智能光电定时器课程设计 - 1122332吴昊天

智能仪器课程设计----光电定时器0/29编号：20140622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：1122332指导老师：刘智超分院：光电工程分院2014年6月智能仪器课程设计----光电定时器1/29目录第一章总体设计思路………………………………………2第二章元器件的选择2.151最小系统………………………………………22.1.1最小系统的性能参数…………………………22.2光电开关…………………………………………32.2.1光电对管开关…………………………………32.2.2红外对管开关…………………………………32.2.3光敏电阻开关…………………………………42.4LED数码管………………………………………62.5发光二极管………………………………………7第三章硬件电路设计…………………………………………83.151最小系统………………………………………83.1.151最小系统的组成及其工作原理……………83.2七段数码管………………………………………103.2.1七段数码管的结构及其工作原理……………103.2.2七段数码管驱动方法………………………113.2.3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………………………………………………194.1程序流程图………………………………………194.2主程序……………………………………………20第五章实习心得………………………………………………28智能仪器课程设计----光电定时器2/29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定时器四位LED数码管显示0300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。智能仪器课程设计----光电定时器3/29第二章元器件的选择2.151最小系统型号：AT89S51AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes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·4.0－5.5V的工作电压范围·全静态工作模式：0Hz－33MHz·三级程序加密锁·128×8字节内部RAM·32个可编程I／O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红外对管红外对射槽型开关智能仪器课程设计----光电定时器4/292.2.2光敏电阻开关：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：QT50CM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：DC5V智能仪器课程设计----光电定时器5/294.工作电流：发射（20mA）接收（10mA）5.输出方式：高低电平NPN常开6.输出电流：70Ma(可直接驱动继电器)7.发射角度：＜5°8.接收角度：＜10°9.响应时间：2ms10.工作温度：-10℃~60℃11.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：3-26v5.额定电流：80mA6.声压：120db7.声频：25005008.重量：52工作温度：20-80℃智能仪器课程设计----光电定时器6/29蜂鸣器实物图2、4LED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%。智能仪器课程设计----光电定时器7/29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。发光二极管实物图智能仪器课程设计----光电定时器8/29第三章硬件电路设计3.1S51最小系统3、1、1S51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：S51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智能仪器课程设计----光电定时器9/29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0000H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智能仪器课程设计----光电定时器10/291、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10~30uF，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15~33pF，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。智能仪器课程设计----光电定时器11/29七段数码管结构显示图3、2、2七段数码管驱动方法：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5～10mA；正向电压随发光材料不同表现为1.8~2.5V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。智能仪器课程设计----光电定时器12/29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