红外反射式传感自动控制开关设计

1、重 庆 邮 电 学 院 自 动 化 学 院 认 识 实 习实 验 指 导 书 红外反射式传感自动控制开关设计罗克韦尔实验室 编写 罗克韦尔实验室 第一章 认识实习目的任务及要求一、 目的高校是工程师的摇篮，要培养德才兼备的合格工程师，必须要进行理论知识和实践动手能力的正规化培训。认识实习是自动化学院学生必须参与的一项实践教学环节。是对学生进行电子产品焊接、装配、调试等生产过程的一种正规化的培训，以充实理论教学中不能学到的知识和技能。同时，把在理论教学中学到的知识具体运用到实际工作中，提高学生的综合素质，从而达到工程师基本功培训目的，使学生成为既有理论知识，又有实际动手能力的工程技术及管理人才。

2、二、 任务1、学会识别常用的电器元件。2、能看懂简单的原理图，印刷电路板，装配图。3、掌握焊接和装配技术4、学会和掌握8051系列单片机控制系统的调试方法和步骤。5、学会单片机控制系统的故障分析及简单故障的排除。三、 要求为树立良好的学风，保证教学质量，学生在参加电装实习期间应遵守如下守则：1、 按时进入实习场地，不得迟到和无故缺席，有事向实习老师请假，否则按旷课处理，严重者取消实习资格。实习成绩作零分处理。2、在实习期间，每位学生发一套实习工具，一套本次实习的单片机元器件材料，必须认真清点核对，如有不符立即向老师汇报。事后如有缺少，概由学生自己负责，在实习期间，工具材料不得自己调换、丢失。凡

3、无故损坏或丢失者均照价格赔偿，特别是单片机，一定要认真保管好。3、一切实践环节必须自己动手完成，不准代装、调换，一旦发现，均按作弊处理。4、操作必须严格按工艺规范进行，违反操作规范，引起元器件和仪器损坏，将追究其责任和进行赔偿。5、实习场地内不得大声喧哗，不准随地吐痰、吸烟。保持场地内的安静、文明、整洁、卫生，下课时整理好自己的工具、材料。6、注意安全，致意防火及安全用电，防止事故发生。 罗克韦尔实验室第二章 常用元器件的认识常用元器件的识别一、电阻电阻在电路中用“R”加数字表示，如：R1表示编号为1的电阻。电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置等。1、参数识别：电阻的单位为欧姆（），

4、倍率单位有：千欧（K），兆欧（M）等。换算方法是：1兆欧=1000千欧=1000000欧电阻的参数标注方法有3种，即直标法、色标法和数标法。a、数标法主要用于贴片等小体积的电路，如：472 表示 47×100（即4.7K）； 104则表示100Kb、色环标注法使用最多，现举例如下：四色环电阻 五色环电阻（精密电阻） 2、电阻的色标位置和倍率关系如下表所示：颜色有效数字倍率允许偏差（%）银色/x0.01±10金色/x0.1±5黑色0+0/棕色1x10±1红色2x100±2橙色3x1000/黄色4x10000/绿色5x100000±0.5

5、蓝色6x1000000±0.2紫色7x10000000±0.1灰色8x100000000/白色9x1000000000/二、电容1、 电容的表示电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。 容抗XC=1/2f c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。2、识别方法电容的识别方法

6、与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10 uF/16V容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF 数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。如：102表示10×102PF=1000PF 224表示22×104PF=0.22 Uf3、电容容量误

7、差表符号FGJKLM允许误差±1%±2%±5%±10%±15%±20%如：一瓷片电容为104J表示容量为0. 1 uF、误差为±5%。三、晶体二极管晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如： D5表示编号为5的二极管。 1、作用二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（

8、如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。2、识别方法二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。3、测试注意事项用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下：型号1N40011N40021N40031N40

