基于单片机的无线控灯光系统

毕业设计 论文 毕业设计 论文 题题 目目 基于单片机的无线 控制灯光系统 摘 要 随着人们生活水平的不断提高 当人们在一天繁忙的工作之后 回到家里需 要有个轻松舒适的环境 而灯光在家庭环境中占了很大的部分 能够轻松控制灯 光成为人们一个共同的要求 所以我们需要设计一个灯光控制系统 来满足人们 的要求 本问阐述了遥控技术的发展和历史 生活中的应用 为我们的生产生活提供 的诸多方便 在遥控技术中主要阐述了用红外线的遥控方式在本设计中的应用 本文就是通过遥控技术和单片机的相互结合设计灯光控制系统 该系统是基于单 片机的控制系统 用遥控的方式对系统灯光进行控制 本人设计了分为遥控发射 模块和遥控接收模块 调光控制电路几个重要部分 本设计主要解决信号的发射 和接收 在信号的处理接收之后对信号的处理程序 通过电路对灯光系统进行控 制 这样我们就可以很方便的控制室内灯光的开关和亮度了 关键词关键词 遥控技术 红外线 单片机 AT89C51 可控硅 I Abstract Along with people living standard unceasing enhancement after peoplein a day busy work gets in the home to need to have a relaxedcomfortable environment But the light has occupied the very majorpart in the home environment can with ease control the light tobecome a people common request therefore we need to design a lightcontrol system satisfies people s request Q expounded on the remote control technology in the development and history of life we provide for the production and livelihood of the many convenient remote control technology in the main paper the infrared remote control in the design of the application This paper is through remote control technology and MCU integrated lighting control system The system is based on the computer s control system remote controlled manner to control lighting system I designed a remote control transmitter module into the remote control and receiver module dimmer control circuit several important part Designed mainly to solve the signal transmitting and receiving the signal processing after receiving the signal processing Circuit right through lighting system control So as to meet people s visual requirements This way we can easily control indoor lighting switch and the brightness KeywordsKeywords Infrared remote control technology AT89C51 SCR II 目 录 摘 要 ABSTRACT 前 言 1 第 1 章 绪论 2 1 1 遥控技术的基本概念 2 1 2 遥控技术的发展历史与现状 2 1 3 遥控技术的发展前景及应用 3 第 2 章 总体设计方案 5 2 1 总体设计思路 5 2 2 总体方案的确定 5 第 3 章 无线模块的设计 7 3 1 无线遥控方案的选择 7 3 2 红外线遥控的基本原理 7 3 3 系统的遥控功能实现方法的设计 9 3 3 1 频分制与码分制的选择 9 3 3 2 码分制遥控功能实现 10 3 4 硬件电路的设计 12 3 4 1 单片机的介绍 12 3 4 2 红外线发射电路的设计 16 3 4 3 红外线接收及控制电路的设计 18 第 4 章 系统流程图及主要程序 28 4 1 遥控发射及接收控制程序流程图 28 4 2 系统主要程序分析 30 结 论 38 致 谢 39 参考文献 40 附 录 41 1 前 言 随着人们生活质量的提高 人们对住宅装饰愈来愈讲究 新潮家具配上豪华 灯具 不但给人以富丽堂皇的感觉而且可使人们在劳累之余有个舒适的休息环境 灯具已不单纯是室内的基本照明工具 而且是建筑装饰的一种实用艺术品 当家 里有各式各样的灯具之后 将它们精心地搭配在一起 达到最适合的气氛效果是 高品质生活的需要 