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机械毕业设计
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毕业论文智能光电定时器设计,机械毕业设计
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课程设计指导书 -智能仪器设计 光电工程 系 nts 1 智能仪器设计 课程设计 一、课程设计的目的 : 1. 培养学生仪器总体设计的能力 2. 培养查阅资料和综述能力 ,培养写作方法和文字表达能力 3. 培养学生正确的设计思想 ,严谨的科学态度及独立分析问题和解决问题的能力 4. 培养学生实际动手能力 二、设计任务 1 仪器总体方案设计 （ 1） 查阅资料 ,了解国内外同类产品功能、技术指标和方案、理论水平等 （ 2） 总体方案设计 （ 3） 各硬件功能部件设计 （ 4） 软件设计 2 编写设计说明书 三、设计题目： 1. 智能光电定时器 2. 智能 光电测角仪 3. 脉冲发生器 4. 智能信号发生器 5智能产品计数装置 课程设计任务书 （智能光电定时器） 一、国内外情况综述 二、总体方案设计 根据查阅的资料将国内同类产品各种方案特点列出，画出你所设计方案的原理图和印制板图，说明你所设计的方案的特点。 三、各功能部件的硬件设计 1 各种光电器件对时间置入方式的设计 2 拨码开关对时间置入方式的设计 3 单片机硬件对时间置入接收部分的设计 4 单片机控制声光报警电路的设计 5 单片机软件对定时，报警的编制 6 电源 的设计 四、可行性、可靠性、精度分析 五、编写仪器设计说明书 1、 设计任务 2、 概述（仪器用途及国内外情况） 3、 设计任务分析及技术指标 4、 总体方案设计 5、 部件电路设计 6、 可行性、可靠性、精度分析 7、 结论 8、 改进意见、体会及收获 9、 参考文献 nts 2 10 、报告要求 要求： 1、文字简练，语句通顺、尽量采用图、表。 2、公式应引出出处，不要推导和计算过程 3、文字书写工整，大于 5000 字 智能光电定时器设计 一、智能光电定时器设计要点 光电器件有发光器件和光敏器件两大类。给发光器件通以电流，发光器件就会发光。光线照射到光敏器件，光敏 器件的输出电流就会变化。利用光电器件的这些特性，可以做成各种光电器件。 单片微型计算机，它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件构成了一种单片式微型计算机。单片机具有功能强、体积小、可靠性高，面向控制和价格低廉等一系列优点。本设计最大的特点就是利用了各光电器件的开关特性和单片机强大的处理功能。 本系统功能：定时到音乐报警且指示等快速闪烁。 1、定时器时间置入有两种方式： 一种是拨码开关置入方式，另一种是光电置入方式。 拨码开关置入方式，其定时的时间精度为 10 分钟；有两个拨码开关，一个设置为小时位，一个设置为分 钟位。拨码开关还有另外一种用途，即光电置入方式定时到了，来选择音乐曲目。 光电置入方式定时的时间精度为 1 分钟。光电置入方式中，选取几种光电传感器。含光敏电阻的电路（ P3.3引脚所外接的电路）作为小时位的输入；含红外光电对管的电路（ P3.4引脚所外接的电路）设置为分钟高位的输入位；含反射式光电开关的电路（ P3.5 引脚所外接的电路）设置为分钟低位的输入位；含透过式光电开关的电路（ P3.2 引脚所外接的电路）用做时间置入结束的输入位。光电置入时，每置入一次，都有灯、声音提示，灯、声音同步。 2、 当定时时间到，有声 光提示 ： 拨码开关置入方式，音乐芯片用做声音提示；光电置入方式，其声音提示为用软件所编写的音乐程序。从时间置入到定时时间到这一段时间内，灯一直在闪烁（ 0.5 秒亮， 0.5 秒暗）；定时时间到，灯快速闪烁（ 0.2 秒亮， 0.2 秒暗）。同时音乐芯片声音响起表示定时时间到。 二、 智能光电定时器硬件设计 1 电路图 2. 光电传感器 光电传感器的作用主要是将光信号转换为电信号，它是一种利用光敏器件作为检测元件的传感器。光电传感器对光的敏感主要是利用半导体材料的电学特性受光照射后发生变化的原因。即利用的是光电效应。光电效应 通常分为两类： 1)外光电效应：即在光线作用下，物体内的电子受激逸出物体表面向外发射的现象。利用这类效应的传感器主要有光电管、光电倍增管等。 2)内光电效应：受光照射的物体电导率发生变化或产生光电动势的效应。它可分为光电导效应（即电子吸收光子能量从键合状态转换为自由状态，从而引起电阻率变化）和光生伏特效应（物体在光线作用下产生一定方向的电动势）。 反映光电器件特性的主要有下列几种参数： 1） 光谱灵敏度及相对光谱灵敏度 2） 积分灵敏度； 3） 通量 4） 转换特性和相对时间常数； 5） 频率特性； nts 3 6） 光照特性和光谱特性； 7） 伏安特性； 8） 温 度特性。 