毕业设计43智能红外检测系统设计.docx
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毕业设计43智能红外检测系统设计
第一章绪论
1.1课题研究的背景
随着人类知识的积累和工业生产技术的发展，人类对自然的控制与加工能力越来越强。
在人类社会的各个领域，从工业、农业、商业、国防、通信、交通运输、科学技术直到文化娱乐、教育、医疗乃至家庭生活的每一个角落，自动化设备、智能仪器仪表正延展着人们的感官，精确地执行人的命令，实现着人们过去可望而不可及的愿望。
由于微处理器生产成本的下降，目前各种自动化设备和智能仪器仪表的核心部件通常是由专用的微处理器构成。
这些专用的微处理器在我国一般称为单片机，国外称为微控制器。
单片机广泛用于自动化控制设备、消费电子产品、智能仪器仪表等领域，尤其是在新型智能化小产品开发方面，几乎是单片机一统天下。
单片机是一类特殊的微处理器，它内部的硬件结构与一般为微处理器相同的是都有控制器、运算器和各种专用寄存器。
控制器将时钟振荡器产生的方波脉冲按固定的时间顺序分配给芯片内的各个部件，即产生节拍。
在节拍的作用下控制器按程序计数器中的地址从程序存储器中取回指令进行译码，运算器和各种专用寄存器则根据译码在控制器的控制下有条不紊地进行数据的传递和运算处理。
单片机的应用，打破了人们的传统设计思想。
原来需要使用模拟电路、脉冲数字电路等部件来实现的功能，在应用了单片机以后，无需使用诸多的硬件，可以通过软件来解决问题。
目前单片机已经成为科技、自控等领域的先进控制手段，在人类日常生活中的应用也非常广泛。
（1）工业过程控制中的应用。
单片机的I/O口线多，操作指令丰富，逻辑操作功能强大，特别适用于工业过程控制。
单片机可作主机控制，也可作分布或控制系统的前端机。
单片机具有丰富的逻辑判断和位操作指令，因此广泛应用于开关量控制、顺序控制以及逻辑控制。
（2）家用、民用电器中的应用
单片机价格低廉、体积小巧、使用方便，广泛应用在人类生活中的诸多场合，如洗衣机、电冰箱、空调器等。
（3）智能化仪器、仪表中的应用
单片机可应用于各类仪器、仪表和设备中，大大地提高了测试的自动化程度与精度，如智能化的示波器、计价器、电表、水表等。
（4）计算机网络、外设及通信技术中的应用
单片机中集成了通信接口，因而能在计算机网络以及通信设备中广泛应用。
如Intel公司的8044，它由8051单片机与SDLC通信接口组合而成，用高性能的串行接口单元SIU代替传统的UART,其传送距离可达1200米，传送速率为2.4Mbit/s。
此外，单片机还在小型背负式通信机、自动拨号无线电话网、串行自动呼叫应答设备、程控电话、无线遥控等方面均有广泛的应用。
红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：
一.辐射计，用于辐射和光谱测量；
二．搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；
三．热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；
四．红外测距和通信系统；
五．混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。
红外传感器工作原理：
（1）待测目标。
根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。
（2）大气衰减。
待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。
（3）光学接收器。
它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。
相当于雷达天线，常用是物镜。
（4）辐射调制器。
对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。
又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。
（5）红外探测器。
这是红外系统的核心。
它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。
此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。
（6）探测器制冷器。
由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。
经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。
（7）信号处理系统。
将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。
然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。
（8）显示设备。
这是红外设备的终端设备。
常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。
依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。
红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。
1.2课题研究的意义和目的
建立节约型社会是一场关系到人与自然和谐相处的“社会革命”。
如何节约用水和保护水资源，已成为实现可持续发展的一个无法回避和必须解决的问题。
然而在日常生活中很多资源的浪费都是无形的，在人们的自觉与不自觉中慢慢流失。
本课题就是基于这一社会现状而提出的。
本课题为智能红外检测系统设计，研究的是一种基于单片机的红外测控系统，它采用了单片机控制技术和红外感应技术，集成了光学、电子、单片机和机械等技术于一体。
在系统硬件的基础上，进行灵活的软件设计。
系统程序包括：
初始化、功能处理与定时器中断等功能。
开机后，初始化完成软件系统所用的标志区和数据区的清零、中断初始化、设置定时器参数、启动定时器开始定时、定时中断服务程序完成定时参数的复位、发出冲水信号等，使之达到自动化控制的功能。
该系统应用在自动冲水器上，经实际使用并与长流水形式的小便池进行比较，测量得到的数据表明：
每个冲水器每天可节水6～7t。
该冲水器电路工作电压和电磁阀功耗（即冲水时的输出功率）都很低，可以使用4节5号电池，至少2年无需更换电池。
