光电传感器脉冲计数器设计.doc

课程设计说明书 第 页 光电传感器脉冲计数电路设计 摘 要 本文基于 AT89C51 单片机设计了一个结构简单 性能稳定反射式光电计数器 可 实现脉冲实时计数功能 系统采用型号为 E18 D50NK 的红外传感器为信号采集装置 将光信号转换成电信号 经单片机处理后显示在数码管上 当系统出现锁死情况时可 以通过复位键调整 直至系统正常工作 关键词 AT89C51 光电计数器 E18 D50NK 课程设计说明书 第 I 页 目 录 1 绪论 1 1 1 课题描述 1 1 2 基本工作原理及框图 1 2 相关芯片及硬件电路设计 2 2 1 AT89C51 芯片 2 2 1 1 AT89C51 的功能特性 3 2 1 2 AT89C51 的主要性能参数 3 2 2 E18 D50NK 反射式红外传感器 4 2 3 单片机最小系统电路 5 2 4 光电传感器电路 5 2 5 显示电路 6 3 系统软件设计 6 3 1 系统的软件运行流程图 7 3 2 程序设计 7 4 仿真 10 总 结 12 致 谢 13 参考文献 14 课程设计说明书 第 0 页 1 绪论 1 1 课题描述 在当今社会飞速发展的今天 越来越多的流水线上的产品和各种公共场所需要进 行实时的 有效的 精确的自动计数 传统的机械式或电子式计数器 主要是用数字 电路集成组件组成 电路比较复杂 元器件数量较多 故障率较高 维修比较困难 而 设置预定数值不太方便 功能不易更改且功能过于单一 适用范围较窄 而基于单片 机构成的产品自动计数器有直观和计数精确的优点 目前已在各种行业中得到广泛应 用 数字计数器有多种形式 总体来说有接触式和非接触式两种 在科技发展的今天 非接触式光电计数器得到了广泛的应用 光电式传感器是其中之一 1 2 基本工作原理及框图 本系统是以单片机AT89C51为核心的脉冲计数器 采用光电式传感器 每当物体 通过一次 红外光就被物体反射 光电接收管接收一次 光电接收管的输出电压就发 生一次变化 这个变化的电压信号通过放大和处理后 通过接收头输出相应的电信号 1 当有物体穿越光路时 接收头输出为低电平 反之则为高电平 接收头接单片机P3 4 端口 当电信号变化时 启动计数器开始计数 并将计数后所得的数据送给数码管显 示 系统的基本原理如图1所示 图 1 基本工作原理框图 系统的电路图如图 2 所示 红外检测电路 单片机 AT89C51 数码管显示 电源 课程设计说明书 第 1 页 P1 0 V CC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RESET P0 7 P3 0EA P3 1 ALE P3 2PSEN P3 3 P2 7 P3 4 P2 6 P3 5 P2 5 P3 6 P2 4 P3 7 P2 3 X T AL2 P2 2 X T AL1 P2 1 V SSP2 0 AT 89C51 V CC C1 30P C2 30P C0 1U Y1 S0 R0 100K V CC V CC a b c d efg c a bf g de c a bf g de c a bf g de c a bf g de 2 3 41dp DPY 4 SEG E18 D50NK V CC R1 1k 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 220 P0 4 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 4 图 2 光电脉冲计数器原理图 2 相关芯片及硬件电路设计 2 1 AT89C51 芯片 图 3 3 种常见单片机及引脚图 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable 课程设计说明书 第 2 页 and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片 机 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 2 由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C051 是它的一种精简版本 AT89C51 单片机为很多嵌入式系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 2 1 1 AT89C51 的功能特性 AT89C51 提供以下标准功能 4K 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个十六位定时 计数器 一个 5 向量两级中断结构 一个全双工串行通 信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作 并支持 两种软件可选的节电工作模式 3 空闲方式停止 CPU 的工作 但允许 RAM 定时 计 数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止 工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位 2 1 2 AT89C51 的主要性能参数 AT89C51 主要性能参数如下 1 与 MCS 51 兼容 2 4K 字节可编程 FLASH 存储器 3 寿命 1000 写 擦循环 4 数据保留时间 10 年 5 全静态工作 0Hz 24MHz 6 三级程序存储器锁定 7 28 8 位内部 RAM 8 32 可编程 I O 线 9 两个 16 位定时器 计数器 10 5 个中断源 11 可编程串行通道 12 低功耗的闲置和掉电模式 13 片内振荡器和时钟电路 课程设计说明书 第 3 页 2 2 E18 D50NK 反射式红外传感器 光电开关电路主要由光电开关管 即光电传感器是采用光电元件作为检测元件的 传感器 它首先把被测量的变化转换成光信号的变化 然后借助光电元件进一步将光 信号转换成电信号 光电传感器一般由光源 光学通路和光电元件三部分组成 4 电 检测方法具有精度高 反应快 非接触等优点 而且可测参数多 传感器的结构简单 形式灵活样因此 光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛 如下图示为本次课程 设计所采用的光电开关 其型号为 E18 D50NK 的反射红外传感器 图 4 反射红外传感器 红外传感器输出端的原理图如下 图 5 红外传感器信号输入端 红外传感器感受到外界信息时 产生高低电平 通过软件程序设置单片机内部寄 存器 当传感器的高低脉冲被单片机接收到时 单片机产生中断 中断产生后进入中 断服务程序 通过设置中断服务程序 进行计数 并通过 P2 4 P23 P2 5 P2 6 P2 口计数信息传送至数码管 数码管显示计数的个数 当需要时按下复位开关 则计数 课程设计说明书 第 4 页 器清零 数码管显示清零 重新开始计数 2 3 单片机最小系统电路 P1 0 V CC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RESET P0 7 P3 0EA P3 1 ALE P3 2PSEN