图 1.1 智能光电定时电路图 下面介绍一些常用的光电器件： 2 1 光敏电阻 （一） 光敏电阻的工作原理 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件（即 PC 器件），又称光导管，它是基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流偏压，也可以加交流电压。当它无光照时，光nts 4 敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照 时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定。因此得到广泛的应用。 （二）光敏电阻的主要参数 1、暗电阻 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 2、亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻， 此时流过的电流称为亮电流。 3、光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小，则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过一兆欧，甚至高达 100M ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到 1K 以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。 （三）光敏电阻的基本特性 1、伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性（见图 1.2）。由曲线可知，在给定的偏压情况下，光 照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且没有饱和现象。但是不能无限制地提高电压，任何光敏电阻都有最大额定功率、最高工作电压和最大额定电流。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，而光敏电阻的耗散功率又和面积大小以及散热条件等因素有关。 图 1.2 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线 图 1.3 光敏电阻的光照特性曲线 2、光照特 性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系，称为光敏电阻的光照特性。不同类型的光敏电阻，光照特性不同。但多数光敏电阻的光照特性类似与图 1.3 所示曲线形状。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此它不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 3、光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，其灵敏度不同，图 1.4 为硫化镉、硫化铅、硫化铊光敏电阻的光谱特性曲线。从图中可以看出，硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。因此，在选用光敏电阻时，应该根据光源来考虑，这样 才能得到较好的效果。 4、响应时间和频率特性 实践证明，光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流并不立刻上升到最大饱和值，而光照去掉后，光电流也并不立刻下降到零。这说明光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，这就是光电导的弛豫现nts 5 象。它通常用到响应时间 t 表示。响应时间又分为上升时间 t1 和下降时间 t2（见图 1.5）。 上升和下降时间是表征光敏电阻性能的重要参数之一。上升和下降时间短，表示光敏电阻的惰性小， 对光信号响应快。一般光敏电阻的响应时间都较大（约几十 几百毫秒）。光敏电阻的响应时间除了与元件的材料有关外，还与光照的强弱有关，光强越强，响应时间越短。由于不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同了（见图 1-8）。光敏电阻的时间常数比较大，所以其上限频率 f上 低。光敏电阻的时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。当照度 E=0.11lx 时，光敏电阻的上升时间 t =1.4s；当 E=10lx 时， t =66ms；当 E=1000lx 时， t =6ms。