【《基于单片机的发射管阵列识别系统的硬件系统设计案例》5600字】

基于单片机的发射管阵列识别系统的硬件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u3628基于单片机的发射管阵列识别系统的硬件系统设计案例 1313261系统硬件方案选择 1193341.1硬件方案的选择 1225321.2总体系统计划 4120601.3设计目的及基本要求 4324592系统硬件电路设计 7288722.1STC89C52宏处理器系统设计 761152.2红外线接收、发射管阵列识别传感器原理 1027652.3蜂鸣器电路的设计 1169222.5独立按键电路的设计 1226452.6系统硬件测试 131系统硬件方案选择在本章里，主要介绍了系统中使用的设备的选择和将效果相同的硬件进行比较，通过综合考虑，并为此设计选择了最佳组合。1.1硬件方案的选择在设计方案的时候我先自己进行了有效思考，并且都向彭老师汇报了我的想法，见过几次交流，我不再好高骛远，一切从实际出发，以自己暂时的经济水平，实践经验和专业知识的掌握情况，我适合一款相对简单的设计，而专业知识中单片机是我比较擅长的，所以选择了以stc系列的单片机为核心的设计硬件[[]吴忠伟，何显，山岳彤，基于51单片机的无线防丢器的设计研究，吉林建筑大学城建学院，2018.11.[]吴忠伟，何显，山岳彤，基于51单片机的无线防丢器的设计研究，吉林建筑大学城建学院，2018.11.A．主控芯片的选择我们常用的芯片有几种，在和老师交流后会选择最适合我的，而其中的一些方案我也做一下分析，为何如此选择。方案1：主要的控制芯片会用stc89c52，这是一款市场上常用性价比比较高的微型控制器，比我们以前使用的c51单片机的功能要稍微强大，相对于是c51的改良版，完善了51单片机以前所缺乏的部分功能，有着高能低耗的优良特点，带有可以编程的flash存储器。它在单芯片上，它还拥有非常强大的8位cup，正因为前面的这些优点，它也称为了我们现在设计师最热门的，最熟悉的微型处理器之一，它给我们设计方案提供了许多灵活有效的可行性[[]徐新艳.单片机测控技术应用实例解析[[]徐新艳.单片机测控技术应用实例解析[M].北京:中国电力出版社，2018.方案2：把msp430作为主要的控制芯片，它是一种新出现的一种16位的单片机，主要特点是速度很快，功耗较低，使用c语言去开发。msp430单片机也有许多子系列，如c系列，f系列，msp430和52的内核之间的差异是它们之间最大的区别，msp430是属于精简的指令结构，不仅减少了代码数量，而且它提高了整体的代码运行效率。Stc系列单片机是一般都是cics复杂的指令结构，代码也比较多，随着功能的增加代码也会越来越多，其执行效率是不如risc结构的，但是在单个芯片上集成了多个模拟电路，发展相对困难并且价格昂贵。从实际角度出发不能用于我们这个简单的设计[[]周广兴，张子红.单片机原理及应用教程[[]周广兴，张子红.单片机原理及应用教程[M].北京:

北京大学出版社，2019.方案3：Pic16f877a被用作为主芯片，pic单片机采用的是精简指令集和指令流水线等机制，具有工作稳定等特点，和51系列的内核是不一样，实际应用的时候我们针对性的选择，不同的型号单片机对我来说，所需要的投入的时间与金钱等开发成本是不一样的，这一款高且难度太高,不适合我。经过以上分析，我们考虑到资源的合理使用和本系统开发的兼容与适应性，我把方案一作为我最适合的选择，决定将stc89c52用作为主芯片。B．选择报警模块方案1：我们可以采用主动蜂鸣器：它使用的信号是直流电的形势，在理想条件下效果最好，它一般简称VDD或者VDC。主动蜂鸣器的内部存在一个震动电路和驱动电路，它主要是可以把恒定的电流转化为脉冲信号，在磁场表面上来回驱动，这样会引起震动，这就是蜂鸟器的声音的产生的原理。在一些特殊的少数情况下，主动蜂鸣器也可以采用某些少数的交流信号，只不过对于这些交流信号的功率或者电压等指标性要求比较高，在现实生活中很少有这种方式[[]魏小龙[]魏小龙MSP430

单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,

2017.

