红外液位检测电路设计要点.pdf
课程设计 创新设计与实践报告 设计课题：红外液位检测电路设计 学院名称：电气工程学院 专业班级：自动 F0802 学生姓名：李浩强 学号 ： 指导教师：熊新民 设计地点：莲花街校区 31116 设计时间：2011.12.122012.1.8 成绩 签名： 2012 年 1 月日 课程设计 I 创新设计与实践任务书 学院（系）电气工程学院控制工程系选题 教师 姓名熊新民 专业自动化专业技术职务副教授 实训题目红外液位检测电路设计 课题简介 本课题要求基于单片机的定时功能，采用红外脉冲发射 -反射 方式。求取液面高度，再辅之以数码显示电路，并编制相关程序， 设计一个具有红外液位检测功能的使用电路。 主要设计内容如下： 1 红外发射电路； 2.红外检测电路； 3.控制定时电路； 4.LED 显示电路； 5.相关程序 通过本次创新设计使得学生巩固所学的理论与技能，提高学生 的实践能力和应用能力， 初步掌握实际的工程设计方法，设计步骤， 为将来的学习与毕业设计打下坚实的基础。 报告要求 包括应具备的条件。图表等 1. 完整的系统原理图1 张； 2. 程序清单 1 分； 3. 符合格式要求的创新设计与实践报告书1 份； 4. 可能时完成系统调试。 课题预计 工作量大小 大适中小课题预计 难易程度 难一般易 参考资料 1 夏路易 ,石宗义 .电路原理图与电路板设计教程Protel 99SEM. 北京：北京希望电子出版社.2002 2 蒋晓玲，孟志强，陈艳东，许亮 汽车追尾防撞红外测距系统J 光电子技 Vol.31 No.1 Mar.2011 p.68-72 3 杨殿成 , 邱朝阳 红外检测技术原理及应用 J 新疆电力 2004 年 03 期 P28P31 注：本课题由李浩强同学选定，学号：200848280212 课程设计 II 目录 1 引言 1 1.1 系统背景 . 1 1.2 系统功能 . 1 2 总体方案设计 1 2.1方案论证 1 2.2系统的工作原理 2 3 硬件电路设计 2 3.1 单片机选择 2 3.2红外光电传感器 3 3.3显示电路 4 4 系统软件设计 5 4.1 主程序 . 5 4.2 中断子程序. 5 5 总结 7 参考文献 7 附录 1 系统总原理图 8 附录 2 程序源代码 . 9 课程设计 1 1 引言 1.1 系统背景 随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段， 对测量的精度和功能的要求也越来越高，在工业控制系统以及湖泊等测绘工程 中，准确及时地检测出液面的深度（即水位高度）就是前提；而目前担负着对液 位测量、液面高度等任务的完成有诸多不尽人意的地方，需要更加完善、 合理的 液滴、液位检测跟踪控制系统。 从液位测量的方法看， 按检测器与液体接触与否 分为两大类：一是接触式测量，二是非接触式测量。在前一种测量方式中，因为 被测液体可能具有的腐蚀性等原因并不是最理想的方法。后一种方法引起经济、 安全、方便等因素应用很广。 1.2 系统功能 根据系统的功能要求，控制系统采用AT89C52单片机，红外脉冲发射装置以 及红外脉冲接收装置， LED显示装置。启动开关后，发出红外脉冲，反射回来后 被接收。通过内部计算换算成液位高度并显示出来。 2 总体方案设计 2.1 方案论证 按照系统功能要求，控制系统采用AT89S52单片机，红外光电传感器。系统 除能确保实现要求的功能外， 还可以方便地进行其它功能的扩展。红外液位检测 系统设计方案框图如图2.1 所示。 AT89C52 红外发射装 置 LED 显示 检测开关 红外接收装 置 图 2-1 红外液位检测系统设计方案框图 课程设计 2 2.2 系统的工作原理 系统工作主要有定时器和中断来处理，当按下测量按钮时， 也就是启动按钮， 相当于给了系统一个外部中断。 利用这个外部中断启动单片机内部定时器，与此 同时将控制红外脉冲发射端的引脚置为低电平，这样发射端就发出红外脉冲。 红 外脉冲遇到液面就会反射回来，这样反射回来的脉冲信号就会被接收装置接收， 接收装置受到脉冲后， 输出低电位， 这个负脉冲就会启动另外一个外部中断，内 部定时器就会停止计时。 根据定时器的计时长短来换算成距离，再经过进一步的 计算就可以运算出液位的高低 （已知测量系统和液体底部的距离是一定的）。通 过将运算出的结果转化成位LED显示数码管需要的二进制数码，进而显示出 来。 【1】 3 硬件电路设计 3.1 单片机选择 单片机采用 MCS-51 系列单片机。