基于51单片机红外计数器设计(毕业论文)-

红外线自动计数器的设计摘 要随着今社会的飞速发展，越来越多的流水线上的产品和各种公共场所需要进行自动计数。基于单片机构成的产品自动计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中得到广泛应用。数字计数器有多种形式，总体来说有接触式和非接触式两种，在科技发展的今天，非接触式红外计数器得到了广泛的应用。本设计采用一对红外发射接收管作为红外计数器的信号检测头，具有价格低廉，抗干扰性好，结构简单，操作方便等特点。 指导思想是利用红外发光管发射红外线，红外接收管接收此红外线，并将其放大、整流形成低电平信号.当有人或物挡住红外光时，接收管没有接收到红外信号，放大器将输出高电平，同时将这个电平信号送入单片机进行控制计数，并且使数码管显示数值。这样就得到要统计的人或物的数量。关键字：自动计数；单片机；数码管 目 录第一章 绪 论31.1、前言31.2、选题背景31.3、设计要求31.4、国内外的研究概况31.5、此次设计研究的主要内容应解决问题3第二章 基于单片机构成的产品自动计数器的设计32.1、方案论证与选择32.2、系统总体框图和原理32.3、系统单元电路设计32.3.1、电源供电电路31. 桥式整流电路：3虑波电路分析3稳压电路32.3.2、红外线检测部分32.3.3、数码管显示部分32.3.3.1、LED数码管的特点：32.3.3.2、数码管动态扫描32.3.3.3、数码管驱动部分32.3.3.4、单片机计数及控制部分3复位电路3复位电路的分类33.4、系统程序设计33.4.1、程序流程图33.4.2、程序设计33.5、全电路图33.5.1、原理图33.5.2、PCB板图3第三章 结论3谢 辞3第一章 绪 论1.1、前言在当今社会飞速发展的今天，厂家基本采用流水线技术进行产品生产作业，而怎样对其线上的产品进行实时的、有效的、精确的自动计数成为广大生产厂家十分关注的问题。传统的机械式或电子式计数器（主要是用数字电路集成组件组成）电路比较复杂，元器件数量较多，故障率较高，维修比较困难，而设置预定数值不太方便，功能不易更改且功能过于单一，适用范围较窄。而基于单片机为核心控制的计数器有着能够实时、精确、可靠、稳定等计数优点已成为广大厂家的首先自动计数装置。1.2、选题背景当今社会，单片微型计算机技术迅速发展，基于单片机技术开发的计数设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高，企业迫切需要大量熟练掌握单片机技术并能开发、应用和维护管理这些智能化产品的高级工程技术人才，单片机以体积小、功能强、可靠性高、性能价格比高等特点，已成为实现工业生产技术进步和开发机电一体化和智能化测控产品的重要手段，已经实现或部分实现，但要真正完美地实现这些目标，对于设计者来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了，电子计数器是一种多功能的电子测量仪器，它利用电子学的方法测出一定时间内输入的脉冲数目，并将结果以数字形式显示出来。1.3、设计要求1. 整个系统有较强的抗干扰能力。2. 计数范围：00993. 将计数值准确显示出来4. 具有自动清0能力1.4、国内外的研究概况如今的产品自动计数器大多采用非接触方式，早已开发出了多种型号的专用检测芯片。而利用AT89C51为控制单元、辅以多种外围硬件搭配而成的计数装置已成为现在自动计数应用领域的潮流。而如何提高自动计数器的实时性、抗干扰能力、稳定性是现在国内外自动计数生产研究的主要课题，产品自动计数主要用于工厂的流水线眩，往往是处于高温，高噪声等极度恶劣的环境中，而AT89C系列单片机构成的产品自动计数器在这种环境中工作时往往会出现误操作（单片机程序跑飞）或死机（程序进入死循环），这也是基于单片机构成的产品自动计数器存在的致命。1.5、此次设计研究的主要内容应解决问题基于单片机构成的产品自动计数研究的主要内容包括：如果构成检测电路、AT89C单片机用何种方式对外部计数脉冲进行计数进行计数显示控制、LED显示驱动模块的选择、AT89C单片机的扩展。在这个设计中主要需要解决的问题是如何提高AT89C单片机的抗干扰能力以及稳定性。第二章 基于单片机构成的产品自动计数器的设计2.1、方案论证与选择方案一、如图一图一、方案一原理阐述：专业检测芯片形成计数后送入控制单元AT89C51单片机，通过对它片内计数、显示编程。