智能光电定时器课程设计 - 1122332吴昊天

1、 编号： 智能仪器课程设计光电定时器设计 学 生 姓 名 ： 吴昊天 专 业 ： 测控技术与仪器 学 号 ： 指 导 老 师 ： 刘智超 分 院 ： 光电工程分院 2014年6月 目 录第一章 总体设计思路2第二章 元器件的选择2.1 51最小系统2 2.1.1最小系统的性能参数 2 2.2 光电开关3 2.2.1光电对管开关3 2.2.2红外对管开关3 2.2.3光敏电阻开关4 2.4 LED数码管62.5 发光二极管7第三章 硬件电路设计83.1 51最小系统8 3.1.1 51最小系统的组成及其工作原理83.2 七段数码管10 3.2.1 七段数码管的结构及其工作原理10 3.2.2 七

2、段数码管驱动方法11 3.2.3 硬件编码123.3 蜂鸣器的工作原理143.4 光敏电阻153.5 发光二极管163.6光耦合器开关工作原理173.7 总体电路图18第四章 程序设计19 4.1 程序流程图19 4.2 主程序20第五章 实习心得28第一章 总体设计思路本课程设计用单片机内部的定时/计数器来实现时钟定时器的方法，此次设计由单片机AT89S51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个最小单片机系统。它具有走时精确,显示直观等特点。它的定时周期为三分钟，显满刻度为“03分00秒”。该定时器可以做到的功能：通过光电对管控制分钟，光耦控制秒钟，通过51最小系统程序控制使得

3、定时器四位LED数码管显示0 3 0 0 并开始实施倒计时状态，当三分钟倒计时结束之后使得发光二极管发光以及蜂鸣器开始发出警报提示。 第二章 元器件的选择2.1 51最小系统型号：AT89S51 AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场

4、合，可灵活应用于各种控制领域。2.1.1 主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.05.5V的工作电压范围全静态工作模式：0Hz33MHz三级程序加密锁1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式） 2.2 光电开关2.2.1光电对管开关型号：红外线光电传感器GK112 红外对管型号：红外线光电传感器GK112红外对管红外对射槽型开关型号：

5、红外线光电传感器GK112 红外对管2.2.2光敏电阻开关：型号：5516光敏电阻极限测试参数：（该参数是在强光与黑暗下测试的参数，仅供参考） 亮电阻：200兆欧应用参数参考值：亮电阻：20兆欧引脚长度：2.5CM 型号：5516光敏电阻极限测试参数：亮电阻：45欧 暗电阻：200兆欧应用参数参考值：亮电阻：8K欧 暗电阻：20兆欧引脚长度：2.5CM 光敏电阻开关实物图2.2.3 红外对管开关型号：型号：QT50CMQT50CM技术参数： 1. 检测距离：50cm2. 感应方式：光束遮断（红外）3. 工作电压：DC5V4. 工作电流：发射（20mA）接收（10mA）5. 输出方式：高低电平N

6、PN常开6. 输出电流：70Ma(可直接驱动继电器)7. 发射角度：58. 接收角度：109. 响应时间：2ms10.工作温度：-106011.工作环境：室内（不防水）12.外形尺寸：长21mm 宽11mm 高6mm13.线长：30cm14.工作寿命：50000小时黑-负极-GND黄-输出-OUT（NPN）(即：红色接正极、黑线接地、黄（白）线接信号)输出信号：高低电平课直接驱动继电器 在正极和信号间加1K上拉电阻课直接接单片机IO口 红外对管对射式开关实物2、3 蜂鸣器型号：LZQ-401K基本参数：1.规格尺寸：55*45（mm）2.发生形式：双音频报警声3.额定电压：24v4.工作电压：

7、3-26v5.额定电流：80mA6.声压：120db7.声频：8.重量：52工作温度：20-80 蜂鸣器实物图2、4 LED数码管型号：QH-5461AB性能参数：*发光颜色：红色*外观颜色：黑、白两色*功耗 ：55.5MW*脉冲电流：60mA*直流电流：20mA*反向电压：5V*工作温度：-40+80 *储藏温度：-40+85 *焊接温度：260*当工作温度高于25时，电流降低率是-0.36Ma/（直流驱动），或-0.86Ma/（脉冲驱动）功耗降低率是-0.75Mw/。产品的工作电流不能大于对应工作温度条件的60%。 数码管显示图2.5 发光二极管极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于

