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智能红外检测系统毕业设计,毕业设计论文
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智能红外检测 系统 设计 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究的背景 随着人类知识的积累和工业生产技术的发展，人类对自然的控制与加工能力越来越强。在人类社会的各个领域，从工业、农业、商业、国防、通信、交通运输、科学技术直到文化娱乐、教育、医疗乃至家庭生活的每一个角落，自动化设备、智能仪器仪表正延展着人们的感官，精确地执行人的命令，实现着人们过去可望而不可及的愿望。 由于微处理器生产成本的下降，目前各种自动化设备和智能仪器仪表的核心部件通常是由专用的微处理器构成。这些专用的微处理器在我国一般称为单片机，国外称为微控制器。单片机广泛用于自动化 控制设备、消费电子产品、智能仪器仪表等领域，尤其是在新型智能化小产品开发方面，几乎是单片机一统天下。 单片机是一类特殊的微处理器，它内部的硬件结构与一般为微处理器相同的是都有控制器、运算器和各种专用寄存器。控制器将时钟振荡器产生的方波脉冲按固定的时间顺序分配给芯片内的各个部件，即产生节拍。在节拍的作用下控制器按程序计数器中的地址从程序存储器中取回指令进行译码，运算器和各种专用寄存器则根据译码在控制器的控制下有条不紊地进行数据的传递和运算处理。 单片机的应用，打破了人们的传统设计思想。原来需要使用模拟电路、脉 冲数字电路等部件来实现的功能，在应用了单片机以后，无需使用诸多的硬件，可以通过软件来解决问题。目前单片机已经成为科技、自控等领域的先进控制手段，在人类日常生活中的应用也非常广泛。 (1)工业过程控制中的应用。 单片机的 I/O 口线多，操作指令丰富，逻辑操作功能强大，特别适用于工业过程控制。单片机可作主机控制，也可作分布或控制系统的前端机。单片机具有丰富的逻辑判断和位操作指令，因此广泛应用于开关量控制、顺序控制以及逻辑控制。 (2)家用、民用电器中的应用 单片机价格低廉、体积小巧、使用方便，广泛应用 在人类生活中的诸多场合，如洗衣机、电冰箱、空调器等。 (3)智能化仪器、仪表中的应用 单片机可应用于各类仪器、仪表和设备中，大大地提高了测试的自动化程度与精度，如智能化的示波器、计价器、电表、水表等。 (4)计算机网络、外设及通信技术中的应用 单片机中集成了通信接口，因而能在计算机网络以及通信设备中广泛应用。如Intel公司的 8044，它由 8051单片机与 SDLC 通信接口组合而成，用高性能的串行接口单元 SIU代替传统的 UART,其传送距离可达 1200米，传送速率为 2.4Mbit/s。此外，单片机 还在小型背负式通信机、自动拨号无线电话网、串行自动呼叫应答设备、程控nts无锡职业技术学院毕业论文设计 2 电话、无线遥控等方面均有广泛的应用。 红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类： 一 . 辐射计，用于辐射和光谱测量； 二 搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪； 三 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像； 四 红外测距和通信系统； 五 混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个 的组合。 红外传感器工作原理 ： （ 1）待 测 目标。根据待 测 目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。 （ 2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和 各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰 减。 （ 3）光学接 收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。 （ 4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。 （ 5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。 （ 6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应 的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。 （ 7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。 （ 8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。 1.2 课题研究的意义和目的 建立 节约型社会是一场关系到人与自然和谐相处的“社会革命” 。 如何节约用水和保护水资源，已成为实现可持续发展的一个无法回避和必须解决的问题。然而 在日常生活中很多资源的浪费都是无形的，在人们的自觉与不自觉中慢慢流失。本课题就是基于这一社nts智能红外检测 系统 设计 3 会现状而提出的 。 本课题为智能红外检测系统设计，研究的是一种基于单片机的红外测控系统，它采用了单片机控制技术和红外感应技术，集成了光学、电子、单片机和机械等技术于一体。在系统硬件的基础上 ， 进行灵活的软件设计 。 系统程序包括：初始化、功能处理与定时器中断等功能。开机后，初始化完成软件系统所 用的标志区和数据区的清零、中断初始化、设置定时器参数、启动定时器开始定时、定时中断服务程序完成定时参数的复位、发出冲水信号等，使之达到自动化控制的功能。 该系统应用在自动冲水器上，经实际使用并与长流水形式的小便池进行比较，测量得到的数据表明：每个冲水器每天可节水 6 7t。该冲水器电路工作电压和电磁阀功耗 (即冲水时的输出功率 )都很低，可以使用 4节 5号电池，至少 2年无需更换电池。实际使用表明，该自动冲水器系统工作可靠，卫生节约，方便快捷，成本低廉，经济效益显著。 该系统采用单片机作为其核心，结合不同的测控方法， 可以完成不同的测控功能，因此也可用于自动淋浴器、自动门、自动烘干机、红外报警、红外遥控以及工业生产在线检测等方面，并可开发各种类型的相关产品。 由此可见，本课题的研究在方便人们的日常生活方面，节约水能以及提高人们的生活质量方面都有很重要的意义 1 。 1.3 课题研究的方案 红外测控系统主要包括红外发射、红外接收、单片机处理与控制系统以及控制信号放大与驱动等几个部分。 本系统采用单片机控制技术和红外感应技术，集成了光学、电子、单片机和机械等技术于一体。系统的原理是：红外发射部分经过调制后载有测量信号的红外光波，如果有人靠近，则红外光波受到人体的反射，反射回来的红外光波由红外接收部分接收，然后经由单片机进行处理并做出相应的控制决策，输出相应的动作指令，控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构，实现相应的控制功能。 该方案主要运用到了单片机原理和传感器原理，科学证明是确实可行的。 nts无锡职业技术学院毕业论文设计 4 第二章 系统组成及工作原理 2.1 功能 要求 本设计为红外 自动冲水器， 其 智能化功能 设计 要求 如下 ： （ 1）正常情况下 ， 人来后 ，第一 阶段自动放水 2s， 人走后 ， 第二阶段自动放水 6s； （ 2）如果使用太频繁 ， 如使用间隔小于 1min， 则在第二个人来后 ， 不进行 2s 的放水 ， 人走后 ， 放水 4s；（ 3）放完水后自动进入省电模式。 2.2 系统组成及原理 由图 2.1 可见 ，本 系统主要包括红外发射、红外接收、单片机处理与控制系统以及控制信号放大与驱动等几个部分 23 。 红外发射部分装有红外发光二极管， 由红外发光二极发射 红外光波，如果有人靠近，则红外光波受到人体的反射，反射回来的红外光波由红外接收部分接收。 红外接收部分接收到反射回来的红外光波后，红外光电传感器将此红外光信号转化为电信号，此电信号经放大 、整形后传 送到单片机。 单片机接收到驱动信号后，根据系统设计的需要做出相应的控制决策，输出相应的动作指令，由此来指挥执行部分执行相应的动作。 单片机发出的控制信号， 传送给 放大与驱动环节 ，由驱动电路 驱动相应的执行机构，实现对冲水器的冲水控制。 图 2.1 系统组成 框图 说明：为了防止紫外线进入红外传感器的收发头而带来干扰，应该在收发头前安装一个深色玻璃。 2.3 系统 检测原理 宇宙间的任何物体只要其温度超过绝对零度就能产生红外辐射，事实上同可见光一样，其辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技术。红外检测技术利用红外光波（又称红外线）作为载波来传送测量信号或者控制指令，如红外遥控电视开关、红外报警器、红外发射 红外接收 单片机 处理部分 放大 驱动 部分 执行部分 nts智能红外检测 系统 设计 5 自动玻璃门、自动冲水器等。之所以采用红外光波作为控制光源，是由于红外发射器件与接受 器件的发光与受光峰值波长一般为 0.88um 0.94um，落在近红外波段内，而且两者的光谱恰好重合，能很好的匹配，可获得较高的传输效率较高的可靠性。