由图知，只有 PbS 光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫兹。 图 1.4 光敏电阻的光谱特性曲线 图 1.5 光敏电阻的时间响应曲线 （四）光敏电阻的应用 综上所述，光敏电阻有灵敏度高、工作电流大（达数毫安）、光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便的优点。但有响应时间长、频率特性差、强光线性差与受温度影响大的缺点。主要用在红外的弱光探测与开 关控制。如照相机的电子快门电路，可用于自动控制曝光时间。 2 2 发光二极管 LED 发射的是非相干光，辐射波长在可见光或红外区域。它所发出的光波波长与所用材料有关，如砷化镓红外发光二极管的峰值波长在 0.80.9um；发绿光的 GAP 发光二极管峰值波长在 0.5um。与半导体激光器相比， LED 在单色性、方向性和亮度等方面都比半导体激光器差得多。 LED 有其独特的优点：驱动电路比较简单，输出功率无需反馈控制，体积小，寿命长，可在很宽的温度范围内工作。因此， LED 成为光纤通讯、光纤传感、光电传感器系统的重要光源。 (一 )、 发光二极管的结构与工作原理 发光二极管（即 LED）是一种注入式电致发光器件，它由 P 型和 N 型半导体组合而成。实际是将 PN 结管芯烧结在金属或陶瓷底座上，然后用透明环氧树脂封装而成。当 PN 结加上正向电压时，结区势垒降低， P 区的空穴载流子 p 向 N 区扩散， N 区的电子 n 向 P 区扩散， p 与 n 在 PN 结区相遇复合释放能量而发光。这种发光器件和白炽灯泡相比，有体积小、耐冲击、寿命长功耗低、响应快、可靠性高、颜色鲜明、易和集成电路匹配等特点，因而获得广泛应用。光二极管是一种电流驱动器件。它的驱动方式有恒定直流驱动和脉 冲直流驱动两种。恒定支流驱动电路如图示。 U 为驱动电压， R 为限流电阻，驱动 IF=（ U-UF） /R，其中 UF 为发光二极管的正向压降。由于是恒定直流驱动，发光二极管发出的光强也是恒定的。脉冲直流驱动的驱动电压 U 为脉冲电压，所以发光二极管的驱动电流也为脉冲电流，发光二极管发出的是同频率的脉冲光。脉冲直流驱动具有提高作用距离、提高抗干扰能力、降低发射器电源消耗等优点。 nts 6 图 2.1 发光二极管结构示意图 图 2.2 恒定直流驱动方式 (二 )、 LED 的特性 1. 发光二极管的特性 发光二极管通以正向电流，发光二极管就会发光。发光二极管内部的晶片所用材料不同，所发出的光线的光谱（光线的频率范围）不同，因而所发光的颜色也不同。有的发可见光的红光、绿光、黄光。有的发不可见的红外光。发光二极管的外部电压与电流的关系，即伏 安特性， 类似于普通二极管。其差别是，普通硅二极管的正向开启电压约为 0.65V，而发光二极管的开启电压更大些。砷化镓（ GaAs）红外发光二极管的开启电压约为 1.6V1.8V；发绿光的约为 2V。开启电压还随环境温度的 升高而减小。发光二极管的反向电流 RI 很小，约 10uA 100uA。发光二极管的反向击穿电压一般约为 5V左右，最高也不超过 30V。 不同的发光二极管的响应时间不同。发黄光的发光二极管的响应时间最长，约 100us；发红光的和橙光最短，约 10ns，其于的也都在 150ns 以下。发出可见光的发光二极管就是通常所说的 LED，常用文字显示。 2. 发光 二 极管的特性参数 1.发光光谱 发光光谱是指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的颜色，并影响它的流明效率。发射光谱的形成是由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和半强度宽度（称为半宽度）。发光二极管的峰值波是由材料的禁带宽度决定的。图 2.3给出了 GaAs0.6P0.4 和 GaP的发射光谱。当GaAs1-xPx中的 x值不同时，峰值波长在 620 680nm之间变化，谱线半宽度大致为 20 30nm。 GaP发红光 图 2.3 GaAs0.6P0.4GaP的发光光谱 的峰值波长在 700nm附近，半宽度大约为 100nm。 2伏安特性 发光二极管的伏安特性如图 2.4所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开 启点就显示出欧姆导通特性。反向击穿电压一般在 -5V以上。 nts 7 图 2.4发光二极管的伏安特性曲线 图 2.5 发光亮度与电流密度的关系 3发光亮度与电流的关系 发光二极管的发光亮度 B是单位面积发光强度的量度。图 2.5给出 GaAs1-xPxGa1-xALxAs了和 GaP（绿）发光二极管的亮度与电流密度的关系。这些亮度随电流密度近似成正比增加而不易饱和的管子，适合于在脉冲下使用。因为脉冲状态工作不易发热，在平均电流与直流相等的情况下可以得到更高的亮度。 