实际使用表明，该自动冲水器系统工作可靠，卫生节约，方便快捷，成本低廉，经济效益显著。
该系统采用单片机作为其核心，结合不同的测控方法，可以完成不同的测控功能，因此也可用于自动淋浴器、自动门、自动烘干机、红外报警、红外遥控以及工业生产在线检测等方面，并可开发各种类型的相关产品。
由此可见，本课题的研究在方便人们的日常生活方面，节约水能以及提高人们的生活质量方面都有很重要的意义
。
1.3课题研究的方案
红外测控系统主要包括红外发射、红外接收、单片机处理与控制系统以及控制信号放大与驱动等几个部分。
本系统采用单片机控制技术和红外感应技术，集成了光学、电子、单片机和机械等技术于一体。
系统的原理是：
红外发射部分经过调制后载有测量信号的红外光波，如果有人靠近，则红外光波受到人体的反射，反射回来的红外光波由红外接收部分接收，然后经由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，控制信号经过控制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。
该方案主要运用到了单片机原理和传感器原理，科学证明是确实可行的。
第二章系统组成及工作原理
2.1功能要求
本设计为红外自动冲水器，其智能化功能设计要求如下：
（1）正常情况下，人来后，第一阶段自动放水2s，人走后，第二阶段自动放水6s；
（2）如果使用太频繁，如使用间隔小于1min，则在第二个人来后，不进行2s的放水，人走后，放水4s；（3）放完水后自动进入省电模式。
2.2系统组成及原理
由图2.1可见，本系统主要包括红外发射、红外接收、单片机处理与控制系统以及控制信号放大与驱动等几个部分
。
红外发射部分装有红外发光二极管，由红外发光二极发射红外光波，如果有人靠近，则红外光波受到人体的反射，反射回来的红外光波由红外接收部分接收。
红外接收部分接收到反射回来的红外光波后，红外光电传感器将此红外光信号转化为电信号，此电信号经放大、整形后传送到单片机。
单片机接收到驱动信号后，根据系统设计的需要做出相应的控制决策，输出相应的动作指令，由此来指挥执行部分执行相应的动作。
单片机发出的控制信号，传送给放大与驱动环节，由驱动电路驱动相应的执行机构，实现对冲水器的冲水控制。
图2.1系统组成框图
说明：
为了防止紫外线进入红外传感器的收发头而带来干扰，应该在收发头前安装一个深色玻璃。
2.3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产生红外辐射，事实上同可见光一样，其辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技术。
红外检测技术利用红外光波（又称红外线）作为载波来传送测量信号或者控制指令，如红外遥控电视开关、红外报警器、自动玻璃门、自动冲水器等。
之所以采用红外光波作为控制光源，是由于红外发射器件与接受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较高的可靠性。
红外感应原理：
如果有人靠近该设备，则红外光波受人体的反射，反射回来的红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，控制信号经过控制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。
红外感应装置是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。
探头收集外界的红外辐射通过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。
（1）红外感应装置是以探测人体辐射为目标的。
所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须敏感。
（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
（3）一旦人到达探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经单片机处理而作出相应的动作。
（4）多视场的获得，一是多法线小镜面组成的反光聚焦，聚光到传感器上称之为反射式光学系统。
另一种是透射式光学系统，是多面组合一起的透镜——菲涅尔透镜聚焦在红外传感器上。
本设计所运用的红外检测原理为：
自动冲水器系统启动后，如果有人靠近，则红外光波受人体的反射，反射回来的红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，控制信号经过控制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。
第三章系统的硬件设计
3.1系统框图
如图3.1所示，本设计主要由光电传感器、信号处理电路、AT89C51单片机、控制电路等硬件组成。
电信号由光电传感器传输过来，经过滤波、放大、整形后传送给单片机，单片机接收到处理过的电信号后，发出相应的控制信号，控制信号经放大后变成能够驱动电磁阀的信号，通过电磁阀来控制冲水器进行冲水。
信号处理
图3.1系统框图
3.2单片机芯片介绍
自单片机诞生以来的近30年中，单片机已有70多个系列、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。
本系统中选用了51系列中的AT89C51。
3.2.1主要性能特点
MCS-51系列单片机的典型产品为8051、8751、8031。
它们的基本组成和基本性能都是相同的。
常用的MCS-51这个术语，泛指以8051为内核的单片机。
8051是ROM型单片机，内部有4KB的掩膜ROM，即单片机出厂时程序已由生产厂家固化在程序存储器中；8751片内含有4KB的EPROM，用户可以把编写好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；8031片内没有ROM，使用时需在片外接EPROM;；AT89C51带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。
本设计采用AT89C51作为整个设计的核心部分， AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低功耗、高性能CMOS8位微处理器。
