基于单片机的红外检测盲人避障系统——毕业设计.doc

0 基于单片机的红外检测盲基于单片机的红外检测盲 人避障系统人避障系统 1 目录目录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 课题研究的背景课题研究的背景 1 1 2 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的 2 1 3 课题研究的方案课题研究的方案 3 第二章第二章 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 3 2 1 功能要求功能要求 3 2 2 系统组成及原理系统组成及原理 3 2 3 系统检测原理系统检测原理 4 第三章第三章 系统的硬件设计系统的硬件设计 5 3 1 系统框图系统框图 5 3 2 单片机芯片介绍单片机芯片介绍 5 3 2 1 主要性能特点主要性能特点 5 3 2 2 引脚功能引脚功能 6 3 2 3 中断及定时中断及定时 7 3 2 4 存储空间存储空间 11 3 3 各单元电路设计各单元电路设计 13 3 3 1 低通滤波电路低通滤波电路 13 3 3 2 施密特整形电路施密特整形电路 14 3 3 3 放大电路放大电路 14 3 3 4 单片机最小系统单片机最小系统 15 3 3 4 1 单片机最小系统组成单片机最小系统组成 15 3 3 4 2 时钟电路时钟电路 15 3 3 4 3 复位电路复位电路 16 3 3 5 控制驱动电路控制驱动电路 16 3 3 6 读键电路读键电路 16 3 3 7 各单元电路之间的连接各单元电路之间的连接 17 第四章第四章 软件流程设计软件流程设计 19 4 1 系统主程序流程图系统主程序流程图 19 4 2 读键程序的设计读键程序的设计 20 第五章第五章 总总 结结 21 2 致致 谢谢 22 参考文献参考文献 22 0 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题研究的背景课题研究的背景 随着人类知识的积累和工业生产技术的发展 人类对自然的控制与加工能力越来越 强 在人类社会的各个领域 从工业 农业 商业 国防 通信 交通运输 科学技术 直到文化娱乐 教育 医疗乃至家庭生活的每一个角落 自动化设备 智能仪器仪表正 延展着人们的感官 精确地执行人的命令 实现着人们过去可望而不可及的愿望 由于微处理器生产成本的下降 目前各种自动化设备和智能仪器仪表的核心部件通 常是由专用的微处理器构成 这些专用的微处理器在我国一般称为单片机 国外称为微 控制器 单片机广泛用于自动化控制设备 消费电子产品 智能仪器仪表等领域 尤其 是在新型智能化小产品开发方面 几乎是单片机一统天下 单片机是一类特殊的微处理器 它内部的硬件结构与一般为微处理器相同的是都有 控制器 运算器和各种专用寄存器 控制器将时钟振荡器产生的方波脉冲按固定的时间 顺序分配给芯片内的各个部件 即产生节拍 在节拍的作用下控制器按程序计数器中的 地址从程序存储器中取回指令进行译码 运算器和各种专用寄存器则根据译码在控制器 的控制下有条不紊地进行数据的传递和运算处理 单片机的应用 打破了人们的传统设计思想 原来需要使用模拟电路 脉冲数字电 路等部件来实现的功能 在应用了单片机以后 无需使用诸多的硬件 可以通过软件来 解决问题 目前单片机已经成为科技 自控等领域的先进控制手段 在人类日常生活中 的应用也非常广泛 1 工业过程控制中的应用 单片机的 I O 口线多 操作指令丰富 逻辑操作功能强大 特别适用于工业过程 控制 单片机可作主机控制 也可作分布或控制系统的前端机 单片机具有丰富的 逻辑判断和位操作指令 因此广泛应用于开关量控制 顺序控制以及逻辑控制 2 家用 民用电器中的应用 单片机价格低廉 体积小巧 使用方便 广泛应用在人类生活中的诸多场合 如 洗衣机 电冰箱 空调器等 3 智能化仪器 仪表中的应用 单片机可应用于各类仪器 仪表和设备中 大大地提高了测试的自动化程度与精 度 如智能化的示波器 计价器 电表 水表等 4 计算机网络 外设及通信技术中的应用 单片机中集成了通信接口 因而能在计算机网络以及通信设备中广泛应用 如 Intel 公司的 8044 它由 8051 单片机与 SDLC 通信接口组合而成 用高性能的串行 接口单元 SIU 代替传统的 UART 其传送距离可达 1200 米 传送速率为 2 4Mbit s 此外 单片机还在小型背负式通信机 自动拨号无线电话网 