系统组成 修复的.docx

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系统组成修复的

本系统基于stc89c52单片机。

由DS1302、DS18B20、LCD1602、蜂鸣器、MAX232、A1302EUA、24c02、7805、7905、7812、7912、LM2907、8090、M74HC393、TIP5214、L298N及电阻电容若干组成。

系统的结构框图如2-1所示。

读数显示

时钟

报警

计数存储

温度测量

霍尔传感器

电机

STC89C52单片机

光电对管数据采集

图2-1

该系统以stc89c52单片机为基础，有它控制对读数的显示与储存，温度，日期时间和速度的显示，控制速度为20CM/S，并且当读数大于1000时控制蜂鸣器报警。

STC89C52为一款具有低功耗、高性能等特点的CMOS8位微控制器，有8K在系统可编程Flash存储器。

由光电对管发射的信号通过门限比较器和放大器传送给单片机，由单片机控制lcd1602予以显示。

单片机控制温度测量模块，时钟电路通过lcd1602显示。

同时，由霍尔传感器测量传送速度并通过单片机由lcd1602显示，当速度的大于或者小于20cm/s时，由单片机控制电机转速，使其传送速度为20cm/s，并且当计数大于1000时报警。

下面为各主要功能模块简介

1、数据采集模块：

通过流水线上产品对光电对管发射的红外线的遮挡，使光电对管产生高低电平，由于信号并非矩形波，所以将信号传给放大器电路，再传给门限比较电路并判断电平高低。

2、单片机控制模块：

采用stc89c52单片机为该光电计数器的核心部件，有它控制数据显示及存储，语音报警，速度控制。

3、lcd显示模块：

可采用lcd1602进行各种数据显示。

4、时钟模块：

采用美国DALLAS公司生产的ds1302芯片进行日期时间的计时。

5、温度测量模块：

采用ds18b20数字温度传感器对周围温度进行测量。

6、计数存贮模块：

采用24c02芯片进行数据存储，它具有体积小，掉电不丢失等优点。

7、报警电路：

采用蜂鸣器，当计数大于1000时报警。

8、速度检测与控制模块：

此模块由1302磁性线传感器，lm2709频率/电压转换芯片，tip512光电耦合器，l298n驱动芯片，电机组成。

9、电源：

此模块由整流桥和7805、7905、7812、7912芯片组成正负5V和正负12负电源电路。

10、软件下载模块：

此模块由max232单电源电平转换芯片构成。

三、硬件电路设计

3.1单片机芯片模块

3.1.1单片机概述及芯片选取

所谓单片机指的是一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

一个单片机具有一个完整计算机所需要的大部分组成部件：

内存、CPU、外部和内部总线系统，大部分还具有外存。

并且将例如定时器、通讯接口、实时时钟等外围设备集成。

而有些功能强大的单片机系统可以将图像、声音、网络复杂的输入输出系统集成于一块芯片上。

目前各个领域都被单片机所渗透，几乎没有哪个领域没有单片机的踪迹。

工业自动化的数据处理和实时控制，飞机的仪表控制，计算机的通讯与传输，导弹的制导，各种IC卡，汽车的安全保障系统，摄像机、录像机、全自动洗衣机等家电的控制，各种娱乐产品这些都和单片机息息相关。

更何况自动控制方面的机器、医疗器械了人、智能仪表。

单片机被广泛应用于家用电器、医用设备、航天航空、仪表仪器、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

单片机由于其卓越的性能，在各个领域已处于难以取代的地位，单片机在控制和检测方面有以下特点：

1、较宽适用温度范围，优良的可靠性，使其在各种恶劣的环境下都能够可靠工作，这是他为其他机种所无法取代，并且可以方便地实现分布式和多机控制从而提高整个控制系统的可靠性和效率。

