毕业设计（论文）单片机红外线控制自动水龙头

1、河 南 工 业 职 业 技 术 学 院henan polytechnic institute毕业设计（论文）题 目：红外线自动水龙头班 级：姓 名：指导教师：设计任务书1、 设计题目 红外线控制自动水龙头二、设计的目的1）掌握光电传感器的原理及使用方法。2）掌握用51单片机开发数据采集系统的流程及方法。三、设计要求红外线控制水龙头在生活中应用广泛，主要应用光电传感器对水龙头的开关进行自动控制。其设计要求如下：1) 采用光电传感器采集数据；2) 用51系列单片机进行数据处理；3) 用电磁阀控制水龙头的开关；4) 当水龙头长时间开启，进行声音报警；5) 根据需要控制水流的大小。四、设计任务要求在规

2、定时间内独立完成下列工作量：说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀。1) 撰写总体设计方案（设计说明书，15000以上）；2) 电路原理图设计、绘制；3) 元器件的选型依据及计算;4) 元器件明细表；5） 撰写程序设计说明书6） 编写程序5、 参考文献红外线控制自动水龙头摘要 水龙头是室内水源的开关,负责控制和调节水的流量大小,是每个家庭必备的材料。本文所介绍的是一种新型红外线控制自动水龙头, 红外式自动水龙头由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路，电磁阀，电源组成。用51系列单片机进行数据处理，电路简单，既防止了其它光源的干扰，又简化电路，降低

3、成本，使用和安装都很方便。成本低，体积小，安装简单。自动水龙头接通电源，当手伸到水龙头下时，使水龙头放自来水，根据需要调节水流大小，手离开水龙头后，停止放水。关键词：红外线控制，自动水龙头，51系列，电磁阀 abstract tap water is used indoor and responsible for the switch control and just the flow of water, is required materials in each family . this paper introduces a new kind of infrared control whi

4、ch is automatic infrared automatic faucet.the system is made up of infrared transmission circuit, faucet infrared receiving amplifier circuit, control circuit, solenoid valves and power supply. with simple circuit of 51 series microcontroller, which prevent the other light interference.the circuit i

5、s simplify,cheap and very convenient and is easy for installation. low cost, small volume, simple installation. automatic faucet switch on the power, when the hand, make to tap water faucets, need adjustment according to put hands off the tap water, water, stop.keywords: infrared control, automatic

6、faucet, 51 series, solenoid valves目 录第1章 绪论.11.1设计目的及意义.11.2单片机概述与应用.2第二章 设计方案.52.1设计方案选择与论证.52.2 单片机控制方案.7第三章 硬件设计.93.1控制电路设计.93.2输入电路设计.163.3输出电路设计.23第四章 软件设计.274.1系统设计思想和流程图.274.2编写程序.294.4测试软件.30结束语.32参考文献.35附录.36致谢.41一、绪论1.1 设计的目的与意义 水龙头，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对生活要求越来越高，追求自动化，智

7、能化。怎样让其更好的服务人民，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？这就要求人们不断设计出新型水龙头。作为本设计核心元件的单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。由于具有以上优点，在我国，单片机已广泛的应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51单片机是各单片机中较为典型和具有代表性的一种。 随着单片机的不断发展其应用的不断扩展，它的作用也越来越重要，家电智能化是人类日常生活必然趋势。节能环保是当今

8、世界发展的主题，而健康舒适的生活一直是人孜孜不倦的追求。不管是在厨房里取水，还是卫生间里的洗手，水龙头上的细菌与病毒在所难免都要接触到，尤其是公共场所中的水龙头最为让人头痛。怎样能避免某些传染疾病通过水龙头交叉感染，就是现在不得不考虑的一个问题。此外，传统水龙头的流量变化因取决于水龙头的开口大小，而人为调节一直是困扰水龙头发展的一个难题。本设计从日常生活中常见的事物入手通过对水龙头的设计，使我们认识到单片机已经深入到我们生活的各个领域。该设计不仅可以锻炼我们的动手能力，而且可以加深我们对单片机的认识和激发我们对未知科学领域的探索，使得我们原本枯燥的学习变得更有趣味和更加形象。1.2单片机的概述

