学科技能CDIO总结报告概要.docx

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学科技能CDIO总结报告概要

学科技能CDIO项目总结报告

1.项目设计任务………………………………………………………

2.设计原理分析………………………………………………………

3.方案比较和确定…………………………………………………

4.系统硬件图………………………………………………………

5.程序流程图…………………………………………………………

6.源程序……………………………………………………

7.电路板制作………………………………………………

8.试验结论…………………………………………………

9.参考文献…………………………………………………

1.项目设计任务

远距离红外光遥控继电器控制电路设计（遥控距离30m）

2.设计原理分析

热释电红外传感器的基本原理

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。

按照热释电红外传感器的用途来分，有以下几种：

用于测量温度的传感器，它的工作波长为1～20µm；用于火焰探测的传感器，它的工作波长为4.35±0.15µm；用于人体探测的传感器，它的工作波长为7～5µm。

将高热电材料制成一定厚度的薄片并在其两面镀上金属电极，然后加电进行极化，这样便制成了热释电探测元。

由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的空洞元也是有正、负极性的。

图1是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。

该传感器将两个极性相反，特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰。

它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号可在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿的作用。

对于辐射至传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，因此传感器会输出探测信号电压。

图1双探测元的热释电红外传感器的结构示意图

用来制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20µm。

为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，在传感器的窗口上加装了一块干涉滤光片。

这种滤光片除了允许某波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其他红外辐射拒之门外。

红外辐射在大气中传播时会被大气吸收而降低辐射强度，不过这种吸收对整个红外辐射波段的吸收是不均匀的。

在1～2.5µm、3～5µm、8～14µm这三个波长范围内，大气的吸收是很小的。

人体辐射的红外线波长约为9.5µm，恰好位于8～14µm这个大气窗口的波长范围内。

因此人体发出的红外辐射能够较好的穿过大气到达热释电红外传感受器。

热释电红外探测元的阻抗高达1000兆欧，因此必须采用变换元件对其输出的信号进行阻抗变换后才能作为控制信号输出。

通常使用具有高输入阻抗的场效应管，将其接成源极跟随器，使其变成低输出阻抗的控制信号，与放大器的输入端相匹配。

这和驻极体话筒中采用场效应管进行阻抗变换的作用很相似，其中电阻Rg是用来释放场效应管的栅极电荷，使其正常工作的。

热释电型红外传感器是由于热电效应原理的热电型红外传感器.热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的,即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钦等晶体受热产生温度变化时,其原子排列将发生变化,晶体自然极化,在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应.用此效应制成的"铁电体",其极化强度与温度有关,当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片上时引起薄片温度升高,使其极化强度降低,表面电荷减少,这相当于释放译部分电荷,所以叫做热释电型传感器.如果将负载电阻与铁电体薄片相连,则负载电阻上便产生一个电信号输出,输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢,从而反映出入射的红外辐射的强弱,热释红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率.人体有恒定的体温,一般在37℃,所以会发出特定波长为10µm左右的红外线.被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线进行工作的.人体发射的10um左右的红外线,通过菲涅耳滤光片增强后,聚集到红外感应源上.红外感应源通常采用热释电元件.这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时将会失

去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测后产生报警信号.

单片机的介绍

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用

单片微型计算机简称单片机，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，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