串行自动呼叫应答设 1 备 程控 电话 无线遥控等方面均有广泛的应用 红外技术发展到现在 已经为大家所熟知 这种技术已经在现代科技 国防和工农 业等领域获得了广泛的应用 红外传感系统是用红外线为介质的测量系统 按照功能能 够分成五类 一 辐射计 用于辐射和光谱测量 二 搜索和跟踪系统 用于搜索和跟踪红外目标 确定其空间位置并对它的运动进 行跟踪 三 热成像系统 可产生整个目标红外辐射的分布图像 四 红外测距和通信系统 五 混合系统 是指以上各类系统中的两个或者多个的组合 红外传感器工作原理 1 待测目标 根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定 2 大气衰减 待测目标的红外辐射通过地球大气层时 由于气体分子和 各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收 将使得红外源发出的红外辐射发生衰 减 3 光学接收器 它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器 相当于雷达天 线 常用是物镜 4 辐射调制器 对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光 提供目标方位信息 并可滤除大面积的干扰信号 又称调制盘和斩波器 它具有多种结构 5 红外探测器 这是红外系统的核心 它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现 出来的物理效应探测红外辐射的传感器 多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电 学效应 此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型 6 探测器制冷器 由于某些探测器必须要在低温下工作 所以相应的系统必须有 制冷设备 经过制冷 设备可以缩短响应时间 提高探测灵敏度 7 信号处理系统 将探测的信号进行放大 滤波 并从这些信号中提取出信息 然后将此类信息转化成为所需要的格式 最后输送到控制设备或者显示器中 8 显示设备 这是红外设备的终端设备 常用的显示器有示波器 显像管 红外 感光材料 指示仪器和记录仪等 依照上面的流程 红外系统就可以完成相应的物理量的测量 红外系统的核心是红外探 测器 按照探测的机理的不同 可以分为热探测器和光子探测器两大类 2 1 2 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的 本盲人避障系统是以盲人行走常带的手杖为载体 80C51 单片机为控制核心 加以高 亮度发光二极管闪烁 红外发射 红外接收 红外发射 接收 ISD1760 语音模块和电源 电路以及其他电路构成 系统由三大部分组成在红绿灯控制箱内加入了红外发射系统 报警系统 本课题为红外检测盲人避障系统设计 研究的是一种基于单片机的红外测控系统 它采用了单片机控制技术和红外感应技术 集成了光学 电子 单片机和机械等技术于 一体 在系统硬件的基础上 进行灵活的软件设计 系统程序包括 初始化 功能处理 与定时器中断等功能 开机后 初始化完成软件系统所用的标志区和数据区的清零 中 断初始化 设置定时器参数 启动定时器开始定时 定时中断服务程序完成定时参数的 复位 发出避障信号等 使之达到让盲人避障的功能 该系统应用在盲人手杖上 该系统采用单片机作为其核心 结合不同的测控方法 可以完成不同的测控功能 因此也可用于自动门 自动烘干机 红外报警 红外遥控以 及工业生产在线检测等方面 并可开发各种类型的相关产品 由此可见 本课题的研究在方便盲人的日常生活方面 提高盲人们的行动方便方面 都有很重要的意义 1 3 课题研究的方案课题研究的方案 红外测控系统主要包括红外发射 红外接收 单片机处理与控制系统以及控制信号 放大与驱动等几个部分 本系统采用单片机控制技术和红外感应技术 集成了光学 电子 单片机和机械等 技术于一体 系统的原理是 红外发射部分经过调制后载有测量信号的红外光波 如果 有人或物体靠近 则红外光波受到障碍的反射 反射回来的红外光波由红外接收部分接 收 然后经由单片机进行处理并做出相应的控制决策 输出相应的动作指令 控制信号 经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构 实现相应的提示避障功能 该方案主要运用到了单片机原理和传感器原理 科学证明是确实可行的 