【正文】 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 4 第一章 背景知識介紹 光電傳感器介紹 什么是光電傳感器 光電檢測方法是具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點的一種檢測方法，而且該方法可測的參數(shù)比較多，光電傳感器結構簡單，形式靈活多樣，因此 ,光電式傳感器在檢測參數(shù)以及控制工程中的應用十分廣泛。 光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。 常見的光電傳感器有光敏二極管等。它在有光和沒有光照射的情況下是不同的，當沒有光時，它的性能就和普通二極管一樣，反向電流很小，這就是光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生了電子以及空穴，這就是光電載流子 。由于光電流的大小與光照強度有關系，并且是成正比的，于是它的負載電阻上的電信號能夠由光照 的 強弱來改變。光敏三級管與一般的三極管相差不多，一般的光敏三極管是在發(fā)射極和集電極作為引出端口，基極則沒有引出口，管殼也開窗口，這樣就可以方便光線射入。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。 光電傳感器特點 光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸、性能可靠等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣。 單片機介紹 單片微型計算機簡稱單片機 ,他的主要用途是用作于控制系統(tǒng)，因此可以叫它為微控制器，單片機雖然只是一小塊芯片，但是說白了就相當于一臺計算機，單片機含有很多的優(yōu)點，使其能夠在日常生活以及學習中能夠得到廣泛的應用。 在二十世紀跨過了三個 “ 電 ” 的時代 ,電子時代 ,電子時代和現(xiàn)在已經(jīng)進入了計算機時代。它由主機、鍵 盤、顯示器等組成。這電腦系統(tǒng)只用了一片集成電路 ,就可以簡單的操作和控制一些電子器件。現(xiàn)在 ,這種單片機的使用領域已十分廣泛 ,可以使用在如儀表、實時控制、通訊產(chǎn)品、導航儀、家用電器等地方。現(xiàn)在有些技術人員或其它業(yè)余電子開發(fā)愛好者嘗試設計一些產(chǎn) 品 ,結果不是電路太復雜 ,就是功能太簡單 ,很容易就被人模仿。 單片機內部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內存，并行總線，單片機可以像硬盤一樣進行存儲，和我們的家用電腦很相似，它的功能雖然和我們的家用電腦很相似，但是由于種種限制，它的功能要比電腦弱很多。雖然單片機的功能不是很強大，但是用它作為一些電子器件等日常的生活用具的控制工作已經(jīng)完全足夠了，當然它在這些生活用具中 充當?shù)氖呛诵牟糠郑喈斢诖竽X。 單片機的運行需要把程序下載進去，而且下載進去的程序可以修改。單片機編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。 單片機是相對與過去的單板機來說的 ,單板機是 CPU、存儲器、 I/O 系統(tǒng)獨立的。單片機先要會編顯示、鍵盤輸入、 AD、DA其他都是這些的組合。單片機的出現(xiàn)使計算機技術從通用型數(shù)值計算領域進入帶了智能化控制領域，使得嵌入式以及計算機技術的因此得到了重要發(fā)展。 Protel99 是在桌面環(huán)境下第一個以獨特的設計管理和團隊合作技術為核心的全方位的印制板設計系統(tǒng)。 Protel99 和以前的版本差不多 ,在 protel99 中畫的原理圖一般都比較容易看懂 ,因此也比較容易理解與學習 ,對設計系統(tǒng)擁有很大的幫助， protel99 的內部界面與 Protel98 大體相同，不同的是增加了一些新的功能模塊。因此 protel 是一個為設計做鋪墊的工具。 Protel 99 功能強大，含有龐大的元件庫 ,即使找不到的原件，也可以使用它的繪圖功能自制原件，這些都為我們設計電子電路的原理圖以及印制板提供了良好的環(huán)境，因此在功能和特性上都比以前的版本更加強大。同時通過它自帶的 PCB 制版功能，可以方便用戶制造實物板 。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 8 Keil C51 軟件有功能強大的調試工具，對用戶調試代碼有很大的幫助，在 Windows 界面里面，還可以看到，與匯編比較一下就能體會到 Keil C51 的工作效率有多高，因此比匯編更加受人喜歡，同時 keil 含有強大的庫函數(shù)也對用戶學習有莫大的幫助。 Keil 軟件是眾多單片機開發(fā)軟件中比較優(yōu)秀的一款軟件，它可以編輯、編譯以及仿真功能， keil 軟件友好的界面方便用戶學習和應用，它在調試程序以及仿真過程中也有很強大的功能。