9、与应用1.2.1.单片机的概述 单片机也被称为微控制器（microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有cpu的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和cpu集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。intel的z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是intel的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了mcs51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随

10、着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着intel i960系列特别是后来的arm系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300mhz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

11、而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的windows和linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过pc机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。 1.2.2.单片机的应用 目前单片机渗透到我

12、们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能ic卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、

13、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调

14、机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6.在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，

15、从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于rom），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于can总线的汽车发动机智能电子控制器，gps导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航

16、空航天等领域都有着十分广泛的用途。第二章 设计方案2.1 设计方案的选择与论证市场上流行的红外自动水龙头控制方案大都采用555控制、红外线传感器控制。因红外自动水龙头要求简单，因此很少采用单片机控制。2.1.1 555控制设计方案图2.1 555控制型自动水龙头 在图1中，555电路主要用来产生脉冲信号，有555振荡电路所产生的一定频率的脉冲信号，通过驱动红外线发射管发出相同频率的红外线信号，实现红外线控制电路的功能。此控制电路采用红外线反射的控制方式，红外线发射管与接收管都暗中在同一平面。平时，红外线接收管接受不到发射管发射的红外信号，lm567的脚输出高电平，vt3截止，继电器不吸合，水阀

17、关闭。当有人接近时，通过人体发射使接收管接受到红外线反射信号，信号经过放大、译码后使lm567的脚输出低电平，vt3导通，继电器y吸合将水阀电源接通，水阀打开。 图 2.2 自动水龙头工作示意图 装置由于采用了555电路组成的脉冲振动器，电路组成与调整简单，工作稳定可靠，场合广，成本低。但是缺点也是显而易见的：人一旦进入反射范围内，水阀就打开，水流量无法控制。2.1.2红外传感器自动控制如图是采用sm9576型号的红外传感器自动水龙头控制原理图：图2.3 sm9576型号的红外传感器控制原理图 sm9576是一种性能可靠的单片红外线传感器。它内部包含红外发射驱动电路和红外接收放大电路，其接收灵

18、敏度由的容量大小决定。sm9576有三组控制输出端q0q2，分别对应于12脚、7脚、8脚，q0q2的输出状态由10、11脚上所接的电位决定。 13脚为红外发射输出端，该脚输出的红外信号经vt1功率放大后，由vd2向外发射红外信号，20脚为红外信号输入端，vd2发射的红外信号由vd1接收，经c7、r6输入至20脚，并由sm9576内部放大整形，最后用于控制q0q2的输出状态。由图可知，在没有人洗手或无物体靠近时，q0q2均为低电平，三极管vt2vt4均于截止状态，继电器k1k3均打开，皂液供应阀y1、供水阀y2及干手用的电吹风均不工作。有人洗手时，即有物体靠近时，q0变成高电平，vt2导通，k1

19、得电吸合，接通供水阀y2交流电源，y2动作，水龙头放出自来水供人们洗手，4秒后，q1输出高电平，vt3导通，k2得电吸合，接通皂液供应阀y1的交流电源，y1工作2秒钟，放出2秒钟的皂液后停止。再洗手6秒后，q2变为高电平，vt4导通，k3得电吸合，接通电吹风的交流电源，电吹风吹出热风。在正常洗手过程中，如果时间超过60秒，q2将变低电平，电吹风停止工作，以免浪费电能。洗完手离开后，q0、q2均变为低电平，供水阀、电吹风均停止工作，同时q1输出高电平，放出8秒钟的皂液在容器内以供下次使用。2.2.单片机控制方案 相比较而言，采用单片机控制更智能化、人性化。以上这两种方案都不能很好的解决水流量自动