第二章第二章 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 2 1 功能要求功能要求 本设计为红外检测盲人避障手杖器 其智能化功能设计要求如下 1 正常情况 下 人来后或有障碍后 第一阶段自动报警说明有人或障碍 人或障碍移动后 第二阶 段自动报警说明前方无障碍 2 如果遇到人或障碍太频繁 如使用间隔小于 1min 则 在第二个人或有障碍后 不进行二次的报警 避开障碍后 报警说明前方无人或障碍 3 无障碍后自动进入省电模式 3 2 2 系统组成及原理系统组成及原理 由图2 1可见 本系统主要包括红外发射 红外接收 单片机处理与控制系统以及 控制信号放大与驱动等几个部分 2 3 红外发射部分装有红外发光二极管 由红外发光二极发射红外光波 如果有障碍靠 近 则红外光波受到人体的反射 反射回来的红外光波由红外接收部分接收 红外接收部分接收到反射回来的红外光波后 红外光电传感器将此红外光信号转化 为电信号 此电信号经放大 整形后传送到单片机 单片机接收到驱动信号后 根据系统设计的需要做出相应的控制决策 输出相应的 动作指令 由此来指挥执行部分执行相应的动作 单片机发出的控制信号 传送给放大与驱动环节 由驱动电路驱动相应的执行机构 实现对手杖报警器的控制 红外发射 红外接收 单片机 处理部分 放大驱动 部分 执行部分 图 2 1 系统组成框图 说明 为了防止紫外线进入红外传感器的收发头而带来干扰 应该在收发头前安装一个说明 为了防止紫外线进入红外传感器的收发头而带来干扰 应该在收发头前安装一个 深色玻璃 深色玻璃 2 3 系统检测原理系统检测原理 宇宙间的任何物体只要其温度超过绝对零度就能产生红外辐射 事实上同可见光一 样 其辐射能够进行折射和反射 这样便产生了红外技术 红外检测技术利用红外光波 又称红外线 作为载波来传送测量信号或者控制指令 如红外遥控电视开关 红外报 警器 自动玻璃门 自动冲水器等 之所以采用红外光波作为控制光源 是由于红外发 射器件与接受器件的发光与受光峰值波长一般为 0 88um 0 94um 落在近红外波段内 而且两者的光谱恰好重合 能很好的匹配 可获得较高的传输效率较高的可靠性 红外 感应原理 如果有人或障碍靠近该设备 则红外光波受障碍的反射 反射回来的红光波 由红外接收部分接收 然后经单片机进行处理 并做出相应的控制决策 输出相应的动 作指令 控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构 实现相应的 报警提示功能 红外感应装置是靠探测人体和障碍发射的红外线而进行工作的 探头收集外界的红 外辐射通过聚集到红外感应源上面 红外感应源通常采用热释电元件 这种元件在接收 了红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷 检测处理后发出信号 1 红外感应装置是以探测人体辐射为目标的 所以辐射敏感元件对波长为 10 m 左右 4 的红外辐射必须敏感 2 为了仅仅对人体的红外辐射敏感 在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片 使环 境的干扰受到明显的控制作用 3 一旦人到达探测区域内 人体红外辐射通过部分镜面聚焦 并被热释电元接收 但 是两片热释电元接收到的热量不同 热释电也不同 不能抵消 经单片机处理而作出相 应的动作 4 多视场的获得 一是多法线小镜面组成的反光聚焦 聚光到传感器上称之为反射式 光学系统 另一种是透射式光学系统 是多面组合一起的透镜 菲涅尔透镜聚焦在 红外传感器上 本设计所运用的红外检测原理为 如果有障碍靠近 则红外光波受障碍的反射 反射 回来的红光波由红外接收部分接收 然后经单片机进行处理 并做出相应的控制决策 输出相应的动作指令 控制信号经过控制信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构 实现相应的控制功能 第三章第三章 系统的硬件设计系统的硬件设计 3 1 系统框图系统框图 如图3 1 所示 本设计主要由光电传感器 信号处理电路 AT89C51 单片机 控制电 路等硬件组成 电信号由光电传感器传输过来 经过滤波 放大 整形后传送给单片机 单片机接收到处理过的电信号后 发出相应的控制信号 控制信号经放大后驱动报警器 工作的控制信号控制报警器进行报警 图 3 1 系统框图 3 2 单片机芯片介绍单片机芯片介绍 自单片机诞生以来的近 30 年中 单片机已有 