由 ATMEL 公司生产的 AT89C52 是一种低功耗、 高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel公司 高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 在单 芯片上，拥有灵巧的 8 位CPU 和在线系统可编程 Flash ，使得AT89C52 为众多嵌入 式控制应用系统提供高灵活、 有效的解决方案。 AT89C52 具有以下标准功能： 8k 字节Flash ，256字节RAM ，32 位I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 / 计数器，一个6向量2级中断结构， 全双工串行口， 片内晶振及时钟 电路。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM 、定时器 / 计数器、串口、中断继续 工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止， 直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT ）定时/ 计数 器，如果程序没有正常工作， 就会强制整个系统复位， 还可以在程序陷入死循环 的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。 AT89C52有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 / 输出（I/O ）端口，同时内含2 课程设计 3 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起， 特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发 成本。 【3】 AT89C52 芯片及外部电路如下3.11 图 EA/VPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD/P3 7 17 WR/P36 16 P32/INT0 12 P33/INT1 13 P34/T0 14 P35/T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/PRDG 30 P31/TXD 11 P30/RXD 10 U1 AT89C52 C1 15pF C2 15pF X1 12M 10k 10uF +5 1k GND 图 3.11 AT89C52 单片机最小系统 3.2 红外光电传感器 外光电传感器是由红外发射二极管和敏感三极管组成，红外发射二极管发出的 红外光的波长和敏感三极管的受光波长相同或相近。当发射管和接受管之间没有 障碍物时， 敏感三极管由于收到红外光信号而导通，电路输出电平为低电平； 当 发射管和接受管之间有障碍物挡住时，敏感三极管由于收不到红外光信号而截 止，电路输出电平为高电平。 【2】 红外脉冲发射电路见图3-2，接收电路见图 3-3。 课程设计 4 38k红外发射电路 TRIG 2 OUT 3 4 CVOLT 5 THOLD 6 DISCHG 7 8 1 RESETVCC GND U2 555 26.93k 60 4.7k 26.92k 4.7k 470 pF 10n F 901 3 901 2 红外发射管 +5 +5 GND GND P1.0 【6】 图 3-2 红外发射电路 33010k 4.7uF p3.2 +5红 外 接 收 电 路 1 2 3 GND V i nV out HS0038 光 线 S? 图 3-3 红外接收电路 3.3 显示电路 显示用数码管采用4 位 8 段的 LED数码管显示，从右向左以此表示是个位、 十位、百位、显示通道位。 LED 的段码端口 AG分别接至 AT89C51的 P0.0P0.7 口， 位选端 14 分别 课程设计 5 接至 P2.0、P2.1、P2.2、P2.3，如图 3-3 所示。 【4】 图 3-3 LED 显示及其外部电路 4 系统软件设计 4.1 主程序 主程序即为接收数据并转换成需要的LED八段数码。 LED数码管采用软件译 码扫描方式。 在显示子程序中包含多路循环显示和单路显示程序，多路循环显示 程序把 8 个存储单元的数值依次取出送到4 个数码管上显示，每一路显示1 秒， 单路显示程序只对当前选中的一路数据进行显示。