥感已经应用了几十年 这些传感器几乎总是在其内 部装有镜头 光电传感器中普通的大镜片直接将光能射向目标并接收任何返回能源 因 为成像光学本身的开端 几何光学的发展与其联系紧密 根据这一事实当今大多数光电 传感器采用成像镜头 然而 在光电传感应用中 最重要的问题是要解决 多少能量落 在探测器 而不是图像的质量 但直到60年代当人们认识到 图像形成的制约不必要 解决一些光学设计问题 尤其是在来源和目标之间最大辐射转移的问题 消除这种限制 导致了更多的自由度 这些自由度反过来又导致适合于光电传感器应用的更有效的设计 这种新的类型的光学被称为非成像光学 在这方面威尔福特和柯温斯顿编著了一本经典 的书籍 复合抛物面聚光 中共 可能是最简单的所有非成像光学元件 在所有非成像光学元件中复合抛物面聚光 CPC 可能是最简单的 它可以实现高浓 度比和效率 然而 CPC的总长度通常是非常大的 因此可能会限制CPC在尺寸要求十分 苛刻的光电传感器中的应用 最近发展的 LED 照明产业已导致一些新颖结构的非成像光学 对不同聚光设计的分 析表明 Etendue 保护行为也可以得到满足的聚光折叠共计内部思考 Rx 和 RXI 结构 与 CPC 相比较于 这些类型的光学可以实现很高的压缩比 总光学长度 直径比约为 1 3 这些结构的唯一的缺点是 photoelement 必须植根于光学或者一种反射涂料应用 于主要表面的中央部分 这可能导致复杂的制造工艺 我们使用了 TIR 和中央镜头协助 聚光 这一结构生产非常简单 在本文中 我们将描述 TIR 透镜应用于光电传感器时它 的结构及其在 CPC 或成像镜头上的优势 北华航天工业学院毕业论文 39 2 TIR lens 的特点 我们已经制作出一种基于光电传感器与LightTools的TIR lens 这是一种商业模拟 程序 因为我们唯一关心的是最大能量转换效率 而不是图像形成 所以常规的成像镜 头参数如像差对TIR lens的设计不再重要了 在我们的研究中 使用了一对 TIR lenses 一个为激光器校准和另一个为光电二极 管聚光 TIR lenses 由 3 部分组成 一个部分是由 TIR 表面包围的圆柱形中央透镜 第 二部分半球光学已经执行过了 如图 1 所示 当 TIR lenses 用于接收器 中央镜头部分 的光线被直接引入到半球透镜 聚焦于光电二极管 非中央部分的光线是首先经主要的表 面折射 然后经 TIR 从后表面反射至圆柱形中央透镜 筒壁的锥度是按照将 TIR 射线折射 到半球透镜并最终聚焦在光电二极管的方式设计的 同样 TIR lens 可以被用来作为发 射的校准 如图 1 a b 和 c 所示 a TIR len结构的光线轨迹 b 为发射做校准的透镜 激光器 发光二极管等 北华航天工业学院毕业论文 40 c 透镜为接收器聚光 PD 图1 TIR lens的结构和作为发射器和接收器聚焦的使用 图2显示了TIR lens的一些特点 并且在其表现中有明显的不同 图 2 TIR lens 的有角度传输 3 一个抽象化光电传感器系统一个抽象化光电传感器系统 自从上世纪70年代以来 纳入光电控制和传感器的技术使市场彻底改变了 并在光 电子 光学和包装方面取得明显的进展 当今光源都非常紧凑 一个典型的用于照明的贴片LED约毫米大小 约100um的芯片 更有效的毫米左右大小的表面贴装的VCSEL也可以实现 10sm芯片的尺寸 和费用可以和 发光二极管相媲美 一个典型的毫米大小的光电二极管可被高度重视和广泛使用 图3显示了一个抽象化的光电传感器配置 由光源例如激光器所发出的光 射向物镜 并由物镜将射线改变方向且以最高效率将光能传送到远处的给定目标 聚焦的透镜 光电二极管上的聚焦透镜接收和收集辐射光 这两种成像和非成像透镜都可以使用 在 我们的研究中 我们还包括CPCs 这些透镜的比较总结在表1 北华航天工业学院毕业论文 41 图3 光电传感器的速束配置 正如我们所知 增加光电二极管的尺寸将提高其灵敏度 但于此同时 这也增加了 内部的噪音且延缓了响应的时间 从而存在一个光电二极管大小的最优值问题 此最优 值问题用于带宽约几十兆赫的应用 一个典型的Si Pin光电二极管的直径约为1毫米 1 5 毫米 透镜可以放大光束的可见尺寸而且完善调整的能力或直接将更多的光能射向光电二 极管 以提高整体传感器的灵敏度 图4说明了如何使透镜放大光束的可见尺寸 透镜被 光电二极管芯片的放大图像弄得完全焦黑 图4 由非成像光学放大的光束的可见尺寸 由于光学和光元素的参数 在接受光圈时光照强度可以计算 从而计算信噪比 为 了简便起见 我们可以估计对称性和无反射性 吸收损失或分散损失 从Etendue的保护 来看 为接受接收子系统的10度 我们可以用1 5直径的光电二极管得到以下参数 如表 1所列 北华航天工业学院毕业论文 42 表 1 可以快速地看到 TIR lens在理论的范围内如CPC一样实现同样浓度比 同时保持了 整体接收子系统的高压缩比 一个高精度常规成像镜头只能实现7倍光增益 这远远少于 非成像光学的光增益 4 结论结论 在一个抽象化的光电传感器的应用中 标准的射线追踪计算机程序用于分析和表征 TIR lens和非成像光学的行为 与CPC和常规成像透镜的结果相比较 TIR lenses的使用 情况表明实现高浓度的比例显示的优势 同时保持系统的紧凑性 北华航天工业学院毕业论文 43 附录附录 2 2 A A NONIMAGINGNONIMAGING OPTICSOPTICS APPROACHAPPROACH FORFOR PHOTOELECTRICPHOTOELECTRIC SENSORSENSOR JunJun JiangJiang USAUSA Abstract This paper discusses the application of a hybrid TIR lens a nonimaging optics in photoelectric sensors The performances and design are evaluated using a commercial nonsequential ray tracing software The results of the TIR lens in a conceptual thru beam photoelectric sensor system are compared with the results from a CPC and an imaging optics 1 INTRODUCTION Photoelectric sensing as a means of industrial control has been available for many decades These sensors almost always have lenses built into the sensor housing The large lenses common on photoelectric sensors