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红外光学应用doc
红外光与单片机系统的传输与控制设计
摘要
本文介绍了以AT89S52单片机为核心部件开发的光传感器实验系统。
该系统能实现对光照度的测量以及控制,并能与PC机进行串行通信。
本实验系统主要包括光源、测量放大电路、A/D转换、单片机、LED显示、D/A转换、串行通信接口、软件等部分。
主要功能包括:
通过LED显示器显示测得的光照度,并能通过D/A转换来控制光源(发光二极管)的发光强度;可实现单片机与PC机的串行通信,通过PC机对从单片机采集的数据进行处理并控制发光二极管的发光强度;单片机也可自动控制发光二极管的发光强度,使光敏二极管的光照度达到设定值。
本文首先介绍了系统的总体组成,然后分硬件和软件两部分进行阐述,最后对调试过程进行介绍。
硬件部分先描述了整体结构和各模块的相互关系,然后分模块进行具体分析,对于部分元器件做了简要的介绍。
软件部分采用模块化设计。
在主程序模块下分成若干彼此独立的分模块,对各个分模块进行设计,最后由各分模块构成系统软件。
本系统中,单片机的程序设计采用汇编语言,PC机上的通信软件采用VisualBasic6.0设计。
ABSTRACT
ThispaperintroducestheexperimentalsystemofopticalsensorwhichdevelopedbyusingSCMAT89S52asahardcore.Thissystemisabletomeasureandcontroltheilluminationintensity,andcommunicatewithPersonalComputerbyCOMport.
Thissystemincludeslightsource,measureandenlargeelectrocircuit,A/Dexchange,SCM,LEDdisplay,D/Aexchange,COMport,softwareandsoon.Themainfunctionincludes:
displayingilluminatingvalueofphotosensitivediodebyusingLEDDisplay,controllingilluminationintensityoflightsource(LBD)byusingD/Aexchange;implementingserialcommunicationbetweenSCMandPC,processingthedatagatheredfromSCMbyPCandcontrollingilluminationintensityofLBD,theSCMinthissystemcanalsoauto-controlsilluminationintensityofLBD,achievingtheilluminatingvalueofphotosensitivediodetothesetvalue.
Inthispaper,firstly,thewholecomponentsofthissystemareintroduced,thenthehardwareandthesoftwareareexplainedrespectivelyandthedebugprocessisintroducedbriefly.Thehardwarepartdepictstherelationbetweenthewholestructureandmodulesatfirst,andthenintroduceseachmoduleconcretely,includingbriefpresentationofsomecomponents.Thesoftwarepartisdesignedonmoduleswhichcouldbedividedintosubmodulesinthemainprogram.Thosemodulesaredesignedfirstly,andthen,thesoftwaresystemisconstructedbythosemodules.
Inthissystem,assemblelanguageisusedforprogrammingSCM,andVisualBasic6.0isusedforprogrammingcommunicationsoftwareonPC
Keywords:
OpticalSensor;Illuminationintensity;SCM;Serialcommunication
1绪论
1.1开发背景