70 多个系列 近 500 个机种 比较有 名的有 Intel 公司的 MCS 48 系列 MCS 51 系列 MCS 96 系列产品 本系统中选用了 51 系列中的 AT89C51 3 2 1 主要性能特点主要性能特点 MCS 51 系列单片机的典型产品为 8051 8751 8031 它们的基本组成和基本性能都 是相同的 常用的 MCS 51 这个术语 泛指以 8051 为内核的单片机 光电传感器光电传感器单片机单片机 AT89C51AT89C51 报警器控制报警器控制 电路电路 信号处理信号处理 5 8051 是 ROM 型单片机 内部有 4KB 的掩膜 ROM 即单片机出厂时程序已由生产厂 家固化在程序存储器中 8751 片内含有 4KB 的 EPROM 用户可以把编写好的程序用开 发机或编程器写入其中 需要修改时 可以先用紫外线擦除器擦除 然后再写入新的程 序 8031 片内没有 ROM 使用时需在片外接 EPROM AT89C51 带 4K 字节闪烁可编程 可擦除只读存储器 本设计采用 AT89C51 作为整个设计的核心部分 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可 编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低功耗 高性能 CMOS8 位微处理器 具有如下资源 兼容 MCS 51 指令系统 4k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 32 个双向 I O 口 可编程 UARL 通道 两个 16 位可编程定时 计数器 全静态操作 1 个串行中断 128x8bit 内部 RAM 两个外部中断源 共 6 个中断源 可直接驱动 LED 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 3 2 2 引脚功能引脚功能 本设计采用的 AT89C51 单片机 如图 3 2 1 1 电源引脚 VCC 正常运行时 为 5V 电源 VSS 电源接地端 2 I O 总线 1 P0 0 P0 7 图 3 2 89C51 引脚图 P0 口是一个 8 位双向 I O 口 每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载 在访问外部贮存器 分时进行工作 在指令前半周期 P0 口作为地址总线 在指令的后半周期作为数据总线 2 P1 0 P1 7 P1 口是一个带有上拉电阻的 8 位双向 I O 口 当向 P1 口锁存器中写 入 1 时 P1 口为输入方式 3 P2 0 P2 7 P2 口也是一个带有上拉电阻的 8 位双向 I O 口 在访问外部贮存器时 6 它输出高 8 位地址 4 P3 0 P3 7 P3 口也是一个带有上拉电阻的 8 位双向 I O 口 同时 P3 口还有一些 特殊功能 以后将被介绍 I O 总线的使用 3 4 P0 口 由于 8051 内部有程序存贮器 因而 P0 口能作为地址 数据总线 分时输出外 部存贮器的低 8 位地址 A0 A7 和传送数据 D0 D7 所有地址由地址允许锁存信号 ALE 锁存到内部的地址锁存器中 P1 口 P1 口作为准双向口 它的每一位可作为输入线或输出线 用户可以把 P1 口 的某些位作为输出线使用 另外的一些位作输入线使用 输出时 将 1 写入 P1 口的 某一位口锁存器 则 Q 端上的输出场效应管 T 截止 该位的输出引脚由内部的拉高电路 拉成高电平 输出 0 时 将 0 写入口锁存器 输出场效应管 T 导通 引脚输出低 电平 即输出 0 P2 口 同样是由于 8051 内部有程序存贮器 因此 P2 口能作为外部设备的输入 输出 口 一般情况下 P2 口只能作为系统扩展的高 8 位地址总线口 CPU 访问外部程序存贮器 时 P2 口输出程序存贮器的地址 A8 A15 该地址来源于内部的程序计数器 PC 的高 8 位 P3 口 P3 口为多功能口 它的第一功能为准双向口 其特性和 P0 口相似 第二功 能为特殊输入 输出线 其定义如下表所示 表 3 1 P0 口引脚第二功能表 引脚 第二功能引脚 第二功能 P3 0 RXD 串行输入线 P3 4 T0 定时器 T0 外部输入线 P3 1 TXD 串行输出线 P3 5 T1 定时器 T1 外部输入线 P3 2 INT0 外部中断 0 输入线 P3 6 WR 外部数据存贮器写脉冲输入线 P3 3 INT1 外部中断 1 