红外感应原理：如果有人靠近该设备，则红外光波受人体的反射，反射回来的红光波由红外接收部分接收，然后经单片机进行处理，并做出相应的控制决策，输出相应的动作指令，控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构，实现相应的控制功能。 红外感应装置 是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。探头收集外界的红外辐射通过聚集到红外感应源上面。红外感应源通常采用热释电元件 ，这种元件在接收了红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷，检测处理后 发出信号 。 （ 1）红外感应装置 是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为 10m 左右的红外辐射必须敏感。 （ 2） 为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 （ 3） 一旦人 到达 探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经 单片机 处理而 作出相应的动作 。 （ 4） 多视场的获得，一是多法线小镜面组成 的反光聚焦，聚光到传感器上称之为反射式光学系统。另一种是透射式光学系统，是多面组合一起的透镜 菲涅尔透镜聚焦在红外传感器上。 本设计所运用的红外检测原理为：自动冲水器系统启动后，如果有人靠近，则红外光波受人体的反射，反射回来的红光波由红外接收部分接收，然后经单片机进行处理，并做出相应的控制决策，输出相应的动作指令，控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构，实现相应的控制功能。 nts无锡职业技术学院毕业论文设计 6 第三章 系统的硬件设计 3.1 系统框图 如 图 3.1 所示 ， 本设计主要由 光电 传感器、信 号处理电路、 AT89C51 单片机、 控制电路 等硬件组成 。 电信号由光电传感器传输过来，经过滤波、放大、整形后传 送给 单片机，单片机接收到处理过的电信号后，发出相应的控制信号，控制信号经放大后变成能够驱动电磁阀的信号，通过电磁阀来控制冲水器进行冲水。 图 3.1 系统框图 3.2 单片机芯片介绍 自单片机诞生以来的近 30 年中，单片机已有 70 多个系列、近 500 个机种。比较有名的有 Intel 公司的 MCS-48 系列、 MCS-51 系列、 MCS-96 系列产品。本系统中选用了 51 系列中的 AT89C51。 3.2.1 主要性能特点 MCS-51 系列单片机的典型产品为 8051、 8751、 8031。它们的基本组成和基本性能都是相同的。常用的 MCS-51 这个术语，泛指以 8051 为内核的单片机。 8051 是 ROM 型单片机，内部有 4KB 的掩膜 ROM，即单片机出厂时程序已由生产厂家固化在程序存储器中； 8751 片内含有 4KB 的 EPROM，用户可以把编写好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；8031 片内没有 ROM，使用时需在片外接 EPROM;； AT89C51 带 4K 字节闪烁 可编程可擦除只读存储器 。 本设计采用 AT89C51 作为整个设计的核心部分， 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）的低功耗、高性能 CMOS8 位微处理器。具有如下资源： 兼容 MCS 51指令系统 4k可反复擦写 (1000 次） Flash ROM 32个双向 I/O口 可编程 UARL通道 两个 16位可编程定时 /计数器 全静态操作 光电传感器 单片机 AT89C51 阀门控制 电路 信号处理 nts智能红外检测 系统 设计 7 1个串行中断 128x8bit内部 RAM 两个外部中断 源 共 6个中断源 可直接驱动 LED 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 3.2.2 引脚功能 本设计采用的 AT89C51 单片机 如图 3-2-1 。 1 电源引脚： VCC：正常运行时 为 +5V 电源 VSS：电源接地端 2 I/O 总线 (1)P0.0 P0.7： 图 3.2 89C51引脚图 P0 口是一个 8 位双向 I/O 口 ， 每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载 。 