光電傳感器脈沖計數(shù)器設(shè)計.doc

課程設(shè)計說明書 第 頁 光電傳感器脈沖計數(shù)電路設(shè)計 摘 要 本文基于 AT89C51 單片機設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)簡單 性能穩(wěn)定反射式光電計數(shù)器 可 實現(xiàn)脈沖實時計數(shù)功能 系統(tǒng)采用型號為 E18 D50NK 的紅外傳感器為信號采集裝置 將光信號轉(zhuǎn)換成電信號 經(jīng)單片機處理后顯示在數(shù)碼管上 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)鎖死情況時可 以通過復(fù)位鍵調(diào)整 直至系統(tǒng)正常工作 關(guān)鍵詞 AT89C51 光電計數(shù)器 E18 D50NK 課程設(shè)計說明書 第 I 頁 目 錄 1 緒論 1 1 1 課題描述 1 1 2 基本工作原理及框圖 1 2 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計 2 2 1 AT89C51 芯片 2 2 1 1 AT89C51 的功能特性 3 2 1 2 AT89C51 的主要性能參數(shù) 3 2 2 E18 D50NK 反射式紅外傳感器 4 2 3 單片機最小系統(tǒng)電路 5 2 4 光電傳感器電路 5 2 5 顯示電路 6 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 6 3 1 系統(tǒng)的軟件運行流程圖 7 3 2 程序設(shè)計 7 4 仿真 10 總 結(jié) 12 致 謝 13 參考文獻 14 課程設(shè)計說明書 第 0 頁 1 緒論 1 1 課題描述 在當(dāng)今社會飛速發(fā)展的今天 越來越多的流水線上的產(chǎn)品和各種公共場所需要進 行實時的 有效的 精確的自動計數(shù) 傳統(tǒng)的機械式或電子式計數(shù)器 主要是用數(shù)字 電路集成組件組成 電路比較復(fù)雜 元器件數(shù)量較多 故障率較高 維修比較困難 而 設(shè)置預(yù)定數(shù)值不太方便 功能不易更改且功能過于單一 適用范圍較窄 而基于單片 機構(gòu)成的產(chǎn)品自動計數(shù)器有直觀和計數(shù)精確的優(yōu)點 目前已在各種行業(yè)中得到廣泛應(yīng) 用 數(shù)字計數(shù)器有多種形式 總體來說有接觸式和非接觸式兩種 在科技發(fā)展的今天 非接觸式光電計數(shù)器得到了廣泛的應(yīng)用 光電式傳感器是其中之一 1 2 基本工作原理及框圖 本系統(tǒng)是以單片機AT89C51為核心的脈沖計數(shù)器 采用光電式傳感器 每當(dāng)物體 通過一次 紅外光就被物體反射 光電接收管接收一次 光電接收管的輸出電壓就發(fā) 生一次變化 這個變化的電壓信號通過放大和處理后 通過接收頭輸出相應(yīng)的電信號 1 當(dāng)有物體穿越光路時 接收頭輸出為低電平 反之則為高電平 接收頭接單片機P3 4 端口 當(dāng)電信號變化時 啟動計數(shù)器開始計數(shù) 并將計數(shù)后所得的數(shù)據(jù)送給數(shù)碼管顯 示 系統(tǒng)的基本原理如圖1所示 圖 1 基本工作原理框圖 系統(tǒng)的電路圖如圖 2 所示 紅外檢測電路 單片機 AT89C51 數(shù)碼管顯示 電源 課程設(shè)計說明書 第 1 頁 P1 0 V CC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RESET P0 7 P3 0EA P3 1 ALE P3 2PSEN P3 3 P2 7 P3 4 P2 6 P3 5 P2 5 P3 6 P2 4 P3 7 P2 3 X T AL2 P2 2 X T AL1 P2 1 V SSP2 0 AT 89C51 V CC C1 30P C2 30P C0 1U Y1 S0 R0 100K V CC V CC a b c d efg c a bf g de c a bf g de c a bf g de c a bf g de 2 3 41dp DPY 4 SEG E18 D50NK V CC R1 1k 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 220 P0 4 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 4 圖 2 光電脈沖計數(shù)器原理圖 2 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計 2 1 AT89C51 芯片 圖 3 3 種常見單片機及引腳圖 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器 FPEROM Flash Programmable 課程設(shè)計說明書 第 2 頁 and Erasable Read Only Memory 的低電壓 高性能 CMOS 8 位微處理器 俗稱單片 機 該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS 51 指令集和輸出管腳相兼容 2 由于將多功能 8 位 CPU 和閃速存儲器組合在單個芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 AT89C051 是它的一種精簡版本 AT89C51 單片機為很多嵌入式系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 2 1 1 AT89C51 的功能特性 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲器 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個 I O 口線 兩個十六位定時 計數(shù)器 一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu) 一個全雙工串行通 信口 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路 同時 AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作 并支持 兩種軟件可選的節(jié)電工作模式 3 空閑方式停止 CPU 的工作 但允許 RAM 定時 計 數(shù)器 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容 但振蕩器停止 工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位 2 1 2 AT89C51 的主要性能參數(shù) AT89C51 主要性能參數(shù)如下 1 與 MCS 51 兼容 2 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 3 壽命 1000 寫 擦循環(huán) 4 數(shù)據(jù)保留時間 10 年 5 全靜態(tài)工作 0Hz 24MHz 6 三級程序存儲器鎖定 7 28 8 位內(nèi)部 RAM 8 32 可編程 I O 線 9 兩個 16 位定時器 計數(shù)器 10 5 個中斷源 11 可編程串行通道 12 低功耗的閑置和掉電模式 13 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 課程設(shè)計說明書 第 3 頁 2 2 E18 D50NK 反射式紅外傳感器 光電開關(guān)電路主要由光電開關(guān)管 即光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的 傳感器 它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化 然后借助光電元件進一步將光 信號轉(zhuǎn)換成電信號 光電傳感器一般由光源 光學(xué)通路和光電元件三部分組成 4 電 檢測方法具有精度高 反應(yīng)快 非接觸等優(yōu)點 而且可測參數(shù)多 傳感器的結(jié)構(gòu)簡單 形式靈活樣因此 光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛 如下圖示為本次課程 設(shè)計所采用的光電開關(guān) 其型號為 E18 D50NK 的反射紅外傳感器 圖 4 反射紅外傳感器 紅外傳感器輸出端的原理圖如下 圖 5 紅外傳感器信號輸入端 紅外傳感器感受到外界信息時 產(chǎn)生高低電平 通過軟件程序設(shè)置單片機內(nèi)部寄 存器 當(dāng)傳感器的高低脈沖被單片機接收到時 單片機產(chǎn)生中斷 中斷產(chǎn)生后進入中 斷服務(wù)程序 通過設(shè)置中斷服務(wù)程序 進行計數(shù) 并通過 P2 4 P23 P2 5 P2 6 P2 口計數(shù)信息傳送至數(shù)碼管 數(shù)碼管顯示計數(shù)的個數(shù) 當(dāng)需要時按下復(fù)位開關(guān) 則計數(shù) 課程設(shè)計說明書 第 4 頁 器清零 數(shù)碼管顯示清零 重新開始計數(shù) 2 3 單片機最小系統(tǒng)電路 P1 0 V CC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RESET P0 7 P3 0EA P3 1 ALE P3 2PSEN P3 3 P2 7 P3 4 P2 6 P3 5 P2 5 P3 6 P2 4 P3 7 P2 3 X T AL2 P2 2 X T AL1 P2 1 V SSP2 0 AT 89C51 V CC C1 30P C2 30P C0 1U Y1 S0 R0 100K V CC P0 4 P0 5 P0 7 P0 6 圖 6 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng) 或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng) 是指用最少的元件組成的單片機可以 工作的系統(tǒng) 對 51 系列單片機來說 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括 單片機 晶振電路 復(fù)位 電路 單片機的晶振電路是一種典型起振電路 分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種 本次設(shè)計所采用的為內(nèi)部時鐘方式 典型的晶振取 11 0592MHz 因為可以準(zhǔn)確地得到 9600 波特率和 19200 波特率 用于有串口通訊的場合 12MHz 產(chǎn)生精確的 uS 級時 歇 方便定時操作 5 單片機復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分 當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機 按下重啟按 鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行 單片機也一樣 當(dāng)單片機系統(tǒng)在運行中 受到環(huán)境 干擾 出現(xiàn)程序跑飛的時候 按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行 2 4 光電傳感器電路 本設(shè)計使用的光電接受部分是紅外光電式傳感器 它是采用光電元件作為檢測元 件信號轉(zhuǎn)換成電信號 光電傳感器一般由光源 光學(xué)通路和光電元件三部分組成 其 中光電傳感器是型號 1E8 B03M 封裝的紅外反射傳感器 E18 DS30NK 光電傳感器 課程設(shè)計說明書 第 5 頁 其工作電壓為 5V 其傳感器有三條引腳 一條接 5V 一條接 GND 另一條則是數(shù)據(jù) 輸出接口 正常情況下輸出為高電平 當(dāng)有物體遮擋時輸出為低電平 本課題就是利 用該傳感器的這種工作原理實現(xiàn)的 將數(shù)據(jù)輸出端與單片機進行通信 進而實現(xiàn)計數(shù) 功能 2 5 顯示電路 P1 0 V CC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RESET P0 7 P3 0EA P3 1 ALE P3 2PSEN P3 3 P2 7 P3 4 P2 6 P3 5 P2 5 P3 