智能光电定时器.doc

51单片机课程设计题目：智能光电定时器组员：XXX XXX XXX目录概述.3智能光电定时器设计.3智能光电定时器硬件设计.3 电路介绍.4 器件介绍.6智能光电定时器软件设计.12软件流程图.12程序.14结论.20改进意见、体会及收获.20课程设计心得.20参考文献.20概述（一）定时器概述人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。 1876年，英国外科医生索加取得一项定时装置的专利，用来控制煤气街灯的开关。它利用机械钟带动开关来控制煤气阀门。起初每周上一次发条，1918年使用电钟计时后，就不用上发条了。 随着时代的进步 电子行业的发展 定时器的应用也越来越广泛 但传统的定时器都是使用发条驱动式 电机传动式 或电钟式等机械定时器 电子定时器相对传统定时器来说 体积小 重量轻 造价低 精度高 寿命长 而且安全可靠 调整方便 适于频繁使用 。（二）电子定时器的应用电子定时器在家用电器中经常用于定时。定时可用于：照相定时曝光、定时闪光、定时放大、定时调速、冰箱门开定时报警等。例如：空调中的定时器，在工作一段时间之后便能自动切断电源停止工作。夏季夜间使用，入睡前先顶好时间，等睡熟后到了预定时间，空调自动关机。方便节能。定时器除了应用于家用电器外，还广泛地用于工业农业生产和服务设施，甚至军事等。（三）电子定时器的发展前景由于电子定时器的体积小、精度高、寿命长、而且安全可靠、调整方便、适于频繁使用等优点。所以电子定时器的发展必定大有前途。同时随着现代电子技术的发展，电子定时器也在不断的进步，朝向着更多用途、更高精度、更小体积发展着。智能光电定时器设计本次课程设计我们选择的题目是智能光电定时器，利用89C52单片机的定时器模块产生1秒的定时，制作智能定时器。其功能是用户可以根据实际需要多次设定想要的定时时间进行定时，用数码管显示，用光电器件进行时间设定，复位，启动计时功能。其硬件设计和软件设计流程如下：智能光电定时器硬件设计（一）电路介绍：硬件原理图电路原理图PCB图各部件电路图稳压电路蜂鸣器电路 指示灯电路复位电路时间加1电路时间减1电路功能键电路（二）器件介绍：数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。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。1.透射式与反射式图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。 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。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）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RK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，RK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RK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 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。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。光敏二极管的结构和特性曲线 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NPN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。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。 光敏电阻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。 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。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。硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线 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。 光敏电阻的光谱特性曲线 光敏电阻的时间响应曲线光敏电阻的应用 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。 智能光电定时器软件设计(一)软件程序流程图开始系统初始化按下功能键？是否第一次按下？是否进入秒钟设置第二次按下？是否进入分钟设置第三次按下？是退出设置，开始定时否按下复位键？否是按下加1键？按下减1键？秒钟数减1否是秒钟数加1否流程跳到下一页是是蜂鸣器响否复位键？否是跳到初始化定时到？是接上一页第二次按下功能键按下加1？是分钟加1进入分钟设置否按减1？是分钟减1否（二）程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit SCAN_JIAN=P11;/减1键sbit SCAN_RESET=P10;/复位键sbit SCAN_JIA=P12;/加1键sbit SCAN_GN=P32;/功能键sbit LS=P20;/蜂鸣器引脚/*LED 位*/sbit LED_4=P24;sbit LED_3=P25;sbit LED_2=P26;sbit LED_1=P27;void YIN_YUE();/* 全局变量*/ code uchar LED=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/数码管的段码uchar a, b =20,T_F=0,T_M=0,LED_WEI4,i=10,c;bit flag1=0;/定时时间到，复位标志/* 延时函数*/void delay(uint m)unsigned int i,j;for (i =0;im;i+) for(j=0;j=60)T_F=0; print(T_M,T_F);delay(100); if(SCAN_JIA=1&c=2)while(SCAN_JIA=1) print(T_M,T_F);T_M+;if(T_M=60)T_M=0; print(T_M,T_F);delay(100); if(SCAN_JIAN=0) delay(2); if(SCAN_JIAN=0&c=1) while(SCAN_JIAN=0) print(T_M,T_F); / 等待键释放T_F-; if(T_F= -1)T_F=59; print(T_M,T_F);delay(100); if(SCAN_JIAN=0&c=2) while(SCAN_JIAN=0)print(T_M,T_F);T_M-; if(T_M= -1) T_M=59;print(T_M,T_F);delay(100); /* TIME */void time_1(void)interrupt 1EA=0; TH0=60; TL0=175; b-;if(b=0) b=20; if(T_F=0) if(T_M!=0) T_M=T_M-1; T_F=59; print(T_M,T_F); else T_M=T_F=0;ET0=0;print(T_M,T_F);YIN_YUE();elseT_F=T_F-1;EA=1;/en:;/* 音乐*/ void YIN_YUE() while(1)if(SCAN_RESET=0)T_F=0; T_M=0;TR0=0;flag1=1;return;/goto en;P2|=0x0f;for(i=25;i0;i-) print(T_M,T_F); P2&=0xf0;for(i=25;i0;i-)print(T_M,T_F); void initial()/初始化定时器 LS=0;/关闭蜂鸣器 EA=1; TMOD=0x01; TH0=60; TL0=175; / 11.05926 50MS ET0=1;IT0=1;P1=0XFF; P1=0X00;print(T_M,T_F);/* 主函数*/void main()/int i;enl:initial();while(1)print(T_M,T_F);if(SCAN_GN=1)SCAN();if(SCAN_RESET=0)T_F=0;T_M=0;TR0=0;if(flag1=1)flag1=0;goto enl;结论本文在回顾定时器发展历程的基础上，首先阐述了定时器的基本原理，进而详细介绍了定时器相关的各种专业名词和术语。硬件选型方面选用STC公司的STC89C52RC单片机作为核心，用LED数码管显示和蜂鸣器作为电源输