畢業(yè)設(shè)計（論文）-智能紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計.doc

智能紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計第一章 緒 論1.1課題研究的背景隨著人類知識的積累和工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，人類對自然的控制與加工能力越來越強。在人類社會的各個領(lǐng)域，從工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、國防、通信、交通運輸、科學(xué)技術(shù)直到文化娛樂、教育、醫(yī)療乃至家庭生活的每一個角落，自動化設(shè)備、智能儀器儀表正延展著人們的感官，精確地執(zhí)行人的命令，實現(xiàn)著人們過去可望而不可及的愿望。由于微處理器生產(chǎn)成本的下降，目前各種自動化設(shè)備和智能儀器儀表的核心部件通常是由專用的微處理器構(gòu)成。這些專用的微處理器在我國一般稱為單片機，國外稱為微控制器。單片機廣泛用于自動化控制設(shè)備、消費電子產(chǎn)品、智能儀器儀表等領(lǐng)域，尤其是在新型智能化小產(chǎn)品開發(fā)方面，幾乎是單片機一統(tǒng)天下。單片機是一類特殊的微處理器，它內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)與一般為微處理器相同的是都有控制器、運算器和各種專用寄存器?？刂破鲗r鐘振蕩器產(chǎn)生的方波脈沖按固定的時間順序分配給芯片內(nèi)的各個部件，即產(chǎn)生節(jié)拍。在節(jié)拍的作用下控制器按程序計數(shù)器中的地址從程序存儲器中取回指令進(jìn)行譯碼，運算器和各種專用寄存器則根據(jù)譯碼在控制器的控制下有條不紊地進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和運算處理。單片機的應(yīng)用，打破了人們的傳統(tǒng)設(shè)計思想。原來需要使用模擬電路、脈沖數(shù)字電路等部件來實現(xiàn)的功能，在應(yīng)用了單片機以后，無需使用諸多的硬件，可以通過軟件來解決問題。目前單片機已經(jīng)成為科技、自控等領(lǐng)域的先進(jìn)控制手段，在人類日常生活中的應(yīng)用也非常廣泛。(1)工業(yè)過程控制中的應(yīng)用。 單片機的i/o口線多，操作指令豐富，邏輯操作功能強大，特別適用于工業(yè)過程控制。單片機可作主機控制，也可作分布或控制系統(tǒng)的前端機。單片機具有豐富的邏輯判斷和位操作指令，因此廣泛應(yīng)用于開關(guān)量控制、順序控制以及邏輯控制。(2)家用、民用電器中的應(yīng)用 單片機價格低廉、體積小巧、使用方便，廣泛應(yīng)用在人類生活中的諸多場合，如洗衣機、電冰箱、空調(diào)器等。(3)智能化儀器、儀表中的應(yīng)用 單片機可應(yīng)用于各類儀器、儀表和設(shè)備中，大大地提高了測試的自動化程度與精度，如智能化的示波器、計價器、電表、水表等。(4)計算機網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及通信技術(shù)中的應(yīng)用 單片機中集成了通信接口，因而能在計算機網(wǎng)絡(luò)以及通信設(shè)備中廣泛應(yīng)用。如intel公司的8044，它由8051單片機與sdlc通信接口組合而成，用高性能的串行接口單元siu代替?zhèn)鹘y(tǒng)的uart,其傳送距離可達(dá)1200米，傳送速率為2.4mbit/s。此外，單片機還在小型背負(fù)式通信機、自動撥號無線電話網(wǎng)、串行自動呼叫應(yīng)答設(shè)備、程控電話、無線遙控等方面均有廣泛的應(yīng)用。紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：一. 輻射計，用于輻射和光譜測量；二搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進(jìn)行跟蹤；三熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；四紅外測距和通信系統(tǒng)；五混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。紅外傳感器工作原理：（1）待測目標(biāo)。根據(jù)待測目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。 （2）大氣衰減。待測目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和 各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰 減。 （3）光學(xué)接收器。它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。 （4）輻射調(diào)制器。