9、041N40051N40061N4007耐压（V）501002004006008001000电流（A）1111111四、晶体三极管晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示，如：Q17表示编号为17的三极管。1、特点晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。电话机中常用的PNP型三极管有：A92、9015等型号；NPN型三极管有：A42、9014、9018、9013、9012等型号。2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中

10、有三种接法。为了便于比较，将晶体管三种接法电路所具有的特点列于下表，供大家参考。 名称共发射极电路共集电极电路（射极输出器）共基极电路输入阻抗中（几百欧几千欧）大（几十千欧以上）小（几欧几十欧）输出阻抗中（几千欧几十千欧）小（几欧几十欧）大（几十千欧几百千欧）电压放大倍数大小（小于1并接近于1）大电流放大倍数大（几十）大（几十）小（小于1并接近于1）功率放大倍数大（约3040分贝）小（约10分贝）中（约1520分贝）第三章 系统原理介绍红外反射控制器1、产品简介本产品是以ATMEL公司的2051为核心控制器，由红外检测部分、继电器输出部分、光敏电阻开关部分实现开关功能。本产品的特点有抗干扰高稳

11、定型红外反射模块、系统能耗低。当外部有信号时，红外检测部分检测到信号，发送给单片机一个中断信号，当2051检测中断信号，控制继电器导通，直到信号撤出后延时1s钟开关关闭，实现自动开关功能。本产品节能在以下方面体现：1）、只有有信号时才导通，信号撤出后延时1s关闭；2）、在完全黑暗的时候，光电开关检测信号（光），当黑暗的时候产生中断，2051检测中断信号，控制相应的管脚关闭红外检测部分和继电器输出部分的供电电源，以节省能耗。3）、在白天,当红外检测部分没有检测到信号时，2051工作在空闲模式，当红外检测到信号时，2051正常工作触发继电器。这样，最大限度实现节能。2、系统工作原理系统在白天时，光

12、敏电阻开关部分通过LM311比较器输出高电平，2051没有进入中断，2051控制P1.7脚位高，红外部分供。系统处在待机模式，红外发射管工作。当外部有信号时，红外接受管导通，INT1为低电平，2051中断1触发，控制P1.6为高电平，三极管导通，继电器导通。系统处在工作模式。当系统在黑暗时，光敏电阻开关部分通过LM311比较器输出的电平，INT0为低电平.2051中断0触发 ，2051控制P1.7为低电平 ，红外部分不供电。系统处于休眠模式。3、模块介绍1）单片机部分本系统选用AT89C2051单片机为系统核心控制器.AT89C2051是ATMEL公司AT89C51系列产品之一。ATMEL公式

13、的AT89C51系列单片机均以51/52做为内核，该系列的各种型号产品又具有十分突出的个体特色，已经成为广大MCS51单片机用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。MCS-51系列单片机既包括三个基本型80C31、8051、8751，以及对应的低功耗型号80C31、8051、87C51，因而MCS-51特指Intel的这几种型号。在计算机领域，单片机机是指同一厂家生产的具有相同系统结构的机器。20世纪80年代中期以后，Intel以专利转让的形式把8051内核给了许多半导体厂家，如AMTEL、PHILIPS、ANANOG DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容

14、产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些单片机与8051的系统结构（只要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。他们对8051一般都作了一些扩充，更有特点、功能更强、市场竞争力更强。（1）AT89C2051的基本特性：1：与MCS-51单片机兼容，含80C51核2：片内有1KB可重复编程的Flash程序存储器，可擦/写1000次以上3：2.7V6.0V的宽工作电压范围4：全静态逻辑，工作频率可为024MHz5：两级程序存储器加密6：128字节片内RAM7：15条可编程I/O口线8：2个16位定时/计数器9：有5个中断矢量