现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展,而已经充分发达后,不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高,还要求其成本低廉且使用方便。
显然传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。
世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发,并且都已取得极大的突破[1]。
为了适应当前传感器技术的快速发展,国内许多高校的相关专业都相继开设了传感器课程。
目前我院传感器课程的实验设备还相对短缺,学生在传感器课程学习的过程中,只是掌握了传感器的相应理论,很少有机会去通过实践更深入的学习传感器,以至于有的同学在学习完传感器课程后还不知道传感器到底是什么样子的。
1.2开发动机及目的
本系统的设计目的主要是为传感器课程中的光传感器实验提供一个多功能的实验系统,通过实验达到对光传感器有一个更深入理解的目的。
本实验系统要具备的功能主要包括基本功能和扩展功能两大部分。
基本功能包括:
(1)具有一个可调节的光源为光传感器实验创造可变的实验环境。
(2)利用光传感器采集光照度值,将其转换成相应的电压值并经放大后提交A/D转换器进行A/D转换。
(3)将A/D转换后的数字量通过单片机处理后得到光照度值,并通过LED显示器显示测得的光照度值。
扩展功能包括:
(1)单片机将采集到的A/D转换后的数字量通过串行通信提交给PC机,PC机对该值进行处理后得到相应的光照度值并显示出来。
(2)PC机上的通信软件能将每次采集的光照度值进行存储,同时可以绘制光照度变化曲线图。
(3)通过D/A转换来控制光源,从而改变实验环境。
包括通过电路板上的相应按键和PC机上的通信软件两种方式来实现。
(4)可以在PC机上的通信软件中设定希望的光照度值,由单片机进行自动控制,使光照度达到设定值。
(5)PC机上的通信软件带有一个演示动画,用于演示光传感器实验的基本过程。
1.3研究手段及可行性分析
本实验系统的开发所需要的专业知识比较多,工作量也较大,所需知识主要包括:
(1)了解计算机控制技术。
(2)熟悉模拟电子技术和数字电子技术。
(3)熟悉单片机的应用,包括汇编语言的编写。
(4)熟悉光传感器的原理与应用。
(5)掌握相关的原理图设计和PCB设计工具。
(6)掌握一定的焊接技术。
(7)熟悉一种Windows软件开发工具。
(8)熟悉数字系统设计方法等等。
本实验系统主要利用ProtelDXP进行原理图设计和PCB图设计,使用EWB对部分电路进行仿真,用KeiluVision2进行单片机编程和仿真,用VisualBasic开发PC机上的通信软件,最后购买相应的元器件进行电路板焊接,并进行系统调试。
本实验系统在理论上是可行的,目前光传感器以及单片机的技术应用在国内外都已比较成熟,这方面知识也较容易查阅,电路板所需元器件采购方便,成本较低,最终应该能得到成型系统。
2系统组成及工作原理
根据本实验系统要具备的功能进行系统的总体设计,可以将本系统分成多个模块来实现。
本实验系统主要由光源、测量放大电路、A/D转换、单片机、LED显示、D/A转换、串行通信接口、软件等部分构成,其系统原理框图如图2.1所示。
当用电位器来控制光源时,首先由测量放大电路通过光传感器将其感受到的光照度值转换成电压值传送给放大电路,经过放大电路放大之后进行A/D转换,将A/D转换后的数字量送到单片机,单片机对A/D转换后的值进行处理得到光照度值,最后通过LED显示器进行显示。
单片机也可将A/D转换后的值通过串行通信提交给PC机,利用PC机上的通信软件对该值进行处理得到光照度值并对光照度值进行处理,包括显示光照度值、存储光照度值、绘制光照度变化曲线等。
当用D/A转换来控制光源时,可以通过电路板上的按键或PC机上的通信软件来控制光源的强弱。
另外,可以在PC机上的通信软件中设定希望的光照度值,由单片机进行自动控制光源,使光照度达到设定值。
图2.1光传感器实验系统框图
3硬件设计
本实验系统的原理图设计是在ProtelDXP中完成的,整体电路由多个模块构成,主要包括光源、测量放大电路、A/D转换、单片机、LED显示、D/A转换、串行通信接口等。
原理图的绘制过程中,有一些元器件的原理图是ProtelDXP中没有的,需要自己创建。
系统整体原理图如图3.1所示,下面就各个电路模块分别进行介绍。
图3.1系统整体电路原理图
3.1光源
3.1.1光源选取
本系统采用的光源是发光波长在900nm左右的砷化镓红外发光二极管。
发光二极管的管芯是一个PN结,并具有单向导电性。
