基于单片机的红外测控系统的设计与研究Word文档下载推荐.docx
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第一次世界大战期间研制了一些实验性红外装置，如信号闪烁器、搜索装置等，第二次世界大战期间，德国：
红外显像管；
德国、美国：
红外辐射源、红外探测器、测辐射热计等。
第二次世界大战后：
响尾蛇导弹上的指导装置和u-2间谍飞机的红外照相代表着当时军用红外技术的水平，前视红外装置（FLIR）获得了军界的重视，并广泛使用；
机载前视红外装置能在1500m上空探测到人、小型车辆和隐藏目标，在两千米高空能分辨汽车，特别是能探测到水下40m深处的潜艇。
在海湾战争中，红外技术，特别是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示。
七十年代以后军事红外技术又逐步向民用部门转化。
红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。
红外测控技术已经步入人们的生活。
1.2.2国内外红外测控技术的发展动向
随着人们对生活便捷程度的要求，红外线测控技术将有以下几个发展方向：
◆测控应用范围更广。
目前日趋成熟的的红外测控技术，能提高一部分生活的便捷度。
如：
自动出水装置、红外感应烘干机、红外感应自动门、红外感应电梯等。
但是此技术应用范围仍然有限，随着工业生产效率的不断提高，民用红外测控技术会形成产业化，并且在其他领域得到开拓。
发展新产品，利用旧的红外测控技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。
同时利用新的测试技术制造出新的产品。
◆适应特殊环境的测控。
在许多场合中对红外测控技术有特殊要求，例如对于重油隧道窑红外温控、导弹再入段红外测试系统等。
◆向智能化、集成化、适用化方向发展。
采用微机向智能化方向发展，让一种产品多用，集成开发提高利用率。
◆实现尖端科技的开发利用。
随着测控技术的不断进步和红外线技术的不断进步，红外测试技术会实现更深层次领域的开发及应用[2][3]。
1.3课题研究的意义和目的
本自动出水装置系统是以出水龙头为载体，以AT89C51单片机为控制中心，以及发光二极管、红外发射、红外接收、电源电路以及其他电路组成。
本课题研究的是基于单片机的红外测控系统，其中主要采用了单片机控制技术和红外感应技术，该系统集成了光学、电学、单片机等技术于一体。
除了系统硬件，该系统还进行了灵活的软件技术。
系统程序主要包涵初始化、功能处理、定时中断等功能。
该系统应用在各个人流量大的洗手、冲水装置中，用单片机做其核心，结合不同的测控方法，配合不同的执行电路，可以完成不同的测控功能，比如自动门、自动报警器、红外避障以及工业生产检测等方面。
本装置的完成可以避免洗手、冲水装置人群混杂细菌交叉感染，同时在单片机的控制下可以达到有效的节水功能，保障了人们的卫生和便利，对生活质量的提高有着重要的意义。
1.4课题研究的方案
所设计红外测控系统主要包括红外发射、红外接收、单片机处理、控制信号放大与驱动、执行系统等几个部分。
该系统采用了红外感应技术和单片机控制技术，集光、机、电技术于一体。
系统的原理如下：
红外发射部分经过调制之后载有红外光波，当人或者人手靠近时，红外光波被人手反射，反射回来的光波被红外接收装置接收，再由单片机进行处理做出相应的控制决策，输出相应的动作指令，该控制信号经过控制信号经过放大和驱动执行执行系统，如电磁阀，从而达到自动出水的功能。
1.5主要研究内容
本设计主要阐述了基于单片机的红外测控系统。
第1章主要设计了红外测控技术的发展现状、意义以及前景。
第2章主要设计了单片机、红外技术以及测控技术的相关基本理论。
第3章主要设计了系统的功能要求和组成原理。
第4章主要设计了芯片的选型及相关功能的介绍。
第5章主要设计了系统硬件的电路图及工作原理。
第6章主要设计了系统软件开发环境和软件程序流程。
1.6本章小结
本章主要介绍了课题研究的背景及意义，该课题的国内外动态、研究的意义，并且对课题研究的主体方案进行了阐述。
2红外技术和测控技术知识简介
2.1红外技术的基本理论
2.1.1红外技术的概述
红外技术作为一种高新技术，与激光技术并驾齐驱，在军事上占有着举足轻重的地位，红外侦查、红外制导、红外跟踪、红外成像、红外对抗以及红外预警等在现代和未来战争中都是相当重要的战略战术手段。
70年代后，红外技术由军事应用逐步向民用部门转化。
红外加热、红外干燥技术广泛应用于工业、医学、农业等行业和部门。
红外测湿、红外理疗、红外遥感、红外防伪、红外报警、红外检测等技术更是各个行业争相选用的先进技术。
红外技术的最新成就红外热成像技术与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，使它将发展成可与眼睛相媲美的凝视系统[4]。
2.1.2红外传感系统的分类
