紅外傳感器制作[谷風(fēng)軟件]

1、2.3設(shè)計(jì)框圖本次設(shè)計(jì)是基于STC89C52單片機(jī)的電動機(jī)保護(hù)裝置，包括穩(wěn)壓模塊、按鍵控制、紅外發(fā)射接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電機(jī)部分。 模數(shù)轉(zhuǎn)換MCU信號處理穩(wěn)壓模塊按鍵控制電機(jī)紅外發(fā)射接收模塊 圖2.1 電機(jī)保護(hù)裝置的總體框圖穩(wěn)壓模塊2是經(jīng)變壓器、濾波、穩(wěn)壓后輸出電壓5V，為整個電路提供電源。按鍵控制根據(jù)設(shè)計(jì)需要設(shè)置工作模式和調(diào)節(jié)安全距離所用，主要用于控制整個裝置的操作。模數(shù)轉(zhuǎn)換是整個電路的橋梁，主要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。本設(shè)計(jì)的電機(jī)部分是由LED模擬電動機(jī)的工作和停止的。3 主要器件介紹及工作原理3.1紅外傳感器的簡介紅外技術(shù)是最近幾十年中發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它已在科技、國防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等

2、領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。紅外傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1、紅外輻射計(jì)：用于輻射和光譜輻射測量。2、搜索和跟蹤系統(tǒng)：用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對其運(yùn)動進(jìn)行跟蹤。3、熱成像系統(tǒng)：能形成整個目標(biāo)的紅外輻射分布圖像。4、紅外測距系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)物體間距離的測量。5、通訊系統(tǒng)：紅外線通信作為無線通信的一種方式。6、混合系統(tǒng)：是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合。3.1.1 紅外對管測距原理紅外線測距是利用紅外光來傳送光波信號，因此，作為紅外測距中的紅外光發(fā)射器件的紅外發(fā)光二極管和紅外光接收器件的紅外光敏管，是構(gòu)成紅外測距系統(tǒng)的基本器件。如圖3.1所示是紅外對管的實(shí)物圖。圖3.1 紅外對管實(shí)

3、物圖傳感器的探測距離較短，一般在幾十厘米之內(nèi)，而這個測距范圍是能夠滿足設(shè)計(jì)方案要求的。紅外傳感器的測距基本原理為紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，經(jīng)障礙物反射后，由紅外接收電路的光敏接收管接收前方物體反射光，據(jù)此判斷前方是否有障礙物。根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的距離，由于接收管接收的光強(qiáng)隨是隨反射物體的距離變化而變化的，因而，距離近則反射光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱。因?yàn)榧t外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強(qiáng)的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高于絕

4、對零度都會輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。3.1.2 紅外線發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)紅外線發(fā)射器件是最長用的為紅外發(fā)光二極管，它與普通發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)原理以及制作工藝基本相同，是只有一個PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，只是所有的材料不同，制造紅外發(fā)光二極管砷化鉀，砷鋁鉀等，其中應(yīng)用最多的是砷化鉀。紅外發(fā)光二極管一般采用環(huán)氧樹脂，玻璃，塑料等封裝，除白色透明材料封裝外，還可見到用藍(lán)色透明材料封裝的，。紅外發(fā)光二極管按發(fā)光功率的大小，可分為小功率，中功率，大功率三種。另外，紅外發(fā)光二極管除頂面發(fā)光型外，還有側(cè)面發(fā)光型。小功率管一般采用全塑封裝，也有部分是采用陶瓷底座，頂端用玻璃或環(huán)氧樹脂透鏡封裝

5、的，中大功率管一般采用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。隨著發(fā)光功率得提高，相應(yīng)體積的管子也增大。3.1.3 紅外發(fā)光二極管測試方法紅外發(fā)光二極管測試方法3非常簡單，用萬用表RX1K檔測量，正向電阻在30K左右，反向電阻在200K以上的管子是好的。反向電阻越大，漏電流越小，質(zhì)量越好。反之，若反向電阻只有幾十K，說明管子質(zhì)量不好，但可使用。若管子的正向的反向電阻都為無窮大或?yàn)榱?，說明管子是廢品，不能使用。3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片3.2.1 TLC2543的簡介TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖所示TLC2543的引腳圖，其使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程4。由于是串行輸入結(jié)

