光電-智能定時器

1、學(xué)號08XXXXXXX 大學(xué) XX 學(xué)院題課程設(shè)計目：智能光電定時器專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：X班姓名：XXX指導(dǎo)教師：XXXX 老師XXX年 XX月 X 日設(shè)計日期自 2011年 10 月 17日至 2011年 11 月 4日 目錄概述 3一、智能光電定時器設(shè)計要點(diǎn)3二、智能光電定時器硬件設(shè)計61. 電路圖 62. 光電傳感器 721 光敏電阻 82 2發(fā)光二極管 92 3光耦合器 121. 光電開關(guān) 122. 紅外光電對管 143. 光敏二極管與光敏三極管 .1424 光電傳感器的應(yīng)用注意事項 .163、撥碼開關(guān) 16三、智能光電定時器軟件設(shè)計171程序流程圖 171)主程序流程圖 182

2、)T0 中斷服務(wù)子程序 192 軟件去抖 193. 初始化 204硬件調(diào)試方法 205軟件調(diào)試方法2025四、結(jié)論五、改進(jìn)意見、體會及收獲 25課程設(shè)計心得 25參考文獻(xiàn) 26智能光電定時器設(shè)計、課程設(shè)計的目的：培養(yǎng)學(xué)生儀器總體設(shè)計的能力培養(yǎng)查閱資料和綜述能力 , 培養(yǎng)寫作方法和文字表達(dá)能力培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想 , 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度及獨(dú)立分析問題和解決問題的能力培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力二、設(shè)計任務(wù)：1儀器總體方案設(shè)計（1） 查閱資料 , 了解國內(nèi)外同類產(chǎn)品功能、技術(shù)指標(biāo)和方案、理論水平等（ 2） 總體方案設(shè)計（ 3） 各硬件功能部件設(shè)計（ 4） 軟件設(shè)計2編寫設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書 （智能光電定

3、時器）一、國內(nèi)外情況綜述二、總體方案設(shè)計根據(jù)查閱的資料將國內(nèi)同類產(chǎn)品各種方案特點(diǎn)列出，畫出你所設(shè)計方案的原理圖和印制板圖，說 明你所設(shè)計的方案的特點(diǎn)。三、各功能部件的硬件設(shè)計1各種光電器件對時間置入方式的設(shè)計2撥碼開關(guān)對時間置入方式的設(shè)計3單片機(jī)硬件對時間置入接收部分的設(shè)計4單片機(jī)控制聲光報警電路的設(shè)計5單片機(jī)軟件對定時，報警的編制6電源的設(shè)計四、可行性、可靠性、精度分析五、編寫儀器設(shè)計說明書1、設(shè)計任務(wù)2、概述（儀器用途及國內(nèi)外情況）3、設(shè)計任務(wù)分析及技術(shù)指標(biāo)4、總體方案設(shè)計5、部件電路設(shè)計6、可行性、可靠性、精度分析7、結(jié)論8、改進(jìn)意見、體會及收獲9、參考文獻(xiàn)10 、報告要求要求： 1、文

4、字簡練，語句通順、盡量采用圖、表。2、公式應(yīng)引出出處，不要推導(dǎo)和計算過程3、文字書寫工整，大于 10000 字概述定時器概述人類最早使用的定時工具是沙漏或水漏，但在鐘表誕生發(fā)展成熟之后，人們開始嘗試使用 這種全新的計時工具來改進(jìn)定時器，達(dá)到準(zhǔn)確控制時間的目的。1876 年，英國外科醫(yī)生索加取得一項定時裝置的專利，用來控制煤氣街燈的開關(guān)。它利用 機(jī)械鐘帶動開關(guān)來控制煤氣閥門。起初每周上一次發(fā)條， 1918 年使用電鐘計時后，就不用上發(fā) 條了。隨著時代的進(jìn)步 電子行業(yè)的發(fā)展 定時器的應(yīng)用也越來越廣泛 但傳統(tǒng)的定時器都是使用發(fā)條 驅(qū)動式 電機(jī)傳動式 或電鐘式等機(jī)械定時器 電子定時器相對傳統(tǒng)定時器來說

5、 體積小 重量輕 造價 低 精度高 壽命長 而且安全可靠 調(diào)整方便 適于頻繁使用電子定時器的應(yīng)用電子定時器在家用電器中經(jīng)常用于定時。定時可用于：照相定時曝光、定時閃光、定時放大、定時調(diào) 速、冰箱門開定時報警等。 例如：空調(diào)中的定時器， 在工作一段時間之后便能自動切斷電源停止工作。夏季夜間使用，入睡前先頂好時間，等睡熟后到了預(yù)定時間，空調(diào)自動關(guān)機(jī)。方便節(jié)能。定時器除了 應(yīng)用于家用電器外，還廣泛地用于工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)設(shè)施，甚至軍事等。電子定時器的發(fā)展前景由于電子定時器的體積小、精度高、壽命長、而且安全可靠、調(diào)整方便、適于頻繁使用等優(yōu)點(diǎn)。 所以電子定時器的發(fā)展必定大有前途。同時隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)