對來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。 （5）紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。 （6）探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。 （7）信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。 （8）顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。 依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。1.2 課題研究的意義和目的建立節(jié)約型社會是一場關(guān)系到人與自然和諧相處的“社會革命”。如何節(jié)約用水和保護水資源，已成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個無法回避和必須解決的問題。然而在日常生活中很多資源的浪費都是無形的，在人們的自覺與不自覺中慢慢流失。本課題就是基于這一社會現(xiàn)狀而提出的。本課題為智能紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計，研究的是一種基于單片機的紅外測控系統(tǒng)，它采用了單片機控制技術(shù)和紅外感應(yīng)技術(shù)，集成了光學(xué)、電子、單片機和機械等技術(shù)于一體。在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行靈活的軟件設(shè)計。系統(tǒng)程序包括：初始化、功能處理與定時器中斷等功能。開機后，初始化完成軟件系統(tǒng)所用的標(biāo)志區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的清零、中斷初始化、設(shè)置定時器參數(shù)、啟動定時器開始定時、定時中斷服務(wù)程序完成定時參數(shù)的復(fù)位、發(fā)出沖水信號等，使之達(dá)到自動化控制的功能。該系統(tǒng)應(yīng)用在自動沖水器上，經(jīng)實際使用并與長流水形式的小便池進(jìn)行比較，測量得到的數(shù)據(jù)表明：每個沖水器每天可節(jié)水67t。該沖水器電路工作電壓和電磁閥功耗(即沖水時的輸出功率)都很低，可以使用4節(jié)5號電池，至少2年無需更換電池。實際使用表明，該自動沖水器系統(tǒng)工作可靠，衛(wèi)生節(jié)約，方便快捷，成本低廉，經(jīng)濟效益顯著。該系統(tǒng)采用單片機作為其核心，結(jié)合不同的測控方法，可以完成不同的測控功能，因此也可用于自動淋浴器、自動門、自動烘干機、紅外報警、紅外遙控以及工業(yè)生產(chǎn)在線檢測等方面，并可開發(fā)各種類型的相關(guān)產(chǎn)品。由此可見，本課題的研究在方便人們的日常生活方面，節(jié)約水能以及提高人們的生活質(zhì)量方面都有很重要的意義。1.3 課題研究的方案 紅外測控系統(tǒng)主要包括紅外發(fā)射、紅外接收、單片機處理與控制系統(tǒng)以及控制信號放大與驅(qū)動等幾個部分。 本系統(tǒng)采用單片機控制技術(shù)和紅外感應(yīng)技術(shù)，集成了光學(xué)、電子、單片機和機械等技術(shù)于一體。系統(tǒng)的原理是：紅外發(fā)射部分經(jīng)過調(diào)制后載有測量信號的紅外光波，如果有人靠近，則紅外光波受到人體的反射，反射回來的紅外光波由紅外接收部分接收，然后經(jīng)由單片機進(jìn)行處理并做出相應(yīng)的控制決策，輸出相應(yīng)的動作指令，控制信號經(jīng)過控制信號放大與驅(qū)動環(huán)節(jié)之后驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。 該方案主要運用到了單片機原理和傳感器原理，科學(xué)證明是確實可行的。第二章 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 功能要求本設(shè)計為紅外自動沖水器，其智能化功能設(shè)計要求如下：（1）正常情況下，人來后，第一階段自動放水2s，人走后，第二階段自動放水6s；（2）如果使用太頻繁，如使用間隔小于1min，則在第二個人來后，不進(jìn)行2s 的放水，人走后，放水4s；（3）放完水后自動進(jìn)入省電模式。2.2 系統(tǒng)組成及原理 由圖2.1可見，本系統(tǒng)主要包括紅外發(fā)射、紅外接收、單片機處理與控制系統(tǒng)以及控制信號放大與驅(qū)動等幾個部分。紅外發(fā)射部分裝有紅外發(fā)光二極管，由紅外發(fā)光二極發(fā)射紅外光波，如果有人靠近，則紅外光波受到人體的反射，反射回來的紅外光波由紅外接收部分接收。紅外接收部分接收到反射回來的紅外光波后，紅外光電傳感器將此紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號經(jīng)放大、整形后傳送到單片機。