红外技术发展到今天，已经被大家所熟知，此技术在国防、现代科技和工农业中得到了广泛的应用。
红外传感系统是基于红外线为介质的一种测量系统，分类有很多种，以下是按功能进行的分类：
1、热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；
2、搜索和跟踪系统，用于搜索、跟踪目标，确定该目标的空间位置，并且对其运动轨迹进行跟踪；
3、辐射计，用于辐射和光谱的测量；
4、红外测距，通信系统；
5、混合系统，即以上两个以上系统的结合。
2.1.3红外传感器的工作原理
一个典型的传感器系统各部分的实体分别是：
1.待测目标。
依据待测目标的红外辐射特性可以进行红外系统的设定。
2.大气衰减。
待测目标的红外辐射在通过地球大气层时，大气中的气体分子及其他各种溶胶粒对该辐射进行散射和吸收，使得红外有发出的红外辐射发生衰减。
3.光学接收器。
用于接收目标发出的部分红外辐射，并传输给红外传感器。
4.辐射调制器。
用于将目标产生的辐射调制成交变的辐射光，以此提供目标的方位信息，并可滤除大面积的干扰信号，又称为斩波器和调制盘，它具有多种结构。
5.红外探测器。
这是红外系统的核心部分。
该探测器是利用红外辐射与物质的相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，其中多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。
主要分为热敏感探测器和光子探测器两大类型.。
6.探测器制冷器。
由于特定的一些探测器需要工作在低温下，所以相应的系统必须含有制冷设备，经过制冷，设备可以缩短响应时间，从而提高探测的灵系数。
7.信号处理系统。
将探测所得的信号进行发大、滤波，然后从这些信号中提取出有用信息，然后再将这些信息转化为所需要的格式，最后传输到控制设备或者显示设备中。
8.显示设备。
这是红外设备的终端设备。
常用的显示器有显像管、示波器、指示仪器、红外感光材料和记录仪等。
依照上面的流程，红外系统就能够完成所需要的物理量的测量[5][6]。
2.2测控技术的基本理论
2.2.1测控技术的概述
现代测控技术是现代信息技术的一部分，它是以电子、测量及控制等涉及多种学科技术的一门高新技术，是21世纪重点发展的技术之一。
随着现代科学技术的融入，不但使测控技术在各个领域得到广泛的应用，而且加快了现代测控技术的发展，形成了现代测控技术向微型化、集成化、远程化、网络化、虚拟化等方向发展。
回顾测控技术的发展史，现代测控技术与传统的测控技术相比有着极强的新技术特性。
众所周知，自20世纪70年代以来，测量、计量、测试技术与仪器制造不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器以及可互换性虚拟仪器等微机化仪器及测控化系统。
人类正在从工业化时代进入信息化时代。
这个时代的特征是以计算机为核心，它与测量仪器的界限日益模糊，测量领域和范围不断拓宽。
特别是近十年来，以Internet为代表的网络技术的出现及它与其他高新技术的相互结合，不仅已将智能互联网产品带入现代生活，而且也为测控技术带来了前所未有的发展方向和机遇。
2.2.2测控技术的发展趋势
1.测控技术的数字化、智能化水平将不断提高，继承多功能仪器的平台将取代传统意义上的单一功能。
2.随着计算机技术的日新月异，计算机必将成为测控系统的中坚。
“计算机就是仪器”，即将成为人们的共识。
3.测控技术与网络的结合，使得网络化是今后测控仪器发展的主导方向。
可以预见，测试技术的变革，必将引起测量、测试方法的历史性革新。
4.以LXI为代表的新一代自动测试平台将引领测控系统发展的新方向。
2.3单片机的理论简介
2.3.1单片机介绍
单片微型计算机简称单片机如图2.1，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中[7]。
图2.1单片机外形图
2.3.2单片机的工作过程
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；
单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行[8][9]。
2.4本章小结
本章主要介绍了红外技术的概念、红外传感系统以及红外传感器的基本工作原理；
介绍了测控技术的概念及发展趋势；
单片机的简要介绍以及单片机执行命令的工作过程。
3系统总体设计方案
3.1系统功能要求
本设计为利用红外线作为传输信号，单片机控制的一个自动出水装置，该装置功能设计如下：
1、正常情况下，红外线发射端按一定频率发射红外线，没有人手反射，接收端无信号接收，电磁阀不工作，处于节水状态。
2、当人手接近发射端，将红外线反射回红外线接收器，触发接收电路，接收电路处理信号后输入给单片机，单片机命令执行部分工作，自动出水。
3、人手离开，恢复节水状态。