2、由于他扩展方便所以容易构成不同规模的应用系统因此方便设计和生产应用系统。

3、单片机控制功能强、体积小、成本低等优点，因此可被组装成各种仪器和智能式控制设备。

随着时代的发展，半导体的集成工艺也不断发展，随之的便是单片机的体积更小、集成度更高、功能更强。

在各种单片机中中，80C51系列是其中比较成功的之一，另外Intel公司将MCS–51系列中的80C51内核使用权以出售或专利互换形式转让给其他例如AMD、NEC等世界知名的IC制造厂商，这些公司不但保持了80c51单片机兼容性，并在其基础上改善了他不少特性。

因此80C51就成为一个由众多制造厂商支持的大家族，并且发展出上百品种的产品，现称为80C51系列。

单片机发展的主流即为80C51单片机。

在世界上的MCU功能各异，品种繁多，开发装置也互不兼容的单片机中，具客观发展表明，最终形成事实上的标准MCU芯片很有可能为80C51。

微型机的一个主要分支是单片机，单片机结构上主要特点是把存储器、CPU、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。

一个单片机在功能上相当于一个计算机。

由于简化的嵌入式控制系统结构的8051系列微处理器，被广泛的应用于例如军事，自动化等各个行业。

在8位微控制器中较于其他销量较多，很多制造厂商提供8051系列单片机。

基于以上原因本文选用STC89C52芯片作为该系统的核心部件，它不但能够满足要求，而且价格便宜，极为常用，易于获取。

3.1.2STC89C52单片机简介和引脚说明

STC89C52是一种高性能低功耗CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

对于单芯片，STC89C52可为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案得益于据有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。

具有以下标准功能：

512字节RAM，MAX810复位电路8k字节Flash，一个6向量2级中断结构，看门狗计时器，32位I/O口线，内置4KBEEPROM，全双工串行口，三个16位定时器/计数器。

除此之外STC89X52支持2种软件可选择节电模式，可降至0Hz静态逻辑操作。

空闲模式下，CPU停止工作，允许串口、定时器/计数器、RAM、中断继续工作。

掉电保护方式下，冻结振荡器，停止单片机一切工作，保存RAM内容，直到下一个硬件复位或中断为止。

最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

3.1.3STC89C52单片机引脚功能的说明

本系统的核心器件之一是单片机，由他控制该系统中不同模块的工作。

其引脚分布如图3-1所示：

以下结合本录放系统对各个引脚功能做简要介绍如下：

图3-1

1、晶振引脚

TAL2（18脚）、XTAL1（19脚）：

时钟引脚，晶体引线端在此外接。

当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号；当芯片内部时钟被使用时，18脚和19脚用于外接石英晶体和微调电容

2、电源引脚

GND（20脚）：

接地。

VCC（40脚）：

接+5V电源。

3、多功能I/O口引脚

P0口（32-39脚）：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即为地址/数据总线复用口。

在访问外部数据存储器与程序存储器时，这些接口分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间将内部上拉电阻激活。

本系统用来连接LCD显示器.

。

P1口（1-8脚）：

P1口与ADCD8090模数转换芯片连接

P2口（21-28脚）：

情形同P1口在本例中也做8位准双向并行I/O端口使用，分别接存储器，蜂鸣器，

P3口（10-17脚）：

具有内部上拉电路的8位准双向并行I/O端口。

此外，它也提供第二功能。

如表3-1所示：

表3-1P3口第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外中断0）

P3.3

/INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器2）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