單片機接收到驅(qū)動信號后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需要做出相應(yīng)的控制決策，輸出相應(yīng)的動作指令，由此來指揮執(zhí)行部分執(zhí)行相應(yīng)的動作。單片機發(fā)出的控制信號，傳送給放大與驅(qū)動環(huán)節(jié)，由驅(qū)動電路驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對沖水器的沖水控制。 紅外發(fā)射紅外接收單片機處理部分放大驅(qū)動部分執(zhí)行部分 圖2.1 系統(tǒng)組成框圖說明：為了防止紫外線進(jìn)入紅外傳感器的收發(fā)頭而帶來干擾，應(yīng)該在收發(fā)頭前安裝一個深色玻璃。2.3系統(tǒng)檢測原理宇宙間的任何物體只要其溫度超過絕對零度就能產(chǎn)生紅外輻射，事實上同可見光一樣，其輻射能夠進(jìn)行折射和反射，這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù)。紅外檢測技術(shù)利用紅外光波（又稱紅外線）作為載波來傳送測量信號或者控制指令，如紅外遙控電視開關(guān)、紅外報警器、自動玻璃門、自動沖水器等。之所以采用紅外光波作為控制光源，是由于紅外發(fā)射器件與接受器件的發(fā)光與受光峰值波長一般為0.88um0.94um，落在近紅外波段內(nèi)，而且兩者的光譜恰好重合，能很好的匹配，可獲得較高的傳輸效率較高的可靠性。紅外感應(yīng)原理：如果有人靠近該設(shè)備，則紅外光波受人體的反射，反射回來的紅光波由紅外接收部分接收，然后經(jīng)單片機進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的控制決策，輸出相應(yīng)的動作指令，控制信號經(jīng)過控制信號放大與驅(qū)動環(huán)節(jié)之后驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。紅外感應(yīng)裝置是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。探頭收集外界的紅外輻射通過聚集到紅外感應(yīng)源上面。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會向外釋放電荷，檢測處理后發(fā)出信號。 （1）紅外感應(yīng)裝置是以探測人體輻射為目標(biāo)的。所以輻射敏感元件對波長為10m 左右的紅外輻射必須敏感。 （2）為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。 （3）一旦人到達(dá)探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)單片機處理而作出相應(yīng)的動作。 （4）多視場的獲得，一是多法線小鏡面組成的反光聚焦，聚光到傳感器上稱之為反射式光學(xué)系統(tǒng)。另一種是透射式光學(xué)系統(tǒng)，是多面組合一起的透鏡 菲涅爾透鏡聚焦在紅外傳感器上。 本設(shè)計所運用的紅外檢測原理為：自動沖水器系統(tǒng)啟動后，如果有人靠近，則紅外光波受人體的反射，反射回來的紅光波由紅外接收部分接收，然后經(jīng)單片機進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的控制決策，輸出相應(yīng)的動作指令，控制信號經(jīng)過控制信號放大與驅(qū)動環(huán)節(jié)之后驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)框圖 如圖3.1所示，本設(shè)計主要由光電傳感器、信號處理電路、at89c51單片機、控制電路等硬件組成 。電信號由光電傳感器傳輸過來，經(jīng)過濾波、放大、整形后傳送給單片機，單片機接收到處理過的電信號后，發(fā)出相應(yīng)的控制信號，控制信號經(jīng)放大后變成能夠驅(qū)動電磁閥的信號，通過電磁閥來控制沖水器進(jìn)行沖水。光電傳感器信號處理單片機at89c51閥門控制電路圖3.1 系統(tǒng)框圖3.2 單片機芯片介紹自單片機誕生以來的近30年中，單片機已有70多個系列、近500個機種。比較有名的有intel公司的mcs-48系列、mcs-51系列、mcs-96系列產(chǎn)品。本系統(tǒng)中選用了51系列中的at89c51。3.2.1 主要性能特點mcs-51系列單片機的典型產(chǎn)品為8051、8751、8031。它們的基本組成和基本性能都是相同的。常用的mcs-51這個術(shù)語，泛指以8051為內(nèi)核的單片機。8051是rom型單片機，內(nèi)部有4kb的掩膜rom，即單片機出廠時程序已由生產(chǎn)廠家固化在程序存儲器中；8751片內(nèi)含有4kb的eprom，用戶可以把編寫好的程序用開發(fā)機或編程器寫入其中，需要修改時，可以先用紫外線擦除器擦除，然后再寫入新的程序；8031片內(nèi)沒有rom，使用時需在片外接eprom;；at89c51帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器。