20、调节的难题。但都有可取之处，因此根据设计要求结合着市场上的流行控制方案，初步思路如下： 使用555振荡电路所产生的一定频率的脉冲信号，通过驱动红外线二极管发出相同频率的红外线的脉冲信号。单片机通过改变555集成电路输出端的电阻大小，进而改变了红外线的最大探测距离。 当人的手触及到红外线有效发射范围内时，红外线经反射后被相应的红外线接收管检测到。采用51系列单片机作为数据处理，把相应的红外线接收管开关信号转化为控制水龙头流量的开关信号。 单片机根据红外线最大有效探测距离通过驱动电路自动控制三个电磁阀的通断，随时调整流量。 图2.4该方案的系统设计框图。 在图中单片机、红外线发射电路及接受电路三者

21、紧密联系。这种关系不仅体现在硬件上，而且在软件程序上三者是互为一体，是程序的主要部分。第三章 硬件设计3.1 控制电路设计 控制电路主要用来数据的处理、信号的转换、逻辑控制。控制电路设计主要包括：单片机的选型、时钟电路、复位电路。3.1.1单片机的选择 国内流行的8位单片机主要是51系列。8051是单片机早期的经典产品，以后的51系列单片机都是据此发展起来的。但实际上，标准的8051单片机，其功能简单，储存方式过于落后，这给单片机的开发与使用带来了诸多不便。随着科技日新月异的发展，现在市场上已有许多优秀的替代品，at89c51就是其中的代表。at89c2051是一种带2k字节闪存可编程可擦除只

22、读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示 一、芯片的引脚描述 如图，是at89c51的符号图。在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（i/o）引脚。下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。 1、主电源引脚vcc和gndvcc（40脚）接+5v电压； gnd（20脚）接地。 2、外接晶体引脚xtal1和xtal2 xtal1（19脚）接外部晶体的一

23、个引脚。xtal2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对hmos单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对xhmos，此引脚应悬浮。 图3.1 at89c51引脚图 3、控制或与其它电源复用引脚rst/vpd、ale/prog、psen和ea/vpp rst/vpd（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与vcc引脚之间连接一个约10k的下拉电阻，与vcc引脚之间连接一个约10f的电容，以保证可靠地复位。 vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，以

24、保证内部ram的数据不丢失。当vcc主电源下掉到低于规定的电平，而vpd在其规定的电压范围（50.5v）内，vpd就向内部ram提供备用电源。 ale/prog（30脚）：当访问外部存贮器时，ale（允许地址锁存）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端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。ale端可以驱动（吸收或输出电流）8个ls型的ttl输入电路。 psen（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（

25、或常数）期间，每个机器周期两次psen有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的psen信号将不出现。psen同样可以驱动（吸收或输出）8个ls型的ttl输入。 ea/vpp（引脚）：当ea端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在pc（程序计数器）值超过0fffh（对851/8751/80c51）或1fffh（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当ea保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以ea脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 4、输入/输出（i/o）引脚p0、p1、p2、p3（共

26、32根） p0口（39脚至32脚）：是双向8位三态i/o口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个ls型的ttl负载。 p1口（1脚至8脚）：是准双向8位i/o口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向i/o口。p1口能驱动（吸收或输出电流）4个ls型的ttl负载。对8052、8032，p1.0引脚的第二功能为t2定时/计数器的外部输入，p1.1引脚的第二功能为t2ex捕捉、重装触发，即t2的外部控制端。对eprom编程和程序验证时，它接收低8位地址。 p2口（21脚至28脚）：是准双向8位i/o口。在访问外部存储器时，它可以作为扩

27、展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对eprom编程和程序验证期间，它接收高8位地址。p2可以驱动（吸收或输出电流）4个ls型的ttl负载。 p3口（10脚至17脚）：是准双向8位i/o口，在mcs-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。p3能驱动（吸收或输出电流）4个ls型的ttl负载。 作为第一功能使用时，就作为普通i/o口用，功能和操作方法与p1口相同。 作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 值得强调的是，p3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 表 p3各口线的第二功能定义 口线 引脚 第二功能 p3.0 10 rxd（串行输入口） p3.1

