【正文】 基于51單片機的紅外計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文目錄第一章引言 1 1 2 背景及意義 2第二章系統(tǒng)總體方案及硬件平臺設(shè)計 4 設(shè)計內(nèi)容 4 技術(shù)指標(biāo) 4 總體方案設(shè)計 5 硬件總體方案設(shè)計 5 軟件總體方案 7 硬件平臺設(shè)計 9 控制單元設(shè)計 10 譯碼電路設(shè)計 12 驅(qū)動電路設(shè)計 14 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計 16 紅外對射收發(fā)器設(shè)計 18 顯示電路設(shè)計 19 系統(tǒng)開發(fā)流程 20第三章軟件系統(tǒng)設(shè)計 22 軟件總體設(shè)計 22 下位機程序設(shè)計 22 Keil 開發(fā)環(huán)境 23 串口通信程序設(shè)計 23 數(shù)碼管顯示程序設(shè)計 26 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計 29 上位機程序設(shè)計 31 32 串口通信部分程序部分 32 控制及功能程序部分 36 顯示模塊 42第四章系統(tǒng)調(diào)試 44 硬件原理以及軟件聯(lián)合仿真 44 proteus仿真 44 硬件平臺調(diào)試 45 短路與虛焊檢測 46 上電測試 47 串口調(diào)試 47 軟件系統(tǒng)調(diào)試 48 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 49 調(diào)試結(jié)果及分析 50第五章結(jié)束語 51參考文獻 53致謝 54附錄1：硬件原理圖 55附錄2：設(shè)計程序 56附錄3：系統(tǒng)PCB圖 73外文資料原文 74外文資料譯文 76第一章引言單片機（Microcontrollers）誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上發(fā)展出了MCS51系列MCU系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。單片機的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個主要階段，分別為早期階段（SCM）、中期發(fā)展(MCU)、當(dāng)前階段(SoC)。如下介紹：早期階段：SCM即單片微型計算機（Microcontrollers）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。中期發(fā)展：MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：在不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，通過增加對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，以突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家肩上。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。當(dāng)前趨勢：SoC嵌入式系統(tǒng)(System on Chip）式的獨立發(fā)展之路。向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。這是由于單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制會使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。家用電器也廣泛采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備和白色家電等。單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。而本次設(shè)計屬于單片機在生活領(lǐng)域的一個應(yīng)用，結(jié)合紅外對射傳感器做成一個人流量監(jiān)測器。在此基礎(chǔ)上我們亦可以用相同的原理做成工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的計數(shù)器。 背景及意義隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國人的收入水平越來越高，我國人民對精神物質(zhì)文化需求越來越高。大多數(shù)國人會選擇在節(jié)假日舉家出游，同時人們對博物館，圖書館和球場等一些公共場所的使用也越來越頻繁。這樣就導(dǎo)致了很多社會問題，比如黃金長假景區(qū)人流過多造成了很多擁堵，使得人們觀景感受體驗下降，也容易發(fā)生踩踏等安全事故；隨著近年來恐怖組織等犯罪集團越來越猖獗，博物館，圖書館等公共設(shè)施也需要有效的管控人流數(shù)量，讓公共環(huán)境更加安全可靠。但是人力畢竟是有限的，雖然國家加大了對這方面的投入，但是仍然顯得十分不夠。因此在科技發(fā)展的今天，我們需要一種能在公共場所入口處進行自動計數(shù)，對公共場所入口處的人流進行實時的、有效的、精確的監(jiān)控的系統(tǒng)。利用單片機做紅外線電子計數(shù)器能夠在公共場所入口處進行準(zhǔn)確的自動計數(shù)，對公共場所入口處的人流進行實時的、有效的、精確的監(jiān)控的系統(tǒng)，包括控制器硬件實物和上位機軟件[1]。早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。