本設(shè)計采用at89c51作為整個設(shè)計的核心部分，at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低功耗、高性能cmos8位微處理器。具有如下資源：l 兼容mcs51指令系統(tǒng)l 4k可反復(fù)擦寫(1000次）flash roml 32個雙向i/o口l 可編程uarl通道l 兩個16位可編程定時/計數(shù)器l 全靜態(tài)操作l 1個串行中斷l(xiāng) 128x8bit內(nèi)部raml 兩個外部中斷源l 共6個中斷源l 可直接驅(qū)動ledl 3級加密位l 低功耗空閑和掉電模式3.2.2 引腳功能本設(shè)計采用的at89c51單片機如圖3-2-1。 1電源引腳： vcc：正常運行時為+5v電源vss：電源接地端2i/o總線(1)p0.0p0.7： 圖3.2 89c51引腳圖p0口是一個8位雙向i/o口，每位能驅(qū)動8個ls型ttl負(fù)載。在訪問外部貯存器，分時進(jìn)行工作，在指令前半周期，p0口作為地址總線，在指令的后半周期作為數(shù)據(jù)總線。(2)p1.0p1.7：p1口是一個帶有上拉電阻的8位雙向i/o口，當(dāng)向p1口鎖存器中寫入1時，p1口為輸入方式。(3)p2.0p2.7：p2口也是一個帶有上拉電阻的8位雙向i/o口，在訪問外部貯存器時，它輸出高8位地址。(4)p3.0p3.7：p3口也是一個帶有上拉電阻的8位雙向i/o口，同時p3口還有一些特殊功能，以后將被介紹。i/o總線的使用：p0口：由于8051內(nèi)部有程序存貯器，因而p0口能作為地址/數(shù)據(jù)總線，分時輸出外部存貯器的低8位地址a0a7和傳送數(shù)據(jù)d0d7，所有地址由地址允許鎖存信號ale鎖存到內(nèi)部的地址鎖存器中。p1口：p1口作為準(zhǔn)雙向口，它的每一位可作為輸入線或輸出線，用戶可以把p1口的某些位作為輸出線使用。另外的一些位作輸入線使用。輸出時，將“1”寫入p1口的某一位口鎖存器，則q端上的輸出場效應(yīng)管t截止，該位的輸出引腳由內(nèi)部的拉高電路拉成高電平。輸出“0”時，將“0”寫入口鎖存器，輸出場效應(yīng)管t導(dǎo)通，引腳輸出低電平，即輸出“0”。p2口：同樣是由于8051內(nèi)部有程序存貯器，因此p2口能作為外部設(shè)備的輸入/輸出口。一般情況下p2口只能作為系統(tǒng)擴展的高8位地址總線口。cpu訪問外部程序存貯器時，p2口輸出程序存貯器的地址a8a15，該地址來源于內(nèi)部的程序計數(shù)器pc的高8位 。p3口：p3口為多功能口，它的第一功能為準(zhǔn)雙向口，其特性和p0口相似，第二功能為特殊輸入/輸出線，其定義如下表所示：表3.1 p0口引腳第二功能表引腳 第二功能引腳 第二功能p3.0 rxd(串行輸入線) p3.4 t0(定時器t0外部輸入線)p3.1 txd(串行輸出線)p3.5 t1(定時器t1外部輸入線)p3.2 /int0(外部中斷0輸入線)p3.6 /wr(外部數(shù)據(jù)存貯器寫脈沖輸入線)p3.3 /int1(外部中斷1輸入線)p3.7 /rd(外部數(shù)據(jù)存貯器寫脈沖輸入線)3.3.3 中斷及定時1中斷：中斷是工業(yè)過程控制及智能儀器用微型機或單片機應(yīng)用最多的一種數(shù)據(jù)傳送方式。所謂中斷就是由于外部或內(nèi)部事件而改變原來cpu正在執(zhí)行順序的一種工作機制。在通常情況下，單片機執(zhí)行主程序，只要當(dāng)正常狀態(tài)出現(xiàn)故障或發(fā)出中斷請求時，單片機才暫時停止執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行或處理中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，再返回主程序繼續(xù)運行。一個計算機系統(tǒng)中斷能力的強弱，是衡量計算機能力的重要標(biāo)志之一。而8051正是因為有很強的中斷能力而被廣泛應(yīng)用。計算機的中斷機制涉及到三個內(nèi)容：中斷源、中斷控制和中斷響應(yīng)。中斷源是指引起中斷的事件；中斷控制是指中斷的允許/禁止、優(yōu)先和嵌套等處理方式；中斷響應(yīng)是指確定中斷入口、保護現(xiàn)場、進(jìn)行中斷服務(wù)、恢復(fù)現(xiàn)場和中斷返回等過程。中斷的作用：中斷機制常用于計算機與外部數(shù)據(jù)的傳送。利用中斷機制可以較好的實現(xiàn)cpu與外部設(shè)備的同步工作，實現(xiàn)實時處理。一些重要的實時信號通常要求cpu做出快速響應(yīng)，如本系統(tǒng)中輸入單片機的驅(qū)動信號，如果cpu通過程序查詢來監(jiān)視這些信號不僅會浪費大量時間，而且很難做到快速響應(yīng)。采用了中斷機制后，實時信號作為中斷請求信號，使cpu快速進(jìn)入中斷響應(yīng)狀態(tài)，執(zhí)行特定的中斷服務(wù)程序，而平時cpu則執(zhí)行實時性要求不高的程序。 