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1、光电传感器课程设计报告组 员：专 业：年 级：学 院：完成日期：指导教师：目录1 引言32设计要求33 工作原理34方案设计45单元电路的设计和元器件的选择65.1微控制器模块65.2温度采集模块75.3报警模块95.4温度显示模块95.5其它外围电路106 电源模块127程序设计137.1流程图137.2程序分析168.实例测试18总结18参考文献191引言在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在 日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现 制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由 于微电子技术，光电半导体
2、技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电 传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、 可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得 到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基 本结构如图6,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，光电式传感器在
3、检测和控制中应用非常广 泛.a6光电传感器的基本菇构光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目 的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个 恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性， 常用光源有以下几种：1、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功 耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广 泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。2、丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电 元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，
4、而仅用 它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。2设计要求3工作原理温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51获 取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前 设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处 理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备（压缩 制冷器），当采集的温度经处理后低于设定温度的下时，单片机通过三极管驱 动继电器开启升温设备（加热器）。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感 头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限
5、内的时候，单 片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整 个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。4方案设计（一）、方案一采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由 两个焊接在一起的异金属导线所组成（热电偶的构成如图3.1），热电偶产 生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考 结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集 部分则使用带有A/D通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集 过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上， 就可以将
6、被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积 小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及 漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。图4-1热电偶电路图系统主要包括对A/D0809的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的 显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位 电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、A/D转换芯 片，处理芯片为51芯片，执行机构有4位数码管、报警器等。系统框图如 图4-2所示：图4-2热电偶温差电路测温系统框图（一）、方案一采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出
7、信号全数字化。便于单片 机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学 性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0-100摄氏度时， 最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数 据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置， 它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就 比较简单，体积也不大。采用51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过 编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安 装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信上传数据，另
8、外AT89S51在工业控制上 也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并 显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。 该系统扩展性非常强，它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数 据，在数据处理同时显示时间，并可以利用AT24C16芯片作为存储器件，以 此来对某些时间点的温度数据进行存储，利用键盘来进行调时和温度查询， 获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信，方 便的采集和整理时间温度数据。系统框图如图4-3所示图4-3 DS18B20温
9、度测温系统框图从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采 用了方案二。5单元电路的设计和元器件的选择5.1微控制器模块AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器， 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令 系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单 元，功能强大
10、的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价 比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序 存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O） 口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双 工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激
11、活 或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不 同产品的需求。由于系统控制方案简单，数据量也不大，考虑到电路的简单和成本等因素， 因此在本设计中选用A TMEL公司的A T89S51单片机作为主控芯片。主控模块 采用单片机最小系统是由于A T89S51芯片内含有4 kB的E2PROM，无需外扩存 储器，电路简单可靠，其时钟频率为024 MHz ,并且价格低廉，批量价在10 元以内。主要特性如下与MCS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可
12、编程I/ O线两个16位定时器/计数器 5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路5.2温度采集模块INT1INTOT1TOXIX2RESETRDP20P21P22P23P24P25P26P27RXDTXDALEiPPSEN390 12 3 4 o o fl o O p p p F P5-6 7 o o O p p PAT89S51单片机引脚图DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低 功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测 控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理， 且在同
13、一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形 式，温度测量范围一55+ 125C，可编程为912位A/D转换精度，测温分辨 率可达0.0625C，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电 源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的 端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便 的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性 很稳定，它能用做工业测温元件，且此元
14、件线形较好。在0 100摄氏度时，最 大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理 及控制。图5-2温度芯片DS18B20DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同 一条线来完成。DS18B20的电源供电方式有2种：外部供电方式和寄生电源方 式。工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，他在需要远程温度探测和空 间受限的场合特别有用，原理是当1 Wire总线的信号线DQ为高电平时，窃取 信号能量给DS18B20供电，同时一部分能量给内部电容充电，当DQ为低电平时 释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式需要强上拉电路，软件控制
15、变得复 杂（特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时），同时芯片的性能也有所 降低。外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能 力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。因此本 设计采用外部供电方式。如下图所示：DS18B20ATS9S514.7K|温度检测电路如图-5所不H1温度传感器DS18B20的测量范围为-55C+125C，在-10C+85C时精度 为0.5C。因为本设计只用于测量环境温度，所以只显示0C+85C。5.3报警模块本设计采软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。 当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。（也可采用发光二级管报警电路，如过需要报警，则只需将相应位置1，当 参数判断完毕后，再看报警模型单元ALARM的内容是否与预设一样，如不一 样，则发光报警）报警电路硬件连接见图5-3令GND图5-3蜂鸣器电路连接图5.4温度显示模块本设计显示电路采用两位共阳极LED数码管来显示测量得到的温度值。LED 数码管能在低电压下工作，而且体积小、重量轻、