每路数据显示时需经过转换变 成十进制 BCD 码，放于 4 个数码管的显示缓冲区中。 单路或多路显示通过标志位 00H控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键和通道选择按键的判 断。 4.2 中断子程序 本系统采用中断 1 开始定时，中断 2 开始停止定时方式。原理为，当中断1 启动时，开始计时，同时脉冲发射出去。中断2 启动时，也就是发射出去的红外 脉冲反射回来时停止计时， 定时时间送到单片机内部处理，换算成相应距离， 也 就是液位，继而通过LED显示出来。流程图见下图： 课程设计 6 主程序流程图见图4-1。 初始化 开始 定时中断子程序 等待 是否接收到红外脉 冲？ 外部中断子程序 是 否 图 4-1 主程序流程图 定时中断子程序流程图见图4-2，外部中断子程序流程图见图4-3。 定时中断入口 定时器初始化 发射红外脉冲 发射完否？ 停止发射 是 清中断 返回 否 读取时间值 内部运算，转 换成液位高度 保存结果 LED 显示结果 外部中断入口 返回 图 4-2 定时中断子程序流程图图 4-3 外部中断流程图 课程设计 7 5 总结 四周的创新设计结束了，这几周过的很充实，虽然没了平时课堂上的喧嚣， 但带给我们的却是真真正正感受。 当一开始选课题的时候就有点紧张，因为当时并不知道自己能不能把它做出 来，毕竟自己以前也没做过红外方面的作业。但有了课题唯有勇敢面对。 红外液 位检测是通过单片机、 LED显示电路等做出来的，这就要求有一定的绘图功底， 幸好以前学了 protel ， 这次绘图还用了HS0038元器件，这个元器件以前没用过， 但还是通过自己的努力对这个新元器件有了基本的了解，红外接收管以后还会用 到很到方面，这次的学习对我的帮助很大。 由于整个设计检测要涉及到一些列的硬件，而这些条件不太具备。因此只能 用仿真软件进行仿真。这就用到proteus 和另外一个软件 keil c51的运用，但 是对这款软件不太了解， 因此仿真不太好， 这以后需要更加努力。 同时也希望这 次创新设计能给自己带来更大的收获 参考文献 1 蒋晓玲，孟志强，陈艳东，许亮汽车追尾防撞红外测距系统J 光电子 技Vol.31 No.1 Mar.2011 p.68-72 2 杨殿成 , 邱朝阳 红外检测技术原理及应用 J 新疆电力 2004 年 03 期 P28P31 3 聂诗良， 李磊民采用单片机发送并接收红外遥控信号的方法J 信息技术 Vol.28 No.2 Feb.2004 p.21-23，p.96 4 夏路易 , 石宗义. 电路原理图与电路板设计教程 Protel 99SEM.北京：北 京希望电子出版社， 2002. p.72-94 5 http:/wenku.baidu.com/(百度文库 ) 6 http:/www.eehpme.cn(工程师之家 ) 课程设计 8 附录 1 系统总原理图 E A /V P P 3 1 X 1 1 9 X 2 1 8 R E S E T 9 R D /P 3 7 1 7 W R /P 3 6 1 6 P 3 2 /I N T 0 1 2 P 3 3 /I N T 1 1 3 P 3 4 / T 0 1 4 P 3 5 / T 1 1 5 P 1 0 1 P 1 1 2 P 1 2 3 P 1 3 4 P 1 4 5 P 1 5 6 P 1 6 7 P 1 7 8 P 0 0 3 9 P 0 1 3 8 P 0 2 3 7 P 0 3 3 6 P 0 4 3 5 P 0 5 3 4 P 0 6 3 3 P 0 7 3 2 P 2 0 2 1 P 2 1 2 2 P 2 2 2 3 P 2 3 2 4 P 2 4 2 5 P 2 5 2 6 P 2 6 2 7 P 2 7 2 8 P S E N 2 9 A L E /P R D G 3 0 P 3 1 / T X D 1 1 P 3 0 /R X D 1 0 U 1 A T 8 9 C 5 2 C 1 1 5 p F C 2 1 5 p F X 1 1 2 M 1 0 k 1 0 u F + 5 1 k 3 3 0 1 0 k 4 .7 u F 1 2 3 G N D V in V o u t H S 0 0 3 8 光 线 + 5红 外 接 收 电 路 3 8 k 红 外 发 射 电 路 T R I G 2 O U T 3 4 C V O L T 5 T H O L D 6 D IS C H G 7 8 1 R E S E T V C C G N D U 2 5 5 5 2 6 .9 3 k 1 0 4 .7 k 2 6 .9 2 k 4 . 