【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 芯片，具有性能好、成本低、易用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)的要求。 總體 設(shè)計(jì)思路 有源光幕靶傳感器的功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)彈丸穿過(guò)光幕靶時(shí)的速度，對(duì)其實(shí)施速度檢測(cè)和實(shí)時(shí)的速度顯示功能。有源光幕靶傳感器檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是把檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。硬件上包括單片機(jī)控制電路、光電檢測(cè)模擬信號(hào)采集電路、前端信號(hào)處 理與 A/D 轉(zhuǎn)換電路、電源接口電路和顯示系統(tǒng)電路五大部分。 有源光幕靶傳感器的核心為單片機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，優(yōu)先選擇穩(wěn)定性好的單片機(jī)芯片。 軟件使用 Proteus 進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的結(jié)合 。 系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu) 如 圖 22 所示。 A T 8 9 C 5 2 單 片 機(jī)傳 感 器 信 號(hào)采 集 電 路液 晶 顯 示 模 塊電 源 模 塊信 號(hào) 處 理 與A / D 模 塊 圖 22 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 吉林建筑 大學(xué) 城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 共 29 頁(yè)，第 6 頁(yè) 總體方案介紹 電路系統(tǒng)上著重介紹控制系統(tǒng)電路 、 光電檢測(cè)模擬信號(hào)采集電路和信號(hào)處理電路， 突出系統(tǒng)的控制功能。 系統(tǒng)總體由單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，光幕上的光敏二極管實(shí)時(shí)檢測(cè)有無(wú)子彈通過(guò)，光敏二極管輸出的電流值很小，將其轉(zhuǎn)換為電壓值，通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，前端信號(hào)采集出的檢測(cè)值由電壓跟隨器輸出給 A/D 轉(zhuǎn)換器 ， A/D轉(zhuǎn)換電路把放大電路處理的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理，最后通過(guò)液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示出速度來(lái)。以上這些系統(tǒng)運(yùn)行都是由電源模塊供電運(yùn)行，由于部分電路所需電壓為 5V，因此采用集成穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。以上的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)光幕靶傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能而提出的。 吉林建筑 大學(xué) 城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 共 29 頁(yè)，第 7 頁(yè) 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)選型 單片機(jī)，又叫單片微控制器。它并不是單一某個(gè)部分某個(gè)功能的芯片，而是能夠?qū)⒄麄€(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集合到芯片里并且發(fā)揮出作用，在有源光幕靶傳感器檢測(cè)電路中起到重要作用。在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)用來(lái)接收傳感器信號(hào)，采集信號(hào)和輸出顯示的，單片機(jī)運(yùn)行速度快，當(dāng)并能完成任務(wù)的要求，在滿足運(yùn)算速度和接口功能的情況下，考慮體積輕巧和價(jià)格便宜的單片機(jī)選型，確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性。 隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，單片機(jī)逐漸擴(kuò)展到其他各個(gè)領(lǐng)域。隨著多種多樣單片機(jī)的推出，人們的選擇性也越來(lái)越多。在眾多型號(hào)的單片機(jī)中， MCS 系列單片機(jī)具有性價(jià)比高、性能優(yōu)越等特點(diǎn)，都使的這系列單片機(jī)迅速在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟，并成為應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)的主流單片機(jī)。而由于 51 系列單片機(jī)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，I/O 口多，選取這系列單片機(jī)進(jìn)行研究是合理的，所以本設(shè)計(jì)的單片機(jī)采用AT89C52 單片機(jī)。 單片機(jī)介紹 此次設(shè)計(jì)是采用 AT89C52 的單片機(jī)為核心芯片，以及其他的硬件來(lái)完成光幕靶傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)。 AT89C52 是一個(gè) CMOS 8 位 單片機(jī) ，它有著功耗低，性能出眾等特點(diǎn) ，該芯 片內(nèi) 包 含可 重 復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 只讀 程序存儲(chǔ)器 和 RAM， RAM 有 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 該裝置 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) ， 芯 片內(nèi)置 有 通用 8 位 中央處理器 和 Flash 存儲(chǔ)單元 ， 因此采用 AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中 得到了 廣泛的應(yīng)用。 