目前灯光的控制主要还是手动形式 逐个控制所有的灯具 这样不仅麻烦而且效率低下 也不符合现代舒适生活的标准 生活中常常遇到这 些问题 当在看电视或看书时 并不需要太强烈的灯光 就可以用调光系统来调 节灯光强度 因此 设计一个可以便捷地控制灯光等功能的智能化灯光系统不仅具有实用 价值 而且还具有广阔的市场前景 智能不是昂贵和不实际的代名词 而是方便 智能灯光控制 能控制不同生活区域 不同场合的各种照明效果 提高生活品质 当今的发展 室内的电视 台灯 地灯 鱼缸照明 夜灯 廊灯 吧台灯等 开关与床头灯调光开关均集中安装在床头柜处 由于开关较多且固定在一个位置 想开灯时必须先看清开关下面的标记才能正确开灯 有时为开一盏灯竟把所有的 开关都按了一遍 使用时极为不便 现在都采用微动开关轻触式集中控制面板 但是开关多且固定仍不是十分方便 本人采用8051 系列单片机将原来固定的机 械式开关改用红外线遥控 利用红外线技术来发送信号 红外线技术是最近几十 年发展起来的一门新兴科技 红外线是十分丰富的波谱资源 目前在工业 农业 国防 医疗卫生等方面得到了广泛的应用 这样一个红外线遥控器再结合单片机就可以控制室内的灯光开启 美观且实 用即大方便的使用 2 第 1 章 绪 论 1 11 1 遥控技术的基本概念遥控技术的基本概念 随着电子技术 计算机和传感器技术的迅速发展 遥控技术在现代工农业生 产 日常生活 科学研究 国防建设等领域得到了广泛应用 并取得可喜成果 遥控技术就是按照预定的目标对被控对象的参数 工作状态实现远距离控制的一 门技术 现代遥控技术又是电子技术 计算机技术 传感器技术等多学科知识和 技术 现在遥控技术已经普遍地应用于各类家用电器中 例如电视遥控 电灯遥 控 电风扇遥控 空调遥控等 这类应用提高了家电的功能和档次 给使用者带 来了极大的方便 设有遥控功能的电视机 使用者不必离开座位 只需要使用手 持红外遥控器就可以进行节目切换 实现对音量 对比度等的调节 在这些应用 中说明 远 近 都是相对的 有 千里之遥 也有 一步之遥 之说 家用电器的遥控就是一个生动的实例 操作者与被控者之间对负载非接触式的一 种自动控制方式 1 21 2 遥控技术的发展历史与现状遥控技术的发展历史与现状 早在20世纪20年代 就有了遥控系统的雏形 人们试图利用遥控技术来控制 无人驾驶飞机 但由于技术不够完善 没有得到实际运用 直到第二次世界大战 末期 德国首先制成了V 1和V 2导弹以及无线电指令制导的防空导弹 才使遥控 技术进入了使用阶段 20世纪30年代 无线电遥控技术首先用于天气预报 研制出第一部无线点测 候仪 可以测量高空中的温度 湿度 大气压力等气象参数并通过无线电波传送 到地面 20世纪40年代 由于军事山的需要 飞机 导弹的研究进展非常迅速 必须 采用遥控技术进行测量与控制 从20世纪50年代起 美国和前苏联都积极开展卫星 导弹研制工作 使遥控 技术得到了飞速的发展 1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星 标志着遥控技 术进入一个新的阶段 1969年美国 阿波罗 11 将送上月球 实现了载人登月 的往返飞行 从而将遥控技术推向一个新的高度 从技术方面 也经历了几代的发展 在晶体管出现以前 遥控装置都是由电 3 子管组装而成的 由于受到的容器和载重的限制 通常只用电子管组装 这种接 收机易受外界干扰而发生误控及失控事件 因此在普及与提高方面受到限制 上 个世纪60年代初就有了全晶体管化的单通道遥控装置 其接收机仅有火柴盒那么 大 地面遥控距离只有200M左右 60年代中期又出现了多通道晶体管化遥控设备 对遥控技术发展起到了较大的推动作用 20世纪70年代中期 集成电路的问世 特别是20世纪80年代至今 大规模 超大规模集成电路飞速发展 将微处理器引 入遥控测系统 给遥控测带来了革命性的变化 使遥控遥测技术得到了一次又一 次的飞跃 1 31 3 遥控技术的发展前景及应用遥控技术的发展前景及应用 十年来 遥控技术在电子技术 计算机技术 通信理论 电子元器件发展的 基础上 得到了极其迅速的发展 应用前景广阔 今后发展趋向主要表现在以下 几个方面 1 提高系统的适应能力 以满足各种不同用途的需要 以前的遥控系统 大 都是按照特定的任务设计的 其性能完全由系统的硬件所决定 系统传输信号的 数目 信息速率 采样频率以及各种参数基本上固定的 虽然在一定程度上能通 过更换硬件或某些接线来改变工作状态 但其变化范围有限 不能适应多方面的 需要 为此 就要求发展一种灵活通用的可编程序遥控系统 这种系统具有较强 的自适应能力与实时性能 能够根据不同用途的需要 随时改变系统的工作状态 2 采用先进的信息处理方式和新的多路信号的传送方法 以提高信息传输的 高可靠性和稳定性 3 采用先进的元器件及工艺设计 以提高可靠性 减小设备体积 重量 降 低成本及系统消耗 4 遥控技术在计算机 通信技术 传感器技术等科学发展的基础上 应向超 时空 大容量 多媒体 智能化的方向发展 5 遥控技术应综合多学科技术解决我国的技术难题 如我国一年中 煤矿发 生多起瓦斯爆炸事故 夺走许多煤矿工人的宝贵生命 如果采用地下无人采煤遥 控系统 系统包括采煤机操作系统 煤块向上运输提升系统 有害气体浓度监督 测 报警 吸收处理及转化系统 有这样一套完整的生产自动线 再也不会发生 人身事故了 这种设想 经过广大技术人员的科技攻关 不久的将来变为现实 无线遥控的出现 