4寿命 发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度的一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在直流密度小于 1A/cm2时，一般可达 106h可，最长可达 109 h。随着工作的时间加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变 快，寿命变短。 5响应时间 在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮（上升）与熄灭（衰减）时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似的呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如 GaAs1-xPx 仅为几个 ns， GaP约为 100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和 占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。 (三 )、发光二极管的应用 1数字，文字及图象显示 图 2.6是最简单的七段式数码管，它是把管芯切成细条拼成如图所示的形状。工作时分别接通某些细条使其发光，使得到 0 9 十个可变换的数字。它已在台式及袖珍型半导体电子计算机，数字手表、数字钟和数字化仪器的数字显示上得到广泛应用。目前， LED 作为显示元件已发展到彩色和大面积显示，如市面上使用的电子商标及大屏幕显示等 图 2.7是 14划的字码管，它可显示 10 个数字和 6个字母，并可根据同样的设计增添其他的符号。 图 2.6七段式数码管 图 2.7 14划字 码管 图 2.8文字显示器的内部接线 在文字显示上，通常是把二极管作矩阵排列，它除能完成数码管所能显示的字符外，还能显示文字和一些其他符号。最常用的矩阵式显示器为 5 7矩阵，如图 2.8所示。考虑到要显示小数点时，这种显示器便需要 5 7 1=36个发光单元， 13根引出线。 2.指示、照明 单个发光二极管还可以作仪器指示灯、示波器标尺、收音机刻度及钟表中的文字照明等。目前已 有双色、多色甚至变色的单个发光二极管，如英国的绛红、橙、绿三种颜色的管芯组装在一个管壳里的显nts 8 示多种颜色的单个发光管。 3.光源 红外 发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器中， LED 作为信号光源多用在光电尺寸测量等光电检测中。 LED可用来制作光电开关、光电报警、光电遥控及光电耦合器件等。 2.3 光耦合器 半导体光敏器件的重要应用之一，是与发光二极管或其他发光器件组成一种新的器件 半导体光耦合器。光耦合器的主要功能，是利用光来实现电信号的传递。在线路应用上，则是用光来实现级间耦合。工作时，把电信号加到输入端，使发光器件管芯发光，而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流，从而实现电 光 电两次转换，通过光进行了输入端和输出端之间的耦合 。 光耦合器的种类繁多，其中特别常用的是以硅光敏器件为受光部分和以砷化镓发光二极管的光谱匹配十分理想。在以硅光敏器件为受光部分的光耦合器中，又由于受光器件的不同而有不同的品种。例如，光敏二极管输出型光耦合器、光敏三极管输出型光耦合器、达林顿光敏三极管输出型光耦合器、光控晶体闸流管输出型光耦合器以及集成电路型光耦合器等。 光耦合器的主要特点： 1） 输入与输出间绝缘； 2） 信号单向传递，输出信号对输入端无影响； 3） 抗干扰能力强； 4） 响应速度较快； 5） 工作稳定可靠、无触点、寿命长。 光耦合器的几种常见形式 : 1. 光电开关 光 电开关是一种特殊形式的光电耦合器件，只不过其发光部和受光部不是一个封闭的整体，它们之间可以插入被测物体。因此当被测物体改变光路的通断状态，将引起电路的通断，起到开关和继电器的作用。由于其通断代表了“ 1”、“ 0”信号，因而又起到了 1bit 的编码作用，所以也是一种最简单的编码器。光电开关应用极广，利用它可简单方便的实现自动控制与自动检测。最常见的光电开关由红外发光二极管和硅光敏三极管组成，按结构不同，光电开关可分为透过型和反射型两种（见图 3.1）。 图 3.1 光电开关示意图 图 3.2 是槽型光电耦合器。这里所谓的“槽型”指的是其外部形状像是一个槽子，其实其电路结构与普通光电耦合器没有什么两样。图中左槽沿安装一个砷化镓（ GaAs）近红外发光二极管，其峰值波长为880nm，右边为硅光敏三极管，其峰值波长也为 880nm。发光二极管窗口与光敏三极管的窗口正好相对。若发光二极管通以电流，发光二极管便会发出红外光。