6、構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。如表3.1 TLC2543 引腳功能，TLC2543的特點(diǎn)如下：1、12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器；2、在工作溫度范圍內(nèi)10s轉(zhuǎn)換時間；3、11個模擬輸入通道；4、3路內(nèi)置自測試方式；5、采樣率為66kbps；6、線性誤差1LSBmax；7、有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；8、具有單、雙極性輸出；9、可編程的MSB或LSB前導(dǎo)；10、可編程輸出數(shù)據(jù)長度。表3.1 TLC2543 引腳功能引腳號名稱I/O說明19，11,12AIN0AIN10I模擬量輸入端。11路輸入信號由內(nèi)部多路器選通。15CSI片選端口。在CS端

7、由高變低時，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高時，在設(shè)定時間內(nèi)禁止DATAINPUT和I/O CLOCK17DATANPUTI串行數(shù)據(jù)輸入端。16DATAOUTOA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。CS。為高時處于高阻態(tài)，為低電平時為激活態(tài)19EOCO轉(zhuǎn)換結(jié)束端，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后為高電平圖3.2 TLC2543引腳圖3.2.2 工作時序TLC2543 每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16 個時鐘周期，且在每次傳送周期之間插入/ CS 時序如圖3.3所示。在TLC2543的/ CS 變低時開始轉(zhuǎn)換和傳送過程, I/ O CLOCK的前8 個上升沿將8 個輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時，將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11 位移

8、出DATAOU T 端，在I/ O CLOCK 下降沿時數(shù)據(jù)變化。當(dāng)CS為高時， I/ O CLOCK 和DATA INPU T 被禁止，DA2TA OU T 為高阻態(tài)。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時間移入新的器件地址，移出轉(zhuǎn)換值訪問周期采樣周期高阻狀態(tài)B15圖3.3 TLC2543的時序圖C73.2.3 數(shù)據(jù)輸入格式數(shù)據(jù)寄存器的前4 位(D7D4) 數(shù)據(jù)4，當(dāng)其為0000到1010 間的數(shù)據(jù)時，代表選中11個模擬通道的某一個通道51011到1110代表分別選中測試電壓(Vref-+ Vref +) /2 、Vref - 以及Vref + 。D3 、D2 表示輸出數(shù)據(jù)長度，D1 表示輸出數(shù)據(jù)的格式(

9、0 為MSB ， 1 為LSB) ，D0 就決定了TLC2543 的工作方式。3.3 LCD1602的應(yīng)用1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊6。它由若干個5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形。3.3.1 字符操作控制1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，

10、比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如A。3.3.2 指令操作控制1602通過D0D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置： (初始化) 0011 0000 0x38 設(shè)置162顯示，57點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口。顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： (初始化) 0000 1DCB D顯示(1有效)、C光標(biāo)顯示(1有效)、B光標(biāo)閃爍(1有效)。0000 01NS N=1(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加1 &光標(biāo)

11、加1)。N=0(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減1 &光標(biāo)減1)，S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示左移)。s=0 當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示不移動。數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼(0-27H，40-67H)。3.4主控芯片簡介電動機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的主控芯片是STC89C524 電路圖設(shè)計(jì)4.1紅外發(fā)射接收電路紅外對管收發(fā)電路如圖4.1所示，TLC2272軌對軌運(yùn)放進(jìn)行信號處理，頻率和距離可以通過精密電阻調(diào)節(jié)。對從輸入端口送入信號進(jìn)行進(jìn)行編碼，使用編碼紅外線，抗干擾能力強(qiáng)，可通過單片機(jī)控制，可以避免多個紅外模塊之間干擾。除此之外TLC2272具有放大功能經(jīng)過兩

12、級放大后模擬電壓達(dá)到了可以檢測到范圍。圖4.1紅外發(fā)射接收電路由運(yùn)放LM324比較輸出，當(dāng)”輸入端電壓高于”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)”輸入端電壓低于”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平。NE555N組成施密特觸發(fā)器8，輸出信號經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。施密特觸發(fā)器555內(nèi)部有電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)R13與R14的分壓輸入大于其閾值時輸出反向，555是對Vcc及地而言的，不是對交流信號的。在交流信號中串接一個電容，改變信號的電位。滑動變阻器PR1可以調(diào)節(jié)LM324放大器的輸入，可以調(diào)節(jié)比較電壓，同時可以調(diào)節(jié)頻率和距離。當(dāng)555輸出時高電平時，三極管9013導(dǎo)通。紅外對管發(fā)射管LED0工作。