direct light energy toward a target and collect any returned energy Most of the photoelectric sensors today use imaging lenses due to the fact that geometrical optics development has been closely linked to imaging optics since its very beginning However in photoelectric sensing applications the most important problem to be addressed is how much energy falls on the detector not the quality of image It was not until the 60 s when it was recognized that the image formation constrain is not needed to solve some optical design problems and in particular the problem of maximum radiation transfer between a source and a target The elimination of this constrain led to an additional degree of freedom which in turn led to more effective designs suitable for photoelectric sensors application This new types of optics were called Non imaging Optics A classical book in this field is written by Welford and Winston The Compound Parabolic Concentrator CPC probably is the simplest among all of the non imaging optical components It can achieve high concentration ratio and efficiency However the total length of CPC typically is very large and thus may limit the application of CPC to photoelectric sensors where overall sensor size is very demanding 北华航天工业学院毕业论文 44 Recent development in LED illumination industry has led to some novel structures of non imaging optics Analysis of different concentrator designs shows that Etendue conserving behaviour can also be fulfilled by concentrators with folded Total Internal Reflections RX and RXI like structures Compared to the CPC these types of optics can achieve very high compact ratio total optics length diameter ratio of approximately 1 3 The only drawback of these structures is that the photoelement has to be either embedded in the optics or a reflective coating has to be applied to the central portion of the leading surface which may results in complicated manufacturing process We used a TIR assisted concentrator with central lens This structure would be much simpler to manufacture In this paper we will report the structure of a TIR lens and its advantage over a CPC or an imaging lens when used in photoelectric sensors application 2 CHARACTERISTICS OF THE LENS We have modelled a TIR lens based photoelectric sensor with LightTools a commercial simulation program Conventional imaging lens parameters such as aberrations are no longer important for optimization in this TIR lens design since we only interest in the maximum energy transfer efficiency not the image formation In our study a pair of TIR lenses are used one as collimator for the VCSEL and the other as a concentrator for the photodiode The TIR lens is composed of 3 segments a central lens with a cylindrical cut out surrounded by a TIR surface A secondary hemispheric optics is implemented Asshown in Figure1 when used for receiver rays incident on the central lens portion is directed into the hemispheric lens and focused on photodiode rays incident on the non cen