28、11 txd（串行输出口） p3.2 12 int0（外部中断0） p3.3 13 int1（外部中断1） p3.4 14 t0（定时器0外部输入） p3.5 15 t1（定时器1外部输入） p3.6 16 wr（外部数据存储器写脉冲） p3.7 17 rd（外部数据存储器读脉冲）主要特性：1 与mcs-51 兼容 2 4k字节可编程闪烁存储器 3 寿命：1000写/擦循环 4 数据保留时间：10年 5 全静态工作：0hz-24mhz 6 三级程序存储器锁定 7 288位内部ram 8 32可编程i/o线 9 两个16位定时器/计数器 10 5个中断源 11 可编程串行通道 12 低功耗的闲置

29、和掉电模式 13 片内振荡器和时钟电路 二、mcs-51单片机的片外总线结构 综合上面的描述可知，i/o口线都不能当作用户i/o口线。除8051/8751外真正可完全为用户使用的i/o口线只有p1口，以及部分作为第一功能使用时的p3口。 单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入，用户i/o口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成mcs-51单片机片外三总线结构，即： 地址总线（ab）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64k字节，16位地址总线由p0口经地址锁存器提供8位地址（a0至a7）；p2口直接提供8位地址（a8至a15）。 数据总线（db）：数据总线宽度为8位，由

30、p0提供。 控制总线（cb）：由p3口的第二功能状态和4根独立控制线reset、ea、ale、psen组成。3.1.2 时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。单片机在时钟信号控制下，各种部件之间协调一直工作，时钟信号控制计算机的工作节奏。 单片机的时钟时序就是微处理器在执行指令时所需控制信号的时间顺序。 通常采用振荡电路能产出非常精确地正弦波，然后通过变换电路形成方波，这种方波在数字电路中作为触发器的时钟信号。 51单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一种是内部时钟方式；一种是外部时钟方式。 在单片机的xtal1和xtal2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路

31、，如图3.2所示。 电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。电路中，电容器c1和c2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围30-100pf；石英晶体选择6mhz或12mhz都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值。 图3.2时钟电路3.1.3 复位电路 复位的目的是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。 复位是单片机进入工作状态的初始化操作，是使cpu和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。另外，当程序运行错误或由于错误操作而使单片机进入锁死状态时，也可以通过复位进行重新启动。复位后，单片机内部寄存器的初始化。 m

32、cs51系列单片机的rst引脚的复位信号的引入端，复位信号为高电平有效，其所需时间在两个机器周期（24个振荡周期）以上。 复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从rom的0000h开始执行程序。 单片机的复位方式有：上电复位电路、改进后的上电复位、上电和手动复位电路。图3.3是51系列单片机常用的上电复位和手动复位组合电路，只要gnd上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。阻容器件的参考值如图中所示，即r1=1k，r2=200，c3=22f。ret按键可以选择专门的复位按键，也可以选择轻触开关。图3.3 复位电路 控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码

33、以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出cpu的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ale，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号ea，以及片外取 指信号psen。图3.4 单片机正常工作时的部分引脚图3.2 输入电路设计 输入电路是整个方案的主要组成部分，它要完成的任务是红外线的发射及接受。具体说来它包括两部分：555集成红外线发射电路、红外线接收放大电路。如下图：图3.5该部分电路的原理框图3.2.1红外线发射电路 3.2.1.1 红外线发射

34、管 红外线二极管因为红外线二极管正常工作，需要一个固定的频率激发。在众多类型的振荡器中，其中由555定时器构成的多谐振荡器就是其中的代表。发光元件的种类很多，依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元 件。在方案中，所要介绍的红外线发光元件，是以砷化镓(gaas)的红外线发光二极管 （也称红外线发射二极管）为主体，分别叙述其基本特性及应用电路。 常用的红外发光二极管（如tln104），其外形和发光二极管led相似，发出红外光近红外线约0.94nm，管压降约1.4v ，工作电流60ma，发射功率25mw。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。 发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制

35、的距离与发射功率成正比。红外线二极管常有三种驱动方式：交流、直流、脉动。因二极管存在死区电压，所以在交流驱动时应加上略大于死区电压的着正向偏置电压。如果使用直流驱动的话就不再考虑这个问题。当红外发光二极管工作在脉动直流驱动下，红外发射的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值，就能提高红外光的发射距离。提高的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度t。 相比较前两者驱动方式，采用脉冲驱动的优势：1，显著增加了作用距离；2，降低了电源消耗；3，提高抗干扰能力。 用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光一电转换元件，如红外按收二极管，光电三极管等。实用中已