在访问外部贮存器 ，分时进行工作 ， 在指令前半周期 ， P0 口作为地址总线 ， 在指令的后半周期作为数据总线。 (2)P1.0 P1.7： P1 口是一个带有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口 ， 当向 P1 口锁存器中写入1 时 ， P1 口为输入方式。 (3)P2.0 P2.7： P2 口也是一个带有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口 ， 在访问外部贮存器时 ，它输出高 8 位地址。 (4)P3.0 P3.7： P3 口也是一个带有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口 ， 同时 P3 口还有一些特殊功能 ， 以后将被介绍。 I/O 总线的使用 34 ： P0 口：由于 8051 内 部有程序存贮器，因而 P0 口能作为地址 /数据总线，分时输出外部存贮器的低 8 位地址 A0 A7 和传送数据 D0 D7，所有地址由地址允许锁存信号 ALE锁存到内部的地址锁存器中。 P1 口： P1 口作为准双向口，它的每一位可作为输入线或输出线，用户可以把 P1 口的某些位作为输出线使用。另外的一些位作输入线使用。输出时，将 “ 1” 写入 P1 口的某一位口锁存器，则 Q 端上的输出场效应管 T 截止，该位的输出引脚由内部的拉高电路拉成高电平。输出 “ 0” 时，将 “ 0” 写入口锁存器，输出场效应管 T 导通，引脚输出低电平，即输出 “ 0” 。 P2 口：同样 是由于 8051 内部有程序存贮器，因此 P2 口能作为外部设备的输入 /输出口。一般情况下 P2 口只能作为系统扩展的高 8 位地址总线口。 CPU 访问外部程序存贮器时， P2 口输出程序存贮器的地址 A8 A15，该地址来源于内部的程序计数器 PC 的高 8 位 。 nts无锡职业技术学院毕业论文设计 8 P3 口： P3 口为多功能口，它的第一功能为准双向口，其特性和 P0 口相似，第二功能为特殊输入 /输出线，其定义如下 表 所示： 表 3.1 P0口 引脚第二功能表 引脚 第二功能 引脚 第二功能 P3.0 RXD(串行输入线 ) P3.4 T0(定时器 T0 外部输入线 ) P3.1 TXD(串行输出线 ) P3.5 T1(定时器 T1 外部输入线 ) P3.2 /INT0(外部中断 0 输入线 ) P3.6 /WR(外部数据存贮器写脉冲输入线 ) P3.3 /INT1(外部中断 1 输入线 ) P3.7 /RD(外部数据存贮器写脉冲输入线 ) 3.3.3 中断及定时 1 中断： 中断是工业过程控制及智能仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式。所谓中断就是由于外部或内部事件而改变原来 CPU 正在执行顺序的 一种工作机制。在通常情况下，单片机执行主程序，只要当正常状态出现故障或发出中断请求时，单片机才暂时停止执行主程序，转去执行或处理中断服务程序。执行完中断服务程序后，再返回主程序继续运行。一个计算机系统中断能力的强弱，是衡量计算机能力的重要标志之一。 而 8051正是因为有很强的中断能力而被广泛应用。 计算机的中断机制涉及到三个内容：中断源、中断控制和中断响应。中断源是指引起中断的事件；中断控制是指中断的允许 /禁止、优先和嵌套等处理方式；中断响应是指确定中断入口、保护现场、进行中断服务、恢复现场和中断返回等过程。 中断的作用：中断机制常用于计算机与外部数据的传送。利用中断机制可以较好的实现 CPU 与外部设备的同步工作，实现实时处理。一些重要的实时信号通常要求 CPU 做出快速响应，如本系统中输入单片机的驱动信号，如果 CPU 通过程序查询来监视这些信号不仅会浪费大量时间，而且很难做到快速响应。采用了中断机制后，实时信号作为中断请求信号，使 CPU 快速进入中断响应状态，执行特定的中断服务程序，而平时 CPU 则执行实时性要求不高的程序。 表 3.2 8051单片机中断系统表： 中断源 中断入口地址 说 明 外部中断 /INT0 0003H 从 P3.2 引脚上来的外部中断申请 定时器 0 中断 T0 000BH 从定时器 0 的溢出使 TF0 置位 ,发出申请 外部中断 /INT1 0013H 从 P3.3 引脚上来的外部中断申请 定时器 1 中断 T1 001BH 从定时器 1 的溢出使 TF1 置位 ,发出申请 串行通道中断 0023H 完成操作后 ,中断申请标志 T1 或 RI 置位 （ 1）中断源 MCS-51 单片机有三类中断源：外部中断、定时器 /计数器中断和串行口中断。