74LS245是LED驱动芯片，可以同时驱动4个7段数码管，AT24C02是EEPROM模块，可以保存单片机运算时的中间有用结果的芯片，是突然掉电，关断电源或瞬间电源电压不稳定时，不会造成数据丢失或数据误写，也可以在上电后从中读出其保存的数据内容，大大增强了抗干扰的能力。方案二、图二图二、方案二原理阐述：红外发射电路（以NE555为核心）和红外接收电路（由LM567为核心）构成红外检测单元及形成计数脉冲，计数显示部分使用了四合一芯片CL102它是集译码、驱动、锁存、显示为一体。方案三、图三图三、方案三原理阐述：利用红外接收发射管的特性（即红外接收头在有红外光电阻原理分压可取基准电压，然后通过电压比较器可输出高低电平，当有红外光照射的时候，红外接收管串联的电阻分得的电压很大，可使电压比较器LM324输出为低电平；当无红外光照射的时候，红外接收头串联电阻分得的电压很小，可使电压比较器LM324输出为高电平，然后通过单片机处理，可使输出精准的计数值。以上三个方案各有自己的优点：方案一既可完美的实现产品自动计数功能且能让系统处于异常状态和抗干扰时通过外围专用芯片到非常好的解决，外围电路架设相对简单、在市场上属于高端自动计数产品。同时它也暴露出一个重大问题；由于成本太贵的原因此类产品并没有得到普及。如果用此方案进行设计只需要了解各专用芯片的引脚功能以及外围连接方法就可以实现自动计数，并没有很好的达到我人做毕业设计的目的，故虽然这个方案最完美的一个方案也只有舍弃。方案二是一个简易的产品自动计数器，价格低廉、计数精确，但在系统处于异常状态时，工作十分不稳定，也是属于现在产品自动计数市场上的淘汰产品，仅用于在计数要求不高的场合中，这个方案太过于简单故不选用。方案三是这次毕业设计用的方案，之所以选用主要是这个方案涉及的知识面广且能达到精确、稳定的自动计数，但也有一个致使的缺点，整个系统的抗干扰力较弱，系统掉电后不能保存数据，在系统牌异常状态时容易出现误操作或死机，这也是此设计看重的问题。2.2、系统总体框图和原理系统总体框图如图四、图四、系统总体框图原理：电路的指导思想是红外发射管发射红外线，红外接收管接收红外线，并且接收管当有红外线照射的时候，电阻比较小，当无线外线照射的时候电阻比较大，这样就可以通过一个电压比较器和一个基准电压进行对比，当有光照的时候，红外接收管电阻比较小，那么和其串联的电压分压就会增大，所以电压比较器将会输出一高电平；当无光照射的时候，红外接收管的电阻比较大，这样电压比较器就会输出一个低电平。这个便是外部计数电平信号，这个电平信号送入AT89C51单片机进行计数控制，在经过扩展、显示驱动完成最后的显示过程。2.3、系统单元电路设计2.3.1、电源供电电路图五-1、电源供电电路如图五所示电源供电部分采用变压器降压、桥式整流、电容器滤波、三端稳压器7805稳压后供电，电源用220V的家庭用电经变压器降至9V交流电，然后经四个整流二极管（D1D4）组成的桥式整流成直流电压，经C1滤波后输入7805芯片稳压成5V直流电源供红外发射、接收电路、AT89C51等供电。1. 桥式整流电路：图五-2、桥式整流电路桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用电路，常用来将交流转变成为直流电。原理;桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。半波整流利用二极管单向导通特性，在输入标准正弦波的情况下，输了获得正弦波正半部分，负半部分则损失掉。桥式整流器利用四个二极管，两两对接，输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出，输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用率比半波整流高一倍。桥式整流是交流转换成直流电的第一步。桥式整流也叫整流桥堆。桥式整流器是多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反射峰值电压从50V到1000V。滤波电路分析图五-3、滤波电路整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数（电压或电流的幅值与平均值之比，称为脉动系数S）要求小于0.01，故整流输出的电压必须采取一定的措施，尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤、电感滤波和复式滤波（包括倒L型、LC滤波、LCrr型滤波，也被称为电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数（S）=输出电压交流分量的最大值/输出电压的直流分量在交流电的角频率一定的情况下R越大，C2越大，则脉动系数越小，也就是滤波效果就越好。