输入线 P3 7 RD 外部数据存贮器写脉冲输入线 3 2 3 中断及定时中断及定时 1 中断 中断是工业过程控制及智能仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式 所谓中断就是由于外部或内部事件而改变原来 CPU 正在执行顺序的一种工作机制 在通 常情况下 单片机执行主程序 只要当正常状态出现故障或发出中断请求时 单片机才 暂时停止执行主程序 转去执行或处理中断服务程序 执行完中断服务程序后 再返回 主程序继续运行 一个计算机系统中断能力的强弱 是衡量计算机能力的重要标志之一 而 8051 正是因为有很强的中断能力而被广泛应用 计算机的中断机制涉及到三个内容 中断源 中断控制和中断响应 中断源是指引 起中断的事件 中断控制是指中断的允许 禁止 优先和嵌套等处理方式 中断响应是指 确定中断入口 保护现场 进行中断服务 恢复现场和中断返回等过程 中断的作用 中断机制常用于计算机与外部数据的传送 利用中断机制可以较好的 7 实现 CPU 与外部设备的同步工作 实现实时处理 一些重要的实时信号通常要求 CPU 做 出快速响应 如本系统中输入单片机的驱动信号 如果 CPU 通过程序查询来监视这些信 号不仅会浪费大量时间 而且很难做到快速响应 采用了中断机制后 实时信号作为中 断请求信号 使 CPU 快速进入中断响应状态 执行特定的中断服务程序 而平时 CPU 则 执行实时性要求不高的程序 表 3 2 8051 单片机中断系统表 中断源中断入口地址说 明 外部中断 INT00003H从 P3 2 引脚上来的外部中断申请 定时器 0 中断 T0 000BH从定时器 0 的溢出使 TF0 置位 发出申请 外部中断 INT1 0013H从 P3 3 引脚上来的外部中断申请 定时器 1 中断 T1 001BH从定时器 1 的溢出使 TF1 置位 发出申请 串行通道中断 0023H完成操作后 中断申请标志 T1 或 RI 置位 1 中断源 MCS 51 单片机有三类中断源 外部中断 定时器 计数器中断和串行口中断 由于本 设计只用到了前两种中断 所以这里主要介绍外部中断和定时器中断 外部中断 外部中断源是由外部引脚 INT0 INT1 引入的 INT0 为外部中断 0 请求信号 编程者预先设置好哪些为有效的中断请求信号 一旦 出现有效的中断请求信号 会使专用寄存器 TCON 中的 IE0 位置位 由此向 CPU 提出 INT0 的中断请求 INT1 为外部中断 1 请求信号 与 INT0 类似 一旦出现有效的中断请求信号 会使 专用寄存器 TCON 中的 IE1 位置位 由此向 CPU 提出 INT1 的中断请求 CPU 响应中断后会自动清除 TCON 中的中断请求标志位 定时器中断 定时器中断的中断源是由其溢出位引入的 当定时器到达设定的时间 后 其溢出位置位 TF0 和 TF1 分别为定时器 0 和定时器 1 的溢出位 它们位于专用寄存器 TCON 的 bit5 和 bit7 当定时器溢出时 相应的 TF0 和 TF1 就会置 1 由此向 CPU 提出定时器中 断请求 CPU 响应中断后会自动清除中断请求标志位 2 中断控制 发生中断请求后 CPU 通过中断控制方式响应中断请求 编程者可根据设计需求设 置不同的中断控制方式 8051 中断的控制方法 8051 单片机中的中断方式的选择 中断的允许和禁止 以及中断优先权的约定等等 都是由相应的寄存器来控制 设计时 只要将相应的寄存器根据中断要求进行置位或复 位即可 CPU 执行中断处理程序一直到 RETI 指令为止 RETI 指令是表示中断服务程序 的结束 CPU 执行完这条指令后 清 0 响应中断时所置位的优先级状态触发器 然后 8 从堆栈重弹出顶上的两个字节到程序计数器 PC CPU 从原来被中断处重新执行被中断的 程序 由此可见 用户的中断服务程序末尾必须安排一条返回指令 RETI CPU 现场的保 护和恢复必须由用户的中断服务程序实现 3 中断响应 CPU 响应中断的过程可分为设置标志 保护断点 选择中断入口 进行中断服务和 中断返回五个部分 响应中断后 硬件自动设置与中断有关的标志 中断的断点保护是由硬件自动实现的 当 CPU 响应中断后 硬件把当前的 PC 寄存 器的内容压入堆栈 根据不同的中断源 选择不同的中断入口地址送入 PC 从而转入相应的中断服务程 序 由于各中断入口地址间隔较近 通常可安排一条绝对转移指令 跳转到相应的中断 服务程序 不同的中断请求会有不同的中断服务要求 中断服务程序也各不相同 