触摸声光控制器 光电控制课程设计.doc

触摸声光控制器 第一章 系统总体设计方案及工作原理本次光电控制课程设计是设计一个有触摸声光功能的控制器，我们利用单片机P89V51RD2作为最小控制系统，另外外接一个555定时器定时，在单片机选择P21和P22分别作为输入和输出端口，与触摸声音控制电路相连接，加上正确的程序，这个触摸声光控制器就可以实现其要求功能。P89V51RD2单片机声音与触摸电路受控部分受控部分感光电路图1.1 控制系统原理图第二章 单片机介绍2.1 单片机概述 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件:中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。 P89V51RB2是一款增强型80C51微控制器，包含16kB的Flash程序存储器和1024个字节的数据RAM。P89V51RB2的典型特性是它的X2方式选项。利用该特性，用户可以将编写的应用程序以传统的80C51时钟频率(每个机器周期包含12个时钟)或X2方式(每个机器周期包含6个时钟)的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的执行速度，这样还可以极大地降低电磁干扰。Flash程序存储器支持并行编程和串行在系统编程(ISP)。并行编程方式提供了高速的分组编程(页编程)方式，可节省编程成本和上市时间。ISP编程方式不需要专用烧录器、所需外围电路简单、可靠性强，近年来得到了广泛的应用。目前，许多新型的单片机均具有此功能。 P89V51RB2也可以采用在应用中编程(IAP)，允许随时对Flash程序存储器重新配置，即使是应用程序正在运行也不例外。2.2 复位电路 由一个按键和电容串联电阻构成，结合“电容电压不能突变”的性质可以知道，当系统上电时，单片机的RST脚将会出现高电平，并目_这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。 典型的MCS-51单片机在通电后，RST管脚上的高电平除了要保持有效上电复位所需的两个机器周期外，还要继续保持一段时间，以便振荡器稳定起振(低频振荡器通常需要几个毫秒)。所以，上图中将RST管脚通过一个lOuF的电容和VCC相连，再通过一个10K欧姆的电阻和GND相连，就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少2个机器周期的高电平。2.3 晶振电路 单片机常采用的晶振频率为11. 0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率或19200波特率，用十有串口通讯的场合)或12MHz(产生精确的微秒级时歇，方便定时操作)等。磁片电容选用25pf的。使用不同频率的晶振时应对应不同容量的磁片电容，使用时可查找相关资料。2.4 单片机选用这里选用了一片P89V51RB2单片机，也可选飞利浦系列、ATMEL的89551系列、STC的STC5A系列、WIVBOVD的78E52系列或其他与MCS-51系列相兼容的单片机。特别注意:对十单片机的第31脚(VPP/nEA):当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的OOOOII开始执行;当接低电平时，复位后直接从外部ROM的OOOOII开始执行。在自动控制系统中，大部分控制核心均为微处理器，单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠,得到广泛应用，成为设计的首选微控制器，单片机结合简单的按口电路即可构成单片机最小系统，它是智能控制系统的基础，也是测控、监控的重要组成部分。2.5 单片机的最小系统简介单片机最小系统，也可以称为最小应用系统，是指用最少的硬件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。下面是本课程设计所用的最小系统电路图，其系统资源完全开放，已经把全部的I/0端口资源提供出来，该单片机采用12MHz晶振，配合其它模块板或自行搭建用户电路可实现任意实验功能。板上电路简洁实用，按口设计灵活，使用方便，也可在课程设计结束后继续开发各种功能。