由于本设计只用到了前两种中断，所以这里主要介绍外部中断和 定时器中断。 外部中断 ： 外部中断源是由外部引脚 INT0、 INT1 引入的。 nts智能红外检测 系统 设计 9 INT0 为外部中断 0 请求信号。编程者 预先设置好哪些为有效的中断请求信号，一旦出现有效的中断请求信号， 会使专用寄存器 TCON 中的 IE0 位置位，由此向 CPU 提出 INT0的中断请求。 INT1 为外部中断 1 请求信号。与 INT0 类似，一旦出现有效的中断请求信号，会使专用寄存器 TCON 中的 IE1 位置位，由此向 CPU 提出 INT1 的中断请求。 CPU 响应中断后会自动清除 TCON 中的中断请求标志位。 定时器中断：定时器中断的中断源是由其溢出位引入的 。当定时器到达设定的时间后，其溢出位置位。 TF0 和 TF1 分别为定时器 0 和定时器 1 的溢出位，它们位于专用寄存器 TCON 的 bit5和 bit7。当定时器溢出时，相应的 TF0 和 TF1 就会置 1，由此向 CPU 提出定时器中断请求。CPU 响应中断后会自动清除中断请求标志位。 （ 2）中断控制 发生中断请求后， CPU 通过中断控制方式响应中断请求，编程者可根据设计需求设置不同的中断控制方式。 8051 中断的控制方法： 8051 单片机中的中断方式的选择，中断的允许和禁止，以及中断优先权的约定等等，都是由相应的寄存器来控制。设计时 ，只要将相应的寄存器根据中断要求进行置位或复位即可。 CPU 执行中断处理程序一直到 RETI 指令为止。 RETI 指令是表示中断服务程序的结束。 CPU 执行完这条指令后，清“ 0”响应中断时所置位的优先级状态触发器，然后从堆栈重弹出顶上的两个字节到程序计数器 PC， CPU 从原来被中断处重新执行被中断的程序。由此可见，用户的中断服务程序末尾必须安排一条返回指令 RETI， CPU 现场的保护和恢复必须由用户的中断服务程序实现 。 （ 3）中断响应 CPU 响应中断的过程可分为设置标志、保护断点、选择中断入口、进行中断服务和中断返回五个 部分。 响应中断后， 硬件自动设置与中断有关的标志。 中断的断点保护是由硬件自动实现的，当 CPU 响应中断后，硬件把当前的 PC 寄存器的内容压入堆栈。 根据不同的中断源，选择不同的中断入口地址送入 PC，从而转入相应的中断服务程序。 由于各中断入口地址间隔较近，通常可安排一条绝对转移指令，跳转到相应的中断服务程序。不同的中断请求会有不同的中断服务要求，中断服务程序也各不相同。 中断服务程序最后执行中断返回指令 RETI，标志着中断响应的结束。 本设计需要用到 MCS 51 单片机的外部中断 INT0 和 INT1 由于外部中断 INT0 和 INT1 都有两种触发方式：低电平触发和下降沿触发。这两种方式的选择由中断控制器 TCON 中的中断类型控制位 IT0 和 IT1 决定。 本系统设计为 IT0=1，下降沿触发的方式， INT0 引脚上为负跳变（由高到低下降沿）有效，当有人来的时候 INT0 引脚接收到负跳变信号并产生中断信号；同样设定 IT1=1，下nts无锡职业技术学院毕业论文设计 10 降沿触发的方式， INT1 引脚上为负跳变（由高到低下降沿）有效，当人离开时 INT1 引脚接收到负跳变信号并产生中断信号。 IT0 、 IT1 可由软件置位或清零。 2 定时器： MCS-51 单片机有两个定时器，分别为 T0 和 T1。每个定时器有两个外部输入端（ T0和 T1）、两个 8 位的二进制加法计数器（ TH0 和 TH1）。由两个内部特殊功能寄存器（ TMOD、TCON）控制定时器的工作，其中 TMOD 是定时器模式控制寄存 器，其格式如下表 ： 表 3.3 TMOD格式表 寄存器名： TMOD 位名称 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 地址： 89H 位地址 TMOD 被分成两部分，每部分四位，分别用于定时器 0 和定时器 1。其中 GATE 和C/T 用于控制计数信号的输入： C/T=0 时，计 数信号取自于内部，其计数频率为晶振频率的 1/12，此时工作于定时器模式； C/T=1 时，计数信号来自于外部，此时工作于计数器模式。 M1 和 M0 用于定义定时器的工作方式。 TCON 是定时器控制寄存器，其格式如下 表 ： 表 3.4 TCON格式表 寄存器名： TCON 位名称 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 地址： 88H 位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H TCON 也被分成两部分，高四位用于定时器。