36、有红外发射和接收配对的二极管。 3.2.1.2 555定时器 555是美国signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路因输入端设计有三个5k的电阻而得名。 图3-6 555定时器内部原理图 555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 rs 触发器，一个放电管 t 及功率输出级。它提供两个基准电压vcc /3 和 2vcc /3 两个比较器 c1和 c2各有一个输入端连接到三个电阻r组成的分压器上，比较器的输出接到rs触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200ma。 比较器c1和c2的参考电压

37、分别为ua和ub，根据c1和c2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出rs触发器的输出状态。当复位端为低电平时，rs触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5v-16v 工作。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 rs 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 a1 的反相输入端的电压为 2vcc /3，a2 的同相输入端的电压为vcc /3。

38、若触发输入端 tr 的电压小于vcc /3，则比较器 a2 的输出为 1，可使 rs 触发器置 1，使输出端 out=1。如果阈值输入端 th 的电压大于 2vcc/3，同时 tr 端的电压大于vcc /3，则 a1 的输出为 1，a2 的输出为 0，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0 电平。参数功能特性： 供应电压4.5-18v 供应电流3-6ma 输出电流225ma (max) 上升/下降时间100 ns 3.2.1.3 红外线频率的设定 红光的波长范围为0.62m0.76m，比红光波长还长的光叫红外线。红外线发射器就是利用波长0.76m1.5m之间的近红外线来传送信号的。红外线的特点

39、是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。 555 当做定时器时，其输出频率f大小是由r1、r2、c4决定的。 = hz图3-7 红外频率的设定示意图 3.2.2 红外线接收电路 本电路主要任务是把接收到的微弱红外信号，进行放大，然后送入单片机中。 发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管安放在发射与受控物的两端，相距一定的距离。反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。图3-8 红外线接收示意图 接收元件是hp-3fr2s光敏二极管，暗电流，光电流，峰值波长m。由于红外发光

40、二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。信号经过放大后才能送到单片机。如图集成运放器1458构成的并联电压负反馈。它除了放大信号外，还能稳定输出电压。反馈电流为 输入电流为 利用的关系得= 图3-9 信号放大原理图当信号被放大到-120倍后，将能作为单片机外部中断0的激发信号。此外，放大器还要把该信号送入单片机脚。当外部中断产生后，单片机进入中断子程序中并关闭中断，此时脚负责外部信号的接入。通过判断脚的电平高低，就能知道红外线探测范围内有没有人。3.3输出电路设计 输出电路是整个方案的“动作元件”，它将前两个电路的最终数据转变为设计要求。输出电路包

41、括：动作信号放大电路、电磁阀工作电路、强弱隔离电路。单片机控制方式属于弱电控制，无法直接驱动电磁阀，必须采用驱动放大电路对动作信号处理。电磁阀工作电压范围：220v、50赫兹，单片机工作电压为直流5v。因此本方案中要用到变压器（变压，隔离）和桥式整流电路（交流变直流）。而电磁阀能否准确到位动作，将关系到整个设计的成败。电磁阀正常工作的必要的一个条件是：在额定电压下工作。 图3-10普通常用的水龙头结构图3.3.1电磁阀 普通水龙头由人工实现了水流量的控制，了解其工作状态，有助于我们理解电磁阀的工作原理，以加深对控制技术的领悟。 通过图3-10，可以初步了解到普通水龙头的工作原理。普通水龙头的结