在本系统中：

p3.0和P3.1与单电源电平转换芯片连接，P3.2、P3.3、P3.4与时钟芯片连接，P3.6与温度检测芯片连接。

4、控制、选通引脚

RST（9脚）：

复位信号由RST端输入。

当RST输入端保持2个周期以上高电平时，单片机完成复位初始化操作。

本光电计数系统采用按键复位模式，因而在RST和GND之间接一个约10kΩ电阻并且在RST与VCC之间接一个约10μF的电容时，复位功能就可以实现了。

ALE/

（30脚）：

地址锁存允许信号输出端。

在单片机正常工作时，ALE端就按一定周期以时钟振荡频率的1/6固定频率向外输出正脉冲信号。

在存取外存储器的时候，用来锁存低8位地址信号。

此引脚的第二个功能

当对片内带有4K字节EPROM的8751固化程序时可以作为编程脉冲输入端。

当指令被CPU从外部程序存储器取时，

信号则产生负脉冲，作为外部程序存储器的选通信号。

3.1.4STC89C52单片机外围电路设计

系统电源设计：

由于频率/电压转换芯片LM2907需要12V供电而其他芯片都采用5V供电，所以本电路需要一个12V和电源一个5V电源。

如图3-2所示。

图3-2

稳压电源的技术指标有两大类：

一个是特性指标，比如输出电滤及电压调节范围和输出电压；另一个则是质量指标，以此来判断一个稳压电源的好坏，包括等效内阻（输出电阻）、包括稳定度、纹波电压及温度系数等。

对稳压电源的性能的要求有四个，具体如下：

1、稳定性好

　当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化应该很小一般要求。

　　由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S来表示：

S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。

在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。

通常S约为

。

2、输出电阻小

　　负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。

稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。

输出电阻（又叫等效内阻）用rn表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。

rn反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn越小，则Ifz 变化时输出电压的变化也越小。

性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。

3、输出电压纹波小

　　所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。

经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。

4、电压温度系数小

当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。

良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示：

　串联型稳压电路，用做一种简单的稳压电源，可以满足一般无线电爱好者的需要。

但是，这种电源还有许多“天生的”缺陷，要提高对性能的要求，就必须再做一些改进。

从以下四个右面对它的性能加以改善，便可做成一台有实用价值的稳压电源了。

这就是：

增加放大环节，提高稳定性，使输出电压可调；用复合管做调整管，使输出电流增大；增加保护电路，使电源工作安全可靠。

稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。

方案1.我们可以采用以桥式整理电路实现整流的目的，以大电容作为滤波电路，然后接负载。

但是这样做有以下不足之处，如负载的影响很大，电压不可调以及没有保护电路等一下列问题。

我们采用某些芯片，可以解决以上的问题。

方案2.以全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7805和7905设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。

如下图所示，220V（幅值311V）50Hz市电经变压器220:

25输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805C与LM7905C作用得到±5V的直流输出。

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成

电源变压器：

将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

整流电路：

利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。

滤波电路：

利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

稳压电路：

利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

输入电容C1、C2用于抑制纹波电压，输出电容C3、C4用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。

同时由于输出电容C3、C4的存在，容易发生电容放电而损坏稳压器，RV1和RV2是滑动变阻器，可以调节输出的电压。

R1和R2是限流电阻，防止线路电流太大。

瞬态分析：

1、稳压三极管选择：

主要特点：

LM7805集成稳压三极管输出电流可达1A,输出电压5V,过热保护，过流保护，输出晶体管SOL保护。

LM7905集成稳压三极管输出电压-5V.

2、整流桥堆：

　　　整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。

整流桥品种多：

有扁形、圆形、方形、板凳形（分直插与贴片）等，有GPP与O/J结构之分。

最大整流电流从0.5A到100A，最高反向峰值电压从50V到1600V。

　　半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路,

　　选择整流桥要考虑整流电路和工作电压.优质的厂家有广州国信电子科技有限公司（文斯特电子）的G系列整流桥堆,进口品牌有ST、IR,台系的SEP、GD等。

整流桥堆一般用在全波整流电路中，它又分为全桥与半桥。

　　全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的，图是其外形。

　　全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格，耐压值（最高反向电压）有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。

3.变压器的选择：

变压器容量计算公式变压器的功率是决定于负载的,既:

P2=U2II2I+U2III2II+......+U2nI2In（VA），P1=P2/η（VA）

式中:

P2变压器次级功率计算值

P1变压器的初级功率计算值

U2I和U2II......变压器次级各绕组电压（V）,其值由负载决定.

I2I和I2II......变压器次级各绕组电流（A）,其值由负载决定.