表3.2 8051單片機中斷系統(tǒng)表：中斷源中斷入口地址說 明外部中斷/int00003h從p3.2引腳上來的外部中斷申請定時器0中斷t0 000bh從定時器0的溢出使tf0置位,發(fā)出申請外部中斷/int1 0013h從p3.3引腳上來的外部中斷申請定時器1中斷t1 001bh從定時器1的溢出使tf1置位,發(fā)出申請串行通道中斷 0023h完成操作后,中斷申請標(biāo)志t1或ri置位（1）中斷源mcs-51單片機有三類中斷源：外部中斷、定時器/計數(shù)器中斷和串行口中斷。由于本設(shè)計只用到了前兩種中斷，所以這里主要介紹外部中斷和定時器中斷。外部中斷：外部中斷源是由外部引腳int0、int1引入的。int0為外部中斷0請求信號。編程者預(yù)先設(shè)置好哪些為有效的中斷請求信號，一旦出現(xiàn)有效的中斷請求信號，會使專用寄存器tcon中的ie0位置位，由此向cpu提出int0的中斷請求。int1為外部中斷1請求信號。與int0類似，一旦出現(xiàn)有效的中斷請求信號，會使專用寄存器tcon中的ie1位置位，由此向cpu提出int1的中斷請求。cpu 響應(yīng)中斷后會自動清除tcon 中的中斷請求標(biāo)志位。定時器中斷：定時器中斷的中斷源是由其溢出位引入的。當(dāng)定時器到達(dá)設(shè)定的時間后，其溢出位置位。tf0和tf1分別為定時器0和定時器1的溢出位，它們位于專用寄存器tcon的bit5和bit7。當(dāng)定時器溢出時，相應(yīng)的tf0和tf1就會置1，由此向cpu提出定時器中斷請求。cpu響應(yīng)中斷后會自動清除中斷請求標(biāo)志位。（2）中斷控制發(fā)生中斷請求后，cpu通過中斷控制方式響應(yīng)中斷請求，編程者可根據(jù)設(shè)計需求設(shè)置不同的中斷控制方式。8051中斷的控制方法：8051單片機中的中斷方式的選擇，中斷的允許和禁止，以及中斷優(yōu)先權(quán)的約定等等，都是由相應(yīng)的寄存器來控制。設(shè)計時，只要將相應(yīng)的寄存器根據(jù)中斷要求進(jìn)行置位或復(fù)位即可。cpu執(zhí)行中斷處理程序一直到reti指令為止。reti指令是表示中斷服務(wù)程序的結(jié)束。cpu執(zhí)行完這條指令后，清“0”響應(yīng)中斷時所置位的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器，然后從堆棧重彈出頂上的兩個字節(jié)到程序計數(shù)器pc，cpu從原來被中斷處重新執(zhí)行被中斷的程序。由此可見，用戶的中斷服務(wù)程序末尾必須安排一條返回指令reti，cpu現(xiàn)場的保護和恢復(fù)必須由用戶的中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。（3）中斷響應(yīng)cpu響應(yīng)中斷的過程可分為設(shè)置標(biāo)志、保護斷點、選擇中斷入口、進(jìn)行中斷服務(wù)和中斷返回五個部分。響應(yīng)中斷后，硬件自動設(shè)置與中斷有關(guān)的標(biāo)志。中斷的斷點保護是由硬件自動實現(xiàn)的，當(dāng)cpu響應(yīng)中斷后，硬件把當(dāng)前的pc寄存器的內(nèi)容壓入堆棧。根據(jù)不同的中斷源，選擇不同的中斷入口地址送入pc，從而轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。由于各中斷入口地址間隔較近，通常可安排一條絕對轉(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。不同的中斷請求會有不同的中斷服務(wù)要求，中斷服務(wù)程序也各不相同。中斷服務(wù)程序最后執(zhí)行中斷返回指令reti，標(biāo)志著中斷響應(yīng)的結(jié)束。本設(shè)計需要用到mcs51單片機的外部中斷int0和int1由于外部中斷int0和int1都有兩種觸發(fā)方式：低電平觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。這兩種方式的選擇由中斷控制器tcon中的中斷類型控制位it0和it1決定。本系統(tǒng)設(shè)計為it0=1，下降沿觸發(fā)的方式，int0引腳上為負(fù)跳變（由高到低下降沿）有效，當(dāng)有人來的時候int0引腳接收到負(fù)跳變信號并產(chǎn)生中斷信號；同樣設(shè)定it1=1，下降沿觸發(fā)的方式，int1引腳上為負(fù)跳變（由高到低下降沿）有效，當(dāng)人離開時int1引腳接收到負(fù)跳變信號并產(chǎn)生中斷信號。it0 、it1可由軟件置位或清零。2定時器：mcs-51單片機有兩個定時器，分別為t0和t1。每個定時器有兩個外部輸入端（t0和t1）、兩個8位的二進(jìn)制加法計數(shù)器（th0和th1）。由兩個內(nèi)部特殊功能寄存器（tmod、tcon）控制定時器的工作，其中tmod是定時器模式控制寄存器，其格式如下表：表3.3 tmod格式表寄存器名：tmod位名稱gatec/tm1m0gatec/tm1m0地址：89h位地址tmod被分成兩部分，每部分四位，分別用于定時器0和定時器1。其中g(shù)ate和c/t用于控制計數(shù)信號的輸入：c/t=0時，計數(shù)信號取自于內(nèi)部，其計數(shù)頻率為晶振頻率的1/12，此時工作于定時器模式；c/t=1時，計數(shù)信號來自于外部，此時工作于計數(shù)器模式。