PN结加上正向电压时,电子由N区扩散到空间电荷区与空穴复合而释放出能量。
这些能量大部分以发光的形式出现,因此,可以直接将电能转换成光能。
发光二极管的发光颜色(波长),因半导体材料及掺杂成分不同而不同。
常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管[2]。
发光二极管工作电压很低(1.5-3.0伏),工作电流很小(10-30毫安),耗电极少。
可作灯光信号显示、快速光源,也可同时起整流和发光两种作用。
3.1.2光源电路
对光源采用电位器及D/A转换两种方式来控制,其电路如图3.2所示。
图3.2光源电路图
当双向开关拨到3时,通过改变电位器Rs1的阻值来控制发光二极管的发光强度。
当双向开关拨到1时,通过D/A转换来控制发光二极管的发光强度。
由于砷化镓红外发光二极管的最大工作电流为10mA,在电路中串联一个0.5K的限流电阻R1。
3.2测量放大电路
3.2.1光传感器选取
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此在检测和控制领域内得到广泛应用[2]。
光传感器的种类繁多,主要有:
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光纤传感器、光栅式传感器、电荷耦合器件(CCD)和激光式传感器等。
光敏二极管是用硅材料制造,具有良好的光强——饱和导通性能,对光的响应速度因工艺的不同,一般在2μs~3ms之间。
PN结可以光电导效应工作,也可以光生伏特效应工作。
处于反向偏置的PN结,在无光照时具有高阻特性,反向暗电流很小。
当光照时,结区产生电子——空穴对,在结电场作用下,电子向N区运动,空穴向P区运动,形成光电光敏电阻梳状电极流,方向与反向电流一致。
光的照度愈大,光电流愈大。
由于无光照时的反偏电流很小,一般为纳安数量级,因此光照时的反向电流基本上与光照度成正比。
本系统选取的是硅光敏二极管,它对波长900nm的光最为敏感,灵敏度约为0.1μA/lx。
3.2.2集成运算放大器选取
本实验系统的测量放大电路中选用的是LM324四运算放大器,LM324是内含四个特性近乎相同的高增益、内补偿放大器的单电源(也可以是双电源)运算放大器。
电路可以在+5V或±15V下工作,功耗低,每个运放静态功耗约0.8mA,但驱动电流可达40mA。
LM324的引脚排列图如图3.3所示。
图3.3LM324引脚排列图
3.2.3测量放大电路
本实验系统的测量放大电路如图3.4所示。
硅光电二极管工作在反向偏置状态下,产生与光照度成正比的光电流。
光电流通过电位器Rs2,在Rs2上产生一个电压值,将该电压值经放大电路放大后传送到A/D转换电路。
本系统中LM324是在±15V下工作。
LM324的放大器A连接的是一电压跟随电路,放大器D连接的是一减法电路。
图3.4测量放大电路图
假设光敏二极管的光照度为L、电位器Rs2的有效阻值为Rs2、放大器A的输出端的电压值为VS1、电位器Rs3的滑动端的电压值为VS2、放大器D的同相端和反相端的电压分别为VP和VN、输出端电压值为Vo、电位器Rs6的有效阻值为Rs6、电位器Rs4的有效阻值为Rs4、电位器Rs3的滑动端与接地端之间的阻值为Rx。
(3.2.1)
(3.2.2)
放大器D连接的是一减法电路,在理想运放的情况下,有VP=VN,电路中存在虚断现象,同时运放两输入端的输入电流i=0,由此可得下列方程式:
(3.2.3)
(3.2.4)
由式(3.2.3)解得VP,然后代入式(3.2.4),可得
(3.2.5)
本系统中选取电阻值满足Rs4/R6=Rs6/R3的关系,输出电压Vo可简化为:
(3.2.6)
将式(3.2.1)、(3.2.2)代入式(3.2.6)可得
(3.2.7)
由于光敏二极管的光照度L是由自然光产生的光照度L1和发光二极管产生的光照度L2组成的。
假设实验过程中自然光产生的光照度是基本恒定的,在发光二极管未发光的情况下调节Rx,使Vo=0。
则有:
(3.2.8)
则当发光二极管正常工作时,将式(3.2.8)代入(3.2.7)可得
(3.2.9)
本系统中各变量取值分别为Rs2=2ΚΩ、Rs4=Rs6=5ΚΩ、R3=R6=1ΚΩ、R5=2.2ΚΩ。
将变量值代入式(3.2.9)可得
(3.2.10)
3.3A/D转换
3.3.1A/D转换芯片选取
目前常用的A/D转换芯片有ADC0809、ADC0804等,由于本系统只需要一路模拟量的输入,所以选用的A/D转换芯片为ADC0804。
ADC0804是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换器芯片。