图 2.1单片机最小系统2.6 功能框图和管脚图2.2功能框图图2.3 管脚配置2.7 管脚描述续上表续上表.,第三章 各部份原理及总体原理图3.1 整流部分3.1电压整流控制图C8 为降压电容器，D2为半波整流二极管，DW是稳压二极管，R8 为关断电源后 C8 的电荷释放电阻。3.2 触摸声控部分图3.2触摸与声控电路图全电路由触摸，声控信号输入及放大电路，晶闸管触发与延时控制电路，晶闸管开关电路及电源电路组成。电路中，VT2，VT1与R7及压电陶瓷片HTD组成声控信号输入与放大电路。当HTD接收到一定强度的声信号后，它就会将其转变成为微弱的电信号，这一电信号加至VT2的基极，由VT2进行放大。由VT2放大后的信号经C6耦合至VT1，进行进一步的放大。当HTD接收到的声音信号足够强时，经过两级晶体管放大电路的放大，就会在VT1的集电极输出幅度较大的脉冲信号。当信号的脉冲下降沿到来时，有NE555组成的单稳态电路就会被触发。触摸片M与R5，R4组成触摸信号输入电路，当人手接触到触摸片M时，由人体感应的微弱电流就会通过R4，R5加至VT1的基极，通过VT1将其放大。经过放大后的触摸信号，就会使VT1的集电极输出幅度足够大的脉冲信号，这一脉冲信号同样可以将单稳态电路触发使其翻转。触摸信号输入电路中用了两只阻值很高的电阻R4和R5，目的是提高输入信号的幅度，使VT1的基极得到幅度较大的信号电压。NE555与R2，C11组成单稳态电路，一方面输出触发信号，将晶闸管触发，使其导通；另一方面组成延时控制电路，当到达预订的时间后输出控制信号将其晶闸管关断。在本电路中，通过R2，C11将延时时间设定为约1分钟，若需要更长的延时时间，可加大C11的容量，延时时间可按公式T=1.1R2C4来计算。单向晶闸管VS作为被控对象的控制开关串联接入到继电器的回路中，当稳态电路输出触发信号后，VS导通；当稳态电路停止输出信号（或称输出关断信号）时，VS关断，电路中的R1是触发信号的限流电阻，C2为抗干扰电容，可防止电源中的干扰信号对电路造成的误触发。3.3 连接部分5.3光控与触摸声控连接线路图通过P23的单片机输出口输出一个高电平，9014三极管的集电极和发射极接通，直流继电器（12V）工作，其所控制的触点K3闭合，从而使得执行部分的回路接通。3.4 光电检测电路 在设计中使用光敏电阻作为光传感器件对外界光线进行检测，主要是利用了光敏电阻在光线的作用下其阻值往往变小的这种光导效应现象，也有基于光敏二极管、光敏三极管等光电检测元件的相关电路，如下图所示:图3.4光电检测电路 其工作原理是通过常闭继电器和发光二极管及三极管控制感光电路，当有光的时候，继电工作，电路断开，发光电路将灭灯，没有光的时候相反。还有继电器常开开关用来控制P21置零。3.5 总体部分3.5总体线路图总体原理：本产品为触摸声光控开关，采用了80C51单片机的控制技术，其基本控制方式为：当光感器件（白天）接收到光信号时，即使触摸电路和声控电路有作用，执行器件不能采取接通动作；当光感器件（夜晚）没有接收到光信号时，且触摸器件在接收到来自外界的杂波或者声控器件在接收到外界的声音波频时，执行器件立即采取接通动作。根据外界的光信号来决定是否对80C51单片机的P22输入端进行信号输入，R12为光敏器件，接收光信号是，其阻值变小，VT3导通，继电器K1工作，使得P12输入端的输入电平为低电平，根据单片机输入的程序，P23没有输出，VT4不导通，继电器K3不工作，因此继电器K2不工作，此时，无论触摸和声控电路如何工作，执行电路都不能控制被控对象。当光信号非常微弱或者没有时，R12的电阻变大，使得VT3不再导通，继电器K1的开关复位，此时P22接收到来自光控部分的高电平，根据输入到单片机的程序，P23输出一个高电平，促使VT4导通，继而使得继电器K3工作，此时，若触摸或者声控电路没有作出相应的反应，则由于执行电路中设置了一个可控硅VS，VS没有接收到来自NE555N中输出脚的信号，所以执行回路没有导通，一旦触摸或者声控器件接收到信号，且继电器K3正处于工作状态，K3开关闭合，则经过NE555N芯片处理后，输出脚输出一个信号到可控硅，可控硅导通，执行电路导通，于是触发继电器K2工作，其对应的K2开关也工作，此时就可以使用K2开关来控制被控对象，例如电灯，发光二极管等。