13、其中C1、C2分別與R15，R10組成無源高通濾波器，C3為旁路電容。LED2是之所以要反接，是因?yàn)榧t外接收管應(yīng)用時PN結(jié)要反偏9，因?yàn)镻N結(jié)反偏后漂移電流隨著光變化的靈敏度大，這樣可以更好地線性變化。從TLC2272第二級輸出端即為AO是模擬信號輸出端，隨著障礙物與紅外對管的距離，輸出端的電壓值也隨著變化。4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路圖4.2是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路整體效果圖，主要由TLC2543 轉(zhuǎn)換芯片，紅外發(fā)射接收電路主要是普通紅外發(fā)射管和紅外接收三極管。圖4.2數(shù)模轉(zhuǎn)換電路電路工作原理：紅外發(fā)光管發(fā)射出的紅外光，在遇到前面的障礙物反射后，由紅外接收三級管接收，此時紅外接收三級管會產(chǎn)生一個與光強(qiáng)相對應(yīng)

14、的電流。,在輸出端可以得到一個03V的模擬電壓，作51單片機(jī)模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果在LCD上顯示出來。輸入的模擬信號直接與AIN相連，用軟件設(shè)置所選通道，然后對其進(jìn)行讀數(shù)據(jù)。4.3按鍵部分按鍵部分按功能主要是復(fù)位鍵和控制鍵如圖4.3所示。復(fù)位鍵KEY1：當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行出問題時，復(fù)位鍵控制單片機(jī)復(fù)位。控制鍵KEY2：調(diào)節(jié)模式，進(jìn)入設(shè)置期望的安全距離數(shù)值?？刂奇IKEY3：設(shè)置安全距離時，加數(shù)值。并且還具有開電動機(jī)的功能。控制鍵KEY4：置安全距離時，減數(shù)值。單片機(jī)根據(jù)ADC 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和擬合函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到實(shí)際距離并且在LCD 上顯示距離大小。當(dāng)實(shí)際距離小于設(shè)定距離時，LCD 正

15、常顯示，繼電器動作，LED燈滅，蜂鳴器響起。當(dāng)設(shè)定距離大于時，LED燈保持亮的狀態(tài)，蜂鳴器不響并且紅外發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。 圖4.3 按鍵控制電路4.4 其他模塊電路圖4.4所示，繼電器驅(qū)動電路10。當(dāng)P20口給低電平時三極管8550飽和導(dǎo)通，此電路中的三級管有放大電流和做開關(guān)的作用。繼電器上電吸合，此時LED0點(diǎn)亮。LED0是模擬電動機(jī)，LED亮說明在工作，滅是不工作。二極管D1與繼電器線圈并聯(lián)后，二極管負(fù)極接直流電源正極，繼電器線圈斷電時，二極管因勢利導(dǎo)，為線圈電流繼續(xù)流動提供途徑，殘余能量在線圈與二極管組成的回路中較為平緩地自我消耗掉，開關(guān)得到有效保護(hù)。圖4.4 繼電器驅(qū)動電路圖4.5蜂

16、鳴器驅(qū)動電路3，這與繼電器驅(qū)動電路有相似之處。當(dāng)P21口給低電平時三極管8550飽和導(dǎo)通11，此電路中的三級管有放大電流和做開關(guān)的作用。這樣蜂鳴器達(dá)到了工作的條件。圖4.5 蜂鳴器驅(qū)動電路5 軟件設(shè)計(jì)部分5.1 軟件設(shè)計(jì)框圖紅外收發(fā)部分AD模塊程序數(shù)據(jù)顯示程序主程序?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù) 繼電器控制 電機(jī)程序 圖5.1軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5.1所示，紅外收發(fā)部分根據(jù)障礙物與紅外對管的距離不同，輸出不同的模擬信號，模擬信號經(jīng)過AD采集模塊程序的處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號13，寫入單片機(jī)中,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將固定距離所采集到的信號強(qiáng)度記錄下來，然后將對應(yīng)的數(shù)據(jù)加入程序中，最后通過紅外模塊進(jìn)行測量,便可顯示出對應(yīng)的距離值，根據(jù)設(shè)定

17、距離與實(shí)時距離比對，比對的值送到單片機(jī)，單片機(jī)處理比對結(jié)果，然后對繼電器做出處理。單片機(jī)主程序是整個程序的基礎(chǔ)，也是核心。5.2程序設(shè)計(jì)流程在理解設(shè)計(jì)任務(wù)的時候，首先畫出了如圖5.2所示，根據(jù)程序設(shè)計(jì)流程圖，我對程序的編寫有了很清晰地思路。AD采集主要是對通過AD轉(zhuǎn)換芯片對紅外對管的數(shù)據(jù)采集。采樣的電壓數(shù)據(jù)在LCD上顯示。電壓值對應(yīng)的距離是通過多次測量得出的結(jié)果。然后兩者結(jié)合，顯示出距離。用戶可以根據(jù)具體情況設(shè)定安全距離，然后安全距離與實(shí)際距離比較。根據(jù)實(shí)際情況對比較的結(jié)果進(jìn)行處理。AD采樣開始數(shù)據(jù)初始化電壓值軟件處理繼電器，蜂鳴器等控制程序圖5.2 程序設(shè)計(jì)流程圖電壓對應(yīng)距離數(shù)據(jù)設(shè)定距離顯示