中断服务程序最后执行中断返回指令 RETI 标志着中断响应的结束 本设计需要用到本设计需要用到 MCS 51 单片机的外部中断单片机的外部中断 INT0 和和 INT1 由于外部中断 INT0 和 INT1 都有两种触发方式 低电平触发和下降沿触发 这两种 方式的选择由中断控制器 TCON 中的中断类型控制位 IT0 和 IT1 决定 本系统设计为 IT0 1 下降沿触发的方式 INT0 引脚上为负跳变 由高到低下降沿 有效 当有人来的时候 INT0 引脚接收到负跳变信号并产生中断信号 同样设定 IT1 1 下降沿触发的方式 INT1 引脚上为负跳变 由高到低下降沿 有效 当人离开时 INT1 引脚接收到负跳变信号并产生中断信号 IT0 IT1 可由软件置位或清零 2 定时器 MCS 51 单片机有两个定时器 分别为 T0 和 T1 每个定时器有两个外部输入端 T0 和 T1 两个 8 位的二进制加法计数器 TH0 和 TH1 由两个内部特殊功能寄存器 TMOD TCON 控制定时器的工作 其中 TMOD 是定时器模式控制寄存器 其格式 如下表 表 3 3 TMOD 格式表 寄存器名 TMOD 位名称GATEC TM1M0GATEC TM1M0 地址 89H位地址 TMOD 被分成两部分 每部分四位 分别用于定时器 0 和定时器 1 其中 GATE 和 C T 用于控制计数信号的输入 C T 0 时 计数信号取自于内部 其计数频率为晶振频率 的 1 12 此时工作于定时器模式 C T 1 时 计数信号来自于外部 此时工作于计数器模 式 M1 和 M0 用于定义定时器的工作方式 TCON 是定时器控制寄存器 其格式如下表 表 3 4 TCON 格式表 9 寄存器名 TCON位名称TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 地址 88H位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H TCON 也被分成两部分 高四位用于定时器 其中 TR1 TR0 用于控制计数信号的 输入 TF1 TF0 为计数器的溢出位 TR0 和 TMOD 中的 GATE 用于控制计数脉冲的接 通 通常有两种使用方法 GATE 0 时 仅仅由程序设置 TR0 1 来控制接通计数脉冲 由程序设置 TR0 0 来停 止计数 GATE 1 时 先由程序设置 TR0 1 然后由外部 TINT0 1 来控制接通计数脉冲 INT0 0 则停止计数 所以 GATE 位是专门用来选择计数去启动方式的控制位 GATE 0 时可由程序来启 动计数 GATE 1 时可由外部硬件通过 INT0 端来启动计数 两个 8 位计数器均为加法计数器 它们的级联和计数范围是由 TMOD 中的 M1 和 M0 来控制的 M1 和 M0 可设置四种内部计数的工作方式 如下表 表 3 5 四种工作方式表 工作方式M1M0功能计数范围 00013 位二进制加法计数器8192 初值 10116 位二进制加法计数器65536 初值 210可重置初值的 8 位二进制加法计数器256 初值 3112 个独立的 8 位二进制加法计数器 对 T0 256 初值 工作方式 0 特点是 主要为兼容早期的 MCS 48 单片机所保留 一般可用方式 1 代替 工作方式 1 特点是 计数范围宽 但每次的初值都要由程序来设置 工作方式 2 特点是 初值只需设置一次 每次溢出后 初值自动会从 TH0 加载到 TL0 或 从 TH1 加载到 TL1 但计数范围较方式 1 小 工作方式 3 特点是 增加了一个独立的计数器 但只能适用于定时器 0 而且占用了定时 器 1 的 TR1 和 TF1 此时的定时器 1 只能用于不需要中断的应用 四种工作方式对溢出处理均相同 加法计数超出范围后 溢出信号将使 TCON 中的 TF0 或 TF1 置位 计数值回到 0 或初值 重新开始计数 TF0 或 TF1 置位后 可向 CPU 提出中断请求 TF0 和 TF1 在 CPU 响应中断后会自动复位 而在禁止中断响应时 也可 由软件来复位 1 2 定时器 计数器 0 和定时器 计数器 1 的中断由 TF0 和 TF1 置位产生 当两定时器的计 数器回零时产生溢出 使 TF0 和 TF1 置位向 CPU 申请中断 CPU 响应后 转入中断服务 程序 由硬件清除中断标志 TF0 或 TF1 定时器 计数器的启停 T0 为定时方式 1 在置 TR0 1 以后 定时立即开始 但在定时时间到后 