其中 TR1、 TR0 用于控制计数信号的输入， TF1、 TF0 为计数器的溢出位。 TR0 和 TMOD 中的 GATE 用于控制计数脉冲的接通，通常有两种使用方法： GATE=0 时，仅仅由程序设置 TR0=1 来控制接通计数脉冲，由程序设置 TR0=0 来停止计数。 GATE=1 时，先由程序设置 TR0=1，然后由外部 TINT0=1 来控制接通计数脉冲，INT0=0 则停止计数。 所以， GATE 位是专门用来选择计数去启动方式的控制位， GATE=0 时可由程序来启动计数， GATE=1 时可由外部硬件通过 INT0 端来启动计数。 两个 8 位计数器均为加法计数器，它们的级联和计数范围是由 TMOD 中的 M1 和 M0来控制的。 M1 和 M0 可设置四种内部计数的工作方式，如下表 ： 表 3.5 四种 工作方式表 工作方式 M1 M0 功能 计数范围 0 0 0 13 位二进制加法计数器 8192-初值 1 0 1 16 位二进制加法计数器 65536-初值 2 1 0 可重置初值的 8 位二进制加法计数器 256-初值 3 1 1 2 个独立的 8 位二进制加法计数器（对 T0） 256-初值 工作方式 0 特点是：主要为兼容早期的 MCS-48 单片机所保留，一般可用方式 1 代替。 工作方式 1 特点是：计数范围宽，但每次的初值都要由程序来 设置。 工作方式 2 特点是：初值只需设置一次，每次溢出后，初值自动会从 TH0 加载到 TL0 或nts智能红外检测 系统 设计 11 从 TH1 加载到 TL1，但计数范围较方式 1 小。 工作方式 3 特点是：增加了一个独立的计数器，但只能适用于定时器 0，而且占用了定时器 1 的 TR1 和 TF1，此时的定时器 1 只能用于不需要中断的应用。 四种工作方式对溢出处理均相同，加法计数超出范围后，溢出信号将使 TCON 中的TF0 或 TF1 置位，计数值回到 0 或初值，重新开始计数。 TF0 或 TF1 置位后，可向 CPU提出中断请求。 TF0 和 TF1 在 CPU 响应中断后会自动复位，而在禁止中断响应时 ，也可由软件来复位 12 。 定时器 /计数器 0 和定时器 /计数器 1 的中断由 TF0 和 TF1 置位产生。当两定时器的计数器回零时产生溢出，使 TF0 和 TF1 置位向 CPU 申请中断。 CPU 响应后，转入中断服务程序，由硬件清除中断标志 TF0 或 TF1。定时器 /计数器的启停 ： T0 为定时方式 1,在置TR0=1 以后 ,定时立即开始 ,但在定时时间到后 ,还必须用软件再次装入初值、重新启动才能开始新的定时。例如： T1 为定时方式 1,在置 TR1=1 以后 ,定时立即开始 ,但在定时时间到后 ,还必须用软 件再次装入初值、重新启动才能开始新的定时。 本设计需要用到定时器 /计数器 0 和定时器 /计数器 1： （ 1）定时器工作方式的选择： 定时器有 4 种工作方式 ,选择哪一种 ， 首先要看这几种工作方式所允许的最大时间间隔。本设计所用的时钟为 12MHz 时 ， 一个机器周期为 1s 由于定时器是对机器周期计数的 ， 所以 ： 8 位定时器最大定时间隔 ： 28 1 S=256 S 13 位定时器最大定时间隔 ： 213 1 S=8.192ms 16 位定时器最大定时间隔： 216 1 S 65.535ms 本系统要求定时间隔为 2 秒（及以上） ， 这三种方式都不能满足。对于较长的定时间隔应采取复合的办法。例如 ， 可将 T0 设成定时间隔为 50ms， 将 R1 设为循环次数 40， 就能完成 2 秒的定时 ： 50ms40=2s。 由于系统设定定时间隔为 50ms，所以只能用方式 1。 （ 2） TMOD（ Timer/Counter Mode Control） 方式控制字的设定： 系统用到两个定时器 T0、 T1， 并将 T1 定时器设成方式 1， T0 定时器设成定时方式 1 ，按这种方案考虑： TMOD 的初值应该是 ： 11H 0 0 0 1 0 0 0 1 （ 3）定时 /计数初值的计算与装入： 当 T0 定时时间到后，产生溢出标志 TF0=1，如果此时中断开放，可以产生中断；若不采用中断，也可用软件查询这个标志。同样，当 T1 计数次数到时，置 TF1=1，即可用于中断请求，也可用于查询。 T0 与 T1 初值应按补码计算。实际计算方法是 ： 假定初值为 X， 由于本系统设计的定时间隔 50ms， 所以应该有： (216-X)1S 50ms nts无锡职业技术学院毕业论文设计 12 X=15536=3CB0H 把 3CH 装入 TH0， B0H 装入 TL0。 