首先应用在军事上 二次世界大战中 由于战争的需要 出现了无线电遥控的坦克 鱼雷快艇 无人驾驶飞机和导弹 战后 随着计算机 技术和集成电路的出现 不仅无人驾驶飞机 火箭 导弹 人造卫星等离不开无 4 线电遥控 而且在军事训练中也广泛应用无线电遥控设备 在工业生产方面 无线电遥控技术也大有用武之地 炼油厂 发电厂等大型 联合企业 工艺流程复杂 牵涉的范围广 人工操作管理难以准确及时地掌握远 处设备的运行情况 容易产生误差和造成不稳定 采用遥控和其他相应的装置后 设备可以按照预定的工作程序准确运转 提高工作效率和产品质量 在农林渔业生产方面 人们可以采用遥控的方式 定时定量的给庄稼浇水 喷洒农药 对养鸡养猪场 可以采用遥控一条龙的饲料加工 生产 自动送料喂 养系统 遥控检测鸡舍温度 可以提高产单率 可以采用遥控技术定时 定量喂 养 检测鱼的新鲜程度和生长情况 神通广大的遥控技术正在日益深入到我们的生活领域中 无线遥控的地铁机 车自动驾驶设备 提高的车辆的运转效率 使你快捷舒适地到达目的地 天然气 自来水管线的自动检测和控制装置把天然气和自来水送到你的家中 利用无线遥 控的机器人 按照预定编号的程序 代替人做家务劳动 如洗衣 做衣 当你辛 苦工作下班回到家中 呈现你面前的是一桌美味佳肴 无线遥控的电视机 空调 机 电风扇等家用电器 使你的生活更加丰富多猜 除上述外 无线遥控在体育运动领域也得到广泛的应用 在体育比赛中 我 们看到航模表演 模型飞机在跑道上加速滑行 离开地面 飞向天空 时而从水 平方向突然向上直冲太空 时而以急转弯向下俯冲 海模比赛 海模在水中乘风 搏海 勇往直前 动作优美准确 迎来阵阵喝彩 无数观众为之倾倒 小小的航 模 海模不可能有飞行员操纵 而是地面上的运动员通过遥控方式 使之展示高 超的技艺 在医学上的应用也很广泛 如运动状态下控制仪器测量心电图 利用 超声波能顺利通过人体 且没有放射性的危害的特点 可以观察母体内胎儿状态 成了妇产科必备的器具 超声波多普勒血流计 可实施非创上伤的血流测量 利 用遥控测量技术的传感器 可以对排放的污水水质进行控制与测量 可以检测大 气污染情况 检测有害气体 还人们一片洁净的蓝天 5 第 2 章 总体设计方案 在确定基于单片机的无线灯光控制系统前 我们还要自己拟定一个本系统的 基本步骤及其的要遵循的基本原则 从而使设计更合理化 更加有条理性 2 12 1 总体设计思路总体设计思路 设计本单片机的灯光控制系统大致上可以分为以下几个步骤 1 系统分析过程 根据系统的目标 明确所采用灯光控制系统的目的和任务 确定系统所在的工作环境 根据系统的工作要求 确定系统的基本功能和方案 如系统的无线传输 类型 无线遥控功能的方法 对发送信号的要求 对灯光的开关控制 灯光亮度 控制 2 总体设计过程 因为此系统是基于单片机无线控制灯光系统 要实现无线遥控功能 就 首先需要选择实现这遥控功能的通信方式 如蓝牙通信 红外线无线遥控等 在确定通信方式后 我们想的是以何种形式来发送这种控制信号 根据 比较来确定控制信号的形式 在确定控制信号的形式后 我们就对这控制信号进行具体设计 要实现系统的功能 单片机是必不可少的 就要确定单片机的类型 根据系统的要求 来对硬件电路图进行设计 对系统的实现功能的重要程序进行分析 下面就根据系统的基本要求和基本原则来确定本系统的方案 2 22 2 总体方案的确定总体方案的确定 提到总体方案的确定 就要符合本课题的要求 1 它是一个室内用的灯光控制系统 2 要求人们手持遥控器就可以对室内的灯光进行控制 3 要求能够在室内简便的安装 应用 4 在设计本系统中 成本是必须考虑的条件 要求成本不能太高 使一般 家庭都能够承担的起费用 6 本系统为基于单片机的无线灯光控制系统 人们通过手中的遥控器对室内灯 光进行控制 要实现无线控制功能 就要设计一系列的硬件电路 首先要对无线 模块进行设计 其中这部分的模块就要设计发送信号和对信号的接收 就要对这 部分的电路进行设计 在对信号接收之后 要能使对系统灯光进行控制 就要设 计一调光控制电路 从而对每一盏灯具进行开启关闭和调亮调暗的控制 要驱动 调光电路 就要通过单片机相应的程序来控制调光电路 在发送电路中 其中也 要通过单片机的相应程序对按键进行扫描处理等 在系统设计中 要使单片机能够正常实现其功能 就必须为其提供相应的直 流电压 而我们一般的家用电压中都是 220V 所以我们就要设计一个电源电路 为单片机提供正常的工作的电压 以上就是我对本系统设计的总体方案 下面我们就对总体方案中每一部分进 行一一设计 下图 1 为本设计的一个总体设计框图 图1 系统的设计总框图 按 键单片机扫 描按键 单片机调 制频率 对信号进 行放大 通过红外线发射二极管 发射信号 红外线接收 器 信号输入单 片机 调光控制 电路 7 第 3 章 无线模块的设计 要实现系统的遥控功能 就必须进行无线模块的设计 从而来实现对系统信 号的发送与接收 实现系统灯光控制的第一步 3 13 1 无线遥控方案的选择无线遥控方案的选择 系统要求只要人们手持遥控器就可以控制室内所有灯光 所以我们就需要一 种遥控传输信号的方式 要求使系统信号传输快 传输信号准确 成本比较低 无线遥控就是信号的传输是利用无线方式进行的 为了使远方的被控对象按照要 求去动作 控制端必须向被控端发出一个动作信号或如何工作的命令 这个命令 就是遥控指令 例如 调整电机的启动与停止 正反向 升速与降速等指令 遥 