6、展，電子定時器也在不斷的進(jìn)步， 朝向著更多用途、更高精度、更小體積發(fā)展著。智能光電定時器設(shè)計一、 智能光電定時器設(shè)計要點(diǎn)光電器件有發(fā)光器件和光敏器件兩大類。給發(fā)光器件通以電流，發(fā)光器件就會發(fā)光。光線照射到 光敏器件，光敏器件的輸出電流就會變化。利用光電器件的這些特性，可以做成各種光電器件。單片微型計算機(jī)，它在一塊芯片內(nèi)集成了計算機(jī)的各種功能部件構(gòu)成了一種單片式微型計算機(jī)。 單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高，面向控制和價格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計最大的特點(diǎn)就是 利用了各光電器件的開關(guān)特性和單片機(jī)強(qiáng)大的處理功能。本系統(tǒng)功能：定時到蜂鳴器報警1、定時器時間置入有兩種方式：一種是撥碼開關(guān)置入方式，另

7、一種是光電置入方式。撥碼開關(guān)置入方式，其定時的時間精度為 1 秒鐘；有兩個撥碼開關(guān)，一個設(shè)置為分鐘位，一個設(shè) 置為秒鐘位。撥碼開關(guān)還有另外一種用途，即光電置入方式定時到了，來選擇音樂曲目。光電置入方式定時的時間精度為 1 秒鐘。光電置入方式中，選取幾種光電傳感器。含光敏電阻的電路（引腳所外接的電路）做時間置入結(jié)束的輸入位；含紅外光電對管的電路（引腳所外接的電路） 設(shè)置為分鐘的輸入位；含反射式光電開關(guān)的電路（引腳所外接的電路）設(shè)置為秒鐘位的輸入位。光電 置入時，每置入一次，都有燈提示。穩(wěn)壓電路復(fù)位電路（開始置入時間）秒鐘的置入電路時間置入結(jié)束電路（開始計時）分鐘的置入電路指示燈電路蜂鳴器電路2、

8、當(dāng)定時時間到，有聲光提示： 撥碼開關(guān)置入方式，音樂芯片用做聲音提示；光電置入方式，其聲音提示為用軟件所編寫的音樂 程序。從時間置入到定時時間到這一段時間內(nèi)，數(shù)碼管顯示的數(shù)字在變化；定時時間到，聲音響起表 示定時時間到。二、 智能光電定時器硬件設(shè)計1電路圖智能光電定時 器電路圖智能光電定時 器 PCB圖2. 光電傳感器光電傳感器的作用主要是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，它是一種利用光敏器件作為檢測元件的傳感 器。光電傳感器對光的敏感主要是利用半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性受光照射后發(fā)生變化的原因。即利用的 是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常分為兩類：1）外光電效應(yīng)：即在光線作用下，物體內(nèi)的電子受激逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象

9、。利用這類效 應(yīng)的傳感器主要有光電管、光電倍增管等。2）內(nèi)光電效應(yīng)：受光照射的物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應(yīng)。 它可分為光電導(dǎo)效應(yīng) （即 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為自由狀態(tài)，從而引起電阻率變化）和光生伏特效應(yīng)（物體在光線 作用下產(chǎn)生一定方向的電動勢）。反映光電器件特性的主要有下列幾種參數(shù)：1）光譜靈敏度及相對光譜靈敏度2）積分靈敏度；3）通量4）轉(zhuǎn)換特性和相對時間常數(shù)；5）頻率特性；6）光照特性和光譜特性；7）伏安特性；8）溫度特性。下面介紹一些常用的光電器件：21 光敏電阻（一）光敏電阻的工作原理光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件（即 PC器件），又稱光導(dǎo)管，它是基于半導(dǎo)體光電

10、效應(yīng)工 作的。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時可加直流偏壓，也可以加交流電壓。當(dāng)它無 光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它 的阻值（亮電阻）急劇減少，因此電路中電流迅速增加。光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要 將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng) 從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定。因此得到廣泛的應(yīng)用。（二）光敏電阻的主要參數(shù)1、暗電阻光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流， 稱為暗電流。2、亮電阻 光敏電阻在某一光

11、照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。3 、光電流 亮電流與暗電流之差，稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小，則性能越好，也就 是說，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻的靈敏度就高。實際上，大多數(shù)光敏電阻的暗電阻 往往超過一兆歐，甚至高達(dá) 100M，而亮電阻即使在正常白晝條件下也可降到 1K以下，可見光敏 電阻的靈敏度是相當(dāng)高的。（三）光敏電阻的基本特性1、伏安特性 在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性（見圖）。由曲線 可知，在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，所加的電壓越大，光 電流越大，而且沒有

12、飽和現(xiàn)象。但是不能無限制地提高電壓，任何光敏電阻都有最大額定功率、最高 工作電壓和最大額定電流。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，而光敏電阻的耗散功率又 和面積大小以及散熱條件等因素有關(guān)。硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線 光敏電阻的光照特性曲線2、光照特性 光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系，稱為光敏電阻的光照特性。不同類型的光敏電阻，光照特 性不同。但多數(shù)光敏電阻的光照特性類似與圖所示曲線形狀。由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因 此它不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。3、光譜特性 光敏電阻對不同波長的光，其靈敏度不同，圖為硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈光敏電阻的光