方案2：采用被动式蜂鸣器：被动蜂鸣器的内部没有驱动电路，不能持续鸣叫，有震荡源，直流电信号不能使它鸣叫，操作的是理想的方波信号，如果它不响应预DC信号蜂鸣器，则晶片不会振动且无法发声，因为磁路是恒定的，但是声音较小，不适合报警使用。经过两个方案的比较，从实用性，设计整体性，和硬件稳定等方面考虑，我们最终选择可以长时间鸣叫的，功能稳定，操作方便的有源蜂鸣器。C．红外检测模块对于这一模块，我查阅资料，没有找到多的选择，在老师的建议下我选择了释热电传感器和菲涅耳透镜片组成我的传感器模块。早在80年代释热电传感器就已经发展起来了，它可以通过不接触物体就可以检测出物体辐射的红外能量的波动，然后将其转化为电信号达到一个检测功效。通过电路放大器就可以，用来驱动其他的电路了，相对于是一个整体系统的一个触发装置，非常适合我们本设计，通过查阅资料，我也发现了人体的红外线辐射和其他的物体是不一样的，这样我就可以做一个只针对人类有效的触发装置，资料显示“人类辐射出的红外线的中心波长大概在9~10—um左右”而我们的传感器的检测长度大概是0.2~20—um左右，包括在人体范围内，但是不够精确，检测范围太广，存在的误差也就越大，而如果我们在传感器的探头上安装一个滤光的波片，把这个光长度控制在人体辐射出红外线中心波长的长度，这个问题不就解决了吗！这就做好一款专门针对人体才有效的传感器了。还有一个点，那就是人体的红外线辐射是以人体为中线向四周辐射开来的，传感器检测的波信号就特别弱，不能聚焦，灵敏度也就降低了，有时候效果也不会，在查阅资料和多次的试错的情况下，我们找到了合适的产品来解决这个问题，那就使用菲涅耳透镜（如图1.1）片来充当传感器的“眼睛”，将四处辐射的红外线“聚焦”到一点，而不同的型号透镜它的焦距也是不一样的，我们要进行反复的测试才能选择合适自己设计的要求硬件。图1.11.2总体系统计划由于在上面我们引入了每个模块，因此选择了STC89C51作为此设计的主芯片。人体的散热器传感器允许部署人员在检查过程中接近并访问宏处理器的I/O端口以进行检查，然后将三个独立的按钮设置为输入设备，我们可以通过这三个按键在三种工作模式之间切换。本设计的具体的系统方案如下图1.2所示。复位电路S复位电路STC899C52芯片 红外传感器晶振电路晶振电路蜂鸣器报警蜂鸣器报警电路电源电路电源电路Led灯警示电路Led灯警示电路独立按键独立按键图1.2系统方案图1.3设计目的及基本要求（1）主要设计要求a经常在互联网上搜索有关当前红外报警保护设备的相关信息，查阅文献吸取他人的营养，使自己可以更好的完善自己的作品。b复习并且扩展有关于微控制器的知识，温习汇编语言和c语言中的51单片机编程知识的概念与应用，并灵活地使用微控制器的I/O端口进行扩展。c使用keiluvision4软件上编写c52程序，且不断地运行试错，从仿真电路下载并进行测试。d使用proteus8软件来布线，AD来画出本设计的仿真电路图，模拟一下仿真的系统是否成功，只有在模拟电路图上仿真通过，才可以在实物中有可行性，然后在仿真中存在的问题一一记录下来，再一一解决。e完成上述步骤后，立即开始编写毕业论文，焊接电路和PowerPoint，然后进行论文答辩。（2）技术要求和功能本系统是基于52微处理器的核心处理器，于红外线接收、发射管阵列识别感应传感器，电阻、电容等原件组成。具体功能如下：紧急报警模式也称为手动自发报警，遇到紧急情况的时候，我们只要轻松按下这个按键，报警系统便会自己启动；然后是检测报警模式，这是我们系统常用的功能，将装置正确安放在门口或者合适位置，启动开关，当有人经过检测范围后，便会触发装置，报警系统启动；最后，在撤销报警模式的情况下，也就解除了报警系统，平时在家的时候防止报警系统误报而设计的，相当把启动报警装置关闭了，处于待机状态。也就是说，启动装置后，当红外传感器检测到有人通过时，单片机会收到报警信号并控制蜂鸣器报警。流程图1.3如下[[]立华、王立柱。[]立华、王立柱。C语言程序设计[M].北京:人民邮电出版社,