控指令又分连续指令和断续指令 数值连续变化的指令为连续指令 如控制石油 管道流量和压力的指令 数值断续的指令叫做断续指令 如照明电灯的开与关的 指令 无线通信的实现有三种方案 蓝牙通信 红外无线遥控 使用短距离无线数 传器件 对于蓝牙方案 虽然此技术在当今社会有很大的发展 有很多优点 由 于成本一直偏高 所以本系统将不考虑蓝牙方案 红外线通信技术适合于低成本 跨平台 点对点高速数据连接 尤其是嵌入式系统 由于红外线遥控器具有结构 简单 制作方便 成本低廉 抗干扰能力强 工作可靠性高等一系列优点 是近 距离遥控 特别是室内遥控的首选方式 因此本人选择红外线的无线通信方案 红外线遥控的特性主要有几点 红线遥控具有独立性 由于红外线为不可见 光 因此对环境影响很小红外线的波长远小于无线电波的波长 所以 红外遥控 不会干扰其他家用电器 也不会影响邻近的无线电设备 特性与可见光相似性 由于靠近可见光的红外线边缘 它的直线传播 反射 折射 和被物质吸收等物 理特性与可见光非常相似 无穿透障碍物的能力 具有较强的隐蔽性 因红外线 为不可见光 具有很强的隐蔽性 外线遥控的距离 一般为几米至几十米或更远 一点 3 23 2 红外线遥控的基本原理红外线遥控的基本原理 要使用红外线遥控来实现信号传输 我们就有必要来了解下红外线遥控的基 本原理 红外线遥控就是利用红外线 又称红外光 来传递控制信号 实现对控 8 制对象的远距离控制 具体来讲 就是由发射器发出红外线指令信号 由接收器 接收下来并对信号进行处理 最后实现对控制对象的各种功能的远距离控制 红外线发射器由指令键 信号产生电路 调制电路 驱动电路及红外线发射 器件组成 如图2所示 当指令键按下时 指令信号产生电路便产生所需要的控 制指令信号 这里的控制指令信号是以某些不同的特征来区分的 常用的区分指 令信号的特征是频率特征和码组特征 即用不同的频率或不同的编码的电信代号 代表不同的指令 这些不同的指令信号由调制电路进行调制后 最后由驱动电路 驱动红外线发射器件 发出红外线遥控指令信号 指 令 按 键 产 生 信 号 调 制 解 调 驱 动 电 路 红 外 发 射 图2 红外线发射的组成 红外接收器由红外线接收器件 前置放大电路 调节电路 指令信号检出电 路 记忆及驱动电路 执行电路组成 如图3 当红外线接收器件接收到发射器 的红外线指令信号时 它将红外光信号变为电信号并送入前置放大器进行放大 再经解调器后由指令信号检出电路将指令信号检出 最后由记忆及驱动执行电路 实现各种操作 红 外 接 收 前 置 放 大 频 率 选 择 驱 动 记 忆 执 行 环 节 被 控 对 象 图3 红外线接收器的组成 9 3 33 3 系统的遥控功能实现方法的设计系统的遥控功能实现方法的设计 3 3 1 频分制与码分制的选择 要实现系统的遥控功能 就必须先选择信号指令传送的方式 根据遥控的方 式和使用者场合不同 可以把这些控制信号特征进行各种组合编码 如电压极性 的组合方式 电信号相位的组合方式 电信号幅值的组合方式 频制的组合方式 脉冲的宽度 相位 幅度等参数的组合方式及脉冲编码组合方式等 在实际应用 中 以频率和脉冲组合方式应用最多 频率组合方式分为单音频指令和多音频指令 单音指令每个指令内容由单个 音频信号组成 抗干扰能力差 只能用在要求不高的遥控系统中 多音频指令由 两个或两个以上音频信号组成 它不仅可以增加容量 还具有保密功能 脉冲编码组合方式具有指令容量大 抗干扰能力强 保密性好及便于用逻辑 电路来实现等优点 得到了广泛的应用 脉冲编码遥控中常用恒比码作为指令 恒比码指令即每个指令中 1 和 0 的个数保持相同的比例 可根据此比例关系是否被破坏来判断遥控指令在 传送过程中是否产生了错误 奇偶校验法是利用码组里的 1 的奇偶性来监督 码组是否正确 它可以在发送端组成奇偶监督码 在接收端进行校验 例如接收 端校验结果是奇数 就向发送端返回一个长脉冲 若校验结果是偶数 就向发送 端返回一个短脉冲 这样发送端就能检测出传送指令的错误 红外线遥控系统按照产生 区分控制指令的方法和和特征来分类 主要可 分频分制和码分制红外线遥控 频分制红外线遥控是指令信号产生不同频率的指 令电信 接收器中指令信号检出对应发射器不同指令信号频率选择电路 简称选 频电路 对应于每一个指令 就要有一个选频电路 红外发射 接收器件发射与 接受波长为0 88 0 94 m的近红外光 因此 一般情况下频分制红外遥控的发射 器中不用调制解调电路 不同频率的指令信号直接加至驱动电路 驱动红外发射 器件发射不同频率的近红外光信号 由于每一个指令信号 接收电路就要有一个 选频电路相对应 当系统的通道数目较多时 电路将会变得非常复杂和庞大 且各 通道见可能会产生串路干扰 因此当通道数目较多时 一般采用码分制红外遥控电 路 经过分析 如果选择频分制 那么由于本系统要控制14盏灯具 若要全部控 制 则需要相当多的频率来控制 电路就会非常的复杂和庞大 所以我觉得码分 制的红外线遥控更适合本系统 所以本系统将采用码分制的红外线遥控 下面就 对码分制红外线遥控进行分析 10 码分制红外遥控是指令信号产生电路以不同的脉冲编码代表不同的指令 如 图4 当不同的指令键被按下时 指令信号产生电路将产生不同脉冲编码的指令 信号 也就是进行编码 然后经调制电路调制 变为编码脉冲调制信号 再由驱 动电路驱动红外发射器件发射红外光信号 指 令 按 键 前 置 放 大 红 外 接 收 红 外 发 射 驱 动 