分辨率为8位,转换时间为100μs,输入电压范围为0~5V,增加某些外部电路后,输入模拟电压可为±5V。
该芯片内有输出数据锁存器,当与计算机连接时,转换电路的输出可以直接连接到CPU的数据总线上,无需附加逻辑接口电路。
ADC0804的引脚图及控制信号的时序图分别如图3.5和图3.6所示。
图3.5ADC0804引脚图图3.6ADC0804控制信号的时序图
3.3.2AD转换电路
本系统的A/D转换部分的电路如图3.7所示。
图3.7A/D转换部分电路
本电路中,ADC0804内部的转换频率fck是由CLKR、CLKIN所连接的R10、C1来决定。
频率的计算公式是:
fck=1/(1.1×R×C)
本实验系统中ADC0804内部的转换频率是:
fck=1/(1.1×10kΩ×150PF)≒606KHz
更换不同的R、C值,会有不同的转换频率,而且频率愈高代表转换速度愈快。
但是频率范围应该控制在100kHz~1460kHz之间。
VIN+接测量放大电路的输出端,CS接AT89S52单片机的P2.0,RD接AT89S52单片机的RD,WR接AT89S52单片机的WR,INTR接AT89S52单片机的P2.1,D0~D7分别接AT89S52单片机的P0.0~P0.7。
当CS=0、WR=0、RD=1时,由单片机发出信号要求ADC0804开始进行A/D转换;当CS=1、WR=1、RD=1时,ADC0804进行A/D转换,转换完毕后INTR输出低电平;当CS=0、WR=1、RD=0时,单片机发出信号读取ADC0804转换结果;
3.4单片机
3.4.1单片机选取
目前,市场上有众多类型的单片机。
“由于种种原因,国内广泛使用的是Intel公司生产的MCS-48、MCS-51、MCS-96等三个系列的几十种产品。
由于MCS-48单片机初步趋于淘汰,而MCS-51系列单片机基本上可以满足用户的一般要求,另外MCS-96系列的应用也日趋广泛”[21]
本实验系统中,选取8位的单片机就可以满足要求,而8位的单片机又包括多个型号,经过相互比较,最终确定选用AT89S52型号的单片机。
3.4.2AT89S52单片机简介
(1)AT89S52单片机的主要性能特点:
·与MCS-51兼容;
·8KBytes,Flash存储器,在线编程;
·4.0-5.5V工作电压;
·晶振:
0-33MHz;
·3层可编程加密;
·自带256×8bit,RAM;
·32个可编程I/O管脚;
·3个16-bit定时器/计数器;
·8个中断源;图3.8AT89S52单片机引脚图
·全双工UART;
·具有休眠节电模式;
·节电模式中断唤醒;
·自带看门狗
(2)AT89S52单片机芯片管脚说明
AT89S52单片机有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。
本系统采用的是DIP的,其引脚如图3.8所示。
下面分别叙述这些引脚的功能。
1.电源引脚;
VCC电源端
GND接地端
2.时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1片内振荡器的反相放大器输入端,是外接晶体的一个引脚。
若采用外部震荡电路时,XTAL1必须接地。
XTAL2片内振荡器的反相放大器输入端,是外接晶体的另一个引脚。
若采用外部震荡器,次引脚接外部振荡源,用于输入外部振荡脉冲,该信号直接送至内部时钟电路。
在使用内部振荡电路时,XTAL1、XTAL2这两个端用来外接石英晶体,振荡频率为晶振频率,振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。
3.控制总线
ALE/PROG访问外部存储器时,ALE(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器,ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6)。
在访问外部数据存储器时,出现一个ALE脉冲。
RST在振荡器运行时,有两个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平出现在此管脚时,将使单片机复位,只要这个管脚保持高电平,51芯片便循环复位。
复位后P0-P3口均置1,管脚表现为高电平,程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。
当复位脚由高电平变为低电平时,芯片为ROM的00H处开始运行程序。
PSEN该引脚是外部程序存储器的选通信号输出端。