13、譜特性曲 線。從圖中可以看出，硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。 因此，在選用光敏電阻時，應(yīng)該根據(jù)光源來考慮，這樣才能得到較好的效果。4、響應(yīng)時間和頻率特性 實踐證明，光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流并不立刻上升到最大飽和值，而光照去掉后，光 電流也并不立刻下降到零。這說明光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后，這就是光電導(dǎo) 的弛豫現(xiàn)象。它通常用到響應(yīng)時間 t 表示。響應(yīng)時間又分為上升時間 t 1和下降時間 t 2（見圖）。上升和下降時間是表征光敏電阻性能的重要參數(shù)之一。 上升和下降時間短， 表示光敏電阻的惰性小， 對光信號響應(yīng)快。一般光敏電阻的響應(yīng)時間

14、都較大（約幾十 幾百毫秒）。光敏電阻的響應(yīng)時間除了 與元件的材料有關(guān)外，還與光照的強(qiáng)弱有關(guān)，光強(qiáng)越強(qiáng)，響應(yīng)時間越短。由于不同材料的光敏電阻具 有不同的響應(yīng)時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同了（見圖1-8 ）。光敏電阻的時間常數(shù)比較大，所以其上限頻率 f 上低。光敏電阻的時間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。當(dāng)照度 E=時，光敏電阻的上升時間 t=；當(dāng) E=10lx 時， t =66ms；當(dāng) E=1000lx 時，t =6ms。由圖知，只有 PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫茲。光敏電阻的光譜特性曲線 光敏電阻的時間響應(yīng)曲線（四）光敏電阻的應(yīng)用 綜上所述，光敏電阻有靈敏

15、度高、工作電流大（達(dá)數(shù)毫安）、光譜響應(yīng)范圍與所測光強(qiáng)范圍寬、 無極性使用方便的優(yōu)點(diǎn)。但有響應(yīng)時間長、頻率特性差、強(qiáng)光線性差與受溫度影響大的缺點(diǎn)。主要用 在紅外的弱光探測與開關(guān)控制。如照相機(jī)的電子快門電路，可用于自動控制曝光時間。22 發(fā)光二極管LED發(fā)射的是非相干光，輻射波長在可見光或紅外區(qū)域。它所發(fā)出的光波波長與所用材料有關(guān)， 如砷化鎵紅外發(fā)光二極管的峰值波長在 ；發(fā)綠光的 GAP發(fā)光二極管峰值波長在。與半導(dǎo)體激光器相 比， LED在單色性、方向性和亮度等方面都比半導(dǎo)體激光器差得多。 LED有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動電路 比較簡單，輸出功率無需反饋控制，體積小，壽命長，可在很寬的溫度范圍內(nèi)工作。因

16、此，LED成為光纖通訊、光纖傳感、光電傳感器系統(tǒng)的重要光源。（ 一 ） 、 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理發(fā)光二極管（即 LED）是一種注入式電致發(fā)光器件，它由 P 型和 N型半導(dǎo)體組合而成。實際是將PN 結(jié)管芯燒結(jié)在金屬或陶瓷底座上，然后用透明環(huán)氧樹脂封裝而成。當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓時，結(jié)區(qū)勢壘降低， P區(qū)的空穴載流子 p向N區(qū)擴(kuò)散， N區(qū)的電子 n向P區(qū)擴(kuò)散， p與n在PN結(jié)區(qū)相遇復(fù)合釋放 能量而發(fā)光。這種發(fā)光器件和白熾燈泡相比，有體積小、耐沖擊、壽命長功耗低、響應(yīng)快、可靠性高、 顏色鮮明、易和集成電路匹配等特點(diǎn)，因而獲得廣泛應(yīng)用。光二極管是一種電流驅(qū)動器件。它的驅(qū)動 方式有恒定直流驅(qū)動和脈沖直

17、流驅(qū)動兩種。恒定支流驅(qū)動電路如圖示。U為驅(qū)動電壓， R 為限流電阻，驅(qū)動 I F=（U-UF）/R，其中 UF為發(fā)光二極管的正向壓降。由于是恒定直流驅(qū)動，發(fā)光二極管發(fā)出的光強(qiáng) 也是恒定的。脈沖直流驅(qū)動的驅(qū)動電壓 U為脈沖電壓，所以發(fā)光二極管的驅(qū)動電流也為脈沖電流，發(fā) 光二極管發(fā)出的是同頻率的脈沖光。脈沖直流驅(qū)動具有提高作用距離、提高抗干擾能力、降低發(fā)射器 電源消耗等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖 恒定直流驅(qū)動方式（ 二 ） 、 LED的特性發(fā)光二極管的特性 發(fā)光二極管通以正向電流，發(fā)光二極管就會發(fā)光。發(fā)光二極管內(nèi)部的晶片所用材料不同，所發(fā)出 的光線的光譜（光線的頻率范圍）不同，因而所發(fā)光的顏色也不