3.5.3 存储空间 MCS-51 系列单片机在物理上有 4 个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器 34 。 从逻辑地址空间分析， MCS-51 有 3 个存储器空间：片内外统一的 64KB 的程序存储器地址空间、 256B 的内部数据存储器地址空间以及 64KB 的外部数据存储器地址空间。 下面主要介绍一下内部数据存储器 。 内部数据存储器在物理上又可以分为 2 块： 00H-07FH 单元组成的低 128 字节的 RAM块 ，如下图 3-5-1； 80H-0FFH 高 128 字节的专用寄存器块（ SFR） 。 MCS-51 的内部 RAM 结构如 下 图。其中 00H-1FH 单元共 32 个字节是四个通用工作寄存器区，每个区还有 8 个工作寄存器 ，编号为 R0-R7。专用寄存器 PSW 中有 2 位专门用来确定使用哪个工作寄存器区。 7FH 80B 30H 位寻址区 16B 2FH 位地址 20H 00H-7FH 1FH 3 区 低 128BRAM 18H R0-R7 17H 2 区 10H R0-R7 工作寄存器区 32B 0FH 1 区 08H R0-R7 07H 0 区 00H R0-R7 nts智能红外检测 系统 设计 13 3.3 各单元电路设计 单片机所需要的控制信号不能是原始信号，因为单片机对其控制信号有一定的要求。本系统对信号的处理使用了低通滤波电路、施密特整形电路以及正反放大等电路，下面做简单介绍。 3.3.1 低通滤波电路 图 3.1 低通滤 波 本系统采用的一阶 RC 低通滤波电路 7 ，如图 3.1 所示。 （ 1） 传递函数 电路的微分方程为： 进行 S域变换后可得 RC低通电路的传递函数是： （ 2）幅频响应 令 =RC， 带入微分方程并取拉氏变换可得 或者 由此可得幅频关系为： 由上式可知 w=1/ 为该滤波器的截止频率， 红外信号的频率是已知的， 而 =RC，因此，nts无锡职业技术学院毕业论文设计 14 可以通过设定 R和 C的值 来设定 滤波器的截止频率 ，使红外信号能通过滤波器而高于截至频率的信号被滤除。 3.3.2 施 密特整形电路 施密特触发器是最常用的脉冲整形电路之一，其功能是可以将缓慢变化的电压信号转变为边沿陡峭的矩形脉冲。 施密特触发器的两个显著的特点是：（ 1）具有连个稳定状态，即输出端 Q 或 要么为“ 1”要么为“ 0”，这连个稳定状态在在一定条件下能互相转换。（ 2） 具有滞后电压特性，即正向和负向翻转的阈值电压不一样，正向阈值电压大于负向阈值电压，当输入电压上升到正向阈值电压时，触发器翻转，当输入电压下降到负向阈值电压时，触发器再次翻转。滞后电压为正负向阈值电压的差值。 处了专门的施密特触发器集成 电路外，施密特触发器还可由门电路或时基电路构成。这里介绍由 555定时器构成的触发器。 555 定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以 555 定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中得到了应用。 如图 3.2 所示，将 555 定时器的置“ 1”输入端（ 2 脚）和置“ 0”输入端（ 6 脚）并接在一起作为施密特触发器的输入端，其输出端（ 3脚）作为施密特触发器的输出端。 图 3.2 施密特整形电路 当输入信号 Ui 2/3Vcc 时，输出信号 Vo=0；当输入信号 Ui 1/3Vcc 时，输出信号Vo=1。输出信号 Uo与输入信号 Ui相位相反。 3.3.3 放大电路 经过施密特整形后的信号还不能直接驱动单片机进行工作，需要经过放大调理后才可以。本系统中采用反向放大电路对信号进行调理，下面做简单介绍。 （ 1） 电压增益 图 3.3所示为反向输入放大电路。由图利用虚短和虚断概念有： Av=Vo/Vi= Rf/R1 nts智能红外检测 系统 设计 15 图 3.3 放大电路 可以看出，该电路的电压增益就是电阻 Rf和 R1的简单比值，负号说明，输出信号电压 Vo相对 于输入信号电压 Vi相位相差 180度，所以这种接法称为反向输入。 （ 2） 输入电阻和输出电阻 当输入信号电压加到放大电路的输入端时，放大电路就相当于信号源的一个负载电阻。这个负载电阻就是放大电路的输入电阻 Ri。对于上图所示电路，有 Ri=Vi/Ii=R1 由于理想运算放大器的输出电阻为零，因此，反向比例运算放大器电路在理想情况下输出电阻为零 89 。 