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗； 若增大C2的电容量，又会电容器的体积和重量，实现现起来也不现实。为了解决这个问题，我们在稳压前后各有滤波吸收电路，利用电容器的充放电，补偿交流分量的电压波动稳压电路图五-4、三端稳压芯片2.3.2、红外线检测部分 图六、红外线检测部分如图六所示，红外线检测部分采用一对红外发送接收管完成，当电路正常工作时，无障碍物遮挡，红外接收头有红外线照射，这时，红外接收头的电阻很小，大部分电压都加在R3上，这正是电压比较器LM324的正向输入电压，而负向输入电压由R4和R5分压得到，而R3分得的电压要大于此基准电压值，故这时电压比较器LM324输出高电平；当在红外发射接收管间有一不透光的障碍物时，红外接收头无红外线照射，这时红外接收头的电阻很大，大部分电压都加在红外接收头上，这也是电压比较器LM324的正向输入电压，而负向输入电压也是由R4和R5分压得到，和原来电压一样，这时，R3分得的电压要小于此基准电压值，故这时电压比较器|LM324输出低电平。2.3.3、数码管显示部分图七、数码管显示部分显示部分是通过74LS245作为数码管的驱动级和两个PNP三极管来完成位选操作。然后再通过软件译码来完成，为了考虑到数码管在动态扫描时，每点亮一个数码管的时间很短暂，这样就会影响到数码管的亮度，故在此用74LS245作为数码管的一个段选驱动级。而该设计中段码输出口是利用P0口作为输出口，而P0口是漏极开路，虽然有很强的灌电流能力，但拉电流能力很差，故在P0口上加一10的排阻作为上接电阻。上拉电阻的作用是，当单片机的P0口上输入为0时，上拉电阻上的电流直接流入单片机中，使数码管的段码上伤保持低电平，故在这时数码管不发光；而当单片机的P0口输出为0时，这时上拉电阻的有能使电流灌入单片机中，故排阻上的电流流入数码管中，因此这时数码管发光（这里用的是共阴数码管）。 图八、共阴数码管原理图图九、共阳数码管原理图数码管实际上就是八个发光二极管，它们以两种方式连接，如果将其阴极连接在一起，这种方式构成的数码管成为共阴数码管；如果将其阳极连接在一起，这种方式构成的数码管为共阳数码管。2.3.3.1、LED数码管的特点： 由于多位LED数码管所有段选线皆由一个8位I/O口控制，因此，在每一瞬间，我位LED会显示相同的字符，要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制I/O口在该显示位送入选通电平（因为LED为共阴时，则送入低电平，LED为共阳时，则送入高电平），以保证该位显示相应字符，轮流，使每位分时显示该位应显示的字符。段选码、位选码每送入一次后延时1ms，因人眼的视觉暂留时间为0.1s：（100ms），所以每位显示的间隔不必超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。2.3.3.3、数码管驱动部分图十、74LS245引脚图引脚功能：A：A总线端B: B总线端：三态允许端（低电平有效）DIR：方向控制端功能表DIR操作LLB端流向A端LHA端流向B端HX高阻利用74LS245可将单片机输出的4个TTL门电流提高到每人口为8个TTL门，中样提高了数码管的段选输入电流，从而提高数码的亮度。2.3.3.4、单片机计数及控制部分图十一、单片机计数部分计数部分：计数部分如图十一所示。由单片机AT89C51控制完成。基本原理为当红外检测部分检测到有物体经过时，红外接收电路的串联电阻会分压减小，从而使电压比较器的正向输入端小于负向输入端的电压，从而使电压比较器输出一个低电平信号，这个信号将供给单片机进行计数控制。计数部分有三种方案：外部中断、T0或T1计数器脉冲统计、查询法。T0或T1计数器主要作用是在一定时间内计数脉冲的个数，我们在这里并非研究对象为在一定时间内通过物品的数量，而是实时地在显示器上显示数当前的计数值，故我们这里不能采用T0或T1计数器的方式；查询法是CPU在一定时间内或是时刻地在查询是否有计数脉冲产生。