18、同。有的發(fā)可見光的紅光、綠光、黃 光。有的發(fā)不可見的紅外光。發(fā)光二極管的外部電壓與電流的關(guān)系，即伏安特性，類似于普通二 極管。其差別是，普通硅二極管的正向開啟電壓約為， 而發(fā)光二極管的開啟電壓更大些。 砷化鎵（ GaAs） 紅外發(fā)光二極管的開啟電壓約為 ；發(fā)綠光的約為 2V。開啟電壓還隨環(huán)境溫度的升高而減小。發(fā)光二 極管的反向電流 IR很小，約 10uA100uA。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓一般約為 5V左右，最高也不超 過 30V。不同的發(fā)光二極管的響應(yīng)時間不同。發(fā)黃光的發(fā)光二極管的響應(yīng)時間最長，約100us；發(fā)紅光的和橙光最短，約 10ns，其于的也都在 150ns 以下。發(fā)出可見光的發(fā)光二

19、極管就是通常所說的 LED，常用文 字顯示。發(fā)光二極管的特性參數(shù)發(fā)光光譜 發(fā)光光譜是指發(fā)光的相對強(qiáng)度（或能量）隨波長（或頻率）變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光 二極管的顏色，并影響它的流明效率。發(fā)射光譜的形成是由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決 定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和半強(qiáng)度 寬度（稱為半寬度）。發(fā)光二極管的峰值波是由材料的禁帶寬度決定的。圖給出了和 GaP的發(fā)射光譜。當(dāng) GaAs1-xPx中的 x 值不同時，峰值波長在 620680nm之間變化，譜線半寬度大致為 2030nm。 GaP發(fā)紅光的發(fā)光光譜的峰值波長在 700nm附近，

20、半寬度大約為 100nm。2伏安特性 發(fā)光二極管的伏安特性如圖所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點(diǎn)的電壓 值時無電流，電壓一超過開啟點(diǎn)就顯示出歐姆導(dǎo)通特性。反向擊穿電壓一般在 -5V 以上。發(fā)光二極管的伏安特性曲線 發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系3發(fā)光亮度與電流的關(guān)系發(fā)光二極管的發(fā)光亮度 B 是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度。圖給出 GaAs1-xPxGa1-xALxAs了和 GaP（綠） 發(fā)光二極管的亮度與電流密度的關(guān)系。這些亮度隨電流密度近似成正比增加而不易飽和的管子，適合 于在脈沖下使用。 因為脈沖狀態(tài)工作不易發(fā)熱， 在平均電流與直流相等的情況下可以得到更高的亮度。4壽命 發(fā)光二極管

21、的壽命定義為亮度降低到原有亮度的一半時所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很 長，在直流密度小于 1A/cm2時，一般可達(dá) 106h可，最長可達(dá) 109 h 。隨著工作的時間加長，亮度下降 的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。5響應(yīng)時間在快速顯示時， 標(biāo)志器件對信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時間， 即指器件啟亮 （上升）與熄滅（衰 減）時間的延遲。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似的呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時間一 般是很短的，如 GaAs1-xPx 僅為幾個 ns，GaP約為 100ns。在用脈沖電流驅(qū)動二極管時，脈沖的間隔和 占空因數(shù)必須在器件響

22、應(yīng)時間所許可的范圍內(nèi)。（ 三 ） 、發(fā)光二極管的應(yīng)用1 數(shù)字，文字及圖象顯示 圖是最簡單的七段式數(shù)碼管，它是把管芯切成細(xì)條拼成如圖所示的形狀。工作時分別接通某些細(xì) 條使其發(fā)光，使得到 09 十個可變換的數(shù)字。它已在臺式及袖珍型半導(dǎo)體電子計算機(jī)，數(shù)字手表、 數(shù)字鐘和數(shù)字化儀器的數(shù)字顯示上得到廣泛應(yīng)用。目前， LED作為顯示元件已發(fā)展到彩色和大面積顯 示，如市面上使用的電子商標(biāo)及大屏幕顯示等圖是 14劃的字碼管，它可顯示 10個數(shù)字和 6 個字母，并可根據(jù)同樣的設(shè)計增添其他的符號。 七段式數(shù)碼管 14 劃字碼管 文字顯示器的內(nèi)部接線 在文字顯示上，通常是把二極管作矩陣排列，它除能完成數(shù)碼管所能顯示

23、的字符外，還能顯示文 字和一些其他符號。最常用的矩陣式顯示器為 57 矩陣，如圖所示。考慮到要顯示小數(shù)點(diǎn)時，這種 顯示器便需要 571=36個發(fā)光單元， 13 根引出線。指示、照明 單個發(fā)光二極管還可以作儀器指示燈、示波器標(biāo)尺、收音機(jī)刻度及鐘表中的文字照明等。目 前已 有雙色、多色甚至變色的單個發(fā)光二極管，如英國的絳紅、橙、綠三種顏色的管芯組裝在一個管殼里 的顯示多種顏色的單個發(fā)光管。3. 光源 紅外發(fā)光二極管多用于光纖通信與光纖傳感器中， LED作為信號光源多用在光電尺寸測量等光電 檢測中。 LED可用來制作光電開關(guān)、光電報警、光電遙控及光電耦合器件等。光耦合器 半導(dǎo)體光敏器件的重要應(yīng)用之一