那么当中间无缝隙无物体时，光敏三极管便通过电流；若中间缝隙插入不透明片状物 ，则光敏三极管便不会有电流通过。这样，槽型光电耦合器便起到开关的作用，故称为光电开关，也称为光电断路器。这种光电传感器的发光二极管发出的光直接到达光敏三极管，成为透射型光电断路器。 nts 9 图 3.2 投射式光电传感器 光电开关的发光二极管和光敏三极管一般采用直流供电可。可用它来检测物体的有无、物体的转速等 .例如把透射式光电开关装在抽屉里并加好电。抽屉装有插销。抽屉 推进桌子里后，插销进入槽型光电开关耦合器的槽隙中遮住光，光电开关无输出。抽屉拉出后，插销离开槽隙，使发光二极管的光照射到光敏三极管上，光敏三极管通过电流。用此电流驱动报警器等起到防盗作用。图 3.3（ a）是一种反射式光电开关的外形图。这种光电开关的发射孔和接收孔位于同一侧。光线发出后只有经过障碍物反射回来后光敏三极管才可接收到，如图 3.3（ b）所示。 图 3.3 反射式光电开 关 光电开关在使用中应注意的一个问题是响应速度问题，光电开关的光敏三极管响应慢。 GaAs（砷化镓）红外发光二极管的上升和下降时间为 4ns，硅光敏三极管的上升和下降时间为 3us。发光二极管通以恒定电流，其速度不影响光电开关的速度，速度只决定于光敏三极管。光敏三极管的上升和下降时间按 3us计算。光电开关作为代替人类视觉的最简单的传感器已经发展了各种型式。也可采用单个红外发光二极管与光敏管设计组装成各种遥控或远距离检测的光电开关（图 3.4） nts 10 图 3.4 光电开关的应用 2. 红外光电对管 发射电路由红外发射管和电阻组成。红外发射管的作用是电脉冲信号转换为光信号送出。当输出变化的电脉冲信号时，发射管发射出的红外线强度就随之变化。电阻起限流的作用，电阻越小，通过红外发射管的电流越大，发射管的发射功率就越大，发射距离就越远；电阻取的过小会损坏红外线发射管。 接收电路由光电接收管和电阻组成。光电接收管的作用是将接收到的光信号转换 为电信号，电阻作用是取样，称为取样电阻。当红外光照射光电接收管时，光电接收管的电阻将减小，光电接收管使电阻的电流增大，从而电阻两端产生随入射红外光强弱变化的电压，此变化的电压信号经红外接口输入主机。由于不同光电接收管的性能参数不一，电阻的阻值以及光电接收管需要根据实际情况做一定调整。常见光电接收管有两种形式，一种是光电接收二极管，一种是光电接受三极管（只有两只引脚）（光电三极管较为常见）。用光电二极管其负极需要接 +5V 一端。 1测试红外线发射管 红外线发射管是二极管，可用万用表电阻的 R K 档测量红外发射管 正反向电阻，反向电阻通常无穷大，正向电阻一般为 15K。 2测光电接收管 测光电接收三极管时， R K 档测量两只引脚间正反向电阻，光电接收管反向电阻应为 500K（越大越好），不受光线照射影响；正向暗电阻（不受光照射时）应大于 300K（越大越好），正向明电阻（强光照射时）应小于 30（越小越好）。 测光电接收二极管时，万用表电阻 R K 档测量光电二极管两只引脚间正反向电阻，正向电阻约为 5K左右，不受光线影响；反向暗电阻（不受光照射时）应大于 500K（越大越好）；反向明电阻（强光照射时）小于 0，小于 0 的原因是受光线照 射后，二极管 PN 结将获得的光能转换为电能，提供了 0.7V 左右的结电压。 3. 光敏二极管与光敏三极管 光敏二极管与光敏三极管均为近红外接收管。这种管子把接收到的光的变化变成电流的变化，再经放大和处理，用于各种控制目的。目前用的最广的就是红外线遥控器（遥控电视机、录像机及音响等）。它们除了用于家用电器遥控外，还用于光纤通讯、光纤传感器、火灾报警传感器、光电转换仪器、光电耦合器、光电开关、光电读出机（自动阅卷等）等。 1) 光敏二极管 图 3.5 光敏二极管的结构图 光敏二极管的结构如图 3.5 所示。其基本原理是，当光照射到 P-N 结上时， P-N 结便吸收光能并把它转变为电能。它有两种工作状态，伏安特性如图 3.6 所示。 1）光敏二极管的加反向电压时，电流（称为光电流）随光照强度变化而变化。光照强度越强，反向电流越大，如图的第三象限。这是最常用的状态。在这种状态下，反向电流与光强成正比。当光强度为零时，反向电流（此电流称为暗电流）为零（实际上小于 0.2uA）。光电流最大约为几十微安。反向工作电压一般不大于 10V，最大也仅为 50V。 2）光电二极管不加电压， P-N 结受光照射后会产生正向电压，从而使闭合回路中流过电流，如图 4-1（ c）中的第四象限。由于这一特性，可以把光敏二极管用作光电池，把光能变为电能。这种工作状态一般用作光电检测。 nts 11 3）光敏二极管加正电压，如图 4-1（ c）的第一象限所示。这种状态是没有用的。 光 敏二极管有四种类型： P-N 结型（也称 PD）、 PIN 结型、雪崩型和肖特基结型。用的最多的是 P-N结型，它的价格最便宜。其它几种速度高、价格高，主要用于光纤通讯、比色记等。 