15、10：1一个可编程全双工串行口11：具有能直接驱动LED发光二极管的能力12：片内有一个高精度的模拟比较器13：提供待机核掉电两种省电工作方式AT89C2051在ATMEL公司的AT89C51系列单片机中，是介于AT89C51和AT89C2051之间的一个高性能微控制器，他具备了AT89C51的几乎全部功能和特性，有具有了AT89C1051那样的20脚外特性，宽工作电压范围个强输出驱动能力，还内置一个高精度模拟量比较器。AT89C2051以其优异的性能价格比和功能价格比在嵌入式微控制器应用领域中很受欢迎，在许多真正的“单片”微控制器的应用中发挥了很好的作用。（2）AT89C2051的管脚图AT

16、89C2051的管脚图如下图.由于他的宽工作电压，特殊封装，价格便宜，购买方便性价比高，我们就选用AT89C2051。<详细资料请参考AT89C2051数据手册> 图1 2051管脚图（3）2051管脚说明：RST脚（即1脚）：复位脚，当管脚位高电平时单片机复位到初试状态，低电平时退出复位（RXD）P3.0和（TXD）P3.0（即2和3脚）：可以作为普通地8位输入输出（I/O）脚也可以用作串行数据输入和串行数据输出脚。XTAL2和XTAL1：分别为内部振荡电路地反相器地输出脚和输入脚（INT0）P3.2和（INT1）和P3.3脚：既可以作为普通8位I/O口，又可以作为外部中断0和外

17、部中断1请求。（T0）P3.4和（T1）P3.5：既可以作为普通地8位 I/O口，又可以作为定时器/计数器0计数脉冲输入和定时器/计数器1计数脉冲输入。GND：电源地。使用时接地VCC：工作电源输入端（2.7到7V）P1.7到P1.2和P3.7为普通8位I/O口，只能做输入输出用P1.1（AIN1）和P1.0（AIN0）：能作为普通8位I/O口，又能作为片内高精度模拟比较器的两个输入脚。其中AIN1为比较器的反向输入端，AIN0为比较器同向输入端。其中P1.2到P1.7内接了上拉电阻，能直接驱动LED灯。（4）2051的内部资源：AT89C051片内RAM为128字节，片内Flash

18、 PEROM为2K字节，可寻址范围为000H到7FF。资源线队较丰富。 2）LM311模块LM311是电压比较器，其是放大器总类的IC。通常用的是DIP-8封装形式的，其外型以及引脚如图：图2 LM311外型及引脚图图3 LM311内部原理图其2，3，7脚为一个放大器单元。2脚为同向输入端，3脚为反向输入端，7脚为输出。工作原理是：给8脚和4脚分别置电源的两端，2脚和3脚分别输入采集的需要比较的两个模拟电压，当同向电压大于反向电压的话，侧7脚输出逻辑的“1”；反之，若反向大于正向，输出逻辑“0”。输出的逻辑“1”“0”的大小伏值由置与8和4脚的电源电压来决定。比如：置8为+5V，4为0，则比较

19、后输出的逻辑电平伏值就是5V和0V。也可以置其双电源，双电源就好比+5V和-5V，其优点就是可以用于比较在0V上下的电压。现在好多种类的传感器输出就是0V上下的正旋波。3）光敏电阻模块 光敏电阻和普通的电阻外型不一样，其内部是有光敏感材料制造。在完全黑暗的条件下内部暗电阻非常大，通常可以达到10M欧以上。当有光照射其感光面，其电阻值就回下降到通常几K的范围。可以利用它的这个特性的强弱等。4）电磁继电器模块 电磁继电器是一种利用电磁力来切换触点的开关型电子器件，是自动控制电路中常用的一种元件。实际上它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关。因此，广泛应用于电子设备中。电磁继电器一般由一个线圈、铁

20、心、一组成几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触点。    电磁继电器的工作原理是这样的：当线圈通电以后，铁心被磁化产生足够大的电磁力，吸动衔铁并带动簧片，使动触点和静触点闭合或分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁返回原来的位置，动触点和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只要把需要控制的电路接到触点上，就可利用继电器达到控制的目的。三极管（9013，8050）5）高稳定性抗干扰红外线反射传感器模块红外线反射传感器：本电路的最大特点是红外发射部分不用专门设置信号发生电路，而是直接从接收部分的检测