它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。它是世界上第一個能夠做到幾項工作都能進行的軟件（包括 PCB 軟件設計，電路仿真，虛擬模型仿真）其支持 805 HC11AVR、 ARM、 8086 和 MSP430 等處理器模型， 2021年即將增加 Cortex 和 DSP 系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。 protus 的 EDA 功能有： （ 1）可以設計原理圖 （ 2）在 protus 下進行人工或者自動布線得到 PCB 圖 （ 3）可以進行電路的仿真 同時 Protus 含有豐富的資源（元器件資源，儀表資源等），這些都使其功能更加強大。 protus 在產(chǎn)平開發(fā)，教學以及技能考評中都有重要的應用作用， proteus是一個巨大的教學資源，可以用于： 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 9 （ 1）對模擬電路以及數(shù)字電路的理解與學習 （ 2）對單片機以及嵌入式的理解以及學習 （ 3）進行綜合實驗（比如說對于微控制器） （ 4）對于學生可以進行試驗以及設計畢業(yè) 設計 （ 5）對于公司可以進行項目設計 [3] 在技能考評中易評估、易事實因此可以的應用有： （ 1） proteus 能直觀評估硬件電路的設計正確性 （ 2） proteus 能硬件原理圖直觀調試軟件 （ 3） proteus 能驗證整個設計的功能 在產(chǎn)品開發(fā)中可以評估風險，便于項目管理與團隊開發(fā)。方案二是把光電傳感器裝在輸液管的聚 液處，監(jiān)測不再有液體或者一段時間沒有液體經(jīng)過便進行報警。當沒有液體時沒有來自液面的反射光從而進行報警。此方法是通過光電傳感器放出光束對滴管的液滴監(jiān)控，當一定時間沒有來自液滴的 反射光線時，便進行報警。而方案二把光電傳感器裝在滴管上，檢測一段時間沒有液體流過，就會報警，由于滴管還能儲存一點液體，完全來的及報警以后過去處理。因此本次畢業(yè)設計使用的是方案二。因此在選用檢測部件時應盡量減小檢測誤差，經(jīng)過理論分析與實驗，選用了回歸反射型與擴散反射型光電傳感器以達到檢測精度。 回歸反射型光電傳感器是將投光器同受光器按一定角度關系封裝在 同一傳感器殼內。由于紅外光在通過液體時伴有反射與折射現(xiàn)象同時對紅外線有一定的吸收作用，故從投光器發(fā)出的光束經(jīng)過被測介質后再反射回來的光通量大大削弱，從而可判斷出液體的有無，如圖 31 所示。液滴檢測的原理圖如圖 32 所示。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 13 通過這兩種傳感器的不同工作原理可對不同物理量進行有效的檢測，從而滿足題目的基本要求。 影響測量精度的因素分析 本次設計主要采用的是光電傳感器來監(jiān)測滴管聚集液體的地方，而影響測南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 14 量精度的因素也有很多，比如： (1)如果滴管中的液體滴的比較快，呈現(xiàn)出水柱狀，那么使用光電傳感器就不能測出液體的流速，也就是不能使用圖 33 所示的原理來實現(xiàn)測滴速，會使測量不準確，因此必須保持液體呈現(xiàn)水滴狀。 系統(tǒng)設計思路 該系統(tǒng)的設計主要是采用光電傳感器來檢測滴管聚液處的液體流速，因此把光電傳感器放置在滴管聚液處。該設計的按鍵部分則是用來實現(xiàn)異常狀況出現(xiàn)的時候是否報警，以及出現(xiàn)多長異常狀況的時候進行報警。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 15 第四 章 液體點滴速度監(jiān)控裝置硬件電路設計 硬件電路主要分為檢測電路 、 按鍵電路 、 顯示電路 、 報警電路以及時鐘震蕩電路五個部分。 系統(tǒng)硬件框圖 本設計次用 STC89C52 單片機為核心，通過外部的光電傳感器來實現(xiàn)外部中斷，每次中斷便通過單片機的定時器 /中斷器來計算中斷次數(shù)也就是中斷時間，從而實現(xiàn)速度的監(jiān)控，以及異常的報警，然后采用動態(tài)掃描來實現(xiàn) LCD動態(tài)顯示，同時還能夠使用按鍵來改變報警時間，液體點滴速度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖 41 所示： 圖 41 液 體點滴速度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 這個系統(tǒng)通過 STC89C52 單片機來協(xié)調整個系統(tǒng)的工作，光電傳感器電路用于監(jiān)測來自外界的信號送入單片機。