4）光谱响应特性 硅光敏二极管的光谱范围为 400nm1100nm，其峰值波长为 800nm900nm（顶峰为 800nm），如图 4-1（ b）所示。这与 GaAs 红外发光二极管的光谱响应特性相匹配，两者配合可以获得较高的传输效率。 2) 光敏三极管 光敏三极管也是依靠光照射来使输出电流发生变化的器件。可以近似的认为，光敏三极管的发射极 电流或集电极电流与光强成正比。光敏三极管与加反向偏压的光敏二极管的工作原理类似的，但是器件中有两个 PN 结，以便利用一般晶体管的作用得到电流增益。因而，有的文献称光敏三极管为光电孪生二极管或具有两个 PN 结的光敏二极管。由于具有比光敏二极管高的多的响应度（又称灵敏度），工作时对电源的要求又不苛刻，所以，它是目前我国应用最广泛的一种半导体光敏器件。 图 3.6 光敏二极管的结构和 特性曲线 图 3.7 光敏三极管的外形、原理性结构、常用符号及等效电路图 光敏三极管的外形、原理性结构、常用符号及等效电路如图 3.7 所示。工作时所加偏压的极性已在图中示出。这是一种用平面工艺制造的硅 NPN 型光敏 三极管。在图中，只画了 E、 C 两个引出端子，实际上，是既可以只有 E、 C 两个引出端子，也可以有 E、 B、 C 三个引出端子的。 B 端子从 N PN 结构中的 P 区引出。具有 B 引出端子的光敏三极管，不仅使用上会给我们带来方便，而且可以使光敏三极管的频率特性等某些性能得到改善。在电路上，光敏三极管可以等效为在一个晶体管的基极与集电极之间接一个光敏二极管。而且，光敏二极管的连接必须这样，当晶体管加正常工作电压时，光敏二极管是处于反向偏置的。nts 12 实际的光敏三极管中，集电结的作用正与上述光敏二 极管的作用相同。因此光敏三极管就相当于一个把集电结光敏二极管光电流加以放大的晶体管放大器。这样的等效电路，简单明白的说明了光敏三极管比光敏二极管有大得多的光电流的原因。 2 4 光电传感器的应用注意事项： 1、 光敏三极管和发光二极管的速度快，因而光电传感器的速度也快，可以检测快变信号。 2、 可见光波长为 380nm（紫色光） 760nm（红光），红外光波长为 760nm100um，而光敏三极管接收的峰值波长为 880nm900nm 是近红外光。阳光的波长（长于 280nm 以上）的范围较宽，易对光电传感器形成干扰。因此避免阳光照射到光敏三极管。 3、 光电传感器可测试的最短距离为几毫米至数米。最长达数百米。 3、拨码开关 单片机系统中，人们对单片机发送命令或输入数据可以以采用键盘，键盘输入随时间都可进行，灵活性很大，给人们的操纵以很大的方便。也正是这种灵活性给人们误操作开了方便之门。如果某些重要的功能或数据也由键盘输入，必将因易误操作而产生一些不良后果。因此人们常常用设定静态开关的方法来执行这些功能或输入这些数据。静态开关一经设定，将不再改变，一直维持设定的开关状态。通常这些开关的状态是在单片机系统加电时由 CPU 读入 RAM 中的，以后 CPU 将不再关注这些开关的状态，因此，即使在加电后，这些开关的状态发生变化也不会影响计算机的正常操作，只有在下一次加电时，这些新的开关状态才能生效。 数字拨码盘输出有 BCD 编码的四线输出和单片十位的十线输出两种方式。 十线拨码盘实际上是一种单刀十掷的转化开关，如图 3.8 所示。显然这种拨盘结构简单，与 8031接口时，将 A 端接地， 09 线与 8031 的有关输入口线相接，就可完成拨盘与 8031 的接口，当 8031 读入口线电平状态时，就可判断开关处于哪一个档位。其不足是占用口线资源较多。 BCD 拨码盘，是十进制数输入， BCD 码输出。它有 09 十个位置，每个位置有相应的数字显示，代表一位十进制数的输入。而每片拨盘代表一位十进制数， n 位十进制数，可用 n 片拨盘并联安装组成，如图 3.9 所示。 图 3.8 十线拨盘结构 图 3.9 三位十进制拨盘组 nts 13 图 3.10 十线拨码盘与 8031 的接口 BCD 码拨盘后面有 5 个接点，其中 A 为输入控制线，另外四根是 BCD 码输出线。拨盘拨到不同位置时，输入控制线 A 分别与 4 根 BCD 码输出线中的某根或某几根接通，其接通 BCD 码输出线状态正好与拨盘指示的十进制数相一致。例如拨盘拨到 6， A 与 4， 2 接通，拨到 7 时， A 与 4、 2、 1 接通等等。表 3-1 BCD码拨盘的输入输出状态表。 表 3-1 BCD 码拨盘的输入输出状态 拨 盘 输 入 控 制 端 A 输出状态 8 4 2 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 2 1 0 0 1 0 3 1 0 0 1 1 4 1 0 1 0 0 5 1 0 1 0 1 6 1 0 1 1 0 7 1 0 1 1 1 8 1 1 0 0 0 9 1 1 0 0 1 BCD 码拨盘与 8031 的接口 单片 BCD 码拨盘可以与任一个 4 位的 I/O 口或扩展 I/O 口相连，以输入 BCD 码数据。