m1和m0用于定義定時器的工作方式。tcon是定時器控制寄存器，其格式如下表：表3.4 tcon格式表寄存器名：tcon位名稱tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0地址：88h位地址8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88htcon也被分成兩部分，高四位用于定時器。其中tr1、tr0用于控制計數(shù)信號的輸入，tf1、tf0為計數(shù)器的溢出位。tr0和tmod中的gate用于控制計數(shù)脈沖的接通，通常有兩種使用方法：gate=0時，僅僅由程序設(shè)置tr0=1來控制接通計數(shù)脈沖，由程序設(shè)置tr0=0來停止計數(shù)。gate=1時，先由程序設(shè)置tr0=1，然后由外部tint0=1來控制接通計數(shù)脈沖，int0=0則停止計數(shù)。所以，gate位是專門用來選擇計數(shù)去啟動方式的控制位，gate=0時可由程序來啟動計數(shù)，gate=1時可由外部硬件通過int0端來啟動計數(shù)。兩個8位計數(shù)器均為加法計數(shù)器，它們的級聯(lián)和計數(shù)范圍是由tmod中的m1和m0來控制的。m1和m0可設(shè)置四種內(nèi)部計數(shù)的工作方式，如下表：表3.5 四種工作方式表工作方式m1m0功能計數(shù)范圍00013位二進(jìn)制加法計數(shù)器8192-初值10116位二進(jìn)制加法計數(shù)器65536-初值210可重置初值的8位二進(jìn)制加法計數(shù)器256-初值3112個獨立的8位二進(jìn)制加法計數(shù)器（對t0）256-初值工作方式0特點是：主要為兼容早期的mcs-48單片機所保留，一般可用方式1代替。工作方式1特點是：計數(shù)范圍寬，但每次的初值都要由程序來設(shè)置。工作方式2特點是：初值只需設(shè)置一次，每次溢出后，初值自動會從th0加載到tl0或從th1加載到tl1，但計數(shù)范圍較方式1小。工作方式3特點是：增加了一個獨立的計數(shù)器，但只能適用于定時器0，而且占用了定時器1的tr1和tf1，此時的定時器1只能用于不需要中斷的應(yīng)用。四種工作方式對溢出處理均相同，加法計數(shù)超出范圍后，溢出信號將使tcon中的tf0或tf1置位，計數(shù)值回到0或初值，重新開始計數(shù)。tf0或tf1置位后，可向cpu提出中斷請求。tf0和tf1在cpu響應(yīng)中斷后會自動復(fù)位，而在禁止中斷響應(yīng)時，也可由軟件來復(fù)位。定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1的中斷由tf0和tf1置位產(chǎn)生。當(dāng)兩定時器的計數(shù)器回零時產(chǎn)生溢出，使tf0和tf1置位向cpu申請中斷。cpu響應(yīng)后，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，由硬件清除中斷標(biāo)志tf0或tf1。定時器/計數(shù)器的啟停 ：t0為定時方式1,在置tr0=1以后,定時立即開始,但在定時時間到后,還必須用軟件再次裝入初值、重新啟動才能開始新的定時。例如：t1為定時方式1,在置tr1=1以后,定時立即開始,但在定時時間到后,還必須用軟件再次裝入初值、重新啟動才能開始新的定時。本設(shè)計需要用到定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1：（1）定時器工作方式的選擇： 定時器有4種工作方式,選擇哪一種，首先要看這幾種工作方式所允許的最大時間間隔。本設(shè)計所用的時鐘為12mhz時，一個機器周期為1s由于定時器是對機器周期計數(shù)的，所以：n 8位定時器最大定時間隔 ：281s=256s n 13位定時器最大定時間隔 ：2131s=8.192msn 16位定時器最大定時間隔：2161s65.535ms本系統(tǒng)要求定時間隔為2秒（及以上），這三種方式都不能滿足。對于較長的定時間隔應(yīng)采取復(fù)合的辦法。例如，可將t0設(shè)成定時間隔為50ms，將r1設(shè)為循環(huán)次數(shù)40，就能完成2秒的定時：50ms40=2s。由于系統(tǒng)設(shè)定定時間隔為50ms，所以只能用方式1。（2）tmod（timer/counter mode control）方式控制字的設(shè)定：系統(tǒng)用到兩個定時器t0、t1，并將t1定時器設(shè)成方式1，t0定時器設(shè)成定時方式1 ，按這種方案考慮： tmod的初值應(yīng)該是：11h 0 0 0 1 0 0 0 1（3）定時/計數(shù)初值的計算與裝入：當(dāng)t0定時時間到后，產(chǎn)生溢出標(biāo)志tf0=1，如果此時中斷開放，可以產(chǎn)生中斷；若不采用中斷，也可用軟件查詢這個標(biāo)志。同樣，當(dāng)t1計數(shù)次數(shù)到時，置tf1=1，即可用于中斷請求，也可用于查詢。t0與t1初值應(yīng)按補碼計算。