3.3.4 单片机最小系统 3.3.4.1 单片机最小系统组成 单片机最小系统主要以 AT89S51 为核心 ，外加复位电路及时钟电路组成 ，系统框图如图 3.3 所示： 图 3.3 最小单片机 框图 3.3.4.2 时钟电路 89C51芯片内部有一个高增益反相放大器 ，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为 XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容 C1和 C2 就可以构成稳定的 自激振荡器。电容 C1和 C2取 30pF，取 12MHZ石英晶体，则时钟频率为 12MHZ。 复位电路 单片机 AT89S51 时钟电 路 nts无锡职业技术学院毕业论文设计 16 3.3.4.3 复位电路 复位操作采用上电自动复位方式。上电自动复位是在加电瞬间 通过 电容 充电来实现的，其电路如图所示。在通电瞬间，电容 C 通过电阻 R 充电， RST 端 复位高电平持续时间大于 2 个机器周期， 单片机便可复位。 复位电路如图 3.4 所示， 晶体采用 12MHZ， 电容取10F，电阻取 8.2k 。 VSS AT89C51 图 3.4 复位电路 3.3.5 控制驱动电路 如图 3.4所示此时，输入信号 Vi 直接加到同向输入端，而运算放大器的反向输入端通过电阻 R1接地由虚短和虚断 可得： Av=Vo/Vi=1+Rf/R1 如图 3.4 驱动 电路 此式表明 Av为正值，说明输出电压 Vo与输入电压 Vi相位相同它的一个重要的特性是，由于信号接到同向输入端，因此放大电路的输入电阻实际上趋于无穷大，同时和上述反向放大电路一样，同向放大电路的输出电阻也为零所以同相放大电路在电路中可用作缓冲放大器，以高阻抗和信号源连接，低阻连接负载 3.3.6 读键电路 如下图所示，在 AT89C51 的 P1.0 口上安装一个开关、一个电阻和一个支流电源就构成了读键电路，当开关闭合的时候， P1.0位低电平；当开关打开的时候， P1.0位高电平。因此，在进行软件设计时，可以通过一条指令检测 P1.0 的电平，由此可控制单片机的启VCC RST/VPD VSS nts智能红外检测 系统 设计 17 动与否。 图 3.5 按钮电路 3.3.6 各单元电路之间的连接 图 3.6 信号调理电路 通过上图可以清楚地看到从光电传感器输出的信号的处理过程，首先由低通滤波器滤除掉高频信号的干扰，然后由整形电路对信号进 行整形，使之变成脉冲信号，最后经过两极放大电路把信号放大使之能达到驱动单片机的要求 1112 。 图 3.7 单片机与输入设备的连接 调理过的信号分成两路，一路直接接单片机的 INT0端，另一路经过一个非门后接单片机的 INT1端。 INT0用于检测是否有人靠近，而 INT1用于检测人是否离开。 nts无锡职业技术学院毕业论文设计 18 单片机的输出端为 P2.0，由于信号处理电路采用的是同向输入放大电路，所以输出端接运放的正向输入端。 图 3.8 单片机与输出设备的连接 nts智能红外检测 系统 设计 19 第四章 软件 流程 设计 4.1 系统 主程序 流程图 说明： （ 1）查询按钮键 P1.0,是否启动单片机；（ 2）单片机启动后，在正常情况下 ,人来后 ,INT0接收到信号，第一阶段自动放水 2s ,人走后 ,第二阶段自动放水 6s ;（ 3）如果使用太频繁 ,如使用间隔小于 1min ,则在第二个人来后 ,不进行 2s 的放水 ,人走后 ,放水 4s ；（ 4）放完水后自动进入省电模式。 初始化程序 进入省电模式 按键 ？ N Y 系统启动 nts无锡职业技术学院毕业论文设计 20 4.2 读键程序的设计 读键部分的流程图如下图所示： 返 回 人 走 冲水 4S 冲水 6S 使用频繁？ Y N 人来 使用频繁？ 冲水 2S 返 回 Y N nts智能红外检测 系统 设计 21 当开关闭合的时候，单片机的 P1.0 位置“ 0”，而开关打开时， P1.0 位为高电平。设计程序时可以通过检测 P1.0 这个位为高电平还是低电平来决定单片机工作与否。本系统程序设计的方式为： P1.0=0 则单片机启动， P1.0=1 则查询。 工作在查询方式下的开关程序： LOOP0: JB P1.0 , LOOP0 nts无锡职业技术学院毕业论文设计 22 第五章 总 结 毕业设计是工科高 等职业技术教育的重要组成部分，是教学计划中的重要一环，是高等职业教育必须面向应用、面向职业的具体体现。毕业实习与设计是学生走向社会，接触社会，了解社会的良好机会，是培养学生综合运用所学的基础理论，基本知识和基本技能，分析解决实际问题能力的一个至关重要环节。它与其它教学环节彼此配合，相辅相成，在某种程度上是前面各个教育环节的继续，深化和检验。
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