还必须用软件再次装入初值 重新启动才能 开始新的定时 例如 T1 为定时方式 1 在置 TR1 1 以后 定时立即开始 但在定时时间到 后 还必须用软件再次装入初值 重新启动才能开始新的定时 本设计需要用到定时器本设计需要用到定时器 计数器计数器 0 和定时器和定时器 计数器计数器 1 1 定时器工作方式的选择 10 定时器有 4 种工作方式 选择哪一种 首先要看这几种工作方式所允许的最大时间间 隔 本设计所用的时钟为 12MHz 时 一个机器周期为 1 s 由于定时器是对机器周期计数 的 所以 8 位定时器最大定时间隔 28 1 S 256 S 13 位定时器最大定时间隔 213 1 S 8 192ms 16 位定时器最大定时间隔 216 1 S 65 535ms 本系统要求定时间隔为 2 秒 及以上 这三种方式都不能满足 对于较长的定时间 隔应采取复合的办法 例如 可将 T0 设成定时间隔为 50ms 将 R1 设为循环次数 40 就 能完成 2 秒的定时 50ms 40 2s 由于系统设定定时间隔为 50ms 所以只能用方式 1 2 TMOD Timer Counter Mode Control 方式控制字的设定 系统用到两个定时器 T0 T1 并将 T1 定时器设成方式 1 T0 定时器设成定时方式 1 按这种方案考虑 TMOD 的初值应该是 11H 0 0 0 1 0 0 0 1 3 定时 计数初值的计算与装入 当 T0 定时时间到后 产生溢出标志 TF0 1 如果此时中断开放 可以产生中断 若 不采用中断 也可用软件查询这个标志 同样 当 T1 计数次数到时 置 TF1 1 即可用 于中断请求 也可用于查询 T0 与 T1 初值应按补码计算 实际计算方法是 假定初值为 X 由于本系统设计的定 时间隔 50ms 所以应该有 216 X 1 S 50ms X 15536 3CB0H 把 3CH 装入 TH0 B0H 装入 TL0 3 2 4 存储空间存储空间 MCS 51 系列单片机在物理上有 4 个存储空间 片内程序存储器和片外程序存储器 片内数据存储器和片外数据存储器 3 4 从逻辑地址空间分析 MCS 51 有 3 个存储器空间 片内外统一的 64KB 的程序存储 器地址空间 256B 的内部数据存储器地址空间以及 64KB 的外部数据存储器地址空间 下面主要介绍一下内部数据存储器 内部数据存储器在物理上又可以分为 2 块 00H 07FH 单元组成的低 128 字节的 RAM 块 如下图 3 5 1 80H 0FFH 高 128 字节的专用寄存器块 SFR MCS 51 的内部 RAM 结构如下图 其中 00H 1FH 单元共 32 个字节是四个通用工作 寄存器区 每个区还有 8 个工作寄存器 编号为 R0 R7 专用寄存器 PSW 中有 2 位专门 用来确定使用哪个工作寄存器区 11 7FH 80B 30H 位寻址区 16B 2FH 位地址 20H 00H 7FH 1FH 3 区 低 128BRAM 18H R0 R7 17H 2 区 10H R0 R7 工作寄存器区 32B 0FH 1 区 08H R0 R7 07H 0 区 00H R0 R7 3 3 各单元电路设计各单元电路设计 单片机所需要的控制信号不能是原始信号 因为单片机对其控制信号有一定的要求 本系统对信号的处理使用了低通滤波电路 施密特整形电路以及正反放大等电路 下面 做简单介绍 3 3 1 低通滤波电路低通滤波电路 图 3 1 低通滤波 本系统采用的一阶 RC 低通滤波电路 如图 3 1 所示 7 1 传递函数传递函数 12 电路的微分方程为 进行 S 域变换后可得 RC 低通电路的传递函数是 2 幅频响应 幅频响应 令 RC 带入微分方程并取拉氏变换可得 或者 由此可得幅频关系为 由上式可知 w 1 为该滤波器的截止频率 红外信号的频率是已知的 而 RC 因 此 可以通过设定 R 和 C 的值来设定滤波器的截止频率 使红外信号能通过滤波器而高 于截至频率的信号被滤除 3 3 2 施密特整形电路施密特整形电路 施密特触发器是最常用的脉冲整形电路之一 其功能是可以将缓慢变化的电压信号 转变为边沿陡峭的矩形脉冲 施密特触发器的两个显著的特点是 1 具有连个稳定状态 即输出端 Q 或要 么为 1 要么为 0 这连个稳定状态在在一定条件下能互相转换 2 具有滞后电 压特性 即正向和负向翻转的阈值电压不一样 正向阈值电压大于负向阈值电压 当输 入电压上升到正向阈值电压时 触发器翻转 当输入电压下降到负向阈值电压时 触发 器再次翻转 