图 5-3 是用 8031的 P1 .0P1.3 4 位 I/O 与单片 BCD 码拨盘的接口电路图。控制端 A 接 +5V， BCD 码的 8421 端分别通过下拉电阻接至地电平。当拨盘拨至某输入十进 制数时，相应 8421 的连通端便输出高电平，而非连通端为低电平，拨盘输出 BCD 码为正逻辑。如拨盘拨至 9，则 BCD 码锝 421 端的 8 和端与 A 连通，成为高电平，而 4 和 2 端与 A 不连通，被下拉电阻拉至低电平， BCD 码即为 1001。表 5-1 所示编码正是这种正逻辑的编码或称为原码。相反，如果控制端 A 接地，而 BCD 码的 8421 端通过上拉电阻接至 +5V 时，拨盘输出BCD 码将是负逻辑的或称为反码。 nts 14 图 3.11 单片 BCD 拨码盘与 8031 的接口 三、智能光电定时器软件设计 1程序流程图 1）主程序流程图 N Y 2） T0 中断服务子程序 开 始 光电置入状态 ？ T0T1 设置为记数方式，开放中断， T0 开始记数，禁止其它中断 定时结束，调用声光提示子程序 进入拨码开关置入方式， T0 工作在定时方式，送定时常数 取数据转换为秒数并存放结果 进入 T0 中断服务子程序 定时结束，调用音乐子程序，并给出光提示 结 束 进入中断服务子程序，置入时 间 堆栈、进入时间置入状态，缓冲单元清零 T0 中断服务子程序 nts 15 光电置入方式 拨码开关置入方式 Y N（ 置入状态） Y N N Y N N Y Y 2 软件去抖 本设计采用软件的方 法消除可能出现的误脉冲。在第一次检测到有误脉冲的时候，执行一段延时子程序，延时子程序延时 20ms，从而消除了误脉冲的影响。 DELAY20MS： MOV R6， #10 L4： LCALL DELAY2MS DJNZ R6， L4 RET DELAY2MS： MOV R7， #0C8H L2： NOP NOP NOP DJNZ R7,L2 RET 延时程序与 MCS-51 执行指令的时间有关，如果使用 6MHz 的晶振，一个机器周期为 2us，计算出执行一条指令以至一个循环所需要的时间，给出相应的循环次数，便能达到延时的目的。 DELAY20MS 子程序延时 20MS，它是一个双重循环。 3. 初始化 ; 程序功能：定时到音乐报警且指示灯快速闪烁 ；置入方式： 1.光电置入 开关 1 闭合 （精度 1 分钟） ； 2.拨码开关置入 开关 1 断开 （精度 10 分钟） 判断工作方式 定时状态？ 定时结束？ 定时未结束 启动 T0 定时开始 启动 T0，定时开始 定时结束？ 调用音乐提示子程序 分钟高位单元加一 声光提示 调用灯光闪烁程序 调用灯光闪烁程序 定时结束？ 调用声提示子程序 中 断 返 回 nts 16 ；定时到报警方式： 1.音乐片报警 2.自定义音乐（拨码开关选曲） ; 20H,标志位字节 20H.0:置入状态标志位， 1 为置入状态， 0 为定时状态 ; 20H.1:置入方式标志位， 1 为拨码开关式， 0 为光电式 ; 20H.7:定时结束标志位， 1 为定时结束， 0 未结 束 ；开机时即处于置入状态 ;21H,判断光电输入用缓冲字节 ;40H,小时设置缓冲字节 ;41H,分钟低位设置缓冲字节 ;42H,分钟高位设置缓冲字节 ;43H,置入状态 LED 提示刷新频率保存字节（ 200 毫秒亮， 200 毫秒暗） ;46H,定时基准累加单元 ;47H,定时指示 LED 刷新计数单元 ;48H,乐曲曲目选择单元 (与分钟拨码开关对应 ) ;4AH,被乘因子的低位单元 ;4BH,被乘因子的高位单元 ;4CH,乘数单元 ;4DH,计数结果低位单元 ;4EH,计数结果高位单元 4硬件调试方法： 单片机系统 的硬件调试和软件调试是不能完全分开的，许多硬件错误是在软件调试中发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障后，再和软件结合起来调试。以下主要讨论用 DICE-51 仿真机测试样机硬件和排除硬件故障的办法： 1）静态调试 a.在样机加电之前，先用万用表等工具，根据硬件逻辑设计图仔细检查样机线路和正确性，核对元器件型号，规格和安装是否符合要求。应特别注意电源系统检查，以防止电源的短路和极性错误。并重点检查系统总线（地址总线，数据总线和控制总线），是否存在相互之间或和其它信号线短路。 b.加电检查各插件上引脚的电位， 仔细测量个点电平是否正常，尤其应注意 CPU 插座的各点电位，若有高压，联机仿真时将会损坏仿真机的器件。 c.在断电情况下，除 CPU 以外，插上所有的元器件，仿真插头插入样机 CPU 插座，并和 DICE-51 机相联，用万用表检查连接的正确性与可靠性，准备联机调试。 5软件调试方法 基本上排除了目标样机的硬件故障以后，就可以进入软硬件综合调试阶段。软件可一个一个模块的进行，下面我们对常见故障进行分析。 