我们知道，CPU每查询一个脉冲大约用到的时间是一个机器周期，也就是12个振荡周期，即1s的时间，相对于单片机的运行速度而言，外部流水线的传输速度实在太慢，如果执意要用查询法进行统计物体的传输速度，这样对于单片机的时间资源太浪费，我们在设计单片机产品中，时间资源和空间资料特别珍贵，不能轻易浪费，故查询方案舍弃。外部中断法是利用P3.2口的第二功能，INT0中断，这时，当有一低电平产生时，单片机将自动进入中断服务程序，进行处理外部中断问题，但在这时，由于外界干扰或者物体的特性，可能会进行反复地中断触发，这样可能会造成误计，重计等错误后果，在这里我们处理的办法是我们不再利用电平触发，而采用负边沿触发方式，这样只有产生一个完整的脉冲，才会有负边沿产生，这样就可以在很大程序上解决了误差的问题。综上所述，在本设计在最合理的是采用外部中断方式计数。4K字节FLASH闪烁存储器、128字节内部RAM、32个I/O口线、两个16位定时/计数器、一个5向量两级中断、一个全双工串行通信口、片内振荡电路、同时AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两个软件的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但是允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电后保存ROM的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。图十二、AT89C51单片机外型图十三、AT89C51P3口功能AT89C51共有四十个引脚，采用双列直插式封闭，各引脚功能如下：P0P3：数据输入输出端口。P0口：一个漏极开路的8位准双向I/O端口，作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）定入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口作用时要先写我，这就是准双向的含义。P1口：一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，能过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P1作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。P2口：一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上接电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。P3口:一个还内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对商品写1时，通过内部的上拉电阻把商品拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流：（）。在AT89C51中，P3口还用于一些复用的功能，即第二功能，其复用功能如图十三所示。此外，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上，若使用频率为6MHZ晶振，则复位信号持续时间应超过4s，才能完成复位操作。复位电路整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路（如图十四）产生的复位信号送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。图十四、复位电路逻辑图复位电路的分类复位电路又分为手动复位，上电复位和看门狗复位。上电复位：在加电瞬间电容通过充电来实现的，其电路如图十五所示。在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，用以复位。图十五、上电复位电路手动复位：所谓手动复位就是通过一按键开关，使单片机进入复位状态。系统在上电运行后，需要复位，通过手动得利 位来实现，一般是阻容复位和手动复位相结合。图十六、手动复位电路看门狗复位：看门狗（以max813为例）是一种监控单片机是否出问题和上电复位的一咱专用芯片，它在单片机上电的时候可以给出上电复位信号，当系统进行正常工作的时候，要在1.6秒之内要给出一个脉冲信号，否则看门狗就会发出一个复位信号至单片机的复位角，使单片机复位，这种操作一般在程序中处理。