如今的產(chǎn)品自動計數(shù)器大多采用非接觸式的計數(shù)觸發(fā)方式。、輔以多種外圍硬件搭配而成的計數(shù)裝置已成為現(xiàn)在自動計數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的潮流。而如何提高自動計數(shù)器的實時性，抗干擾能力、往往是處于高溫，（單片機程序跑飛）或死機（程序進入死循環(huán)）.這也是基于單片機構(gòu)成的產(chǎn)品自動計數(shù)器存在的致命問題。本次設(shè)計選用紅外對射傳感器為單片機的外圍電路，單片機為控制單元，且本設(shè)計按要求為實驗室級別，達到功能即可，不需考慮這些問題。第二章系統(tǒng)總體方案及硬件平臺設(shè)計 設(shè)計內(nèi)容該畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容：基于AT89S52單片機，使用C語言編程，設(shè)計制作一個放置在公共場所入口的紅外計數(shù)器，通過紅外對射的方式，實現(xiàn)對圖書館博物館等公共場所進出人流量的統(tǒng)計，并可以將統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)進行實時顯示，且可以實現(xiàn)與上位機實時串口通信，上位機負責(zé)對人員進出情況進行實時的記錄和統(tǒng)計。該系統(tǒng)要求具有較強的抗干擾性，計數(shù)準(zhǔn)確。本次設(shè)計需要我們需要運用的知識以及相應(yīng)知識對應(yīng)的內(nèi)容以及功能要求。本次設(shè)計軟件開發(fā)的任務(wù)有：，所以對于所使用的AT89S52單片機需要十分熟練。其中包括了數(shù)碼管顯示模塊，串口通信模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊包括了對紅外對射傳感器收發(fā)情況的處理。所以要求C語言編程功底深厚。上位機選用可視化編程語言vb。需要在上位機上實現(xiàn)的功能有顯示人流量信息，與下位機的通信，并能控制下位機數(shù)碼管的顯示。硬件部分是軟件運行以及功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。本次設(shè)計硬件部分的內(nèi)容有：計數(shù)器硬件系統(tǒng)的上位機為pc電腦，供用戶使用，通過通信系統(tǒng)與單片機相連；下位機為單片機，需要完成電路板的設(shè)計繪制焊接。 技術(shù)指標(biāo)由于本次設(shè)計重點在于原理的實現(xiàn)，在技術(shù)指標(biāo)上沒有到達產(chǎn)品級別。其具體如下：：下位機能夠?qū)崟r顯示人的進出情況，上位機對人流量的顯示應(yīng)與下位機同步。：本設(shè)計為99，但可擴充。3. 收發(fā)管最大相隔距離，即門的寬度不小于50厘米。:該紅外對射管在室內(nèi)光照條件下，能夠正常使用，不受照明燈等關(guān)照影響:本設(shè)計為上位機存儲信息，上位機為pc，理論上可以滿足一般現(xiàn)實生活中所要求信息量的存儲。 總體方案設(shè)計本設(shè)計為了實現(xiàn)能在公共場所入口處進行準(zhǔn)確的自動計數(shù)，并能實時顯示和記錄相關(guān)信息的功能，決定使用C語言對AT89S52單片機進行編程，并通過紅外對射的方式，實現(xiàn)對進出人流量的統(tǒng)計，將得到的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上實時顯示并發(fā)送給由Vb編寫的上位機程序進行處理和記錄。具體的實施方案為利用紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線，紅外接收二極管接收此紅外線，此時紅外對射收發(fā)電路會給單片機的特定IO口一個持續(xù)穩(wěn)定的高電平信號[2]。當(dāng)有人擋住紅外光，接收管沒有接收到紅外信號時，紅外對射收發(fā)管將輸出低電平給單片機IO口[3]。當(dāng)單片機檢測到高低電平的變化時，將會根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的下位機程序進行計數(shù)，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序進行處理，之后通過顯示程序和具體的譯碼及顯示電路使數(shù)碼管顯示實時數(shù)值。同時單片機將通過通信電路將數(shù)據(jù)上傳到上位機，使上位機對人員進出情況進行實時的記錄和統(tǒng)計。上位機亦可通過通信電路向下位機傳輸指令。這樣就實現(xiàn)了本設(shè)計的統(tǒng)計人流數(shù)量并可以進行管控的功能。為實現(xiàn)這一方案，本設(shè)計著重從硬件和軟件兩個方面進行了設(shè)計，下面將分別介紹。 硬件總體方案設(shè)計為了有效、準(zhǔn)確的實現(xiàn)本設(shè)計的內(nèi)容，本設(shè)計的硬件分為了以AT89S52為控制核心的下位機和以PC為主體的上位機兩大部分。其中下位機為本設(shè)計的硬件設(shè)計的主要部分，具體可分為控制單元，譯碼電路，驅(qū)動電路，通信系統(tǒng)電路，紅外對射收發(fā)器和顯示電路六個部分。本設(shè)計的具體硬件結(jié)構(gòu)方塊框圖如圖21所示。下位機控制單元：該單元是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為檢測紅外信號，處理數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)和與上位機進行數(shù)據(jù)和命令的交換，這里選用的是AT89S52。