P3 3 P2 7 P3 4 P2 6 P3 5 P2 5 P3 6 P2 4 P3 7 P2 3 X T AL2 P2 2 X T AL1 P2 1 V SSP2 0 AT 89C51 V CC C1 30P C2 30P C0 1U Y1 S0 R0 100K V CC P0 4 P0 5 P0 7 P0 6 图 6 单片机最小系统 单片机最小系统 或者称为最小应用系统 是指用最少的元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 单片机的晶振电路是一种典型起振电路 分为内部时钟方式和外部时钟方式两种 本次设计所采用的为内部时钟方式 典型的晶振取 11 0592MHz 因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波特率 用于有串口通讯的场合 12MHz 产生精确的 uS 级时 歇 方便定时操作 5 单片机复位电路就好比电脑的重启部分 当电脑在使用中出现死机 按下重启按 钮电脑内部的程序从头开始执行 单片机也一样 当单片机系统在运行中 受到环境 干扰 出现程序跑飞的时候 按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行 2 4 光电传感器电路 本设计使用的光电接受部分是红外光电式传感器 它是采用光电元件作为检测元 件信号转换成电信号 光电传感器一般由光源 光学通路和光电元件三部分组成 其 中光电传感器是型号 1E8 B03M 封装的红外反射传感器 E18 DS30NK 光电传感器 课程设计说明书 第 5 页 其工作电压为 5V 其传感器有三条引脚 一条接 5V 一条接 GND 另一条则是数据 输出接口 正常情况下输出为高电平 当有物体遮挡时输出为低电平 本课题就是利 用该传感器的这种工作原理实现的 将数据输出端与单片机进行通信 进而实现计数 功能 2 5 显示电路 P1 0 V CC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RESET P0 7 P3 0EA P3 1 ALE P3 2PSEN P3 3 P2 7 P3 4 P2 6 P3 5 P2 5 P3 6 P2 4 P3 7 P2 3 X T AL2 P2 2 X T AL1 P2 1 V SSP2 0 AT 89C51 V CC a b c d efg c a bf g de c a bf g de c a bf g de c a bf g de 2 3 41dp DPY 4 SEG 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 220 P0 4 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 4 图 7 显示电路 本课题采用四位八段数码管 该数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的 一种显示方式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所 有数码管都接收到相同的字形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机 对位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该 位就显示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位 数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管 实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳 定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 6 能够节省大量 课程设计说明书 第 6 页 的 I O 端口 而且功耗更低 其四位八段数码管显示电路图 7 3 系统软件设计 3 1 系统的软件运程图 本次软件的流程图如下 图 7 系统的软件流程图 3 2 程序设计 include include define uchar unsigned char 课程设计说明书 第 7 页 void timer1 init void smg dis void Delay1ms uchar ms sbit P34 P3 4 unsigned int num 0 uchar smg duanma 10 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 segbuf 4 0 0 0 0 uchar dspcom i 主函数 void main void timer1 init P3 0 xff while 1 if P34 0 Delay1ms 20 if P34 0 num if num 9999 num 0 while P34 void timer1 init TMOD 0 x10 TMOD 0000 0110B 使用计数器T1的模式2 TH1 65536 5000 256 课程设计说明书 第 8 页 TL1 65536 5000 256 EA 1 开总中断 ET1 1 允许定时器T1的中断 TR1 1 启动T1 void Key counter interrupt 3 TH1 65536 5000 256 TL1 65536 5000 256 smg dis void smg dis segbuf 0 num 1000 segbuf 1 num 100 10 segbuf 2 num 10 10 segbuf 3 num 10 P0 0 xff P0 smg duanma segbuf dspcom P2 0 x10 dspcom if dspcom 4 dspcom 0 void Delay1ms uchar ms unsigned int k 课程设计说明书 第 9 页 for k 0 k ms k unsigned char i j nop nop nop i 11 j 190 do while j while i 4 仿真 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 R1 100 R8 课程设计说明书 第 10 页 图 8 仿真结果 在 Keil uvision3 下新建工程 在工程下新建文件 完成程序的编写 并生成 hex 文件 在 Proteus 中画出电路图 进行仿真 由于光传感器在仿真过程中无法接受光信 号 不能产生相应的电信号 所以在仿真中是将光电传感器电路改为一个开关按键 开关按键一端接地 一端接 P3 4 端口 将 P3 4 端置为高电平 按下开关按键时 P3 4 变为低电平 从而达到光传感器接收光的效果 仿真结果如图 8 所示 课程设计说明书 第 11 页 总 结 本文介绍了一种基于 AT89C51 单片机的光电脉冲计数器系统的设计 主要包括单 片机的最小系统电路 显示电路和光电传感器电路 本文利用软件编程 这样做占用 硬件资源少 成本较低 光电传感器电路通过光的采集输出