2019.开始开始按下布防按键结束倒计时30秒倒计时开始检测到有无输入信号蜂鸣器发出报警，二级管立刻闪烁紧急按扭按下Y是N蜂鸣器发生报警结束图1.3功能流程图2系统硬件电路设计在这一章节里，我主要介绍一下本系统需要使用的关键模块，部分元器件的作用和工作原理，它们组成的电路可实现的一些功能。2.1STC89C52宏处理器系统设计A．STC89C52概述本次设计考虑到成本与自己的技术水平等多种因素，我选择采用STC89C51型号芯片，STC89C52芯片具有可编程的flash存储器，高能低耗、多位微控制器。它现在的制造技术已经相当成熟，不用担心存储器信息丢失的情况，而且可以和80c51系列的产品兼容，有着良好的扩展性，在单芯片上，有着8位的cup，功能强大，而且可以在线编写代码，这使得STC89C52常常应用于控制系统的领域，也为实际应用提供了有效的解决方案。在大二上学期的时候我就学习过单片机的知识了，了解过它的功能，比如它的存储器有256个字节，有8k字节的flash可在线编程，有看门狗定时器，计数器，存在32位I/O口线，晶振和全双工串行口等等，它还有如下的两种工作模式，一种是空闲模式下：CPU处于待机状态，是停止工作，但是，它的主要功能是一直处于工作状态，只要中断进入，它就会被激活。另一种掉电保护方式下，cup，串口，定时器等功能停止了工作，我们要重新启动就要等下一个外部中断开启才可以。我们红外报警就是以单片机为核心的，在keil4上写好并且调试好程序后，把整个程序代码烧录到单片机芯片里，当在学习和使用这款单片机的过程中，我们要注意将单片机所连接的外部电路和具体代码所对应起来，比如外围接上蜂鸣器、红外线接收、发射管阵列识别等子模块[[]林立,张俊亮,曹旭东,刘德军.单片机原理及应用[[]林立,张俊亮,曹旭东,刘德军.单片机原理及应用[M].电子工业出版社,2019.B．STC89C52引线说明常规STC89C52都具有以下两种封装形式，分别是：PDIP和PLCC，它们之间引脚是不太一样的。我的设计打算使用直接插入式的PDIP（40个引脚）封装，因为这个包装在焊接时使用了IC插座，并且可以在焊接后先将尖端插入IC插座，这样做会在使用烙铁头时会更加方便，更重要的是可以避免在焊接时高温对其器件的损害，也是一种保护措施。STC89C52的PDIP形式一共有40个引脚，它们有多个I/O口，分别是P0,P1，P2，和P3来表示，它们可以控制32个引脚。这一些引脚可以独立进行位的控制，也可以同时控制任何一个IO端口。在控制期间不需要定义输入/输出，并且当给IO一个值时，IO端口会自动更改为输出，而在读取IO端口后，它会自动切换为输入。STC89C51单片机P3口的第二功能对照表2.1所示[[]徐瑞华.单片机原理与接口技术[[]徐瑞华.单片机原理与接口技术[M].2018.表2.1STC89C52单片机P3口的第二功能图C．STC89C52单片机的最小系统宏处理器的最小系统是由至少一部分组成并且宏处理器运行的系统。