21、电路LM567的5脚引入信号，此信号是LM567锁相音频译码器的锁相中心频率，这样既简化了线路和调试工作，有防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异，实现了红外线发射与接收工作频率的同步自动跟踪，使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。4、本红外线反射传感器工作主要过程（1） 通过接收部分中检测电路的中心工作频率的输出控制发射频率，其频率低于500KHZ（此自动给水装置中中大概为几百赫兹）。（2）通过对接收到的信号进行比较在，整形，滤波处理送入LM741处理（3）将经LM741处理后的频率信号送入LM567，输出判别信号，当D2接收到D1发射出经反射物反射的信号，D3发光，输出端U01

22、的8脚输出低电平。本红外电路模块可多个用于同一设备而不会相互干扰，因为不同RW或C4的值U01译码器的中心频率不同，但中心频率不能大于500KHZ。调整VR可改变探测距离，注意探测距离要受反射面颜色的影响，这是红外线的特性决定，一般的寻迹机器人用了此特性。用本红外电路模块多个和单片机89C2051改装玩具遥控车做成了避障机器人、避悬机器人、寻迹机器人，效果很好。而且寻迹机器人可寻多种颜色底（除黑色底外）的黑线或黑底的多种颜色线（除黑线外）。此电路还可做成沿墙边走机器人、跟踪机器人等,还可用于其它方面的自动控制中。5、电路主要芯片及功能简介1）LM741简介 LM741是一种常见的信号放大器，他

23、可以用于信号放大，滤波，整形，比较等各种电路中，其引脚介绍如下：图4 LM741引脚图芯片引脚和工作说明：1和5为偏置，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源，通过对2和3输入的电压信号进行比较处理，6为输出电压信号。本红外线反射传感器中运用LM741对接收到的一定频率的信号进行比较，整形，滤波处理后，输出一定频率范围的电压信号，以供LM567进行检测。2）LM567简介LM567是一种低功耗的音频解码器，其测试电路如下： 图5 LM567电路图 在测试电路中，1的作用是去耦，2脚置参考电平，3脚是信号输入端，4脚输入芯片工作电压，5和6起整个电路的频率控制作用，7接地，8

24、脚为电路的输出。在本红外线反射传感器中，经过调节LM567的中心频率，在由5脚输出控制三极管的导通也就控制了红外发射管的发射频率，实现了红外发射的发馈控制，也就是说通过调节接收检测装置的中心频率的同时也就调节了发射频率，达到了防止外部环境对收发频率的影响。 第四章 系统调试原理1、单片机最小系统单片机最小系统：单片机最小系统是指实现单片机其他功能时必须的要有的部分，包括晶振，复位系统，其中晶振是系统的心脏，提供单片机需要的时钟信号，单片机必须在时钟地驱动下才能正常工作。一般选用石英振荡器，ATMEL89C2051的工作频率范围很宽（0到24M）我们选用6M晶振。晶振两个端口接单片机RXD和TX

25、D两个脚，（不分正负），电路图如下：GNDRRES/VPPVCCC 图6 系统晶振图 图7 系统复位电路图计算机在启动运行时都需要复位，复位使中央处理器CPU和系统中的其他器件都处于一种初始状态，并从这个初试状态开始工作。MCS51系列单片机有一个复位引脚RST。在MCS-51系列单片机的RST引脚上输入一个高电平信号，该高电平信号至少要维持两个机器周期（或者24个时钟周期）以上的时间，单片机就被复位。为了可靠地复位，复位时间一般都在10ms以上。当RST引脚变为低电平时，单片机退出复位，CPU从初试状态开始工作。调试： 如果单片机系统不能正常工作(P1.4脚为高电平或者在没有中断触发的情况下