24、，是與發(fā)光二極管或其他發(fā)光器件組成一種新的器件半導(dǎo)體光耦合器。光耦合器的主要功能，是利用光來實現(xiàn)電信號的傳遞。在線路應(yīng)用上，則是用光來實現(xiàn)級 間耦合。工作時，把電信號加到輸入端，使發(fā)光器件管芯發(fā)光，而受光器件管芯在此光輻射的作用下 輸出光電流，從而實現(xiàn)電光電兩次轉(zhuǎn)換，通過光進(jìn)行了輸入端和輸出端之間的耦合。光耦合器的種類繁多，其中特別常用的是以硅光敏器件為受光部分和以砷化鎵發(fā)光二極管的光譜 匹配十分理想。在以硅光敏器件為受光部分的光耦合器中，又由于受光器件的不同而有不同的品種。 例如，光敏二極管輸出型光耦合器、 光敏三極管輸出型光耦合器、 達(dá)林頓光敏三極管輸出型光耦合器、 光控晶體閘流管輸出型光

25、耦合器以及集成電路型光耦合器等。光耦合器的主要特點(diǎn)：1）輸入與輸出間絕緣；2）信號單向傳遞，輸出信號對輸入端無影響；3）抗干擾能力強(qiáng)；4）響應(yīng)速度較快；5）工作穩(wěn)定可靠、無觸點(diǎn)、壽命長。光耦合器的幾種常見形式 :1. 光電開關(guān) 光電開關(guān)是一種特殊形式的光電耦合器件，只不過其發(fā)光部和受光部不是一個封閉的整體，它們 之間可以插入被測物體。因此當(dāng)被測物體改變光路的通斷狀態(tài)，將引起電路的通斷，起到開關(guān)和繼電 器的作用。由于其通斷代表了“ 1”、“ 0”信號，因而又起到了 1bit 的編碼作用，所以也是一種最 簡單的編碼器。光電開關(guān)應(yīng)用極廣，利用它可簡單方便的實現(xiàn)自動控制與自動檢測。最常見的光電開 關(guān)由

26、紅外發(fā)光二極管和硅光敏三極管組成， 按結(jié)構(gòu)不同，光電開關(guān)可分為透過型和反射型兩種 （見圖）。光電開關(guān)示意圖 圖是槽型光電耦合器。這里所謂的“槽型”指的是其外部形狀像是一個槽子，其實其電路結(jié)構(gòu)與 普通光電耦合器沒有什么兩樣。圖中左槽沿安裝一個砷化鎵（ GaAs）近紅外發(fā)光二極管，其峰值波長 為 880nm，右邊為硅光敏三極管，其峰值波長也為 880nm。發(fā)光二極管窗口與光敏三極管的窗口正好 相對。若發(fā)光二極管通以電流，發(fā)光二極管便會發(fā)出紅外光。那么當(dāng)中間無縫隙無物體時，光敏三極 管便通過電流；若中間縫隙插入不透明片狀物，則光敏三極管便不會有電流通過。這樣，槽型光電耦 合器便起到開關(guān)的作用，故稱為

27、光電開關(guān)，也稱為光電斷路器。這種光電傳感器的發(fā)光二極管發(fā)出的 光直接到達(dá)光敏三極管，成為透射型光電斷路器。投射式光電傳感器 光電開關(guān)的發(fā)光二極管和光敏三極管一般采用直流供電可?？捎盟鼇頇z測物體的有無、物體的轉(zhuǎn) 速等. 例如把透射式光電開關(guān)裝在抽屜里并加好電。抽屜裝有插銷。抽屜推進(jìn)桌子里后，插銷進(jìn)入槽 型光電開關(guān)耦合器的槽隙中遮住光，光電開關(guān)無輸出。抽屜拉出后，插銷離開槽隙，使發(fā)光二極管的 光照射到光敏三極管上，光敏三極管通過電流。用此電流驅(qū)動報警器等起到防盜作用。圖（a）是一種反射式光電開關(guān)的外形圖。這種光電開關(guān)的發(fā)射孔和接收孔位于同一側(cè)。光線發(fā)出后只有經(jīng)過障礙 物反射回來后光敏三極管才可接收

28、到，如圖（ b）所示。反射式光電開關(guān)光電開關(guān)在使用中應(yīng)注意的一個問題是響應(yīng)速度問題， 光電開關(guān)的光敏三極管響應(yīng)慢。 GaA（s 砷 化鎵）紅外發(fā)光二極管的上升和下降時間為 4ns，硅光敏三極管的上升和下降時間為 3us。發(fā)光二極 管通以恒定電流，其速度不影響光電開關(guān)的速度，速度只決定于光敏三極管。光敏三極管的上升和下 降時間按 3us 計算。光電開關(guān)作為代替人類視覺的最簡單的傳感器已經(jīng)發(fā)展了各種型式。也可采用單 個紅外發(fā)光二極管與光敏管設(shè)計組裝成各種遙控或遠(yuǎn)距離檢測的光電開關(guān)（圖）光電開關(guān)的應(yīng)用2. 紅外光電對管 發(fā)射電路由紅外發(fā)射管和電阻組成。紅外發(fā)射管的作用是電脈沖信號轉(zhuǎn)換為光信號送出。當(dāng)