以上的电路中，光控部分的晶振主要用于对单片机提供机器周期，点触式开关和极性电容组成复位装置，对单片机进行复位。MAX3232和串口J1是用于对单片机程序的输入和烧录。NE555N用于对电路的定时，为了节省电能，当执行电路接通一段时间后，555电路的输出脚将停止信号的输出，若要对电路进行长期的控制，则可以改变电阻R2或者电容C11的大小，以达到延长缩短控制时间的作用。对于触摸片M，感受到人体的杂波或者外界物体的杂波，其信号经过电阻R4、R5稳定其幅度后，再经过VT1进行放大，输入到555芯片的输入脚；HTD为声控感应器件，当声音信号被其接收到，首先利用VT2进行初级放大，再经过C13进行杂波过滤，后经VT1进行二次放大，信号足够强之后，输入到555芯片的输入脚，再经过芯片处理后，再接合其它的硬件电路，达到控制的目的。第四章 软件设计流程及仿真结果无声信号有声信号无杂信号有光信号有杂信号无光信号无无控制停止是否接收到555芯片的输出信号是否接收到单片机的导通信号执行电路继电器K2工作，控制被控对象执行电路可控硅开关接通执行电路继电器K3接通555芯片没有接收到信号，控制无效555芯片处理接收到的信号，通过输出脚输出555芯片没有接收到信号，控制无效555芯片处理接收到的信号，通过输出脚输出单片机没有接收到信号，控制无效单片机接收信号后输出高电平声控电路不输入声波信号声控电路处理声波信号后输入555芯片触摸电路不输入杂波信号触摸电路处理杂波信号后输入555芯片检测是否有声信号检测是否有触摸杂波光敏电路继电器不工作，常闭触点接通输入电路检测有无光信号两种状态图4.1 控制流程图 光敏电路继电器工作，常闭触点断开，切断输入电路 4.1 Altium designer电路设计软件简介 Protel是目前EDA行业中使用最方便，操作最快捷，人性化界面最好的辅助工具在中国用得最多的EDA工具，电子专业的大学生在大学基本上都学过Protel99se,所以学习资源也最广，公司在招聘新人的时候用Protel新人会很快上手。Altium声称中国有73%的工程师和80%的电子工程相关专业在校学生正在使用其所提供的解决方案，而目前正版率只有3%左右。产品历史:1985年诞生dos版Protel。1991年Protel for Windows。1997年Prote198这个32位产品是第一个包含5个核心模块的EDA工具。1999年Prote199构成从电路设计到真实板分析的完整体系。2000年Prote199se性能进一步提高，可以对设计过程有更大控制力。2002年Protel DXP集成了更多工具，使用方便，功能更强大.2003年Protel 2004对Protel DXP进一步完善。2006年Altium Designer 6成功推出，集成了更多工具，使用方便，功能更强大，特别在PCB设计这一块性能大大提高。2008年Altium Designer Summer 8.0将ECAD和hICAD两种文件格式结合在一起，Altium在其最新版的一体化设计解决方案中为电子工程师带来了全面验证机械设计(如外壳与电子组件)与电气特性关系的能力.还加入了对OrCAD和PowerPCB的支持能力。2008年Altium Designer Winter 09推出，此冬季9月发布的AltiumDesigner引入新的设计技术和理念，以帮助电子产品设计创新，利用技术进步，并提出一个产品的任务设计更快地获得走向市场的方便。增强功能的电路板设计空间，让您可以更快地设计全三维PCB设计环境，避免出现错误和不准确的模型设计。 在本系统的电路原理图设计中便用Altium Designer6.9进行设计，AltiurzLimited宣布发布Altium Designer 6.9，它是完全一体化电子产品开发系统的下一个版本。Altium Designer是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件(如FPGA)设计和纂于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品. Altium Designer 6.9极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和导航，可将器件放置在PCB板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列(BGAs)。