顯示電路通過 LCD 顯示當前的液體速度，以及液體的累計滴數(shù)。如圖 42 所示： 圖 42 STC89C52 芯片引腳圖 STC89C52 單片機具有很多優(yōu)點 ,首先由于其價格在各類型號的單片機中價格比較便宜 ,因此使用也比較廣泛 ,其次它自身也存在許多優(yōu)點 ,比如它支持在線下載程序 ,編程簡單 ,因此適合初學者使用 ,概括來說這種優(yōu)勢 就是可以用串口直接下載程序，不用 ISP 下載器。 (2)STC89C52 片內程序存儲器 4K 字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲器 128 字節(jié)。 (3)STC89C52 有兩個定時器， 6 個中斷源。 STC89C52 單片機有 3 個 16 位 定時器 /計數(shù)器 （ T0,T1,T2） ， 4 個外部中斷 ,它是全雙工串口 ,由于做了很多改進 ,所以它有的功能 51 單片機而沒有。 STC89C52 單片機的引腳可以分為 11 個 部分，各個部分引腳功能的介紹 ： (1) Vcc：電源電壓。 （ 3） P0 端口有七個口即 ～ 口，所在的引腳為 39～ 32。此外 P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復用總線，此時 P0 口內部上拉電阻 有效。 （ 4） P1 端口即 ～ 口，所在引腳為 1～ 8 引腳。 P1 口通過它的 輸出緩沖器驅動 4 個 TTL。當 P1 口作輸入口時， 有些引腳也會有電流流過。 表 41 和 引腳復用功能 引腳號 功能特性 T2（定時器 /計數(shù)器 2 外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 2 捕獲 /重裝觸發(fā)和方向控制） （ 5） P2端口即 ～ ，所在引腳為 21～ 28。 P2 是通過它的 輸出緩沖器驅動 4 個 TTL 的 輸入。 P2 作為輸入口使用時， 由于 上拉電阻 的原因 ，那些被外部有些 引腳會 有 電流 流過 。 P3 口可以作為一般的 I/O 口，這功能和其他 I/O 口的功能相同，不同的是還具有復用功能， P3 口的復用功能如表 42 所示： 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 18 表 42 P3 口引腳的復用功能 [4] 引腳號 功能 串行輸入口即 RXD 串行輸出口即 TXD 外部中斷 0 外部中斷 1 定時器 0 的外部輸入即 T0口 定時器 1 的外部輸入即 T1口 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 （ 6） RST 即 9 引腳。 RST 起作用是在當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時進行復位，因此 RST 主要用來完成單片機的復位初始化操作。 （ 7） ALE 即 30 引腳。在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時 鐘使用。 （ 8） VPP 即 31 引腳。為使能從 0000H 到FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令，必須接 GND。為了執(zhí)行內部程序指令，應該接 VCC。 （ 9） PSEN 即 29 引腳。當 STC89C52RC 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。 它是振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。它是振蕩器反相放大器的輸入端。如圖 43 所示。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 19 復位電路：本設計采用的是手動復位和上電復位組合方式，開始時 RST 處于低電平而正常工作，當按鍵按下的時候，開關導通（是通過上電復位實 現(xiàn)，每次上電便進行復位） 這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下之后，電容開始釋放之前充的電量。 圖 43 單片機主機系統(tǒng)電路 按鍵輸入電路 按鍵電路主要設計成 4 個按鈕，如圖 44 所示，按鈕的功能為： KSET 按鈕：使系統(tǒng)進入 SET 界面 KUP 按鈕：設置異常報警的時間上調 KDN 按鈕：設置異常報警的時間下調 KON 按鈕 ：設置是否啟動報警功能 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 20 圖 44 按鍵部分 按鈕的實物圖如圖 45所示： 圖 45 按鈕 液晶顯示 LCD1602 介紹 LCD1602 是工業(yè)字符型液晶，它能同時顯示 32 個字符，內涵復位電路，可以進行 清屏 、字符閃爍、