电 路 调 制 电 路 解 调 电 路 指 令 编 码 记 忆 驱 动 执 行 环 节 指 令 编 码 被 控 对 象 图4 码分制红外遥控系统图 接收器接收下来的信号经过前置放大后 送入解调电路 对调制信号进行解 调 再经指令信号检出电路检出指令信号 这里的指令信号检出电路是与发射器 中编码电路相对应的译码电路 通过它将指令信号译出 红外线遥控系统中的指令产生及检出电路 在频分制中由多频振荡电路及频 率选择电路构成 在码分制系统中则由编码电路及译码电路构成 这是频分制与 码分制红外线遥控系统的分别 在码分制中 因为码分制系统编码脉冲频率极低 为超低频 如果不用调制与解调电路 外界突然的光线变化可能会对接收电路造 成干扰 产生误动作 系统的抗干扰能力及可靠性就难以保证 3 3 2 码分制遥控功能实现 在上一节中分析了实现遥控功能的方法有频分制和码分制 以及他们的原理 和特性 由于码分制的方法能更好的在本灯光系统中实现 具有指令容量大 抗 干扰能力强 保密性好及便于用逻辑电路来实现等优点 得到了广泛的应用 若 采用频分制的话 前面也有提到 选频电路会比较多 电路会比较复杂 不是很 合适本系统 所以本系统将用码分制遥控 遥控器采用脉冲个数编码 不同的脉 冲个数代表不同的码 最小为2个脉冲 最大为17个脉冲 为了使接收可靠 第 一位码宽为3ms 其余为1ms 遥控数据帧间隔大于10ms 如图5 所示 11 在遥控码的发射中 当某个操作键按下时 单片机先读出该键值 然后根据 键值设定的遥控脉冲个数 再调制成38KHz 的方波由红外线发射管发射出去 P3 5 端口的输出调制波如图5 所示 灯具 1 的遥控输入码 灯具 2 的遥控输入码 灯具 5 的遥控输入码 3ms 1ms 图 5 调光命令码 当红外线接收器输出脉冲帧数据时 第一位码的低电平将启动中断程序 实 时接收数据帧 在数据接收时 先对第一位 起始位 码的码宽进行验证 若第 一位低电平码的脉宽小于2ms 将作为错误码处理 否则认为是起始码 累加器 A 加1 当间隔位的高电平大于3ms 时 结束接收 然后根据累加器A中的脉冲 个数 执行相应的输出操作 图6为红外线接收器输出的一帧遥控码波形图 10ms 1ms 10ms 停止位 第一位 3ms 1ms 图6 一帧遥控码波形图 12 3 43 4 硬件硬件电路的设计电路的设计 要实现系统的发射和接收功能 电路是必不可少的 而要驱动电路 实现灯 光控制系统的整体功能 就必须通过单片机相应的程序来完成 下面我就设计这 部分的电路 3 4 1 单片机的介绍 1 MCS 51单片机的内部组成 MC 51系列单片机包括8031 8051 8751等型号 其代表型号是8051 其内 部组成方框图如图7所示 中断 图 7 8051 单片机组成方框图 振荡器及 定时 64KB 总线 扩展控制器 可编程 I O 可编程 串行口 128B 数据存储器 2 16 位 定时 计数器 8051 CPU 4KB 程序存储 器 2 AT89C51的性能介绍 在本系统中我选择的是 51 系列的 AT89C51 AT89C51 是一种带 4k 字节闪烁 可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 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 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价 廉的方案 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机 40 个引脚 32 个外部双向输 入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 2 个 16 位可编程定时计数器 2 13 个全双工串行通信口 AT89C51 可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存 储器可有效地降低开发成本 与MCS 51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 可编程串行通道 片内振 荡器和时钟电路 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8位 内部RAM 32可编程I O线 两个16位定时器 计数器 5个中断源 3 时钟电路及时序 MC 51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚XTAL1和XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端 MC 51的时钟可由内部方式或外部方式产生 内部方式时钟电路外接晶体以及电容C1 C2构成并联谐振电路 接在放大器 产生自激电路 一般晶振可在2 12MHZ之间任选 对外接电容值虽然没有严格的 要求 但电容的大小多少会影响振荡频率的高低 振荡器稳定性 起振的快速性 和温度的稳定性 外接晶体时 C1和C2通常选择30pF左右 外接陶瓷谐振器时 C1和C2的典型值为47pF 当采用外部方式时钟电路时 外部信号接至XTAL2 内部时钟电路输入端 而XTAL1接地 由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的 