42、构分为：阀体、阀杆、阀芯三大部分，阀杆下部有一节为螺旋状，与阀体螺旋槽相匹配，能使阀杆作上下导向运动，阀杆与阀体上部还有压盖，其下压有盘根，防止水从阀杆处泄漏，而阀芯与阀杆之间一般是活套连接，即阀杆顶头部分中间有孔，阀芯在加工时留有约1厘米左右的杆（比阀杆上的孔径略小）与之匹配，这样会使阀芯活动灵活，阀芯底部有一块橡皮，与阀体的密封面匹配。 知道其结构，就知道其是如何控制水的了。当阀杆顺时针旋转时，阀杆带动阀芯向下运动，当阀芯上橡皮与阀体的密封面完全接触时，就阻止了水的流出，即-关。当阀杆逆时针旋转时，阀杆向上运动，在水的压力作用下阀芯也随之向上运动，这样阀芯橡皮与阀体的密封面就完脱离，水就可

43、流出来了，即-开。 电磁阀（图3-11）原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。 因为普通的电磁阀只有两种工作状态：断开与闭合。为了能适应本方案的实际要求，特将电磁阀的数量增加到3个。目的是：人由远及近靠近水龙头时，三个电磁阀km1、km2、km3依次打开，水流量有选择的“跳度”增加，实现了设计任务五的要求（根据需要控制水流的大小）。电磁阀通常只有开关两种状态，阀芯只能处于两个极限位置，不能连续调节，所以调节精度还受到一定限制。这点在软件设计时，应该注意到

44、延时的时间设置，否则设计出来的方案可能不能够正常运行。市场上有些电磁阀动作时间可达0.01秒，所以至少要延时0.01秒。本方案选择0.1秒。 使用电磁阀应尽量优先选用电压规格为ac 220v、dc 24v常闭型。 df3型电磁阀主要用于一般液体管道的通断控制，其公称通径：3mm、电压ac 220v。 图3-11某种型号电磁阀的结构图3.2.1 驱动电路 电磁阀工作电压选择是交流220v，单片机输出的弱信号无法直接驱动电磁阀线圈，因此而驱动电路就能很好的解决这个难题。如图3-12这是驱动电路设计图，以km1为例介绍它的工作过程：当单片机的脚输出高电平，三极管q4导通，电磁阀线圈km1得电吸合，电

45、磁阀工作。与线圈km1并联的二极管起续流和保持作用，目的是防止三极管截止瞬间线圈产生的反电动势造成三极管击，串联大电阻r6使电流下降的更快。图3-12 方案驱动电路原理图第四章 软件设计4.1 程序设计思想与流程图 4.1.1.程序设计思想 汇编语言程序设计首先要求尽量减少程序错误，经过上机调试后，程序能满足设计要求并能正确执行；其次要求源程序结构应简明、清晰、便于理解，源程序应便于阅读、修改和测试；再次，源程序应具有较好的维护性、可靠性和高效性。 4.1.2程序流程图 程序设计主要是考虑怎样用指令来实现解决问题所需要的各种算法和逻辑功能，即编制出正确的计算机运行程序。在编制程序之前，首先要把

46、所需要解决的问题研究清楚，并考虑理解问题的步骤，流程图是行之有效的辅助手段。流程图是用来描述事物进行过程的一种图形，是用来规定图形符号配合文字说明来表示算法或处理问题的步骤。从流程图上，可清楚地看出这种过程各个步骤之间的逻辑关系，程序运行时各种可能进行的过程及其先后次序。它比用文字说明来得更明确、简练和形象。 程序流程图如下：开始开中断0等待中断4.2 编写程序根据本设计的流程图，可转化为程序如下：org 0000h /设置主程序入口ajmp mainorg 0003h/外部中断0入口ljmp tointorg 0030h /主程序main: setb p2.0 /红外发射二极管开始工作 mo

47、v sp,#70h /设堆栈指针 setb it0 /设into为边沿触发 setb ea /开中断 setb ex0 /允许into中断 ajmp $ /等待中断 org 0100h /中断子程序toint: push r7 /保护现场 push r6clr ea /关闭中断loop5: ljmp ti /延时，去干扰 jb p2.3 loop1 / 人是否进入红外有效区1，不是则转。 clr p2.0 /关闭红外远距离发射 clp p1.6 /关闭电磁阀2 setb p2.1 /开启红外线中距离发射 setb p1.7 /电磁阀1工作loop3: ljmp t1 jb p2.3 loop2