AT89C52 有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出 （ I/O） 端口，同時(shí)內(nèi)含2 個(gè)外中斷口， 2 個(gè)全雙工串行通信口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ， 2 個(gè)讀寫(xiě)口線， AT89C52 可以 根據(jù) 常規(guī)方法進(jìn)行編程，也 能 在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。 圖 31 為 AT89C52 引腳圖。 吉林建筑 大學(xué) 城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 共 29 頁(yè)，第 8 頁(yè) 圖 31 AT89C52 引腳圖 單片機(jī)控制電路 可以維持運(yùn)行的最簡(jiǎn)配置的系統(tǒng)被稱呼為單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)。對(duì)于片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機(jī)來(lái)講，通俗的來(lái)說(shuō)就是最小應(yīng)用系統(tǒng)即單個(gè)單片機(jī)至少配有晶振、復(fù)位電路以及電源等。對(duì)于片內(nèi)無(wú) ROM/EPROM 的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其最小系統(tǒng)理當(dāng)還得使用程序存儲(chǔ)器，例如外接 EPROM 或EEPROM。這同樣還需要配置復(fù)位電路、外部配置晶振以及電源。單片機(jī)自身的功能就決定了最小應(yīng)用系統(tǒng)的功能。即最小應(yīng)用系統(tǒng)受制于單片機(jī)自身。然而對(duì) 于 AT89C52 型 51 單片機(jī)來(lái)講，最小系統(tǒng)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路組成部分。 單片機(jī)最小系統(tǒng)采用外部時(shí)鐘，外部震蕩脈沖由 XTAL1 和 XTAL2 端接入后送至芯片內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，即單片機(jī)的 18 和 19 腳。晶振外接的兩個(gè)電容為負(fù)載電容，用于協(xié)助起振和穩(wěn)定振蕩電路，它們的容值需保持一致以便保持諧振的平衡。 復(fù)位電路 是決定單片機(jī)的啟動(dòng)和負(fù)責(zé)單片機(jī)的起始狀態(tài)，如果當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行起始工作狀態(tài)時(shí)，要先接通電源并產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，這時(shí)單片機(jī)才能正常啟動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)在受到環(huán)境干擾時(shí)，使得程序有所偏移時(shí)，應(yīng)迅速按下復(fù)位鍵，內(nèi)部程序 將會(huì)重新執(zhí)行。在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)一般情況下會(huì)設(shè)有內(nèi)部斷電自動(dòng)復(fù)位和外部手動(dòng)按鍵復(fù)位。 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種功能。復(fù)位操作根據(jù)形勢(shì)來(lái)講一般有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位?？梢詫?shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電后單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位功能；在單片機(jī)正常工作期間，吉林建筑 大學(xué) 城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 共 29 頁(yè)，第 9 頁(yè) 按下按鍵后單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。圖中顯示電源 +5V 加上電容和電阻總體構(gòu)成一微分電路。上電保持一段 RST 高電平時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，按一次復(fù)位按鍵，通過(guò)微分電路可以使 RST 保持一定時(shí)間的高電平狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的按鍵復(fù)位功能。 圖 32 為 AT89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)，一般 51 單片機(jī)不可配置的引腳及功能介紹如下： VSS（ 20 腳 ） 用來(lái) 接地； VCC（ 40 腳） 用來(lái) 接 +5V 恒壓電源；XTAL1（ 19 腳） 是 晶振振蕩器的一端； XTAL2（ 18 腳） 在 本設(shè)計(jì)中 1 19腳分別與晶振兩端相連； RST（ 9 腳） 是 給該引腳輸入高電平將使其回到初始狀態(tài)， 即單片機(jī)的復(fù)位功能 ； EA/VPP（ 31 腳） 的作用是 當(dāng) EA 端輸入高電平時(shí)， CPU 訪問(wèn)內(nèi) ROM，但是當(dāng)?shù)刂烦?0FFFH 時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向訪問(wèn)片外 ROM 的程序。