灯塔导航设计传感器教材

1、摘要本文主要论述了利用光敏三极管的光电检测功能模拟海上灯塔控制电路。在夜间， 灯塔具有引导航行的作用。此系统是以光敏三极管，单片机为核心开发制作的自动控 制灯塔导航系统，采用光敏三极管来完成自动控制识别白天和黑夜的任务，并可以用 电位器对其灵敏度进行微调。夜间灯塔内的灯是海上船舶在内河安全航行的助航设施， 其主要功能是表示航道方向，界限与障碍物，为船舶航行指示安全的航道，该系统经 改进后还可以广泛应用于报警系统，交通灯控制，楼道光控照明灯控制等多个领域， 具有实际开发价值。关键词： 海上灯塔，导航，光敏三极管， A/D 转换，单片机，自动控制目录摘要 - 1 -引言 - 3 -一、设计目的及要

2、求 - 4 -1. 设计目的-. .4. -2. 设计要求-. .4. -二、设计方案与论证 - 4 -1. 设计思路-. .4. -2. 总体方案 -. .4. -3. 总体框图 -. .5. -三、硬件设计设计原理及电路图 - 5 -1.芯片及原理介绍 -. .5. -2.硬件电路图 -. .9. -四、软件设计设计原理及流程图 - 10 -1.软件环境 -. .1. 0 -2.软件流程图 -. .1. 1 -五、器件清单 - 11 -六、软件编程与调试 - 11 -七、控制系统实现 - 14 -八、设计心得 - 14 -九、参考文献 - 15 -引言随着社会的发展和科学技术的进步，人们在

3、研究自然现象和规律及生产活动时， 必然从外界获得大量信息，信息的获取、处理、传输已经成为信息领域的关键技术。 要及时正确地获取这些信息，就必须合理地选择和应用各种传感器和检测技术。作为 信息技术的三大支柱之一，传感器与检测技术已渗透到人类的科学研究、工程实践和 日常生活的各个方面，在促进生产发展和科学技术进步的广阔领域中发挥着重要的作 用。光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电 转换元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下具有 非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，加之激光光源、光栅、光学 码盘、 CCD器件、光导纤维等的相

4、继出现和成功应用，使得光电传感器的内容及其丰 富，在检测和控制领域获得了广泛的应用。随着海上交通运输业迅速的发展，海上航行安全问题已经越来越被人所重视。为 了解决夜晚航行安全问题，本文对此问题进行了研究和分析解决。本设计是以光敏三极管，单片机为核心开发制作的自动控制灯塔导航系统，采用 光敏三极管来完成自动控制识别白天和黑夜的任务，用 ADC0832 完成模数转换部分， 并可以用电位器对其灵敏度进行微调。灯塔内的灯在黑夜每隔 2 秒闪闪发光，可以起 到指示航道方向，界限与障碍物等作用，由此夜晚航行安全问题得以解决。、设计目的及要求1. 设计目的本设计主要是应用 Proteus ISIS软件和嵌入

5、式 C语言编程工具，结合传感器与检测 技术，单片机原理及应用等专业课程，强化和巩固专业理论基础，掌握Proteus ISIS仿真的技巧和嵌入式 C 语言编程工具，提高传感器的应用能力，并为嵌入式开发打下基 础。2. 设计要求1. 灯塔内的灯在黑夜能定时闪闪发光，白天不亮2. 设定时间间隔为 2秒，即亮 2秒，灭 2 秒，周期循环（系统晶振 12MHZ）3. 可以对其灵敏度进行微调二、设计方案与论证1.设计思路（1）使用光敏三极管来完成自动控制识别白天和黑夜的任务（2）用 ADC0832完成模数转换部分（3）用电位器对其灵敏度进行微调2.总体方案本系统可分为三个模块，以单片机为主控单元，采用光敏