48、 / 人是否进入红外有效区2，不是则转。 clp p2.1 /关闭红外中距离发射 clp p1.5 /关闭电磁阀3 setb p2.2 /开启红外线近距离发射 setb p1.6 /电磁阀2工作loop4: jb p2.3 loop3 / 人是否进入红外有效区3，不是则转。 setb p1.5 /电磁阀3工作 ljmp ti ljmp loop4 loop1: clp p1.7 /关闭电磁阀3 setb ea /开中断 pop r6 /恢复现场 pop r7 reti /中断结束，返回 org 4000h /延时子程序ti: mov r7，#5 / 定时0.5sloop8:mov r6,#96

49、 loop7:mov r5,#250loop6:nop nop djnz r5,loop6 /(r5)-1是否为0?否则跳转 djnz r6,loop7 /(r6)-1是否为0?否则跳转 djnz r7,loop8 /(r7)-1是否为0?否则跳转 ret /子程序结束，返回4.3 程序调试 软件调试与所选用的软件结构有关，如果采用模块程序设计技术，则逐个模块调好后，再系统程序总调。如果采用实用多任务操作系统，一般是逐个任务进行调试。 对于模块结构程序，要一个个子程序分别调试。调试时，一定要符合入口条件和出口条件，调试可用单步运行和断点运行方式，通过检查用户系统的cpu现场情况、ram的内容和

50、i/o口的状态，检查程序执行结果是否符合设计要求，有无循环错误、有无机器码错误以及转移地址的错误，同时还可以发现用户系统中存在硬件设计错误和软件算法错误，各程序模块调试通过后，则可以把相关功能块连在一起总调，这个阶段若有故障，可以考虑各子程序运行时是否破坏了现场、缓存单元、工作寄存器是否发生冲突、标志位的建立和清除是否错误，堆栈区是否有溢出，输入设备的状态是否正常等等，若用户系统是在开发机的监控程序下运行时，还要考虑用户缓存单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。 单步和断点调试后，还应进行连续调试，用以确定定时的精度、cpu的实时响应等问题。 实时多任务操作系统的调试方法和模块结构的调试方法类

51、似，只需要逐个任务进行调试，在调试某一个任务时，同时也调试相关的子程序、中断服务程序。逐个任务调试好后，在使各个任务同时运行。 当全部调试和修改完成后，将用户程序固化到eprom、flash和eeprom中，插入用户样机后，用户系统即能独立工作，至此单片机应用系统研制完成。结束语 经过一个月的努力，本方案终于完成了。仔细回首发现有许多值得深思的地方： 1，大军未动粮草先行。为了顺利完成设计，我先是花费了半个月搜寻相关资料。如热释电红外线传感器、红外遥控、555定时器应用电路、普通自动水龙头控制方案、阀门基础等的工作原理及应用、还有一些有说明价值的图片。但是实际做设计时，还会有许多问题无法回答，

52、这是准备不充分的结果。 2，知之为知之不知为不知。在写设计中，总会出现一些无法预料的问题。比如在论证方案时有种芯片sm9576，起初以为是单片机，但是在网上查询的结果是一种性能可靠的单片红外线传感器。请教老师，她说是单片机。后来仔细寻找下sm9576的芯片资料，才把问题弄明白。在电磁阀选型时，网上某些资料是生产厂家或代理商专门为了宣传做的，功能说了很多就是不提相关参数。也不敢写在设计里，因为我也不清楚。后来，老师给出建议：去图书馆查电工手册等类型的书。查找的结果只是型号、公称通径、工作电压，也是很模糊的一组数据。还有就是至今555定时器的其他应用电路看不懂，只是明白定时器的工作原理及简单的了解应用。 3，三人行必有我师。无论是自己想法，还是查得到的资料，让我感受最为深刻的还是与人讨论得到的信息。自己的思考多少有些闭门造车不切实际；看书找资料，只是一味的接受，自己有些想法也没处请教；唯有与人交谈才能深深抓住问题的实质。先后有老师帮我分析方案，指明前进的方向，有关设计上的疑惑，也得到了很好的解答。有时课下也和不少同学商量