光电传感器单片机数码管

引言计数器会对脉冲个数进行统计，是一种常见的逻辑电路[[]沈矗,孙妍.基于AT89C51[]沈矗,孙妍.基于AT89C51单片机的计数器设计[J].传播力研究,2019,3(03):246.1设计需求分析1.1课题研究背景光电传感器实现能量转换的物理基础是某些材料的光电效应，从而将光信号转换为电信号[[]王涛.光电传感器的原理及应用探讨[J].计算机产品与流通,2018(07):64+122.]。单片机通过对光电传感器输入高低电平的识别，判断是否有物体通过光电传感器。AT89C52单片机通过C程序编程后判断光电传感器输入电位进行计数操作，然后程序控制8个输出引脚的电平高低，将计数值用数码管进行显示。AT89C52单片机有两种复位方式：上电自动复位和手动复位，上电自动复位是单片机输入高电平后自动复位；手动复位是按按钮使单片机复位。通过两种复位方式可实现对计数的清零。光电开关分为漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关和光纤式光电开关。漫反射式光电开关：它把发射和接收融为一体[]王涛.光电传感器的原理及应用探讨[J].计算机产品与流通,2018(07):64+122.[]万柯,张海燕.基于单片机和光电开关的通用计数器设计[J].计算机测量与控制,2015,23(02):608-610.1.2任务与要求根据需求研究我们设计的体征监测病号服任务要求有以下几点：采用非接触式进行计数；整个系统造价较低；计数范围0～199；将计数值准确显示出来；具有自动清0能力；1.3方案设计光电传感器单片机处理下单片机计数器计数上数码管显示光电传感器单片机处理下单片机计数器计数上数码管显示图1设计流程框图2硬件电路设计2.1传感器选择光电传感器是一种基于光电效应和光电元件的传感器。光电传感器在可见光照射下产生光波，将光波信号转换为电流信号进行传输。它可以将测量到的变化转化为光信号的变化，然后利用光电元件将光信号转化为电信号输出。光电传感器一般由光源、光路和光电元件组成。光电传感器广泛应用于各种技术设备中，能满足信息传输、接收、存储、记录和控制的需要。根据感应原理的不同，传感器可分为多种类型。光电传感器具有感应精度高、传输速度快、无接触等优点。因此，光电传感器是应用最广泛的传感器。光电传感器分为漫反射、镜面反射、反反射、沟槽和光纤。漫反射光电传感器是一种收发传感器，具有体积小、重量轻、结构简单等优点。当物体通过光电传感器时，物体将反射传感器发出的光，传感器接收到反射光时会产生光电效应。传感器将光信号转换为电平信号。如果输入高输出低，则选择NPN;如果输入低而输出低，则选择PNP。本次设计采用的是NPN型的漫反射型光电门。光电门的仿真图如下图所示：图2光电门仿真图2.2单片机选择单片机的英文全称为“singlechipmicrocomputer”，中文翻译为单片微型计算机。其主要部件便是半导体芯片。虽然，半导体芯片的体积十分微小，但却容纳了众多的元器件，包括CPU、半导体存储器、I/O接口以及中断系统等[[]方春华.单片机C语言编程的常见问题与分析[J].电脑知识与技术,2019,15(30):237-238.]。由于单片机运行速度快，功能强大，外围元件相对较少，易学易用，所以该设计以单片机作为系统的中心控制器。AT89C51单片机是Atmel公司推出的一种8位处理器，是目前应用最广泛的单片机之一。AT89C51单片机电压低，时钟频率已经达到24MHz，且价格相对较低，指令简单，硬件设计方便，性能成熟稳定，支持多种编译环境，体积小，很适合作为各种小型设计的需要，比如便携手持式产品的设计等[[]刘剑,刘奇穗.51单片机开发与应用基础教程(C语言版)[M].北京:[]方春华.单片机C语言编程的常见问题与分析[J].电脑知识与技术,2019,15(30):237-238.[]刘剑,刘奇穗.51单片机开发与应用基础教程(C语言版)[M].北京:中国电力出版社,2011.[]陈辉,陈梅,杜静等.基于AT89C51单片机波形发生器的Proteus设计[J].自动化与仪器仪表,2012(3):P51-53.2.2.1AT89C51单片机（1）AT89C51单片机的引脚图图3AT89C51引脚图引脚功能说明电源Vcc（40）：电源。GND（20）：接地。外界晶振XTAL1（19）XTAL2（18）：外接时钟电路。控制RST/VPD（9）：接复位电路，输入满足时间要求的高电平可实现复位操作。PROG(30脚)：片内程序存储器的输入端，低电平有效。I/OP0(39-32)：P0口是一个8位I/O口，一般作为输入输出口时为准双向口，输入前必须先输出1。P1（1-8）：P1口为专门为用户提供的普通准双向8位I/O，内部有上拉电阻。P2(21-28)：P2口为8位准双向I/O，外扩存储器时输出高8位地址，作普通I/O口时使用方法同其他I/O口一样。