它最早是被用在工业控制领域。

MCS-51单片机

1、中央处理单元（8位）

数据处理、测试位，置位，复位位操作

2、只读存储器（4KB或8KB）

永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM

3、随机存取内存（128B、128BSFR）

在程序运行时存储工作变量和资料

4、并行输入/输出口（I/O）（32条）

作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片

5、串行输入/输出口（2条）

串行通信、扩展I/O接口芯片

6、定时/计数器（16位、加1计数）

计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与CPU之间独立工作

7、时钟电路

内振、外振。

8、中断系统

五源中断、2级优先。

8051单片机框图如图所示。

各功能部件由内部总线联接在一起。

图中4K（4096）字节的ROM存储器部分用EPROM替换就成为8751；图中去掉ROM部分就成为8031的结构图。

8051单片机框图

3.方案比较和确定

方案一：

（简易红外遥控电路）

在不需要多路控制的应用场合，可以使用由常规集成电路组成的单通道红外遥控电路。

这种遥控电路不需要使用较贵的专用编译码器，因此成本较低。

红外发射部分

图1.1

考虑到本方案电路是简单的单通道遥控器，可直接产生一个控制功能的震荡频率，再通过红外发光二极管发射出去。

红外接收部分

图1.2

当红外接收头接收到控制频率时，由一个电路对其进行解调并产生相应的控制功能。

方案二：

（利用红外遥控开关电路）

红外线发射/接收控制电路均采用单片机来实现，输出控制方式可选择，实用性强。

方案结构图：

红外发射部分：

图1.3

当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，由红外发光二极管发射出去。

红外接收部分：

图1.4

当红外接收器接收到控制脉冲后，由控制方式选择开关选择是“互锁”还是单路控制，再由单片机处理后，对相应的受控电器产生控制。

方案三：

利用红外遥控开关电路

用单片机制作一个红外电器遥控器，可以分别控制5个电器的电源开关，和一个电灯开关，并且可以对电灯进行亮度的调光控制。

红外发射部分结构图如下：

图1.5

当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，由红外发光二极管发射出去。

红外接收部分结构如下：

图1.6

当红外接收器接收到控制脉冲后，经单片机处理由显示设备显示出当前受控电器的序号，并判断是否对电灯进行调光，如需调光则经调光电路处理后实现调光功能。

方案比较

综上所述通过比较三套方案，方案一未采用单片机控制，功能过于单一，仅能对一路电器进行简单的遥控；方案二和方案三的红外线发射/接收控制电路采用单片机来实现，电路简单，实用性强。

方案二虽可虽可控制多个电器，但控制功能过于单调，仅能实现电器开关的控制，实用价值不大；方案三不仅可用控制键实现对电器的控制，而且可对一路电灯进行亮度控制，方便实用。

且本设计用到的元器件较少，电路相对简单实用。

所以本设计采用方案三作为设计蓝本

4.硬件系统

电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

控制原理

单片机是一个弱电器件，一般情况下他们大都工作在5V甚至更低。

驱动电流在ｍA级以下。

因此需要使用一个三极管来放大单片机输出的电流，而三极管又需要一个二极管来保护。

这里继电器由相应的S8050三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的P1.0为高电平，＋5伏电源通过电阻使三极管导通，所以开机后继电器始终处于吸合状态，如果我们在程序中给单片机一条：

CLRP1.0指令的话，相应三极管的基极就会被拉低到零伏左右，使相应的三极管截至，继电器就会断电释放，每个继电器都有一个常开转常闭的接点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。

再将继电器的输出接到LED灯上，即可通过LED灯的亮灭即可指示继电器的吸合断开情况。

继电器部分

继电器实物图与电气图

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

图4继电器实物图

图5继电器电气图

继电器的工作原理和特性

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

1、硬件电路原理图如下：

2、PCB图如下：

5.程序流程图

6.源程序

;10H,03H,01H,06H

;-----------------------------------------------

IRCOMEQU20H

IRINEQUP3.2

BEEPEQUP3.7

;------------------------------------------------

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0030H

;------------------------------------------------

MAIN:

MOVTMOD,#11H

MOVTL0,#00H

MOVTH0,#38H

SETBET0

SETBEA

CLRTR0

MOVTL1,#00H

MOVTH1,#38H

SETBET1

CLRTR1

MOVR4,#10

SETBP1.0

CLRP1.5

CLRP1.4

CLRP1.3

SETBP1.1

MOVSP,#40H

MOVA,#00H

MOVR0,#20H

LOOP0:

MOV@R0,A

INCR0

CJNER0,#27H,LOOP0

SETBIRIN

LOOP1:

CALLIR_IN

CALLIR_SHOW

MOVA,22H

CJNEA,#45H,LOOP2

CPLP1.0

LOOP2:

CJNEA,#03H,LOOP3

CPLP1.5

LOOP3:

CJNEA,#01H,LOOP4

CPLP1.4

LOOP4:

CJNEA,#06H,LOOP5

CPLP1.3

LOOP5:

JMPLOOP1

;---------------------------------------------------

IR_IN:

MOVR0,#IRCOM

I1:

JNBIRIN,I2

JMPI1

I2:

MOVR4,#20

I20:

CALLDEL

DJNZR4,I20

JBIRIN,I1

I21:

JBIRIN,I3

CALLDEL

JMPI21

I3:

MOVR3,#0

LL:

JNBIRIN,I4

CALLDEL

JMPLL

I4:

JBIRIN,I5

CALLDEL

JMPI4

I5:

MOVR2,#0

L1:

CALLDEL

JBIRIN,N1

MOVA,#8

CLRC

SUBBA,R2

MOVA,@R0

RRCA

MOV@R0,A

INCR3

CJNER3,#8,LL

MOVR3,#0

INCR0

CJNER0,#24H,LL

JMPOK

N1:

INCR2

CJNER2,#30,L1

OK:

RET

;--------------------------------------------------------------------

IR_SHOW:

MOVA,22H

CPLA

CJNEA,23H,IR_SHOW1;

CALLBEEP_BL;

IR_SHOW1:

RET

;--------------------------------------------------------------------

;

BEEP_BL:

MOVR6,#100

BL1:

CALLDEX1

CPLBEEP

DJNZR6,BL1

MOVR5,#25

CALLDELAY

RET

DEX1:

MOVR7,#180

DEX2:

NOP

DJNZR7,DEX2

RET

DELAY:

MOVR6,#50

D1:

MOVR7,#100

DJNZR7,$

DJNZR6,D1

DJNZR5,DELAY

RET

;------------------------------------------------

;DELAYR5*0.14MS

DEL:

MOVR5,#1

DEL0:

MOVR6,#2

DEL1:

MOVR7,#32

DEL2:

DJNZR7,DEL2

DJNZR6,DEL1

DJNZR5,DEL0

RET

DELAY1:

MOVR6,#25

DL2:

MOVR7,#100

DJNZR7,$

DJNZR6,DL2

RET

;-------------------------------------------------

END

7.电路板的制作

Protel99功能强大，为我们进行电子电路原理图和印制板图的设计提供了良好的操作环境。

用Protell99进行电路设计分为两大部分：

原理图的设计和电路板的设计。

原理图的设计实在SCH系统中进行的，电路原理图是印刷板电路设计的基础，只有设计好原理图才有可能进行下一步的电路板设计。

用protel99进行电路板设计的第一步是其原理图的设计。

显然，原理图决定整个电路的基本功能，也是接下来生成网表和设计印刷板电路的基础。

具体步骤如下：

（1）图面设置：

Protel99允许用户根据电路的规模设置图面的大小，按照偏好和习惯设置图面的样式。

实际上，设置图面就是设置了一个工作平面，以后的工作就要在这个平面上进行。

所以图面应该设置得足够大，为进一步工作提供一个足够大的工作空间。

（2）放置元件：

所谓放置元件就是从元件库中选取所需得元件，将其布置到图面上合适的位置，有时还要重定义元件的编号、封装。

元件的封装很重要，要根据元件的实际尺寸和实际封装来决定，要是元件没封装好，将会给以后电路板的制作带来很大的麻烦。

这些都是下一步工作的基础。

Protel99为用户提供了一个非完备的元件库，并且允许用户对这个元件库进行编辑或者新建自己的元件库。

电路板的制作过程

（1）打印：

将生成的PCB图打印到热转印纸上，需注意线不能太窄，墨要加重，否则制板时容易断线，如果在操作过程中断了线，可用电烙铁将锡带过。

（2）熨烫：

将热转印纸覆在铜板上，用电熨斗进行熨烫，关键要注意熨烫的时间，不能太久，也不能时间太短，否则，太久会把铜板烫坏，不够的话墨迹覆不上去。

（3）腐蚀：

把铜板放到三氯化铁溶液中腐蚀，需注意溶液浓度要较高，最好用热水配置，这样腐蚀更快，一般3分钟即可。

如果时间过长，需剩下的铜线也可能被腐蚀。

（4）打孔：

打孔时注意钻头尺寸，本次用的钻头大小是0.712mm的，最需注意的地方是集成块的管脚，如果打孔误差大，管座就很难插上。

（5）放置元件：

放置前应先打磨一下打孔后留下的毛刺，并均匀地涂上松香水（目的是防止铜线氧化，易于焊锡覆着焊盘，但多涂会导致焊接时焊点变黑，影响美观）。

放置元件时注意集成块的管脚，二极管和电解电容的正负，这些都是平时比较容易出错的地方。

元器件选择如下表所示：

一、发射电路元器件

编号

名称

型号

数量

R1

电阻

51KΩ

1

R2

电阻

150KΩ

1

R3

电阻

10KΩ

1

R4

电阻

2.4KΩ

1

R5

电阻

220Ω

1

R6

电阻

510Ω

1

R

电阻

300Ω

1

C1

电容

4300pf

1

C2

电容

0.01μf

1

C3

电容

2700pf

1

C4

电容

0.01μf

1

C5

电解电容

220μf

1

VD1

晶体二极管

IN4148

1

VD2

发光二极管

HG505

1

VT1

晶体三极管

8550

1

G

直流电源

6V

1

SA

按钮

1

LED1

发光二极管

1

IC1

双时基集成电路

LM556

1

二、控制电路元器件

编号

名称

型号

数量

R1

电阻

4.7Ω

1

R*2

电阻

220KΩ

1

R3

电阻

1KΩ

1

R4

电阻

20KΩ

1

R5

电阻

51KΩ

1

R6

电阻

1.5KΩ

1

R*7

电阻

22KΩ

1

R8

电阻

300Ω

1

R9

电阻

360KΩ

1

R10

电阻

620KΩ

1

R11

电阻

20KΩ

1

R12

电阻

1KΩ

1

R13

电阻

1KΩ

1

C1

电解电容

100

1

C2

电解电容

1

1

C3

电解电容

33

1

C4

电容

360

1

（6）焊接：

焊接技术比较难掌握，焊锡、烙铁与焊盘的位置关系，焊锡熔化时间

长短，松香水的浓度，烙铁的温度等等，都是影响焊点美观的因素。

（7）检查：

检查是否有虚焊，集成块管脚位置是否正确，电源引线位置是否恰当等。

检查完毕就能进行调试了。

8.试验结论

由于系统架构合理，远距离红外光遥控继电器控制电路（遥控距离30m）实现较好，系统性能优良，稳定，较好的达到了题目要求的各项指标。

作为一组大三学生来参做CDIO项目虽深感不易，但抱着不抛弃不放弃的态度，我们自学了相关的诸多学科，查阅了无数的资料，遇到了一些小困难.期间有的时候不知所措和迷惘，但是在团队的共同努力下，我们成功了！

这次从CDIO对我们来说学到的不仅是更加深入的了解单片机知识，更多的是如何去设计，编程。

把知识运用到设计和创新。

它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多！

9.参考文献

[1]孙安青.AT89S51单片机实验及实践教程[M].

[2]秦晓梅.育斌.单片机原理综合实验教程[M].辽宁：

大连理工大学出版社，2004.

[3]邓红张越单片机实验与应用设计教程[M].北京：

冶金工业出版社，2004.5

[4]李建中.单片机原理及应用[M].西安：

西安电子科技大学出版社，2008.2.

[5]郑一力.殷晔Protel99SE电路设计与与制版[M].北京：

人民邮电出版社，2008.

[6]张齐杜群贵单片机应用系统设计技术[M].北京：

电子工业出版社，2004.8

成果照