当AT89C51由外部程序存储器取指令或常数时,每个机器周期输出2个脉冲即两次有效。
但访问外部数据存储器时,将不会有脉冲输出。
EA/VppEA访问外部程序存储器控制信号。
只访问内部程序存储器或内外程序存储器时,此引脚必须保持高电平。
只访问外部程序存储器时,引脚必须保持低电平。
4.I/O线P0、P1、P2、P3
P0口(P0.0~P0.7)是一个8位漏极开路的双向I/O口,每位能驱动八个LSTTL负载。
第二功能是在访问外部存储器时,它分时作为低8位地址线和8位双向数据线。
当P0口作为普通输入口使用时,应先向口锁存写“1”。
P1口(P1.0~P1.7)是一个内部带上拉电阻的准双向I/O口,每位能驱动四个LSTTL负载。
当P1口作为普通输入口使用时,应先向口锁存器写“1”。
P2口(P2.0~P2.7)也是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口,每位能驱动四个LSTTL负载。
第二功能是在访问外部存储器时,作为高8位地址线。
P3口(P3.0~P3.7)也是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口,每位能驱动四个LSTTL负载。
P3口除了作为一般准双向口使用外,每个引脚还有各自的第二功能,详见表3.1[20]
表3.1P3口各位的第二功能
P3口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
INT0(外部中断0输入)
P3.3
INT1(外部中断1输入)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写脉冲输出)
P3.7
RD(外部数据存储器读脉冲输出)
3.4.3AT89S52单片机电路
本实验系统采用AT89S52单片机为核心部件,AT89S52单片机的连接电路如图3.9所示。
本实验系统中,AT89S52单片机使用的是振荡频率为11.0592MHz的晶振,因为11.0592MHz的晶振便于串行通信过程中的波特率设置,而且可以使串行通信更加稳定。
与晶振相连的电容C2、C3均为30pF。
复位电路包括上电复位和按键复位两部分。
上电时,C9有一个充电过程,RST管脚在这段时间里维持高电平,当C9充电完成之后,RST管脚恢复低电平,完成对AT89S52单片机的复位。
当按下复位开关时,RST管脚为高电平,也可以实现对AT89S52单片机复位。
其中C9=10µF、R12=8.2KΩ、R13=0.1KΩ。
图3.9单片机连接电路
3.5LED显示
3.5.1LED显示器选取
(1)LED显示器结构与工作原理
在单片机系统中,显示器可反映系统工作状态和运行结果,是人机对话的输出设备。
通常所说的LED显示器是由七个发光二极管组成的七段数码显示器。
通过七段发光二极管亮暗的不同组合,可以显示多种数字、字母以及其它符号,LED显示器中的发光二极管有两种连接方法:
共阳极接法:
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极,使用时,公共阳极接+5V。
这样,阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮,而输入高电平的则不点亮。
共阴极接法:
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极,使用时,公共阴极接地。
这样,阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮,而输入低电平的则不点亮。
使用LED显示器时,要注意区分这两种不同的接法。
七段发光二极管再加上一个小数点位,共记11段,因此,提供给LED显示器的字形代码正好一个字节,各代码对应关系如下:
代码位D7D6D5D4D3D2D1D0
显示段dpgfedcba
用LED显示器显示十六进制数的字型代码如表3.2所示。
表3.2LED显示器的字型代码表[21]
字型
共阳极代码
共阴极代码
字型
共阳极代码
共阴极代码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
B0H
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
灭
FFH
00H
8
80H
7FH
(2)LED显示器的显示方式
LED的显示常用两种方式:
静态显示和动态显示。
所谓静态显示,就是
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