7 k 4 7 0 p F 1 0 n F 9 0 1 3 9 0 1 2 红 外 发 射 管 + 5 + 5 G N D G N D 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 R P 3 0 0 a b f c g d e D P Y 12345 67 abc de f g 8 d p d p D S 1 D P Y _ 7 - S E G _ D P a b f c g d e D P Y 12345 67 abcdefg 8 d p d p D S 2 D P Y _ 7 - S E G _ D P a b f c g d e D P Y 12345 67 abc de f g 8 d p d p D S 3 D P Y _ 7 - S E G _ D P Q 1 9 0 1 2 Q 2 9 0 1 2 Q 3 9 0 1 2 R 1 1 k R 2 1 k R 3 1 k + 5 G N D 课程设计 9 附录 2 程序源代码 /Trig = P10/红外控制输出端 /Echo = P32/红外接收输入端 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int / void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); / void delay_20us() uchar a ; for(a=0;a100;a+); /* / 红外检测子程序 void main() uint distance; test =0; Trig=0; / 首先拉低脉冲输入引脚 EA=1; / 打开总中断 0 TMOD=0x10; / 定时器 1，16 位工作方式 while(1) EA=0; / 关总中断 Trig=1; / 超声波输入端 delay_20us(); / 延时 20us Trig=0; / 产生一个 20us 的脉冲 while(Echo=0); /等待 Echo引脚变高电平 succeed_flag=0; /清测量成功标志 EA=1; EX0=1; / 打开外部中断 0 课程设计 10 TH1=0; / 定时器 1 清零 TL1=0; / 定时器 1 清零 TF1=0; / 计数溢出标志 TR1=1; / 启动定时器 1 delay(20); / 等待测量的结果 TR1=0; / 关闭定时器 1 EX0=0; / 关闭外部中断 0 if(succeed_flag=1) time=timeH*256+timeL; distance=H-time*c/2; / 厘米 display(distance); if(succeed_flag=0) distance=0; / 没有返回脉冲则清零 test = !test; / 测试灯变化 /* / 外部中断 0，用做判断回光电平 void exter() interrupt 0 / 外部中断 0 是 0 号 timeH =TH1; / 取出定时器的值 timeL =TL1; / 取出定时器的值 succeed_flag=1;/至成功测量的标志 EX0=0; / 关闭外部中断 /* / 定时器 1 中断, 用做红外测距计时 void timer1() interrupt 3 / TH1=0; TL1=0; /* / 显示数据转换程序 void display(uint temp) 课程设计 11 uchar ge,shi,bai; bai=temp/100; shi=(temp%100)/10; ge=temp%10; wela=1; P0=0xf7; wela=0; dula=1; P0=tablebai; dula=0; delay(1); dula=1; P0=0x00; / 关位码 dula=0; wela=1; P0=0xef; wela=0; dula=1; P0=tableshi; dula=0; delay(1); dula=1; P0=0x00; / 关位码 dula=0; dula=1; P0=tablege; dula=0; wela=1; P0=0xdf; wela=0; delay(1); dula=1; P0=0x00; / 关位码 dula=0; 【5】 /*