6 P2 4 P3 7 P2 3 X T AL2 P2 2 X T AL1 P2 1 V SSP2 0 AT 89C51 V CC a b c d efg c a bf g de c a bf g de c a bf g de c a bf g de 2 3 41dp DPY 4 SEG 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 220 P0 4 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 5 P0 7 P0 6 P2 1 P2 2 P2 3 P2 0 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 P0 4 圖 7 顯示電路 本課題采用四位八段數(shù)碼管 該數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的 一種顯示方式之一 動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a b c d e f g dp 的同名端連在一起 另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路 位選通由各自獨立的 I O 線控制 當(dāng)單片機輸出字形碼時 所 有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼 但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形 取決于單片機 對位選通 COM 端電路的控制 所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開 該 位就顯示出字形 沒有選通的數(shù)碼管就不會亮 通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端 就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示 這就是動態(tài)驅(qū)動 在輪流顯示過程中 每位 數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1 2ms 由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng) 盡管 實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮 但只要掃描的速度足夠快 給人的印象就是一組穩(wěn) 定的顯示數(shù)據(jù) 不會有閃爍感 動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的 6 能夠節(jié)省大量 課程設(shè)計說明書 第 6 頁 的 I O 端口 而且功耗更低 其四位八段數(shù)碼管顯示電路圖 7 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 系統(tǒng)的軟件運程圖 本次軟件的流程圖如下 圖 7 系統(tǒng)的軟件流程圖 3 2 程序設(shè)計 include include define uchar unsigned char 課程設(shè)計說明書 第 7 頁 void timer1 init void smg dis void Delay1ms uchar ms sbit P34 P3 4 unsigned int num 0 uchar smg duanma 10 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 segbuf 4 0 0 0 0 uchar dspcom i 主函數(shù) void main void timer1 init P3 0 xff while 1 if P34 0 Delay1ms 20 if P34 0 num if num 9999 num 0 while P34 void timer1 init TMOD 0 x10 TMOD 0000 0110B 使用計數(shù)器T1的模式2 TH1 65536 5000 256 課程設(shè)計說明書 第 8 頁 TL1 65536 5000 256 EA 1 開總中斷 ET1 1 允許定時器T1的中斷 TR1 1 啟動T1 void Key counter interrupt 3 TH1 65536 5000 256 TL1 65536 5000 256 smg dis void smg dis segbuf 0 num 1000 segbuf 1 num 100 10 segbuf 2 num 10 10 segbuf 3 num 10 P0 0 xff P0 smg duanma segbuf dspcom P2 0 x10 dspcom if dspcom 4 dspcom 0 void Delay1ms uchar ms unsigned int k 課程設(shè)計說明書 第 9 頁 for k 0 k ms k unsigned char i j nop nop nop i 11 j 190 do while j while i 4 仿真 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 R1 100 R8 課程設(shè)計說明書 第 10 頁 圖 8 仿真結(jié)果 在 Keil uvision3 下新建工程 在工程下新建文件 完成程序的編寫 并生成 hex 文件 在 Proteus 中畫出電路圖 進行仿真 由于光傳感器在仿真過程中無法接受光信 號 不能產(chǎn)生相應(yīng)的電信號 所以在仿真中是將光電傳感器電路改為一個開關(guān)按鍵 開關(guān)按鍵一端接地 一端接 P3 4 端口 將 P3 4 端置為高電平 按下開關(guān)按鍵時 P3 4 變?yōu)榈碗娖?從而達到光傳感器接收光的效果 仿真結(jié)果如圖 8 所示 課程設(shè)計說明書 第 11 頁 總 結(jié) 本文介紹了一種基于 AT89C51 單片機的光電脈沖計數(shù)器系統(tǒng)的設(shè)計 主要包括單 片機的最小系統(tǒng)電路 顯示電路和光電傳感器電路 本文利用軟件編程 這樣做占用 硬件資源少 成本較低 光電傳感器電路通過光的采集輸出