29、輸出 變化的電脈沖信號時，發(fā)射管發(fā)射出的紅外線強(qiáng)度就隨之變化。電阻起限流的作用，電阻越小，通過 紅外發(fā)射管的電流越大，發(fā)射管的發(fā)射功率就越大，發(fā)射距離就越遠(yuǎn)；電阻取的過小會損壞紅外線發(fā) 射管。接收電路由光電接收管和電阻組成。光電接收管的作用是將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電阻 作用是取樣，稱為取樣電阻。當(dāng)紅外光照射光電接收管時，光電接收管的電阻將減小，光電接收管使 電阻的電流增大，從而電阻兩端產(chǎn)生隨入射紅外光強(qiáng)弱變化的電壓，此變化的電壓信號經(jīng)紅外接口輸 入主機(jī)。由于不同光電接收管的性能參數(shù)不一，電阻的阻值以及光電接收管需要根據(jù)實際情況做一定 調(diào)整。 常見光電接收管有兩種形式， 一種是光電接收二

30、極管， 一種是光電接受三極管 （只有兩只引腳） （光電三極管較為常見）。用光電二極管其負(fù)極需要接 +5V一端。1測試紅外線發(fā)射管 紅外線發(fā)射管是二極管，可用萬用表電阻的 RK 檔測量紅外發(fā)射管正反向電阻，反向電阻通常 無窮大，正向電阻一般為 15K。2測光電接收管測光電接收三極管時， RK 檔測量兩只引腳間正反向電阻，光電接收管反向電阻應(yīng)為 500K（越大 越好），不受光線照射影響； 正向暗電阻（不受光照射時） 應(yīng)大于 300K（越大越好） ，正向明電阻（強(qiáng) 光照射時）應(yīng)小于 30（越小越好）。測光電接收二極管時， 萬用表電阻 RK 檔測量光電二極管兩只引腳間正反向電阻， 正向電阻約為 5K

31、左右，不受光線影響；反向暗電阻（不受光照射時）應(yīng)大于 500K（越大越好）；反向明電阻（強(qiáng) 光照射時）小于 0，小于 0 的原因是受光線照射后，二極管 PN結(jié)將獲得的光能轉(zhuǎn)換為電能，提供了左 右的結(jié)電壓。光敏二極管與光敏三極管 光敏二極管與光敏三極管均為近紅外接收管。這種管子把接收到的光的變化變成電流的變化，再 經(jīng)放大和處理，用于各種控制目的。目前用的最廣的就是紅外線遙控器（遙控電視機(jī)、錄像機(jī)及音響 等）。它們除了用于家用電器遙控外，還用于光纖通訊、光纖傳感器、火災(zāi)報警傳感器、光電轉(zhuǎn)換儀 器、光電耦合器、光電開關(guān)、光電讀出機(jī)（自動閱卷等）等。1）光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)圖 光敏二極管的結(jié)構(gòu)如

32、圖所示。其基本原理是，當(dāng)光照射到 P-N結(jié)上時， P-N 結(jié)便吸收光能并把它轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔?。它有兩種工作狀態(tài)，伏安特性如圖所示。1）光敏二極管的加反向電壓時，電流（稱為光電流）隨光照強(qiáng)度變化而變化。光照強(qiáng)度越強(qiáng)， 反向電流越大，如圖的第三象限。這是最常用的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，反向電流與光強(qiáng)成正比。當(dāng)光 強(qiáng)度為零時，反向電流（此電流稱為暗電流）為零（實際上小于）。光電流最大約為幾十微安。反向 工作電壓一般不大于 10V，最大也僅為 50V。2）光電二極管不加電壓， P-N 結(jié)受光照射后會產(chǎn)生正向電壓，從而使閉合回路中流過電流，如圖4-1 （c）中的第四象限。由于這一特性，可以把光敏二極管用作光電池

33、，把光能變?yōu)殡娔?。這種工作 狀態(tài)一般用作光電檢測。3）光敏二極管加正電壓，如圖 4-1 （c）的第一象限所示。這種狀態(tài)是沒有用的。 光敏二極管有四種類型： P-N結(jié)型（也稱 PD）、PIN 結(jié)型、雪崩型和肖特基結(jié)型。用的最多的是 P-N結(jié)型，它的價格最便宜。其它幾種速度高、價格高，主要用于光纖通訊、比色記等。4）光譜響應(yīng)特性硅光敏二極管的光譜范圍為 400nm1100nm，其峰值波長為 800nm900nm（頂峰為 800nm），如圖 4-1 （b）所示。這與 GaAs紅外發(fā)光二極管的光譜響應(yīng)特性相匹配，兩者配合可以獲得較高的傳輸效 率。2） 光敏三極管 光敏三極管也是依靠光照射來使輸出電流發(fā)