故建议外接上拉电阻 通常 对外部振荡信号不特殊要求 但需要保证最小高电平及低电平脉宽 一般为频率 低于12M的方波 4 复位电路 复位即回到初始状态 是单片机经常进入的工作状态 在设计单片机应用系 统时 必须了解单片记的复位状态 单片机的复位是靠外部电路实现的 在振荡器正在运行的情况下 RST引脚 保持二个周期以上时间的高电平 系统复位 在RST端出现高电平的第二个周期 执行内部复位 以上每个周期重复一次 直至RST端变低 复位时 ALE和 PSEN配置为输入状态 即ALE 1 PSEN 1 内部RAM不受复 位的影响 上电复位电路 上点瞬间 RST端的电位与Vcc相同 随着电容的逐步充电 充电电流减小 RST电位逐步下降 上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间 加上二个机器周期 在这段时间内 RST端口的电平应维持高于斯密特触发器的 下阀值 一般Vcc的上升时间不超过1ms 振荡器建立时间不超过10ms 复位电路 的典型值为 C取10uf R取8 2k 故时间常数t RC 10 8 2 10 82ms 足以满 足要求 14 5V 10 F 8 2K Vcc RST 8051 Vss 图8 上电复位电路 4 单片机的引脚功能 MCS 51 单片机采用的是 40 引角的双列直插封装 DIP 放式 如图 9 在 40 条引角中 有 2 条专用于主电源的引角 2 条外接晶体的引脚 4 条控制引脚 3 条I O 引角 下面分别叙述各引脚的功能 图 9 MCS 51 引脚图 主电源引脚 Vss 和 Vcc Vss 20 接地 Vcc 40 正常操作时接 5V 电源 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 当外接晶体振荡器时 XTAL1 和 XTAL2 分别接在外接晶体两端 当采用外 部时钟方式事 XTAL1 接地 XTAL2 接外来振荡信号 15 控制引脚 RST VPD ALE PROG PSEN EA Vpp RST Vpp 9 当振荡器正常运行时 在此引脚上出现二个机器周期以上的高 电平单片机复位 Vcc 掉电期间 此引脚可接备用电源 以保持 RAM 的数据 当 Vcc 下降到 低于规定的水平 而 VPD 在其规定的电压范围内 VPD 就向 RAM 提供备用电 源 ALE PROG 30 当访问外部存储器时 由单片机的 P2 口送出地址的高 8 位 P0 口送出地址的低 8 位 数据也是通过 P0 口传送 作为 P0 口某时送出的 信息到底是低 8 位还是传送的数据 需要有一信号同步地进行分别 当 ALE 信号 允许地址锁存 为高电平 有效 P0 口送出低 9 位地址 ALE 信号锁存低 8 为地址 即使不访问外部存储器 ALE 端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信 号 次频率为振荡器频率的 1 6 因此可用作对输出的时钟 但需注意 当访问 外部数据存储器 执行 MOVX 指令 时 将跳过一个 ALE 脉冲 ALE 端可驱动 8 个 LS TTL 输入 PSEN 29 程序存储器读出选通信号 低电平有效 MCS 51 单片机可以外接程序存储器及数据存储器 它们的地址可以是重合 的 MCS 51 单片机是通过相应的控制信号来区别到底 P2 口和 P0 口送出的是程 序存储器还是数据存储器地址 从外部程序存储器取指令 或常数 期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 此时地址总线上送出地址为程序存储器地址 如果访 问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不会出现 外部数据存储器是 靠 RD 读 及 WR 写 信号来控制的 PSEN 同样可以驱动 8 个 LSTTL 输入 EA Vpp 31 当 EA 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 OFFFH 时 将自动转向执行外部程序存储器内的程序 当 EA 保持低电平时 则访问外部程序存储器 从 0000H 地址开始 不管单片 机内部是否有程序存储器 在FLASH编程期间 此引脚也用于施加12V编 程电源 Vpp 输出输入引脚 P0 0 0 7 39 32 P0 口是一个漏极开路型准双向 I O 口可以写为 1 使其 状态为悬浮 用作高阻输入 在访问外部存储器时 它是分时多路转换的地址 低 8 位 和数据总线 在访问期间激活了内部的上拉电阻 EPROM 编程时 它接收指令字节 而在验证程序时 则输出指令字节 验证时 要求外接上拉电 阻 P1 1 P1 7 1 8 P1口是带内部上拉电阻8位双向I O口 向P1 口写入1时 16 P1 口被内部上拉为高电平 可用作输入口 当作为输入脚时 被外部拉低的P1 口会因为内部上拉而输出电流 在EPROM编程和程序验证时 它接收低8位地址 P2 0 P2 7 21 28 P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 在访 问外部存储器时 它送出高 8 位地址 在对 EPROM 编程和程序验证期间 它接 收高 8 位地址 P3 0 P3 7 10 17 P3 口是一个带内部上拉电阻的高 