6、三极管来完成自动控制 识别白天和黑夜的任务，用 ADC0832 完成模拟信号到数字信号的转换过程，在定时器 中断中实现 LED灯闪烁的控制，并可以用电位器对其灵敏度进行微调。3. 总体框图图 1 总体框图三、硬件设计设计原理及电路图1.芯片及原理介绍（1）AT89S52（由于在仿真软件中没有该元件，用 AT89C51替代）AT89S52 与 MCS-51单片机产品兼容、 8K字节在系统可编程 Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作： 0Hz33MHz、三级加密程序存储器、 32个可编程 I/O 口线、三个 16 位定时器 /计数器、八个中断源、全双工串行通道、低功耗空闲和掉电模式

7、、掉电后中断可唤醒、双数据指针、掉电标识符图 2 AT89S52引脚示意图AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：表 1 AT89S52 特殊功能引脚引脚特殊功能P1.0T2（定时器 T2 外部输入）P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）- 5 -P3.2（外部中断 0）P3.3（外部中断 1）P3.4T0（定时器 0 外部输入）P3.5T1（定时器 1 外部输入）P3.6WR（ 外部数据存储器写选通 ）P3.7RD（外部数据存储器读先通）（2）ADC0832（a）ADC0832是 8 脚双列直插式双通道 A/D 转换器，能分别对两路模拟信号实现 模数转换，可以用在单

8、端输入方式和差分方式下工作。 ADC0832采用串行通信方式， 通过 DI 数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送。 8 位的分辨率（最高分辨可 达 256 级），可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用， 使得芯片的模拟电压输入在 05V之间。具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据 误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制 变的更加方便。（b）ADC0832具 有以下特点： 8 位分辨率； 双通道 A/D 转换； 输入输出电平与 TTL/CMOS相兼容； 5V 电源供电时输入电压在 05V 之间； 工作频率为 250KHZ，转换时间

9、为 32 S； 一般功耗仅为 15mW； 8P、 14PDIP（双列直插）、 PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为 0C to +70 C，工业级芯片温宽为 -40C to +85 C；图 3 ADC0832 引脚图（c）芯片接口说明： CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道 0 ，或作为 IN+/- 使用。 CH1 模拟输入通道 1 ，或作为 IN+/- 使用。 GND 芯片参考零电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）（d）ADC0832的工作原理：正常情

10、况下 ADC0832与 单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、DI。 但由于 DO端与 DI 端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将 DO和 DI 并联在一根数据线上使用。当 ADC0832未工作时其 CS输 入端应为高电平，此时芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的电平可任意。 当要进行 A/D转换时， 须先将 CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工 作，同时由处理器向芯片时钟（ CLK）输入端输入时钟脉冲， DO/DI端则使用 DI 端输入 通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前 DI

11、 端必须是高电平，表示启 始信号。在第二、三个脉冲下沉之前 DI 端应输入两位数据用于选择通道功能。表 2 通道地址设置表通道地址通道工作方式 说明SGL/DIFODD/SIGN0100+-差分方式01-+10+单端输入 方式11+如表 2 所示，当此两位数据为“ 1”、“0”时，只对 CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“ 1”、“ 1”时，只对 CH1进行单通道转换。当两位数据为“ 0”、“0”时， 将 CH0作为正输入端 IN+，CH1作为负输入端 IN- 进行输入。当两位数据为“ 0”、“ 1” 时，将 CH0作为负输入端 IN- ，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。到第三个脉

12、冲的下降 之后 DI 端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI 端则开始利用数据输出 DO进行转 换数据的读取。从第 4 个脉冲下降沿开始由 DO端输出转换数据最高位 Data7，随后每 一个脉冲的下降沿 DO端输出下一位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 Data0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下降沿输出 Data0。随后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也 标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行 处理就可以了。作为单通道模拟信号输入时 ADC0832的输入

