智能光电定时器设计说明.doc

智能光电定时器设计一 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。本设计的最大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。MCS51中断系统的5个中断源为：INT0(外中断0，来自P3.2引脚)；INT1(外中断1，来自P3.3引脚)；T0（片内定时器/计数器0溢出中断请求，来自P3.4引脚）；T1(片内定时器/计数器1溢出中断请求，来自P3.5引脚)；串行接口中断。其中只有串行接口中断不能和传感器相连，其它四个都可与传感器相连。在本系统设计时，定时时间的置入采用光电置入方式，选取四个光电传感器分别对应四个中断I/O口。其中，P3.2引脚外接的电路，即外中断0用作时间定时结束的标志位。因其在低电平有效，所以系统开始时让其处于低电平状态，可以进行时间定时，一旦跳变为高电平，即表示时间定时完毕，可以进行下一步操作了。实际在本系统设计时用了一个拨码开关，通过其闭合或断开来表征定时状态。闭合即低电平可以定时，断开即高电平定时完毕；P3.3引脚外接的电路，即外中断1用作定时时间小时位的输入控制。本系统设计时只用了一个字节的小时位寄存器，故小时输入范围在015之间；P3.4引脚外接的电路，即定时/计数器0溢出中断请求用作分钟十位的输入控制，让其工作于方式2，并赋予初值FFH，这样每定时置入一次，T0便溢出引起中断一次，计数一次，接着又自动为T0重载初值FFH，以等待下一次置入。其定时范围在05之间；P3.5引脚外接的电路，即定时/计数器1溢出中断请求用作分钟个位的输入控制，也让其工作于方式2，功能同上P3.4引脚。其定时范围是09。光电定时置入时，每置入一次，都有灯提示。由上可以看出，定时器定时范围是0：015：59，定时精度是1分钟。定时完毕后，接着调用延时子程序。延时子程序包括1小时延时子程序10分钟延时子程序1分钟延时子程序和0.2秒延时子程序，它们都是预先编辑好的程序块，直接调用。在调用延时程序时，让灯一直闪烁(1秒亮，1秒灭)。当定时时间到时，灯闪烁速度加快（0.2秒亮，0.2秒灭），同时音乐芯片响，表示定时时间到。二 硬件说明下面对系统中用到的光电器件简单说明。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；6） 光照特性和光谱特性；7） 伏安特性；8）温度特性。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。由实验测知，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。 2 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。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。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。它具有体积小、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。发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；脉冲直流驱动的发光二极管的电流也为脉冲电流，发出的是同频率的脉冲光。（二） 发光二极管的特性及主要参数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。1 伏安特性发光二极管的伏安特性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。2 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。3 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。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。3 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。4 光敏二极管和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。1） 光敏二极管光敏二极管的基本原理是，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。（1）光敏二极管加反向电压时，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。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）光敏二极管不加电压，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。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），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5 光电传感器使用注意事项 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。6 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1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2所示。图1 十线拨盘结构 图2 三位十进制拨盘组 图3 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1 BCD码拨盘的输入输出状态表。表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 1BCD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4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。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。 图4 单片BCD拨码盘与8031的接口三 硬件电路图No.4No.3No.2No.1No.1:光敏电阻接P3.3(外部中断1)口，用作小时位置入。No.2:反射式光电开关接P3.2(外部中断0)口，用作定时状态控制标志。事实上，在系统设计时，其功能已被拨码开关4代替。No.3:红外光电对管接P3.4(T0)口，用作分钟高位置入。No.4:光电开关接P3.5(T1)口，用作分钟低位置入。上述各中断都是低下降沿触发方式，所以在定时置入时，只有各光电开关为低电平时才有效，即才可以定时置数。四 软件流程图 1 主程序流程图：开始 初 始 化等 待 置 数调用中断子程序，开始置数N置数完毕？Y关中断，调用延时子程序调用完毕，开中断，灯光声音报警结束2 T0中断服务子程序流程图：（INT1,T1中断程序同理）T0中断服务子程序关中断软件去抖NOYESYES中断返回去抖，开中断寄存器清零，重新计数NOP3.4口为低电平？分钟高位定时置数，同时绿灯闪烁0.2秒置数是否达6？五 程序清单最大定时时间15时59分，精度1分钟；31H 小时存放地址，32H分钟高位存放地址，33H分钟低位存放地址；拨码开关4用于控制定时置数状态，接P1.4口。P1.4为低，则等待定时置数；P1.4为高，则顺序执行，调用延时程序。音乐芯片接P1.6口；绿灯接P1.7口。它是唯一可控的LED，所以编程时可充分利用其来表征各装态。ORG 0000HLJMP MAIN;ORG 0003H; AJMP INT0ORG 000BHLJMP MINHORG 0013HLJMP HOURORG 001BHLJMP MINLORG 0100H*MAIN:MOV SP,#60H ；初始化 MOV 30H,#00H MOV 31H,#00H MOV 32H,#00H MOV 33H,#00H CLR P1.6 SETB P1.7 ；初始化让绿灯灭 MOV TMOD,#66H MOV TCON,#55H MOV IE,#8FH MOV TH0,#0FFH MOV TL0,#0FFH MOV TH1,#0FFH MOV TL1,#0FFH*HERE: JNB P1.4,HERE ；等待定时置数 LJMP START*START:CLR EA ；关中断，开始调用延时程序。调用过程中绿灯1秒闪烁。调用完毕时，灯0. 2秒闪烁，同时音乐响LOOP1:MOV A,31H ；LOOP1调用小时延时程序 CJNE A,#00H,J1 ；判断小时调用是否完毕 LJMP LOOP2 ；小时调用完，则转去调用分钟高位延时J1: LCALL DEL1h DEC 31H LJMP LOOP1LOOP2: MOV A,32H ；LOOP2调用分钟高位延时程序 CJNE A,#00H,J2 ；判断分钟高位调用是否完毕 LJMP LOOP3 ；分钟高位调用完毕，则转去调用分钟低位延时J2: LCALL DEL10m DEC 32H LJMP LOOP2LOOP3: MOV A,33H ；LOOP3调用分钟低位延时程序 CJNE A,#00H,J3 ；判断分钟低位是否调用完毕 LJMP OVER ；分钟低位调用完毕，则转去调用报警程序J3: LCALL DEL1m DEC 33H LJMP LOOP3OVER: LCALL ALARM ；调用报警程序，调用完毕绿灯亮 SETB EAWAIT:JB P1.4 WAIT ；等待，判断条件，P1.4高电平，继续等待 CPL P1.7 ；P1.4低电平，转去主程序，等待定时置数 LJMP HERE*HOUR: CLR EA ；关中断，小时置入 LCALL DEL0 JNB P3.3,RU1 JMP END1RU1: INC 31H CPL P1.7 ；每置入一次数，绿灯闪烁0.2秒 LCALL DEL0 CPL P1.7 MOV A,31H CJNE A,#16,END1 ；判断小时定时范围，循环定时置数 MOV 31H,#00HEND1: LCALL DEL0 SETB EA RETIMINH: CLR EA ；关中断，分钟高位置入 LCALL DEL0 JNB P3.4,RU2 JMP END2RU2: INC 32H CPL P1.7 ；每置入一次数，绿灯闪烁0.2秒 LC