18、距離實(shí)際距離與設(shè)定距離比較5.3程序設(shè)計(jì)過程中問題總結(jié)程序設(shè)計(jì)過程中，出現(xiàn)了一些問題。問題主要出現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)和LCD光標(biāo)閃爍效果完善上。模數(shù)轉(zhuǎn)換程序編寫的時，主要對時序圖的理解和各功能引腳的理解。SDI輸入端，最先輸入4位為了選通模擬量通道。后4位用來設(shè)置芯片的工作方式。最后4位是數(shù)據(jù)輸出。開始設(shè)計(jì)程序時直接送入12位數(shù)據(jù)。當(dāng)時認(rèn)為前8為是為了選通道和工作方式，后4位作為輸出數(shù)據(jù)，通過移位方式賦值于另一變量，然后通過返回值返回?cái)?shù)據(jù)。這樣寫雖然在理論上也是可以說通的，但是效果上無法實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。后來通過查閱資料，可能因?yàn)槌绦蚓帉懯蛊涑霈F(xiàn)錯亂。于是改寫，先送前8位，然后送低4位，分兩批

19、送這個問題就解決了。EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束后會自動置位。開始設(shè)計(jì)時，沒有判斷是否置位導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)亂碼。 LCD光標(biāo)閃爍，出現(xiàn)問題主要有光標(biāo)比較暗，顯示不明顯，光標(biāo)顯示位置移動。LCD光標(biāo)顯示不明顯，然后根據(jù)LCD的一些資料改寫了讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)的延時函數(shù)，使延時更長，這樣就可以使光標(biāo)變亮了。光標(biāo)顯示位置移動的原因是在調(diào)節(jié)數(shù)值的時候，其他數(shù)值仍在不斷的更新，這使得光標(biāo)不停地移動。解決的方案是設(shè)置標(biāo)志位，當(dāng)處于光標(biāo)閃爍模式的時候，數(shù)值停止更新。跳出閃爍模式時，則數(shù)值開始更新。附 錄附錄A 設(shè)計(jì)電路圖以上電路圖為電動及保護(hù)裝置的主電路圖，基于Altium Desigener為平臺繪制的。包括LCD顯示模塊電

20、路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，報(bào)警電路，繼電器電路，按鍵部分控制電路等。本電路設(shè)計(jì)合理，預(yù)留擴(kuò)展口，制作靈活，便于二次開發(fā)。附錄B 設(shè)計(jì)仿真效果圖 上圖是基于Protues軟件仿真的效果圖。用滑動變阻器模擬紅外對管輸入模擬信號，滑動變阻器右邊是電壓值。LCD第一行顯示的是“set 030mm”用戶可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置安全距離。第二行顯示的是經(jīng)過單片機(jī)處理后的實(shí)時距離值。附錄C 程序源代碼1602顯示模塊程序:#include#includesbitlcdrs=P25;sbitlcdrw=P26;sbitlcden=P27;voiddelay(uintz)uintx,y;for(x=z;x0;x-)for(

21、y=110;y0;y-);voidwrite_com(ucharcom)lcdrs=0;lcden=0;P0=com;delay(5); lcden=1; delay(5);lcden=0;voidwrite_data(uchardate)lcdrs=1;lcden=0;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;voidinit()lcdrw=0;lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80);紅外測距模塊程序:#includ

22、e#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitclk=P14;sbitcs=P15;sbitdin=P16;sbitdout=P17;sbitbit7=B7;/數(shù)據(jù)的最高位ucharcount,conword;/控制字的高四位決定通道口bitcy;voidwrite_sfm(ucharadd,uintdate)uintbai,shi,ge;ge=date%10;shi=date%100/10;bai=date%1000/100;write_com(0x80+add);write_data(0x30+bai);write_data(0x30+shi);write_data(0x30+ge);write_data(m);write_data(m);voidwrite_sfm1(ucharadd,uintdate)uintqian,bai,shi,ge;ge=date%10;shi=date%100/10;bai=date%1000/100; qian=date/1000;write_com(0x80+0x40+add);write_data(0x30+qian);write_com(0x80