13、电压是 05V且 8 位分辨率时的电压 精度为 19.53mV，即（ 5/256 ） V。如果作为由 IN+与 IN-输入的输入时，可是将电压值 设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN- 的输入时，如果 IN- 的电压大于 IN+的电压则转换后的数据结果始终为 00H。（e）ADC0832的工作时序图 4 ADC0832的工作时序图（3）光敏三极管（a）简介 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是 受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极 管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。

14、（b）优越性当具有光敏特性的 PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基 极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于 倍的信号电流。不同材 料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放 大作用，即很高的灵敏度。（c）基本结构和工作原理三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN结，两个 PN结把正块半导 体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区， 排列方式有 PNP和 NPN 两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极 b 发射极 e和集电极 c。基区很薄， 而发射区较厚，杂质浓度大， PNP 型三极管发射区 发射 的

15、是空穴，其移动方向与电 流方向一致，故发射极箭头向里； NPN 型三极管发射区 发射 的是自由电子，其移动 方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。2.硬件电路图（a）时钟电路b）复位电路图 5 时钟电路图图 6 复位电路图 c）传感器与 A/D 转换电路图 7 传感器与 A/D 转换电路图d)总电路图图 8 总电路图四、软件设计设计原理及流程图1.软件环境本次课设用到了 Vision 集成开发环境， 使用单片机 C51语言。单片机 C51语言继 承了 C语言的特点， 其程序结构与一般 C语言的程序结构没有差别。 C51源程序文件的 扩展名为“ .c”，如 test.c 等。每个 C51源程序包

16、含一个名为 main()函数开始的。当主函 数的所有语句执行完毕，则程序执行结束。- 10 -2.软件流程图图9 程序流程图五、器件清单表 3 元件清单元件序号型号主要参数数量备注光敏三极管OPTOCOUPLER-NAND250uA15mA1AD 转换器ADC0832无1单片机AT89C514个 I/O 口1电位器POT-HG1k1LED 灯LED-YELLOW无1开关SWITCH无1开关BUTTON无1电容CAP33pF，10uF2，1晶振CRYSTAL1MHz1电阻RES1k，10k1，1电源POWER无3地GROUND无3六、软件编程与调试源程序：- 11 -#include #incl

17、ude unsigned char Get_AD_Result()/* 预定义部分 */ sbit led=P00; sbit dio=P32; sbit cs=P30; sbit clk=P31; unsigned char s=0; /*AD 转换部分 */led 控制/ad 模拟信号输入端/ad 选通控制/ad 时钟信号/ 计数时间 =s*50msunsigned char i,dat1=0,dat2=0;cs=0;clk=0;dio=1;_nop_();_nop_(); clk=1;_nop_();_nop_();clk=0;dio=1;_nop_();_nop_();clk=1;_n

18、op_();_nop_();clk=0;dio=0; _nop_();_nop_(); clk=1;dio=1; _nop_();_nop_(); clk=0;dio=1; _nop_();_nop_(); for(i=0;i8;i+) / 高位到低位 clk=1; _nop_();nop_();clk=0; _nop_();_nop_();dat1=dat11|dio;for(i=0;i8;i+) / 低位到高位dat2=dat2|(unsigned char)(dio)i);clk=1; _nop_();_nop_();- 12 -clk=0; _nop_();_nop_();cs=1;r

19、eturn (dat1=dat2)?dat1:0; / 检验是否转换正确，正确则返回转换后的数字量 /* 主控部分 */void main()led=0;EA=1;ET0=1;TMOD=0x01;TH0=(65535-46083)2/ 56;TL0=(65535-46083)%256;TR0=1;while(1)if(Get_AD_Result()50) /检测是否黑暗TR0=1;elseTR0=0;led=1;/*LED 闪烁部分 */void timer0(void) interrupt 1s+;- 13 -if(s=40) / 检测是否到达 2s led=!led;s=0;TH0=(65535-46083)2/ 56;TL0=(65535-46083)%256;七、控制系统实现调试结果：图 10 调试结果图八、设计心得本次课程设计的题目是基于光敏三极管的光电信号检测海上灯塔导航设计。最