1）程序跳转错误： 这种错误的现象是程序运行不到指定的地方，或发生死循环，通常是由于错用了指令或改错了标号引起的。 2）程序错误 对于计算程序，经过反复测试后，才能验证它的正确性。 3）输入输出错误 这类错误包括数据传送出错，外围设备失控，没有响应外部中断等。这类错误通常是固定的。而且硬件和软件错误常常交织在一起。 4）上电复位电路错误 在联机调查是排除了硬件和软件的一切错误故障，并将程序固化到 EPROM 插入样机后，也能正常运行，此时联机仿真告一段落。一般情况下，脱机后插上 CPU，目标系统便研制成功，脱机加电后，若 8031没有被初始复位，则系统不全正常运行，这种错误在联机时没有被测出来，因为 CPU 仿真时上电后的 8031，由仿真机的复位电路复位。 nts 17 程序清单如下 多功能定时器源程序 ;程序功能：定时到音乐报警且指示灯快速闪烁 ;置入方式： 1.光电置入 开关 1 闭合 （精度 1 分钟） ; 2.拨码开关置入 开关 1 断开 （精度 10 分钟） ;定时到报警方式： 1.音乐片报警 2.自定义音乐（拨码开关选曲 ; 20H,标志位字节 20H.0:置入状态标志位， 1 为置入状态， 0 为定时状态 ; 20H.1:置入方式标志位， 1 为拨码开关式， 0 为光电式 ; 20H.7:定时结束标志位， 1 为定时结束， 0 未结束 ;开机时即处于置入状态 ;21H,判断光电输入用缓冲字节 ;40H,小时设置缓冲字节 ;41H,分钟低位设置缓冲字节 ;42H,分钟高位设置缓冲字节 ;43H,置入状态 LED 提示刷新频率保存字节（ 200 毫秒亮， 200 毫秒暗） ;46H,定时基准累加单元 ;47H,定时指示 LED 刷新计数单元 ;48H,乐曲曲目选择单元 (与分钟拨码开关对应 ) ;4AH,被乘因子的低位单元 ;4BH,被乘因子的高位单元 ;4CH,乘数单元 ;4DH,计数结果低位单元 ;4EH,计数结果高位单元 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP T0 ORG 0013H LJMP INT1 ORG 001BH LJMP T1 ;主程序 ;功能：初始化，判断定时置入方式，进行定时数据采集，判断定时是 ORG 0030H MAIN: MOV SP,#60H ;堆栈初始化 MOV 20H,#01H ;标志字 MOV R1,#40H MOV R0， #10H NOP NOP INITIAL: MOV R1,#0 ; INC R1 DJNZ R0,INITIAL ;初始化 SETB P3.7 ；拨码开关 nts 18 CLR P1.6 JB P1.5,HAND CLR 20H.1 LCALL TINITIAL ORL IE, #8FH ROTATE: CPL P1.7 ;状态指示 LCALL DELAY200MS NOP NOP JB 20H.0,R ;进入循环 MOV TL0,#0 ;进入定时 MOV TH0,#0 ;给定时器 0 MOV IE,#82H MOV TMOD,#11H SETB TR0 SUBMIT: LCALL MUSIC ;发出声音 LJMP SUMBM ;继续发出 ORG 0070H HAND: SETB 01H MOV TMOD,#11H ORL IE,#8AH MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H NOP NOP NOP MOV A, P1 ;读入 P1 CPL A ;取反 ANL A,#0FH ;高四位 MOV 40H,A ;小时数单元 MOV 4CH,A ;小时数放入 MOV 4AH,#10H MOV 4BH,#0 ; LCALL MULTI ;转换成秒数 MOV 4DH,R3 MOV 4EH,R4 CPL P3.7 ;选择分 LCALL DELAY20MS MOV A,P1 CPL A ;取反 ANL A,#0FH MOV 41H,A ;分钟数放入缓冲单单元 MOV 4CH,A ;分钟数放入 MOV 4AH,#58H MOV 4BH,#0 ; LCALL MULTI ;转换成秒数 nts 19 MOV A,4DH ADD A,R3 MOV 4DH,A MOV A,4EH ADDC A,R4 ;此次结果与 MOV 4EH,A ;送入计数单元 4DH 为高 SETB TR0 ;启动定时器 LOOP: AJMP LOOP ;进入循环 ORG 00C0H END1: MOV A,40H MOV 4CH,A MOV 4AH,#10H MOV 4BH,#0EH LCALL MULTI MOV 4DH,R3 MOV 4EH,R4 MOV A,42H MOV 4CH,A MOV 4AH,#58H MOV 4BH,#02H
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