8、LED两端正向直流电压与流过它的电流之 积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此 值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光 二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于 或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 发光二极管实物图第三章 硬件电路设计 3.1 S51最小系统3、1、1 S51单片机组成：S51单片机最小系统包括：MCU、复位电路、晶振电路。原理图如图所示： S51单片机主控制模块原理图S51单片机的工作原理：S5

9、1单片机的定时功能是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机芯片内部，每个机器周期有一个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1。由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此，计数频率为振荡频率的1/12。如果单片机采用12MHz晶振，则计数频率为1MHz，即每微妙计数器加1。这样，在使用定时器是既可以根据计数值计算出定时时间，也可以通过定时时间的要求算出计数器的预置值。要实现定时器的功能，需要用到与定时器/计数器应用有关的控制寄存器，它们分别是：定时器控制寄存器(TCON)、定时器方式选择寄存器(TMOD)、中断允许控制寄存器(IE)。利用定时器/计数器定时3分钟，开始倒计时，定时时

10、间到发光二极管亮且蜂鸣器发出报警信号。复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般推荐C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.单片机:一片AT89S51单片机特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0

11、000H开始执行。单片机复位电路图如下：51单片机最小系统电路介绍1、 51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。2、 51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。3、 51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。设置为定时器模式

12、时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。3、2 七段数码管显示3、2、1 七段数码管结构与工作原理：七段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图所示。七段数码管结构显示图3、2、2

13、 七段数码管驱动方法：发光二极管（LED是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为510mA；正向电压随发光材料不同表现为1.82.5V不等。7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。（1）静态显示所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注

14、一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；缺点是位数较多时，所需I/O口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式动态显示。2）动态显示所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的

15、显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了CPU的大量时间，降低了CPU工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。综合以上考虑，由于温度显示为精确到小数点后两位，故只需4个数码管，又考虑到CPU工作效率与电源效率，本毕业设计采用静态显示。为共阳极显示。3、2、3 硬件编码：74LS47是一款BCD码转揣为7段输出的集成电路芯片，利用它可

16、以直接驱动共阳极的7段数码管。它的引脚分部和真值表分别下图。 74LS47管脚定义七段数码管静态显示电路原理图之锁存电路 七段数码管静态显示电路原理图之锁存译码电路七段数码管静态显示电路原理图之CPU电路3、3 蜂鸣器工作原理蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器，原理图见下面图： 蜂鸣器控制连接图 蜂鸣器工作原理图蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的

17、负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控制，当P3.7输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机P3.7引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P3.7输出电平则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过实验来显示报警器电路模块。3、4 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

18、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。 光敏电阻工作原理图（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

19、、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 2、光照特性 3、光谱特性 4、响应时间和频率特性3、5 发光二极管（一）发光二极管的结构与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

20、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。这种发光器件和白炽灯泡相比，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。（二） 发光二极管参数1.发光光谱 2伏安特性 3寿命 4. 发光亮度与电流的关系5响应时间（三）发光二极管特性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

21、红光、绿光、黄光。有的发不可见的红外光。发光二极管的外部电压与电流的关系，即伏安特性，类似于普通二极管。3、6 光耦合器 (一) 光电开关光电开关是一种特殊形式的光电耦合器件，只不过其发光部和受光部不是一个封闭的整体，它们之间可以插入被测物体。因此当被测物体改变光路的通断状态，将引起电路的通断，起到开关和继电器的作用。由于其通断代表了“1”、“0”信号，因而又起到了1bit的编码作用，所以也是一种最简单的编码器。光电开关应用极广，利用它可简单方便的实现自动控制与自动检测。最常见的光电开关由红外发光二极管和硅光敏三极管组成，按结构不同，光电开关可分为透过型和反射型两种（二）红外光电对管发射电路由

22、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。用光电二极管其负极需要接+5V一端。3、7 总体电路图第四章 软件设计4.1