η为效率

变压器容量1KVA以下的变压器容量小,效率较低,变压器容量在100VA以下的,η选小值;变压器容量在100VA到1000VA者选大值.硅钢片质量差的η可选0.7

I1=P1/U1（1.1到1.2）（A）

式中:

U1为初级电压（V）

1.1到1.2为考虑到空载激磁电流的经验系数

变压器容量计算出来后就计算硅钢片铁芯的截面积S等参数。

4.电容的选择：

经过整流桥以后的是脉动直流，波动范围很大。

后面一般用大小两个电容大电容用来稳定输出，众所周知电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑小电容是用来滤除高频干扰的，使输出电压纯净电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高大体的原则：

（1）大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大；

（2）小电容，凭经验，一般104即可。

要确定电容的耐压值，耐压值选小了，会因过压而击穿，选大了会增加体积和成本，可按下式确定电容C的耐压值Uc：

晶振电路：

单片机是一种时序电路，必须给它提供时钟脉冲信号才能正常工作。

系统时钟信号是单片机内部各种操作的时间基准，为各种指令的执行提供时钟节拍。

通常单片机可通过内部振荡或外部振荡两种方式得到系统时钟信号STC89C52单片机最大支持24MHz晶振，本系统采用的是12MHz的晶振，电容采用30pF的陶瓷电容，（具体电路见图3-3）。

图3-3

复位电路：

当任何一个复位信号产生时，STC89C52的所有I/O端口都会立即复位成它们的初始值，并不需要时钟源处于运行状态。

在复位信号撤消后，硬件系统将调用一个计数延时过程，经过一定的延时后，才能进行系统内部的真正复位启动。

采用这种形式的复位启动过程，保证了电源达到稳定后才使单片机进入正常的操作，复位启动的延时时间可以由用户通过对熔丝位的编程来定义。

52单片机有3个复位源：

（1）上电复位。

当系统电源的电平低于上电复位门限电压时，MCU产生复位。

（2）外部复位。

当一个高电平加到RST引脚超过2机器周期时，MCU产生复位。

（3）看门狗（WDT）复位。

当看门狗复位允许且看门狗定时器溢出时，MCU产生复位。

当进入系统的干扰作用于单片机内部时，系统失控导致程序在地址空间内“乱飞”，使程序运行状况不可预测。

如果运行时间超过程序设定的看门狗延时时间，系统便会重新复位，使单片机重新回到正常运行轨道。

因此，看门狗复位可以有效的监控系统的运行情况，提高了系统自身的抗干扰能力，使系统能够在具有一定干扰的环境中正常工作。

图3-4所示为光电计数电路的单片机STC89C52复位电路部分的原理图。

图3-4

复位电路分为手动复位和上电复位两种，本系统选用手动复位电路。

如图3-4所示。

当时钟频率选用12MHz时，C1取22uF，R20取200欧，R22取1千欧，按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。

在实际的应用系统设计中，若有外部扩展的I/O接口电路也需初始复位，如果它们的复位端和MCS-51的复位端相连，复位电路中的R、C参数要受到影响，这时复位电路中的R、C参数要统一考虑，以保证可靠的复位。

如果单片机MCS-51与外围I/O接口电路的复位电路和复位时间不完全一致，使单片机初始化程序不能正常进行，外围I/O接口电路的复位也可以不和MCS-51复位端相连，仅采用独立的上电复位电路。

若RC上电复位电路接施密特电路输入端，施密特电路输出接MCS-51和外围电路复位端，则能使系统可靠地同步复位，一般来说，单片机的复位速度比外围I/O接口电路快一点，为保证系统可靠复位在初始化程序中应该安排一定的复位延迟时间。

3.2光电对管数据采集模块

3.2.1光电对管

3.2.1.1光电对管及其电路设计

光电对管，也叫光电开关，其实内部结构就是一个发光二极管和一个光敏三极管，分为反射式和直射的，都是通过集聚光线来控制光敏三极管的导通与截止。

无论如何，原理都是光电的转化。

在本系统中，当流水线上的物体经过光电对管时，遮挡住发光二级管发出的光线，使电路产生一个低电平，当物体全部经过的时候，光线不被阻挡，电路产生一个高电平。