滞后电压为正负向阈值电压的差值 处了专门的施密特触发器集成电路外 施密特触发器还可由门电路或时基电路构成 这里介绍由 555 定时器构成的触发器 555 定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路 利用它能极方便的构成施密特 触发器 单稳态触发器和多谐振荡器 由于使用灵活 方便 所以 555 定时器在波形的 产生与变换 测量与控制 家用电器 电子玩具等许多领域中得到了应用 13 如图 3 2 所示 将 555 定时器的置 1 输入端 2 脚 和置 0 输入端 6 脚 并 接在一起作为施密特触发器的输入端 其输出端 3 脚 作为施密特触发器的输出端 图 3 2 施密特整形电路 当输入信号 Ui 2 3Vcc 时 输出信号 Vo 0 当输入信号 Ui 1 3Vcc 时 输出信号 Vo 1 输出信号 Uo 与输入信号 Ui 相位相反 3 3 3 放大电路放大电路 经过施密特整形后的信号还不能直接驱动单片机进行工作 需要经过放大调理后才 可以 本系统中采用反向放大电路对信号进行调理 下面做简单介绍 1 电压增益电压增益 图 3 3 所示为反向输入放大电路 由图利用虚短和虚断概念有 Av Vo Vi Rf R1 图 3 3 放大电路 可以看出 该电路的电压增益就是电阻 Rf 和 R1 的简单比值 负号说明 输出信号电压 Vo 相对于输入信号电压 Vi 相位相差 180 度 所以这种接法 称为反向输入 2 输入电阻和输出电阻 当输入信号电压加到放大电路的输入端时 放大电路就相当于信号源的一个负载电 阻 这个负载电阻就是放大电路的输入电阻 Ri 对于上图所示电路 有 Ri Vi Ii R1 由于理想运算放大器的输出电阻 为零 因此 反向比例运算放大器电路在理想情况 下输出电阻为零 8 9 3 3 4 单片机最小系统单片机最小系统 14 3 3 4 1 单片机最小系统组成单片机最小系统组成 单片机最小系统主要以 AT89S51 为核心 外加复位电路及时钟电路组成 系统框图 如图3 3 所示 复位电路 图 3 3 最小单片机框图 3 3 4 2 时钟电路时钟电路 89C51 芯片内部有一个高增益反相放大器 用于构成振荡器 反相放大器的输入端 为 XTAL1 输出端为 XTAL2 两端跨接石英晶体及两个电容 C1和 C2 就可以构成稳定的自 激振荡器 电容 C1和 C2取 30pF 取 12MHZ石英晶体 则时钟频率为 12MHZ 3 3 4 3 复位电路复位电路 复位操作采用上电自动复位方式 上电自动复位是在加电瞬间通过电容充电来实现 的 其电路如图所示 在通电瞬间 电容 C 通过电阻 R 充电 RST 端复位高电平持续时间 大于 2 个机器周期 单片机便可复位 复位电路如图 3 4 所示 晶体采用 12MHZ 电容取 10 F 电阻取 8 2k VSS AT89C51 图 3 4 复位电路 3 3 5 控制驱动电路控制驱动电路 单片机 AT89S51 时钟电路 VCC RST VPD VSS 15 如图 3 4 所示 此时 输入信号 Vi 直接加到同向输入端 而运算放大器的反向输入 端通过电阻 R1 接地 由虚短和虚断可得 Av Vo Vi 1 Rf R1 如图 3 4 驱动电路 此式表明 Av 为正值 说明输出电压 Vo 与输入电压 Vi 相位相同 它的一个重要的特性是 由于信号接到同向输入端 因此放大电路的输入电阻实际上趋于无穷大 同时和上述反 向放大电路一样 同向放大电路的输出电阻也为零 所以同相放大电路在电路中可用作 缓冲放大器 以高阻抗和信号源连接 低阻连接负载 3 3 6 读键电路读键电路 如下图所示 在 AT89C51 的 P1 0 口上安装一个开关 一个电阻和一个支流电源就构 成了读键电路 当开关闭合的时候 P1 0 位低电平 当开关打开的时候 P1 0 位高电平 因此 在进行软件设计时 可以通过一条指令检测 P1 0 的电平 由此可控制单片机的启 动与否 图 3 5 按钮电路 3 3 7 各单元电路之间的连接各单元电路之间的连接 16 图 3 6 信号调理电路 通过上图可以清楚地看到从光电传感器输出的信号的处理过程 首先由低通滤波器 滤除掉高频信号的干扰 然后由整形电路对信号进行整形 使之变成脉冲信号 最后经 过两极放大电路把信号放大使之能达到驱动单片机的要求 11 12 图 3 7 单片机与输入设备的连接 调理过的信号分成两路 一路直接接单片机的 INT0 端 另一路经过一个非门后接单 片机的 INT1 端 INT0 用于检测是否有人靠近 而 INT1