图十七、看门狗复位电路3.5、全电路图3.5.1、原理图3.5.2、PCB板图第3章 结论在研究这个毕业设计的过程中，曾经遇到了许多麻烦：在单元的选择上光电传感器还是红外对射式，还是用红外发送接收管曾经让我迷茫。在单片机的选择上是选择内部具有4KB字节的闪烁存储器的AT89C51还是还选择具有8K的AT89C2051或是STC89C51曾经也让我困惑不已（其实任选一款都可以实现，但是曾经考虑的是资源浪费和元件的价格问题）。而最让我感到迷茫的是是否用红外发射接收管能产生高低电平或是脉冲信号，怎样实现让其产生脉冲或电平的跳变信号。其实通过设计要求可以看出根本不需要对AT89C51进行过多的考虑，也不需要对其进行任何扩展，就可以利用七段数码管进行计数，但在计数过程中，由于利用的是动态扫描，第一次做实验的过程中，数码管很暗，后来增加了一个驱动级，才使数码管正常发光。基于单片机构成的产品自动计数器能够实现实时、稳定、精确的计数。如果要对这个课题进行深入的研究可以采用AT89S52为控制单元的产品自动计数器在配合专用数据保护芯片（如AT24C02）、单片机专用保护芯片、看门狗自动动复位芯片（MAX813）、按键设定计数上限报警功能等就可以很好的提高整个系统的性能和实用性。产品自动计数器的设计的抗干扰问题永远是设计者们研究的课程！只要能有效的遏制这个缺陷形成一个优质的自动技术产品指日可待！（AT89C51单片机允许工作的温度范围：-55150，工作的频率范围上限是：24MHZ）。画插图过程中，一开始想利用word本身制作，可word画出的图果不仅不好，而且如果文章一有点小改动，插图无法连接，分散开来，这样修改起来又不方便。后来想到用Auto CAD绘制，这样就不会因为文章中间有改动而得重新整合插图了。绘制PCB板的时候，由于Altium Designer 9.3软件本身没有我们所需要的所有元件库，这样使用起来不是得心应手，后来经过一整天的上网查资料和查了书上绘制原理图到PCB板的过程后，得知Altium Designer 9.3是可以在绘制原理图过程中，随意改封装，而且也可以任意更改原理图的管脚名称、电气特性、IO口的作用，还可以隐藏管脚等。好的一点是Altium Designer 9.3这个软件在编辑原理图和绘制PCB文档时，显示的对应PCB封装图全部都是3D封装，一目了然，也节省了不少功夫。但是PCB板图画出来是黑色背景，导入word中，然后打印出来后肯定是一片黑色，无法看清，最后得知，Altium Designer 9.3中还有一个智能PDF生成器的工具，导成PDF文件后，就是白色背景，这样再截图到word中就解决打印后无法看清的问题了。本次设计的基于单片机构成的产品自动计数器没有任何停止、复位等功能按键，上电便进行计数工作。仅作为自动计数产品理论研究之用。谢 辞本设计在选题及研究过程中得到石怿老师的悉心指导。石怿老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拔、热忱鼓励。石怿教师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，我对石老师的感激之情是无法用言语表达的，他不仅学识渊博，对专业孜孜以求，精益求精；而且在百忙之作仍然读书不辍，不断探求；为人师表，率先垂范；传道授业，呕心沥血。如果说我从指导老师那里学会了怎么做好学问，那么首先应该说我从指导师那里领略了真正的学术精神，导师严谨的治学态度和坚韧的探索精神将使我终生受益。载此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直到本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心静无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢一直以来授予我单片机课程的朱老师、培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！附 录元件参数数量三端稳压芯片W78051电 容30P210u110411000u1整流二极管IN40074共阴数码管LED2红外接收发送头一对LED发光二极管LED1变压器9V输出1电阻排10K1电 阻1K22K34.7K210K1NPN三极管90132电压比较器LM3241单片机AT89C511数码管驱动器74LS2451晶 振12M128