實際計算方法是：假定初值為x，由于本系統(tǒng)設(shè)計的定時間隔50ms，所以應(yīng)該有：(216-x)1s50msx=15536=3cb0h 把3ch裝入th0，b0h裝入tl0。 3.5.3 存儲空間mcs-51系列單片機在物理上有4個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。從邏輯地址空間分析，mcs-51有3個存儲器空間：片內(nèi)外統(tǒng)一的64kb的程序存儲器地址空間、256b的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器地址空間以及64kb的外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間。下面主要介紹一下內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在物理上又可以分為2塊：00h-07fh單元組成的低128字節(jié)的ram塊，如下圖3-5-1；80h-0ffh高128字節(jié)的專用寄存器塊（sfr）。mcs-51的內(nèi)部ram 結(jié)構(gòu)如下圖。其中00h-1fh單元共32個字節(jié)是四個通用工作寄存器區(qū)，每個區(qū)還有8個工作寄存器，編號為r0-r7。專用寄存器psw中有2位專門用來確定使用哪個工作寄存器區(qū)。 7fh 80b 30h 位尋址區(qū)16b 2fh 位地址 20h 00h-7fh 1fh 3區(qū)低128bram 18h r0-r7 17h 2區(qū) 10h r0-r7 工作寄存器區(qū)32b 0fh 1區(qū) 08h r0-r7 07h 0區(qū) 00h r0-r73.3各單元電路設(shè)計 單片機所需要的控制信號不能是原始信號，因為單片機對其控制信號有一定的要求。本系統(tǒng)對信號的處理使用了低通濾波電路、施密特整形電路以及正反放大等電路，下面做簡單介紹。3.3.1 低通濾波電路 圖3.1 低通濾波本系統(tǒng)采用的一階rc低通濾波電路，如圖3.1所示。（1） 傳遞函數(shù) 電路的微分方程為： 進(jìn)行s域變換后可得 rc低通電路的傳遞函數(shù)是： （2）幅頻響應(yīng) 令=rc， 帶入微分方程并取拉氏變換可得 或者 由此可得幅頻關(guān)系為： 由上式可知w=1/為該濾波器的截止頻率，紅外信號的頻率是已知的，而=rc，因此，可以通過設(shè)定 r和c的值來設(shè)定濾波器的截止頻率，使紅外信號能通過濾波器而高于截至頻率的信號被濾除。3.3.2 施密特整形電路 施密特觸發(fā)器是最常用的脈沖整形電路之一，其功能是可以將緩慢變化的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫呇囟盖偷木匦蚊}沖。 施密特觸發(fā)器的兩個顯著的特點是：（1）具有連個穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出端q或要么為“1”要么為“0”，這連個穩(wěn)定狀態(tài)在在一定條件下能互相轉(zhuǎn)換。（2） 具有滯后電壓特性，即正向和負(fù)向翻轉(zhuǎn)的閾值電壓不一樣，正向閾值電壓大于負(fù)向閾值電壓，當(dāng)輸入電壓上升到正向閾值電壓時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入電壓下降到負(fù)向閾值電壓時，觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)。滯后電壓為正負(fù)向閾值電壓的差值。處了專門的施密特觸發(fā)器集成電路外，施密特觸發(fā)器還可由門電路或時基電路構(gòu)成。這里介紹由555定時器構(gòu)成的觸發(fā)器。555定時器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，利用它能極方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。如圖3.2所示，將555定時器的置“1”輸入端（2腳）和置“0”輸入端（6腳）并接在一起作為施密特觸發(fā)器的輸入端，其輸出端（3腳）作為施密特觸發(fā)器的輸出端。 圖3.2 施密特整形電路當(dāng)輸入信號ui2/3vcc時，輸出信號vo=0；當(dāng)輸入信號ui1/3vcc時，輸出信號vo=1。輸出信號uo與輸入信號ui相位相反。3.3.3放大電路 經(jīng)過施密特整形后的信號還不能直接驅(qū)動單片機進(jìn)行工作，需要經(jīng)過放大調(diào)理后才可以。本系統(tǒng)中采用反向放大電路對信號進(jìn)行調(diào)理，下面做簡單介紹。（1） 電壓增益圖3.3所示為反向輸入放大電路。由圖利用虛短和虛斷概念有：av=vo/vi=rf/r1 圖3.3 放大電路可以看出，該電路的電壓增益就是電阻rf和r1的簡單比值，負(fù)號說明，輸出信號電壓vo相對于輸入信號電壓vi相位相差180度，所以這種接法稱為反向輸入。（2） 輸入電阻和輸出電阻當(dāng)輸入信號電壓加到放大電路的輸入端時，放大電路就相當(dāng)于信號源的一個負(fù)載電阻。這個負(fù)載電阻就是放大電路的輸入電阻ri。