自动出水装置有很多地方使用，如公共场所自动出水龙头、卫生间自动冲水。
通过对软件的设计，可实现不同功能。
也可以变换执行部分，改为报警器或者自动门等设备完成不同功能。
市场上已经出现很多成品的红外感应出水龙头，如图3.1，这是博讯品牌旗下的一款产品，型号是AR-6003，此产品广泛应用于公共场所，但是长时间工作后就会出现反应滞后，工作不稳定等特点。
本系统设计就本着低成本、高功效为原则，让红外感应出水龙头进入每家每户，并且能够稳定、节能的工作。
为保持工作稳定，设计中对单片机等芯片的散热会更加注重。
图3.1市场出水龙头
3.2系统组成及原理
该系统主要包括红外发射部分，红外接收部分、单片机处理及控制系统，还包括信号放大系统和驱动等几个部分。
红外发射电路装有红外发光二级管，红外发光二极管向外发射红外光波，当有手靠近，红外光波就受到人手的反射，被反射的红外光波则由红外接收部分接收。
被接收的红外光波被红外光电传感器将此信号转化为电信号，再由电路将信号放大、整形后传送给单片机。
单片机在接收到驱动信号以后，根据系统需求，做出控制指令，发出相应的动作指令，由此控制执行部分工作。
单片机发出的控制信号传输给放大驱动环节，驱动电路执行，完成电磁阀自动出水。
图3.2系统组成框图
3.3系统检测原理
宇宙间的任何物体只要其温度超过绝对零度，就能够产生红外辐射，事实上同可见光一样，该辐射能够进行折射和反射，于是，便产生了红外技术。
红外检测技术利用红外光波即红外线作为载波来传送测量信号或者控制指令，如红外遥控电视开光、红外障碍检测、红外报警器、红外自动门等。
之所以采用红外光波作为控制光源，是由于红外发射器件和接收器件的发光与受光峰值波长一般为0.88um~0.94um，落在近红外波段内，而且两者的光谱恰好重合，能很好的匹配，可获得较高的传输效率，具有较高的可靠性。
红外感应装置是靠探测人体和障碍发射或反射的红外线进行工作的。
探头收集外界的红外辐射聚集到红外感应源上面。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷，检测处理后发出信号。
本设计所运用的红外检测原理是：
当有人手靠近，红外光波受到人手的反射，反射回来的红外光波由红外接收部分接收，然后经单片机进行处理，并做出相应的控制决策，输出相应的动作指令，控制信号经过信号放大与驱动环节之后驱动相应的执行机构，实现相应的控制功能。
3.4本章小结
本章主要介绍了系统总体的设计方案，系统的功能要求、系统的组成原理以及系统检测的原理。
4芯片的选型和介绍
4.1电源的选择
4.1.1电源的选择方案
方案一：
电源使用干电池
使用的单片机功率不大，干电池成本低，可以保证提供长时间的电量，但是电池工作环境中有水管，周围环境易潮，干电池供电是裸露金属接触，金属腐蚀后对供电影响很大，对单片机性能会有很大影响，为了防潮干电池的密封会比较麻烦。
方案二：
选稳压芯片将220V交流电转换成5v直流电
好性能的稳压管工作稳定，可以对电源转换电路直接进行密封封装，不为换电池烦恼，也不会出现防潮等麻烦，供电直接外接220V家用交流电即可。
分析后选择方案二，主流稳压芯片有LM7805和LM2576-ADJ，设计中对芯片性能要求不是很高，两个芯片都能达到设计要求，但是LM2576-ADJ价格较高，所以决定选用LM7805。
4.1.2LM7805芯片的介绍
7805系列为3端正稳压电路，TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围很广。
芯片内含有过热、过流和过载保护电路，带散热片时输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路，但是通过外接原件，也可以获得不同的电压和电流值。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
引脚及外形如图4.1
图4.1LM7805外形图及引脚排列
LM7805主要特点：
输出电流可达1A
输出电压5V
过热保护
短路保护
输出晶体管SOA保护
LM7805极限值：
（Ta=25℃）
VI——输出电压（VO=5~18V）35V
RθJC——热阻（结到壳）5℃/W
RθJA——热阻（结到空气）65℃/W
TOPR——工作结温范围0~125℃
TSTG——贮存温度范围-65~150℃
4.2单片机的选型
自单片机诞生的这几十年里，单片机已经发展到近500个机种。
比较有名的有Intel公司的MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列产品。
本设计选用51系列中的AT89C51。
基于51单片机的设计系统，价格低廉，结构简单，系统稳定性好，略加改变控制程序及电路就可以把该系统运用于类似系统中，发展前景很广。
4.2.1主要性能特点
MCS-51系列单片机的主要产品有8051、8751、8031。