接下来，我将介绍一下其宏处理器系统所需的设备及其作用。首先，电源是一种电子产品必不可少的能源，它为我们的操作系统提供能量。在我的这种设计里，52宏处理器的工作电压通常是在4.5至5.5V之间工作，我们一般用移动电源使用USB接口来提供电源。简而言之，微芯片最小系统是由最小的组件组成的，并且微芯片在其中运行的系统。在这里，我将介绍微芯片最小系统所需要的一些零件及其作用。晶体使用晶体单元时，电容一般在20pf至40pf之间选择进行选择（本设计中用30pf）。而当使用陶瓷谐振元件时，就必须将电容增加到大约30pf至50pf。原理图如下图2.2：图2.2晶振电路复位电路：如果第一个引脚保持10ms或者更高的高电平，那么便可以有效地复位微型计算机。当电路出现程序跑飞或者其他的原因导致死机时，这时候按下复位的按钮接口就可以使电路恢复初始工作状态[[]郭天祥.新概念[]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].电子工业出版社,2017.图2.12复位电路如图2.3所示，这就是我使用proteus8仿真软件制作出完整的STC89C52最小系统的原理图。图2.3STC89C52单片机最小系统2.2红外线接收、发射管阵列识别传感器原理模块在通电后，初始化时间为30s，同时，布置完成之后，模块进入了待机状态，我们尽量不要直接强光照亮模块，应该将其放置在空气流通少的室内地方，以免误导模块。当有人在模块中从右向左行或者左向右行走时，红外光谱在两个元素之间的时间和距离就存在差异，并且当两个光谱之间差异变大时，传感器感应的灵敏度就越高。如果一个人面对释热传感器上下移动时，可能察觉不到红外光红外光谱的变化，因为这两个内部检测元件无法检测到红外光谱距离的变化。因此，在安装这个红外检测探头时，就要注意探头的双向安装，要应尽可能与人体流动多的方向平行。当有人进入红外感应范围内时，人体的红外光谱在移动的时候会产生变化的，而这一变化差异就会被检测装置捕获，从而产生信号输出。如果有人体进入检测区域，但是他如果没有移动，环境温度就不会出现变化，这时候红外传感器将不能感应到红外光谱差异，就没有接收信号，没有触发电路。这种释热传感器也就只能检测人体在运动时的情况，人体散热器传感器非常简单，可以直接使用高电平和低电平输出，并且可以直接与宏处理器对接，而无需外围电路。人体散热器传感器的实物图如下图2.4所示[[]谭浩强.[]谭浩强.C程序设计[M]（第三版）.北京：清华大学出版社.2017.图2.4热释传感器实物图红外线接收、发射管阵列识别传感器有着一定的感应距离，而我设计的大概是径长5—7米，呈扇形，角度大概100度，其感应范围如图2.1.2所示，根据它的特性，我们在安装过程中也就明白为什么要对应人流方向安装，才可以恰到好处。图2.5热释传感器感应范围2.3蜂鸣器电路的设计本设计使用的蜂鸣器额定电压是5V，当通过单片机的I/O端口的电流来驱动不了它的，因为蜂鸣器的正常工作电流是较大的，这个时候我们需要加一个放大器来驱动电路。我选择一个8550的三极管，这是一个典型PNP型三极管，当它与基极相连接到芯片的I/O端口时，I/O端口便输出低功率，三极管打开并且蜂鸣器响起。蜂鸣器电路原理图显示在下面的2.7中[[]胡汉才.单片机原理及其接口技术[[]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M]（第2版）.北京：清华大学出版社.2017.图2.72.5独立按键电路的设计在