26、P1.6脚为高都可能为不能正常工作)，请检查一下方面的原因1：系统电源是否接入正确，如果反接，芯片会发热，甚至烧毁。2：如果电源正确接入，则可能时晶振没有起振，检测晶振时否焊接正确，有没有虚焊（其中很大一部分都时因为晶振不能起振）3：程序可能没有烧写成功，或者单片机已经被烧毁，可以更换单片机在试。 注意：2051为CMOS器件，容易受人体静电影响而损坏，因此竟量不用手直接触摸其管脚。2、LM311部分（1）提高输入阻抗：由于LM311本身其电器特性是放大器类别，所以输入阻抗是很大的，所以在2，3脚的输入端都串接一个10K的电阻来提高输入信号的输入阻抗，以使得电压信号能加到放大器里面。（2）去耦

27、电容：由于此IC是比较器，要求电源电压恒定，这样输出才能得到稳定的高低电平。因此在LM311的8和4两端跨接一个0.1U的陶瓷电容来去处电源的耦合干扰，以达到精确的目的。（3）电阻匹配：因为LM311是放大器，输入阻抗很大，所以分析电路的时候可以认为2，3输入脚是“虚地”，即2，3脚可以认为没有电流流入，电压可以认为零。因此可见2脚的输入电阻为10M，10K（相对10M来说太小，可以忽略），10M（光敏电阻暗电阻），其电阻比为1/2；3脚输入电阻为10K，10K可调，其比也近视1/2。这样匹配的电阻值才比较合理的好置3脚可调电阻为一个合适的门限电压。（4）门限电压：根据现场的灯光强弱的原因，其

28、比较的门限电压可以通过103可调电阻来实现。调试时当在光照条件下，7脚输出因该为1，即2脚输入电压大于3脚，这时用万用表测2脚电压值，记下这个值，然后再测3脚的电压值，同时调整可调电阻的大小，使其小于2脚电压。反之，在黑暗的条件下反过来3脚要大于2脚的电压值。3、控制继电器部分（1）达林顿管：因为8051系列单片机的I/O口内部没有上拉电阻，输出电流很小，很多外围电路都不能直接由其I/O口来驱动比如驱动继电器。因为需要外加驱动电路。将两个开关三极管如图连接，起目的是增大驱动能力。因为当p1.6输出是高的时候，达林顿管的前一级c,e导通，前一级的电流经三极管放大后再加到后一级的基级b上，后一级c

29、,e又导通，使得电流放大倍数几乎为三极管放大倍数的平方倍，这样大大加强了其输出的驱动能力。（2）保护电阻：在p1.6口和达林顿b级之间加了一个10K的保护电阻，其目的是防止I/O口输出的电流过大加到三极管基级b而把三极管激穿。（3）续流二极管：因为继电器内部和电机一样是电磁铁这样一种感性元件，因此当继电器导通再关闭之后，其能产生感生电流，感生电流瞬间的电流值极大，很有可能把三极管激穿，因此在继电器两端加一个IN4148二极管来续流。4、红外调试过程（1） 调试之前应当使红外发射和接收管平行固定而且应当用黑胶布包好接收管，以达到屏蔽外界干扰的效果。（2） 调节接收部分的检测装置LM567的中心频率，用示波器观察LM567的5脚和7脚地的频率，并同时用小螺丝刀调节Rf的电阻值使其接入端电阻值在1K欧左右，这是测得频率为500HZ左右。由T=RC调节可变可变电阻R6，直到出现稳定的波形。（3） 用万用表测三极管BE两端电压，为0.7V三极管导通，反之则无。（4） 用障碍物挡住红外发射和接收管前后，分别用万用表测接收管两端电压，看其两端的电压是否有明显变化。有明显变化说明接收到了，反之则无。（5） 用小螺丝刀调节Rd电阻，可改变红外发射功率，从而改变发射接收距离。5、主要故障及处理（1） 调节时一定要注意首先调节LM567的中心频率，使其