8 位双向 I O 口 在 MCS 51 中 这 8 个引脚还兼带有专用功能 这功能如下 口线替代的专用功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4TO 定时器 0 的外部输入 P3 5T1 定时器 1 的外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 这些专用功能的口线 在与外部设备接口 外接数据存储器等反面具有非常 重要的作用 3 4 2 红外线发射电路的设计 要将信号以红外线的方式发射出去 首先要把脉冲信号进行调制 而电路中 的信号往往比较小 不能驱动负载 所以要通过放大电路将信号放大 通过红外 线发光二极管发射出去 发射器件和放大电路是发射中必不可少的 1 红外线传感器 要将红外线发射出去 发射器件是必不可少的 则我们就要对红外线的发射 器件进行选择 要能够发射比自然发射的红外线有更强的辐射强度 而要对信号 接收器件 则要有较强的接收能力 它能将接收的红外线转换成足够强的电信号 我们把能发射红外线和接收红外线的光电器叫做红外线传感器 根据红外线的传感器原理不同 分为主动型和被动型红外线传感器 主动型 传感器包括红外发射传感器和红外接收传感器 它们配套使用可组成一个完整的 红外线发送与接收遥控系统 常用的有红外线发光二极管 红外线接收二极管 17 光电二极管 光电三极管等 红外线发光二极管包括砷化镓 GaAs 发光二极管 砷铝化镓 GaALAs 发 光二极管和激光二极管 LD 等 目前 在家用电器和用途较广的开关电路中普 遍采用红外发光二极管 LED 图10为发光二极管的电路符号 V 图 10 发光二极管的电路符号 红外LED与可见光LED的发光方式相同 只是发光的为近红外光 人眼看不到 而已 GaAs红外LED的发光效率较高 一般可达10 20 比可见光LED大的多 GaAlAs红外LED发光效率很高 比GaAs高出50 80 但价格很高 经过效率 成本方面的考虑 本系统选择砷化镓 GaAs 发光二极管是比较合理的方案 2 放大电路的基本知识 在系统设计中 信号发送的正常发送是必须要考虑的问题 由于在电子线路 中输入信号往往很小 它所提供的能量不能直接推动负载工作 因此需要另外提 供一个能源 由能量较小的输入信号控制这个能源 经三极管使之放大去推动负 载工作 所谓放大 从表面上看是将信号由小变大 实质上 放大电路的过程是 实现能量转换的过程 我们把这种小能量对大能量的控制作用称为放大作用 三 极管只是一种能量控制元件 而不是能源 三极管有三个电极 三极管对小信号 实现放大作用时在电路中可有三种不同的连接方式 或称三种组态 即共 发 射极接法 共基极接法 共集电极接法 3 半导体三级管 半导体三极管是由三层不同性质的半导体组合而成的 按半导体的组合方式 不同 可将其分为NPN型管和PNP型管 无论是PNP型管和NPN型管 他们内部均含有三个区 发射区 基区 集电区 从三个区各引出一个金属电极分别称为发射级 e 基极 b 和集电极 c 同时在三个区的两个交界处形成两个PN结 发射区与基区之间形成的PN称 为发射结 集电区和基区之间形成的PN结称为集电极 如图11 符号中的箭头方 向表示发射结正向偏置时的电路方向 18 C b e NPN 型 c b e PNP 型 图11 电路符号 a 4 红外线发射电路图 如图12所示 为该系统遥控发射器电原理图 其中P1 口作为键盘扫描端口 具有16个操作键 可分别控制单片机发出16 种不同脉冲 执行16 种操作 第9 脚为单片机的复位脚 采用RC上电复位电路 15 脚作为红外线遥控码的输出口 用于输出38KHz 载波编码 脉冲经9013 NPN 放大然后由红外发射管输出 18 19 脚接12M 晶振 P1 4 P1 7 需接上拉电阻 图12 发射器电原理图 3 4 3 红外线接收及控制电路的设计 1 红外线的接收过程及接收器件的选择 当红外线遥控器发出信号之后 我们就要对这些信号进行接收 对于红外线 接收 大家都知道 要接收外来的信号 一个重要的部分就是必须要有接收电路 19 或者接收器件 下面我们就对红外线的接收器件或接收电路进行选择 对于红外线的接收过程是将红外线作为载波的控制信号通过光学滤波器后 由红外线光电管接收由于红外接收器件接收的信号非常微弱 而光电二极管 三 极管输出的光电流很小 需要进一步放大才能实现遥控功能 这样如果单独制作 放大电路的话就不方便 所以我们需要一种红外线接收管和放大电路集成在一起 的元器件 所以我们选择集成红外线接收电路 更好的更简便的实现对外部信号 的接受和处理 一般的红外接收头主要由CX2016A PC1373等集成电路外加阻容元件 红外 线接收管及滤波光片等组成 因而体积较大 在实际应用中不方便 因此本人需 要一种比这些更适合的红外线接收器件 而SFH506 38正好适合本人的设计要求 红外遥控接收头SFH506 38将红外接收管 前置放大解调等电路集成在同一 基片上 体积小 大小与一只中功率三极管相当 无外部元件 密封性好 灵 敏度高 用小功率红外发射管发射信号接收距离达35米 并且价格低廉 市场售 价只有几元钱 它仅有三条管脚 分别是电源正极 电源负极以及信号输出端 其工作电压在5V左右接收角度为 55度 接受距离为35米 最大 静态电流 0 5mA 接收频率为38KHz 另有派为30 33 36 40 56KHz系列供选用 只要给 