它们的基本组成和基本性能都是相同的。
常说的MCS-51大多泛指以8051为内核的单片机。
8051单片机是ROM型单片机，内部有4kb的掩膜ROM，（掩膜是指单片机在出厂时生产厂家已经将程序固化在程序存储器中）；
8751内则含有4kb的EPROM,用户可以讲编写好的程序用开发机或编程器写入单片机中，当需要修改时，可以用紫外线擦除器将原程序擦除，再写入新的程序；
8031单片机内没有ROM，使用时需要在单片机外接EPROM；
AT89C51内自带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器。
本设计使用AT89C51作为整个设计的核心部分，该单片机是一种自带4k字节FEPROM（闪烁可编程课擦除只读存储器――FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的微处理器。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2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。
它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[10]~[12]。
具有以下资源：
1、兼容MCS-51的指令系统
2、4kb可反复擦写FEPROM
3、可编程串行URRL通道
4、32个双向可编程I/O接口
5、一个串行中断
6、128×
8bit内部RAM
7、全静态操作：
0Hz~24MHz
8、两个外部中断源
9、3级加密位
10、两个16位可编程定时/计数器
11、可直接驱动LED
12、6个中断源
13、低功耗空闲和掉电模式
4.2.2引脚功能介绍
AT89C51引脚如下图所示：
AT89C51双列直插式封装引脚图：
图4.2双列直插式封装引脚图
AT89C51两种smt式封装引脚图：
图4.3smt式封装引脚图
（1）
图4.4smt式封装引脚图
（2）
1.电源引脚：
VCC：
正常运行时为+5V电源
VSS：
电源接地端
2.I/O总线：
（1）P0.0~P0.7
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部存储器，分时进行工作，在指令前半周期，P0作为地址总线，后半周期作为数据总线。
（2）P1.0~P1.7：
P1口是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能够接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被下拉为低电平时，将输出电流，在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接受。
（3）P2.0~P2.7：
P2口也是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2口当用于外部程序存储器或16位地址数据外部存储器进行存取时，P2口输出地址的高8位。
（4）P3.0~P3.7：
P3口也是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口，当P3口写入“1”时，它们被内部电阻上拉为高电平，用作输入。
由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
3.I/O总线的使用：
（1）P0口：
由于8051内部有程序存储器，P0口能作为地址/数据总线，分时输出外部贮存器的第8位地址A0―A7和传送数据D0―D7，所有地址由地址允许锁存信号ALE锁存到内部的地址锁存器里。
（2）P1口：
P1口为准双向口，它的每一位均可作为输入线或者输出线，我们可以把P1口的某几个位作为输出线使用，其余的作为输入线。
输出时，将“1”P1口的某个锁存器中，那么Q端的输出场效应管T截止，该位的输出引脚由内部的拉高电路拉成高电平。
输出“0”时，将“0”写入锁存器，输出场效应管T导通，引脚输出低电平，即输出“0”。
（3）P2口：
由于8051内部有程序贮存器，P2口也能作外部设备的输入/输出口。
同时，一般情况下，P2口只能作为系统扩展的高8位地址总线口。
当CPU访问外部程序贮存器时，P2口输出程序贮存器的地址A8—A15，该地址来源于内部程序计数器PC的高8位。
（4）P3口：
P3口的第一功能为准双向口，其特性和P0口相似，P3口也为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号，同时，P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
表4.1P3口引脚备选功能表
引脚
备选功能
P3.0
RXD串行输入口
P3.4
T0定时器T0外部输入
P3.1
TXD串行
升级会员 