34、生變化的器件。可以近似的認(rèn)為，光敏三極管的發(fā)射 極電流或集電極電流與光強(qiáng)成正比。光敏三極管與加反向偏壓的光敏二極管的工作原理類似的，但是 器件中有兩個 PN結(jié)，以便利用一般晶體管的作用得到電流增益。因而，有的文獻(xiàn)稱光敏三極管為光 電孿生二極管或具有兩個 PN結(jié)的光敏二極管。 由于具有比光敏二極管高的多的響應(yīng)度 （又稱靈敏度） ， 工作時對電源的要求又不苛刻，所以，它是目前我國應(yīng)用最廣泛的一種半導(dǎo)體光敏器件。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和特性曲線 光敏三極管的外形、原理性結(jié)構(gòu)、常用符號及等效電路圖 光敏三極管的外形、原理性結(jié)構(gòu)、常用符號及等效電路如圖所示。工作時所加偏壓的極性已在圖 中示出。這是一種用平面工

35、藝制造的硅 NPN型光敏三極管。在圖中，只畫了 E、 C 兩個引出端子，實 際上，是既可以只有 E、C兩個引出端子，也可以有 E、B、C 三個引出端子的。 B端子從 N PN結(jié)構(gòu)中 的 P 區(qū)引出。具有 B 引出端子的光敏三極管，不僅使用上會給我們帶來方便，而且可以使光敏三極管 的頻率特性等某些性能得到改善。在電路上，光敏三極管可以等效為在一個晶體管的基極與集電極之 間接一個光敏二極管。而且，光敏二極管的連接必須這樣，當(dāng)晶體管加正常工作電壓時，光敏二極管 是處于反向偏置的。實際的光敏三極管中，集電結(jié)的作用正與上述光敏二極管的作用相同。因此光敏 三極管就相當(dāng)于一個把集電結(jié)光敏二極管光電流加以放大

36、的晶體管放大器。這樣的等效電路，簡單明 白的說明了光敏三極管比光敏二極管有大得多的光電流的原因。24 光電傳感器的應(yīng)用注意事項 ：1、 光敏三極管和發(fā)光二極管的速度快，因而光電傳感器的速度也快，可以檢測快變信號。2、 可見光波長為 380nm（紫色光） 760nm（紅光），紅外光波長為 760nm100um，而光敏三極管 接收的峰值波長為 880nm900nm是近紅外光。陽光的波長（長于 280nm以上）的范圍較寬，易對光電 傳感器形成干擾。因此避免陽光照射到光敏三極管。3、光電傳感器可測試的最短距離為幾毫米至數(shù)米。最長達(dá)數(shù)百米。3、撥碼開關(guān)單片機(jī)系統(tǒng)中，人們對單片機(jī)發(fā)送命令或輸入數(shù)據(jù)可以以采

37、用鍵盤，鍵盤輸入隨時間都可進(jìn)行， 靈活性很大，給人們的操縱以很大的方便。也正是這種靈活性給人們誤操作開了方便之門。如果某些 重要的功能或數(shù)據(jù)也由鍵盤輸入，必將因易誤操作而產(chǎn)生一些不良后果。因此人們常常用設(shè)定靜態(tài)開 關(guān)的方法來執(zhí)行這些功能或輸入這些數(shù)據(jù)。靜態(tài)開關(guān)一經(jīng)設(shè)定，將不再改變，一直維持設(shè)定的開關(guān)狀 態(tài)。通常這些開關(guān)的狀態(tài)是在單片機(jī)系統(tǒng)加電時由 CPU讀入 RAM中的，以后 CPU將不再關(guān)注這些開關(guān) 的狀態(tài)，因此，即使在加電后，這些開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化也不會影響計算機(jī)的正常操作，只有在下一 次加電時，這些新的開關(guān)狀態(tài)才能生效。 數(shù)字撥碼盤輸出有 BCD編碼的四線輸出和單片十位的十線 輸出兩種方

38、式。十線撥碼盤實際上是一種單刀十?dāng)S的轉(zhuǎn)化開關(guān)， 如圖所示。顯然這種撥盤結(jié)構(gòu)簡單， 與 8031 接 口時，將 A端接地， 09線與 8031的有關(guān)輸入口線相接，就可完成撥盤與 8031 的接口，當(dāng) 8031 讀入 口線電平狀態(tài)時，就可判斷開關(guān)處于哪一個檔位。其不足是占用口線資源較多。BCD撥碼盤，是十進(jìn)制數(shù)輸入， BCD碼輸出。它有 09 十個位置，每個位置有相應(yīng)的數(shù)字顯示， 代表一位十進(jìn)制數(shù)的輸入。而每片撥盤代表一位十進(jìn)制數(shù)， n 位十進(jìn)制數(shù)，可用 n 片撥盤并聯(lián)安裝組 成，如圖所示。十線撥盤結(jié)構(gòu) 三位十進(jìn)制撥盤組十線撥碼盤與 8031 的接口BCD碼撥盤后面有 5 個接點(diǎn)，其中 A 為輸入