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U3AT89C52+5VVCC10uFC20S110KR1VCC12Y2XTAL30pFC1730pFC19RXDTXDAD_DB0AD_DB1AD_DB2AD_DB3AD_DB4AD_DB5AD_DB6AD_DB7AD_CLKAD_STARTLCD_DB1LCD_DB2LCD_DB3LCD_DB4LCD_DB5LCD_DB6LCD_DB7LCD_RSLCD_WRLCD_DB0LCD_CS11302CLK1302RST1302 I/O 圖 32 51 單片機(jī)最小的系統(tǒng)電路 單片機(jī)芯片的的輸入 /輸出引腳在設(shè) 計(jì)中的接線如下： 1. （ 1 腳 8 腳）為 LCD 顯示模塊的數(shù)據(jù)端口，分別為 DB0DB7。（ 12 腳）、 （ 13 腳）、 （ 15 腳）分別為 LCD 控制端口，控制LCD 讀寫(xiě)，使能和片選功能。 2. （ 26 腳 28 腳） 為時(shí)鐘芯片 DS1302 的時(shí)鐘，復(fù)位和輸入 /輸出引腳。 吉林建筑 大學(xué) 城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 共 29 頁(yè)，第 10 頁(yè) 3. （ 32 腳 39 腳）為 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)端口，分別為 DB0DB7。 –（ 21 腳 22 腳）分別為鍵盤(pán)控制芯片的控制端口，分別控制 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)鐘和啟動(dòng)數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換的功能。 光幕傳感器設(shè)計(jì) 光幕傳感器按用途可以分為測(cè)量光幕傳感器和安全光幕傳感器。測(cè)量光幕傳感器是使用光電傳感器的原理，光幕傳感器由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器里有紅外二極管，作為該系統(tǒng)使用的光源，接收器里有光電探測(cè)器，用來(lái)接收由發(fā)射器的紅外二極管發(fā)射出來(lái)的光信號(hào)。 本設(shè)計(jì)由于采用 Proteus 軟件來(lái)進(jìn)行仿真，因此用可調(diào)電阻來(lái)代替光幕傳感器，調(diào)節(jié)其阻值大小相當(dāng)于輸出不同檢測(cè)到的電流大小。使得傳感器應(yīng)用在軟件上。 光電檢測(cè)模擬信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) INA114 介紹 本設(shè)計(jì)選用 INA114 儀表放大器，它是一種通用型 儀表用 放大器， 具有測(cè)量精度高 、 占用體積小 、價(jià)格 便宜等優(yōu)點(diǎn) ， 因此在 電橋、數(shù)據(jù)采集、傳感器等 方面用著不錯(cuò)的應(yīng)用 。 INA114 之所以是 精密儀表用放大器 ， 是 因?yàn)樵撔酒?由三個(gè)運(yùn)算放大器所構(gòu)成的 ， 其特性指標(biāo)比三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表用放大器要高得多， 不僅如此 ， INA114 還具有很小的溫度漂移 、很低的 失調(diào)電壓， 較 高的共模抑制比 和 極高的輸入阻抗等特點(diǎn)。 這都是其他元件不具有的優(yōu)勢(shì)。圖 33 為 INA114 元件圖。 圖 33 INA114 元件圖 吉林建筑 大學(xué) 城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 共 29 頁(yè)，第 11 頁(yè) 光電檢測(cè)模擬信號(hào)采集電路 光幕上的光敏二極管實(shí)時(shí)檢測(cè)有無(wú)子彈通過(guò)，但是光敏二極管輸出的電流值很小，而且電流也不能直接被 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，所以需要先將其轉(zhuǎn)換為電壓值，之后該電壓通過(guò) INA114 精密運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大，以便后續(xù)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，保證一定的測(cè)量精度。為了滿足高精度的控制，測(cè)流電阻 R11采用高精度電阻，采用較低組裝電阻可以避免發(fā)熱帶來(lái)的影響，有利于保持測(cè)量的精度和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。光電 檢測(cè)傳感器模擬信號(hào)采集電路的連接方式如圖 34 所示。 GND光幕R111R+5V5VRG_21VIN2V+IN_23V4REF5VO6V+IN7RG8U6INA114_P_8R8 1KR141KC25103C31103C27106C32104C28104R4520 low driftR101KC29105OUT_V 圖 34 模擬信號(hào)采集電路 INA114 要想 設(shè)置 在 1 至 1000 之間的任意增益值 只需要一個(gè)外部電阻就可以解 決， 內(nèi)部輸入過(guò)壓保護(hù)能夠長(zhǎng)期耐受 177。40V， 失調(diào)電壓低 ， 最大值為50uV； 漂移溫度小 ， 最大值為 ℃ ；靜態(tài)電流小 ， 最大值為 3mA；共模抑制比高 ， G=1000 時(shí)為 50dB；電源電壓范圍寬，為 177。177。18V；用激光進(jìn)行調(diào)整 ， 可以在 177。 的電壓下工作 ， 使用電池 （ 組 ） 或 5V 單電源系統(tǒng)，靜態(tài)電流最大為 3mA。 INA114 采用 8 引腳塑料封 裝或 SOL16 表面封裝貼件。 INA114 的增益值只用一個(gè)外部電阻 RG 就可以設(shè)置 。 INA114 增益的精確度和漂移額定值中包含了這兩個(gè)電阻的精確度和溫度系數(shù)。電路的最大失調(diào)電壓 50uV，共模信號(hào)抑制比低，采用雙電源供電177。177。18V。為抑制高頻干擾，在其輸入端設(shè)計(jì)了由 R R1 C2 C27和 C31 構(gòu)成的低通 RC 網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是， C27 影響差動(dòng)信號(hào)， C25 和 C31影響共模信號(hào)，為了不影響共模抑制比 和 帶寬 的 性能， 該電路 要求 C25 和C31 至少比 C27 少一個(gè)數(shù)量級(jí)。 吉林建筑 大學(xué) 城建學(xué)院