以前这些高级的PCB设计技术被限定在高级的PCB设计产品，这些产品对于大多数工程师来说价格昂贵。然而Altium的理念是让电子设计变得更容易，Altium Designer 6.9让每一位工程师都能使用最新的设计功能 Altium Designer 6.9对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FPGA项目内部定义的LVDS信号的物理设计进行自动映射。LVDS是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。AltiumDesigner可充分利用当今FPGA器件上的扩展1/0管脚。 Altium Designer 6.9中的Board Insight系统把设计师的鼠标变成了交互式的数据挖掘工具。Board中集成了“警示”显示功能，可毫不费力地浏览和编辑设计中叠放的对象。工程师可以专注于其目前的编辑任务，也可以完全进入目标区域内的任何其他对象，这增加了在密集、多层设计环境中的编辑速度。Altium Designer 6.9引入了强大的逃逸布线引擎，尝试将每个定义的焊盘通过布线刚好引到BGA边界，这令对密集BGA类型封装的布线变的非常简单。显著的节省了设计时间，设计师无需手动就可以完成在一大堆焊盘间将线连接这些器件的内部管脚。 Altium Designer 6.9极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量LVDS资源。Altium Designer 6.9充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。4.2 Keil软件介绍Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。4.3 输出口状态分析本程序分析使用软件Keil实现。图4.2 仿真模拟图系统电路仿真分析： 经过C语言编辑定义引脚和逻辑分析，当有光信号经过光敏电阻时候，三极管导通，继电器的常闭触点打开，常开触点闭合，从而使得P21脚接地，低电平输入到单片机的P21脚，C程序定义到，P21为低电平，P22为低电平，宏观解释即：有光信号通过的时候，发光二极管不发光；当没有光信号时，三极管不导通，继电器的常闭常开触点不工作，P21输入为高电平，由此定义P22脚当P21为高电平时，输出为高电平，实现输出。图4.3 启动前仿真图4.4 启动后仿真输出端口分析：使用Keil对已经编写好的控制单片机C语言程序编译，当端口P21输入为0时，输出端口P22也为0。当端口P21输入为1时，输出端口也为1，证明了其程序的可行性。4.4 输出波形分析图4.5 EDA仿真结果截图图4.6整体电路状态EDA波形结果分析整体电路状态EDA仿真图光a2触摸a1声a0输出d光a2触摸a1声a0输出d10000000101000111100010111100111注：设定状态“1”为导通工作，状态“0”为不工作。a2表示光传感器的工作状态a1表示触摸传感器的工作状态a0表示声传感器的工作状态d表示执行器的工作状态仿真波形分析： 由仿真的波形可以看出，当光信号使光传感器工作时，无论触摸电路或者声控电路的工作状态如何，其输出状态都为0，即执行器不能工作；当没有光信号或者光信号特别微弱时，光传感器不能工作，执行电路首先进入预备状态。此时，只要执行电路接收到来自触摸电路或者声控电路的信号，那么，就进行输出。个人总结本次的课设是光电控制设计的触摸声光控制器，通过这次课程设计，让我更加深刻的懂得课程上所学到的知识，从收集资料，分析电路，绘制电路，模拟仿真，每实现一个功能都会增加我的信心，与此同时，对于Protel，Keil等软件的运用得以熟练。在做这个课程设计的时候，也让我懂得互相帮助的重要性，同时在这里要感谢朱水金老师的指导，这次的课程设计才能得以顺利完成。参考文献1光电检测技术综合课程设计 朱水金编2微型计算机控制技术 电子工业出版社3模拟电子技术基础 高等教育出版社4数字电子技术基础 高等教育出版社5555集成电路应用精粹 人民邮电出版社6555时基电路原理、设计