39、控制線，另外四根是 BCD碼輸出線。撥盤撥到不同位 置時，輸入控制線 A分別與 4根 BCD碼輸出線中的某根或某幾根接通，其接通 BCD碼輸出線狀態(tài)正好 與撥盤指示的十進(jìn)制數(shù)相一致。例如撥盤撥到 6，A與4，2接通，撥到 7時，A與 4、2、1接通等等。 表 3-1 BCD 碼撥盤的輸入輸出狀態(tài)表。表 3-1 BCD 碼撥盤的輸入輸出狀態(tài)撥盤 輸入控制 端 A輸出狀態(tài)8421010000110001210010310011410100510101610110710111811000911001BCD碼撥盤與 8031 的接口單片 BCD碼撥盤可以與任一個 4位的 I/O 口或擴(kuò)展 I/O 口相

40、連，以輸入 BCD碼數(shù)據(jù)。圖 5-3 是用 8031的P1 .0 4 位I/O 與單片 BCD碼撥盤的接口電路圖?？刂贫?A接+5V，BCD碼的 8421端分別通 過下拉電阻接至地電平。當(dāng)撥盤撥至某輸入十進(jìn)制數(shù)時，相應(yīng)8421 的連通端便輸出高電平，而非連通端為低電平，撥盤輸出 BCD碼為正邏輯。如撥盤撥至 9，則 BCD碼锝 421端的 8和1端與 A連通， 成為高電平，而 4和2端與 A不連通，被下拉電阻拉至低電平， BCD碼即為 1001。表5-1 所示編碼正 是這種正邏輯的編碼或稱為原碼。相反，如果控制端A接地，而 BCD碼的 8421 端通過上拉電阻接至+5V 時，撥盤輸出 BCD碼

41、將是負(fù)邏輯的或稱為反碼。單片 BCD撥碼盤與 8031 的接口三、智能光電定時器軟件設(shè)計1程序流程圖N進(jìn)入撥碼開關(guān)置入方式， T0 工作 在定時方式，送定時常數(shù) 取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為秒數(shù) 并存放結(jié)果進(jìn)入 T0 中斷服務(wù)子程序定時結(jié)束，調(diào)用音樂子程序，并給出光提示1）主程序流程圖2）T0 中斷服務(wù)子程序本設(shè)計采用軟件的方法消除可能出現(xiàn)的誤脈沖。在第一次檢測到有誤脈沖的時候，執(zhí)行一段延時 子程序，延時子程序延時 20ms，從而消除了誤脈沖的影響。DELAY20M：S MOV R6 ， #10L4 ： LCALL DELAY2MSDJNZ R6， L4RETDELAY2MS ： MOV R7 ， #0C8H

42、L2 ： NOPNOPNOPDJNZ R7,L2RET延時程序與 MCS-51執(zhí)行指令的時間有關(guān)，如果使用 6MHz的晶振，一個機(jī)器周期為 2us，計算出執(zhí)行一條指令以至一個循環(huán)所需要的時間，給出相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，便能達(dá)到延時的目的。DELAY20MS子程序延時 20MS，它是一個雙重循環(huán)。初始化; 程序功能：定時到音樂報警且指示燈快速閃爍；置入方式： 1.光電置入 開關(guān) 1閉合 （精度 1秒鐘）； 2. 撥碼開關(guān)置入 開關(guān) 1 斷開 （精度 1 秒鐘） ；定時到報警方式：蜂鳴器報警; 20H, 標(biāo)志位字節(jié) : 置入狀態(tài)標(biāo)志位， 1 為置入狀態(tài)， 0 為定時狀態(tài);:置入方式標(biāo)志位， 1 為撥碼開

43、關(guān)式， 0 為光電式;:定時結(jié)束標(biāo)志位， 1 為定時結(jié)束， 0 未結(jié)束；開機(jī)時即處于置入狀態(tài);21H, 判斷光電輸入用緩沖字節(jié);40H, 小時設(shè)置緩沖字節(jié);41H, 分鐘低位設(shè)置緩沖字節(jié);42H, 分鐘高位設(shè)置緩沖字節(jié);43H, 置入狀態(tài) LED提示刷新頻率保存字節(jié)（ 200毫秒亮， 200毫秒暗）;46H, 定時基準(zhǔn)累加單元;47H, 定時指示 LED刷新計數(shù)單元;48H, 樂曲曲目選擇單元 （ 與分鐘撥碼開關(guān)對應(yīng) ）;4AH, 被乘因子的低位單元;4BH, 被乘因子的高位單元;4CH, 乘數(shù)單元;4DH, 計數(shù)結(jié)果低位單元;4EH, 計數(shù)結(jié)果高位單元4硬件調(diào)試方法 ： 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件調(diào)試

44、和軟件調(diào)試是不能完全分開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和糾正 的。但通常是先排除明顯的硬件故障后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試。以下主要討論用 DICE-51 仿真機(jī)測 試樣機(jī)硬件和排除硬件故障的辦法：1）靜態(tài)調(diào)試在樣機(jī)加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設(shè)計圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路和正確性，核對 元器件型號，規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源的短路和極性錯誤。 并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線（地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線），是否存在相互之間或和其它信號線短路。加電檢查各插件上引腳的電位， 仔細(xì)測量個點(diǎn)電平是否正常， 尤其應(yīng)注意 CPU插座的各點(diǎn)電位， 若有高壓，聯(lián)機(jī)仿真時將會損壞仿真機(jī)的器件。在斷電情況下，除 CPU以外，插上