P3（10-17）：P3口为双功能8位I/O口，为通用I/O口时使用方法和其他I/O口一样，在本设计中主要用到第二功能中的外部脉冲输入计数功能，其中部分第二功能如下：表1P3口第二功能表引脚第二功能信号实现功能P3.0RXD串行口输入P3.0TXD串行口输出P3.2eq\x\to(INT0)外部中断0申请P3.3eq\x\to(INT1)外部中断1申请P3.4T0计数器0外部计数输P3.5T1计数器1外部计数输2.2.2复位电路单片机开始工作时需要有一个稳定的初始工作状态，以此工作状态为前提，单片机才能按照设计好的程序开始工作。使单片机处于稳定的初始状态的操作称为复位。当单片机开始工作或程序运行过程中出现卡死无法工作的时候需要对单片机进行复位操作。在使用AT89C51单片机时，我们通过9针（RST）操作复位单片机。时钟电路工作后，当外部电路使RST端具有两个以上的高功率级机器周期（24个振荡周期）时，系统将在内部复位；当连接电源时，由于振荡源需要一个一定的启动时间，保证有效复位。单片机复位分为上电复位和手动复位两种。根据设计要求，我们使用手动复位方式来对单片机进行复位。具体电路如下图所示：图4复位电路2.2.3时钟电路单片机的工作需要时钟电路的支持。没有时钟电路，单片机就不能正常工作。AT89C51有一个内部放大电路来产生冲击信号。因此，单片机的时钟信号可以通过内部和外部两种方式产生。内部的方法是利用单片机内部的放大电路和外部晶体振荡器等器件组成的振荡电路。对89C51系列，震荡频率在0-24MHz，AT89C51的震荡频率约为12MHz。其具体电路如下：图5晶振电路2.2.4定时器/计数器的工作原理图6定时、计数原理图AT89C51单片机内部有两个16位定时器/计数器T0、T1对信号进行计数及对时间进行定时。定时器/计数器具有4种工作方式。定时器工作原理就是通过对振荡器12分频后的周期进行计数，当计数值乘以震荡周期的时间达到预期值时，计数器产生溢出，此时TFx（x=0或1）置1，向CPU申请中断请求，然后定时器通过硬件或软件设置初始值重新开始计数。单片机通过设置定时器的初始值对时间进行计时。计数器原理是对外部输入脉冲信号（高电平有效）进行计数，达到预期值TFx（x=0或1）便置1，向CPU申请中断请求，然后计数器再赋初值重新计数。2.2.5定时器/计数器的工作选择定时器/计数器有4种工作模式：0、1、2和3。分别对应13位、16位、8位定时/计数。定时器/计数器的工作模式1下的最大计数为65536。一般不采用模式3.2.3数码管的选择2.3.1数码管显示原理LED数码管由8个发光二极管组成，按a、b、c、d、e、f、g、dp的数字顺序排列。前7位用于显示数字，DP位用于显示小数点。根据LED的连接方式，可分为共阳极和共阴极。共阳极数码管将所有LED阳极连接在一起，形成一个共阳极(COM)接至+5V。当共阳极数码管的阴极低电平时，对应的字符亮，否则不亮。共阴极将所有阴极连接在一起，形成一个连接到GND的共阴极(COM)。当数码管的阳极高电平时，对应的字符亮，否则不亮[[][]黄建辉.单片机系列2:数码管显示设计[N].电子报,2019-01-27(008).表2数码管段码数字0123456789共阳0xC00xF90xA40xB00x990x920x820xF80x800x90共阴0x3F0x060x5B0x4F0x660x6D0x7D0x070x7F0x6F2.3.2数码管的显示方式数码管有两种显示类型：静态和动态。对于静态显示，每个LED数码管的控制线是独立的，分别连接到8位I/O端口。因此，需要8位数据线连接每个LED数码管段选以保持显示的数字或符号。输入数字代码时，显示的数字在输入新数字之前保持不变。因此，LED数码管能够稳定、独立地显示字符。这种显示驱动方式的软件设计和编程简单，不需要额外的处理。只有设置了相应的I/O端口，才能打开和关闭LED灯。这种设计占用了更多的I/O端口，主要用于单数码管驱动或少数码管、多I/O端口的设计环境。动态显示是将数码管逐个打开，也称为位扫描。将同一名称一端的所有8个数码管连接在一起，并将逐位电源电路连接到每个数码管公共端的COM，该COM由相应的I/O线控制。当单片机输出字体代码时，所有数码管同时接收。只要数码管的位选打开，数码管就会打开，否则就不会打开。因此，动态驱动程序依次控制每个数码管的COM端和控制显示。由于数码管在一段时间内的显示时间不同，显示周期很短，这让人感觉每一个LED数码管都是利用人眼的视觉暂留效应同时显示的[[][]郑丽敏.基于单片机驱动数码管的显示设计[J].产业与科技论坛,2017,16(17):60-61.3结束语光电计数器设计的重点和难点在于硬件设计和程序设计。本设计采用光电门传感器拾取光线变化转换为电平信号的变化，以进行物体的计数。AT89C51单片机拾取电平信号变化后，通过单片机的计数器运算后，将计数结果发送到四位共阴极数码管以动态显示的方法显示出来。整个电路的设计，充分考量各方面因素，做到电路设计简单，易于实现，充分利用集成芯片，弥补各元件的精度不足。总的来说本次设计的光电门计数器精度较高、价格低廉，已到达我们的设计目的。本次设计使用Proteu