它接上电源即是一个完整的红外接收放大器 使用十分方便 它的主要功能包括 放大 选频 解调几大部分 要求输入信号需是已经被调制的信号 经过它的接收 放大和解调会在输出端直接输出原始的信号 从而使电路达到最简化 灵敏度和 抗干扰性都非常好 可以说是一个接收红外信号的理想装置 其外型及管脚如图 13所示 1 GND 2 Vcc 3 OUT 受光面 受光面 1 2 3 1 2 3 图13 SFH506 28 2 控制灯光电路的设计 在控制灯光电路的设计中 我的设计思路是这样的 选择由单片机的信号输 20 出来驱动继电器触点的吸合和释放 从而来控制灯的亮和灭 当继电器触点吸合 后灯亮 这时则由调光程序发送脉冲经光电耦合器来驱动双向可控硅 利用双向 可控硅的特性来调节灯光的亮度 下面我就介绍下在电路中各元器件的原理及选 择 继电器的定义及其正确使用选择 继电器是一种当输入量 电 磁 声 光 热 达到一定值时 输出量将发 生跳跃式变化的自动控制器件 继电器的继电特性继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的 动作值xx 继电器的输出信号立刻从y 0跳跃到y ym 即常开触点从断到通 一旦 触点闭合 输入量x继续增大 输出信号y将不再起变化 当输入量x从某一大于 xx值下降到xf 继电器开始释放 常开触点断开 我们把继电器的这种特性叫做 继电特性 也叫继电器的输入 输出特性 释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数 即 Kf xf xx 触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系 数 即Kc PC P0 常用交直流小型继电器是遥控电路中应用最多的执行器件之一 它可采用直 流电压或交流电压来驱动 直流继电器按国家规定的标准系列有 6V 9V 12V 18V 24V和48V等 交流继电器的驱动电压标准系列为 6V 12V 24V 220V 使用时应根据电路中的工作电压 继电器通常有多组控制触电 每组触点所能通过的额定电流都有一定的限制 使用时应根据负载的大小来选用 若单组触点不能满足控制电路的负载需求 可 采用几组触点并联分流的方法 触点形式又分常开和常闭两种 应当根据遥控电 路的需求适当连接 继电器通常采用晶体管开关电路来驱动 但也有利用集成电路的输出直接来 驱动的 不过这种驱动一般输出功率较小 只能驱动小功率继电器 采用晶体管 驱动方式可驱动功率较大的继电器 驱动晶体管应工作在开关工作状态 这时应 使晶体管的基极有足够大的工作电流 保证开关电路在得到控制信号后能充分饱 和 在没有信号是充分截止 继电器的工作电压是继电器最主要的一项参数 在使用继电器时 应该首先 考虑所在电路 即继电器线圈的所在电路 的工作电压 继电器的额定工作电压 应是继电器额定工作电压的0 86倍 注意所在电路的工作电压千万不能超过继电 器的额定工作电压 否则继电器的线圈容易烧毁 有些集成电路 电路输出电流 小 需要加一级晶体管放大电路可驱动继电器 这就应考虑晶体管的输出电流应 大于继电器的工作电流 21 触电负载是指触点的承受能力 继电器的触点在转换时可承受一定的电压和 电流 所以在使用继电器时 应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不能超 过该继电器的触点负载能力 例如 有一继电器的触点负载为28V DC 10A 表明该继电器触点只能工作在直流电压为28V电路上 触点电流为10A 超过28V或10A 会影响继电器的正常使用 甚至烧坏触点 通过分析 我在电路中选择的是JZX 2F中功率直流继电器 额定功率为 12V 消耗功率为3W 绝缘电阻为500欧姆 触电形式为动合 常开 触点 国 内用字母H表示 国外用字母A表示 触点负荷 阻性 DC为36V3A AC为 220V1A 寿命10万次 重量为20g 负载电路电压为220V 所以此继电器完全可 以在电路中使用 我使用的触点形式为常开触点 如图14所示 图14 继电器的触点方式 光电耦合器的结构及其工作原理 光电转换的目的是将检测的光信号转换成电信号 由于光电耦合器结构独特 性能优异 因此在许多领域获得了广泛应用 如遥控 测量 检测等 光电耦合器是把发光器件和光电器件组装成一起构成的电 光 电变换器件 当光信号送入光电耦合器输入端的发光器件时 发光器件就将电信号转换成光信 号 光信号经光接收器接收 并将其还原成为电信号 因为信号传输是通过光耦 合的 所以称为光电耦合器 光电耦合器本质上是一个光电转换器 以光信号为 媒介 所以光电偶合器的输出端对输入端无反馈作用 信号是只单向传递的 也 就是说光电偶合器的输出不会影响发光器 光电偶合器件具有体积小 寿命长 无触点 线性传输 隔离和抗干扰强等优点 可以偶合从零的几兆赫的信号 且 失真很小 因而应用非常广泛 光电耦合器件能很容易地把不同电位的两组电路 互连起来 从而圆满并且很容易地完成电平匹配 电平转移等功能 在计算机主 体运算部与输入 输出之间 用光电偶合器件作为接口部件 将会大大增强计算 OUT1 K OUT2 22 机的可靠性 光电耦合器件的饱和压降比较低 在作为开关器件使用时 有具有 晶体管不可比拟的优点 此外 光电偶合器在稳压电源中作为过电流自动保护器 件使用时 使保护电路既简单又可靠等 光电耦合器的导通与截止 是由发光二