單片機的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低且技術(shù)相對成熟。現(xiàn)在市場上常用的單片機主要有MCS5AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢。常作為簡單系統(tǒng)的控制單元。且51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各I/O口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定51系列單片機作為控制部分的核心器件[4]。圖21 硬件結(jié)構(gòu)方塊框圖單片機的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低且技術(shù)相對成熟?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有MCS5AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢。常作為簡單系統(tǒng)的控制單元。且51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各I/O口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定51系列單片機作為控制部分的核心器件[4]。譯碼電路：由于本設(shè)計的顯示部分采用了6個8段的數(shù)碼管，共計需要14個IO口，再加上報警系統(tǒng)和紅外檢測系統(tǒng)，會顯得IO口非常的不夠用，因此要對單片機的端口個數(shù)進行擴展[5]。經(jīng)常采用的端口擴展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有74HC154（416線譯碼器）、74LS164（8位串并轉(zhuǎn)換器）、74HC595等。本次設(shè)計采用的是兩個74HC595級聯(lián)進行譯碼，只需3個IO口就可完成顯示數(shù)碼管的輸出。驅(qū)動電路：51系列單片機端口低電平時，吸入電流可達20 mA，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十μA甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機不能直接驅(qū)動數(shù)碼管的顯示。在單片機和數(shù)碼管之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動電路[7]。這里采用的是ULN2803八路NPN達林頓。通信系統(tǒng)電路：通信部分要滿足的設(shè)計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。因為通常情況下顯示屏和上位機的距離不會很遠，所以通信距離的要求不是很高。計算機數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。（1）并行通信并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。（2）串行通信串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進行的，而計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計算機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計算機中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。單由軟件實現(xiàn)會增加CPU負擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實現(xiàn)。通用的通用異步接收/發(fā)送器，簡稱UART（Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。在單片機芯片中，UART已經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個串行口[6]。綜上所述，題目設(shè)計已經(jīng)選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的UART已經(jīng)集成在單片機內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。紅外對射收發(fā)器：在現(xiàn)在的工程設(shè)計中，紅外收發(fā)器主要有兩種類別，一種是必須將信號調(diào)制到38KHZ載波上進行傳輸?shù)募t外收發(fā)器，其接收端共有三個引腳；另外一種是直接發(fā)射紅外光線，接收端根據(jù)有無紅外線照射改變阻值，只有兩個引腳，又稱紅外光敏二極管。第一種精度更高，常用于復(fù)雜信息的傳輸，但由于本設(shè)計只需判斷有無人通過這兩種狀態(tài)，選用第二種也可以滿足要求，且更加簡單、方便。因此選用紅外收發(fā)二極管。顯示電路：顯示電路需要滿足兩個功能，一是顯示人數(shù)，二是作為報警燈顯示滯留人員是否已經(jīng)飽和。本設(shè)計采用的是8段數(shù)碼管進行人數(shù)顯示和LED發(fā)光二極管進行報警，這兩種器件技術(shù)成熟、性能可靠、價格便宜、原理簡單，非常適合作為本設(shè)計的顯示器件。 軟件總體方案軟件的設(shè)計除了滿足設(shè)計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件系統(tǒng)按功能可以分為主程序，顯示子程序（數(shù)碼管與報警燈的顯示），數(shù)據(jù)