對于上圖所示電路，有 ri=vi/ii=r1由于理想運算放大器的輸出電阻為零，因此，反向比例運算放大器電路在理想情況下輸出電阻為零。3.3.4 單片機最小系統(tǒng)3.3.4.1 單片機最小系統(tǒng)組成單片機最小系統(tǒng)主要以at89s51為核心，外加復(fù)位電路及時鐘電路組成，系統(tǒng)框圖如圖3.3所示：時鐘電路單片機at89s51復(fù)位電路圖3.3 最小單片機框圖3.3.4.2時鐘電路89c51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，反相放大器的輸入端為xtal1，輸出端為xtal2，兩端跨接石英晶體及兩個電容c1和c2 就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容c1和c2取30pf，取12mhz石英晶體，則時鐘頻率為12mhz。3.3.4.3復(fù)位電路 復(fù)位操作采用上電自動復(fù)位方式。上電自動復(fù)位是在加電瞬間通過電容充電來實現(xiàn)的，其電路如圖所示。在通電瞬間，電容c通過電阻r充電，rst端復(fù)位高電平持續(xù)時間大于2個機器周期，單片機便可復(fù)位。復(fù)位電路如圖3.4所示，晶體采用12mhz，電容取10f，電阻取8.2k。vccrst/vpdvss vss at89c51圖3.4 復(fù)位電路3.3.5控制驅(qū)動電路如圖3.4所示此時，輸入信號vi直接加到同向輸入端，而運算放大器的反向輸入端通過電阻r1接地由虛短和虛斷可得： av=vo/vi=1+rf/r1如圖3.4 驅(qū)動電路 此式表明av為正值，說明輸出電壓vo與輸入電壓vi相位相同它的一個重要的特性是，由于信號接到同向輸入端，因此放大電路的輸入電阻實際上趨于無窮大，同時和上述反向放大電路一樣，同向放大電路的輸出電阻也為零所以同相放大電路在電路中可用作緩沖放大器，以高阻抗和信號源連接，低阻連接負(fù)載3.3.6 讀鍵電路 如下圖所示，在at89c51的p1.0口上安裝一個開關(guān)、一個電阻和一個支流電源就構(gòu)成了讀鍵電路，當(dāng)開關(guān)閉合的時候，p1.0位低電平；當(dāng)開關(guān)打開的時候，p1.0位高電平。因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計時，可以通過一條指令檢測p1.0的電平，由此可控制單片機的啟動與否。 圖3.5 按鈕電路3.3.6各單元電路之間的連接 圖3.6 信號調(diào)理電路 通過上圖可以清楚地看到從光電傳感器輸出的信號的處理過程，首先由低通濾波器濾除掉高頻信號的干擾，然后由整形電路對信號進(jìn)行整形，使之變成脈沖信號，最后經(jīng)過兩極放大電路把信號放大使之能達(dá)到驅(qū)動單片機的要求。 圖3.7 單片機與輸入設(shè)備的連接 調(diào)理過的信號分成兩路，一路直接接單片機的int0端，另一路經(jīng)過一個非門后接單片機的int1端。int0用于檢測是否有人靠近，而int1用于檢測人是否離開。單片機的輸出端為p2.0，由于信號處理電路采用的是同向輸入放大電路，所以輸出端接運放的正向輸入端。 圖3.8 單片機與輸出設(shè)備的連接 第四章 軟件流程設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序流程圖初始化程序進(jìn)入省電模式按鍵？ny系統(tǒng)啟動說明：（1）查詢按鈕鍵p1.0,是否啟動單片機；（2）單片機啟動后，在正常情況下,人來后,int0接收到信號，第一階段自動放水2s ,人走后,第二階段自動放水6s ;（3）如果使用太頻繁,如使用間隔小于1min ,則在第二個人來后,不進(jìn)行2s 的放水,人走后,放水4s ；（4）放完水后自動進(jìn)入省電模式。人來使用頻繁？沖水2s返 回yn返 回人 走沖水4s沖水6s使用頻繁？yn4.2讀鍵程序的設(shè)計 讀鍵部分的流程圖如下圖所示：當(dāng)開關(guān)閉合的時候，單片機的p1.0位置“0”，而開關(guān)打開時，p1.0位為高電平。設(shè)計程序時可以通過檢測p1.0這個位為高電平還是低電平來決定單片機工作與否。本系統(tǒng)程序設(shè)計的方式為：p1.0=0 則單片機啟動，p1.0=1則查詢。工作在查詢方式下的開關(guān)程序：loop0: jb p1.0 , loop0第五章 總 結(jié)畢業(yè)設(shè)計是工科高等職業(yè)技術(shù)教育的重要組成部分，是教學(xué)計劃中的重要一環(huán)，是高等職業(yè)教育必須面向應(yīng)用、面向職業(yè)的具體體現(xiàn)。畢業(yè)實習(xí)與設(shè)計是學(xué)生走向社會，接觸社會，了解社會的良好機會，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論，基本知識和基本技能，分析解決實際問題能力的一個至關(guān)重要環(huán)節(jié)。它與其它教學(xué)環(huán)節(jié)彼此配合，相輔相成，在某種程度上是前面各個教育環(huán)節(jié)的繼續(xù)，深化和檢驗。它的實踐性和綜合性是其它環(huán)節(jié)所不能代替的。做畢業(yè)設(shè)計整個