23、 程序流程图（一）主程序流程图 开 始光电置入状态？T0T1设置为记数方式，开放中断，T0开始记数，禁止其它中断定时结束，调用声光提示子程序进入拨码开关置入方式，T0工作在定时方式，送定时常数取数据转换为秒数并存放结果进入T0中断服务子程序定时结束，调用音乐子程序，并给出光提示结 束进入中断服务子程序，置入时间堆栈、进入时间置入状态，缓冲单元清零 N Y 判断工作方式定时状态？定时结束？定时未结束启动T0定时开始启动T0，定时开始定时结束？调用音乐提示子程序分钟高位单元加一声光提示调用灯光闪烁程序调用灯光闪烁程序定时结束？调用声提示子程序T0中断服务子程序中 断 返 回（二）T0 中断服务子程

24、序 光电置入方式 拨码开关置入方式 Y N（置入状态） Y N N Y N N Y Y 4.2 主程序;功能：初始化，判断定时置入方式，进行定时数据采集，判断定时是 ORG 0030H MAIN: MOV SP,#60H ;堆栈初始化 MOV 20H,#01H ;标志字 MOV R1,#40H MOV R0，#10H NOP NOP INITIAL: MOV R1,#0 ; INC R1 DJNZ R0,INITIAL ;初始化 SETB P3.7 ；拨码开关 CLR P1.6 JB P1.5,HAND CLR 20H.1 LCALL TINITIAL ORL IE, #8FH ROTATE:

25、 CPL P1.7 ;状态指示 LCALL DELAY200MS NOP NOP JB 20H.0,R ;进入循环 MOV TL0,#0 ;进入定时 MOV TH0,#0 ;给定时器0 MOV IE,#82H MOV TMOD,#11H SETB TR0 SUBMIT: LCALL MUSIC ;发出声音 LJMP SUMBM ;继续发出 ORG 0070H HAND: SETB 01H MOV TMOD,#11H ORL IE,#8AH MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H NOP NOP NOP MOV A, P1 ;读入P1 CPL A ;取反 ANL A,#0FH ;

26、高四位 MOV 40H,A ;小时数单元 MOV 4CH,A ;小时数放入 MOV 4AH,#10H MOV 4BH,#0 ; LCALL MULTI ;转换成秒数 MOV 4DH,R3 MOV 4EH,R4 CPL P3.7 ;选择分 LCALL DELAY20MS MOV A,P1 CPL A ;取反 ANL A,#0FH MOV 41H,A ;分钟数放入缓冲单单元 MOV 4CH,A ;分钟数放入 MOV 4AH,#58H MOV 4BH,#0 ; LCALL MULTI ;转换成秒数 MOV A,4DH ADD A,R3 MOV 4DH,A MOV A,4EH ADDC A,R4 ;此

27、次结果与 MOV 4EH,A ;送入计数单元4DH为高 SETB TR0 ;启动定时器 LOOP: AJMP LOOP ;进入循环 ORG 00C0H END1: MOV A,40H MOV 4CH,A MOV 4AH,#10H MOV 4BH,#0EH LCALL MULTI MOV 4DH,R3 MOV 4EH,R4 MOV A,42H MOV 4CH,A MOV 4AH,#58H MOV 4BH,#02H LCALL MULTI MOV A,4DH ADD A,R3 MOV 4DH,A MOV A,4EH ADDC A,R4 MOV 4EH,A MOV A,41H MOV 4CH,A M

28、OV 4AH,#3CH MOV 4BH,#00H LCALL MULTI MOV A,4DH ADD A,R3 MOV 4DH,A MOV A,4EH ADDC A,R4MOV 4EH,A ; NOP RET ;程序进 ;外部中断0中断响应程序 ORG 0110H INT0: PUSH ACC PUSH PSW LCALL DELAY20MS JB P3.2,EN ;是误脉冲 CLR 20H.0 ;已经处于 CLR EA ;开中断 LCALL TIP LCALL END1 NOP NOP NOP ENDINT0: POP PSW POP ACC RETI LED: LJMP INDICATE ;- ;定时器0中断响应子程序 ORG 0140H T0: PUSH PSW PUSH ACC JB 01H,THAND JB 00H,TPHOTO JB 07H,LED MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H SETB TR0 INC 47H MOV A,47H CJNE A,#25,NCHANGE2 CPL P1.7 MOV 47H