具有如下资源：
●兼容MCS—51指令系统
●4k可反复擦写（>1000次）FlashROM
●32个双向I/O口
●可编程UARL通道
●两个16位可编程定时/计数器
●全静态操作
●1个串行中断
●128x8bit内部RAM
●两个外部中断源
●共6个中断源
●可直接驱动LED
●3级加密位
●低功耗空闲和掉电模式
3.2.2引脚功能
本设计采用的AT89C51单片机
如图3-2-1。
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：
图3.289C51引脚图
P0口是一个8位双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。
在访问外部贮存器，分时进行工作，在指令前半周期，P0口作为地址总线，在指令的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，当向P1口锁存器中写入1时，P1口为输入方式。
（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，在访问外部贮存器时，它输出高8位地址。
（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，同时P3口还有一些特殊功能，以后将被介绍。
I/O总线的使用
：
P0口：
由于8051内部有程序存贮器，因而P0口能作为地址/数据总线，分时输出外部存贮器的低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中。
P1口：
P1口作为准双向口，它的每一位可作为输入线或输出线，用户可以把P1口的某些位作为输出线使用。
另外的一些位作输入线使用。
输出时，将“1”写入P1口的某一位口锁存器，则Q端上的输出场效应管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”写入口锁存器，输出场效应管T导通，引脚输出低电平，即输出“0”。
P2口：
同样是由于8051内部有程序存贮器，因此P2口能作为外部设备的输入/输出口。
一般情况下P2口只能作为系统扩展的高8位地址总线口。
CPU访问外部程序存贮器时，P2口输出程序存贮器的地址A8—A15，该地址来源于内部的程序计数器PC的高8位。
P3口：
P3口为多功能口，它的第一功能为准双向口，其特性和P0口相似，第二功能为特殊输入/输出线，其定义如下表所示：
表3.1P0口引脚第二功能表
引脚第二功能
引脚第二功能
P3.0RXD（串行输入线）
P3.4T0（定时器T0外部输入线）
P3.1TXD（串行输出线）
P3.5T1（定时器T1外部输入线）
P3.2/INT0（外部中断0输入线）
P3.6/WR（外部数据存贮器写脉冲输入线）
P3.3/INT1（外部中断1输入线）
P3.7/RD（外部数据存贮器写脉冲输入线）
3.3.3中断及定时
1．中断：
中断是工业过程控制及智能仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式。
所谓中断就是由于外部或内部事件而改变原来CPU正在执行顺序的一种工作机制。
在通常情况下，单片机执行主程序，只要当正常状态出现故障或发出中断请求时，单片机才暂时停止执行主程序，转去执行或处理中断服务程序。
执行完中断服务程序后，再返回主程序继续运行。
一个计算机系统中断能力的强弱，是衡量计算机能力的重要标志之一。
而8051正是因为有很强的中断能力而被广泛应用。
计算机的中断机制涉及到三个内容：
中断源、中断控制和中断响应。
中断源是指引起中断的事件；中断控制是指中断的允许/禁止、优先和嵌套等处理方式；中断响应是指确定中断入口、保护现场、进行中断服务、恢复现场和中断返回等过程。
中断的作用：
中断机制常用于计算机与外部数据的传送。
利用中断机制可以较好的实现CPU与外部设备的同步工作，实现实时处理。
一些重要的实时信号通常要求CPU做出快速响应，如本系统中输入单片机的驱动信号，如果CPU通过程序查询来监视这些信号不仅会浪费大量时间，而且很难做到快速响应。
采用了中断机制后，实时信号作为中断请求信号，使CPU快速进入中断响应状态，执行特定的中断服务程序，而平时CPU则执行实时性要求不高的程序。
表3.28051单片机中断系统表：
中断源
中断入口地址
说明
外部中断/INT0
0003H
从P3.2引脚上来的外部中断申请
定时器0中断T0
000BH
从定时器0的溢出使TF0置位,发出申请
外部中断/INT1
0013H
从P3.3引脚上来的外部中断申请
定时器1中断T1
001BH
从定时器1的溢出使TF1置位,发出申请
串行通道中断
0023H
完成操作后,中断申请标志T1或RI置位
（1）中断源
MCS-51单片机有三类中断源：
外部中断、定时器/计数器中断和串行口中断。
由于本设计只用到了前两种中断，所以这里主要介绍外部中断和定时器中断。
外部中断：
外部中断源是由外部引脚INT0、INT1引入的。
INT0为外部中断0请求信号。
编程者预先设置好哪些为有效的中断请求信号，一旦出现有效的中断请求信号，会使专用寄存器TCON中的IE0位置位，由此向CPU提出INT0的中断请求。
INT1为外部中断1请求信号。
与INT0类似，一旦出现有效的中断请求信号，会使专用寄存器TCON中的IE1位置位，由此向CPU提出INT1的中断请求。
CPU响应中断后会自动清除TCON中的中断请求标志位。
定时器中断：
定时器中断的中断源是由其溢出位引入的。
当定时器到达设定的时间后，其溢出位置位。
TF0和TF1分别为定时器0和定时器1的溢出位，它们位于专用寄存器TCON的bit5和bit7。
当定时器溢出时，相应的TF0和TF1就会置1，由此向CPU提出定时器中断请求。
CPU响应中断后会自动清除中断请求标志位。
（2）中断控制
发生中断请求后，CPU通过中断控制方式响应中断请求，编程者可根据设计需求设置不同的中断控制方式。
8051中断的控制方法：
8051单片机中的中断方式的选择，中断的允许和禁止，以及中断优先权的约定等等，都是由相应的寄存器来控制。
设计时，只要将相应的寄存器根据中断要求进行置位或复位即可。
CPU执行中断处理程序一直到RETI指令为止。
RETI指令是表示中断服务程序的结束。
CPU执行完这条指令后，清“0”响应中断时所置位的优先级状态触发器，然后从堆栈重弹出顶上的两个字节到程序计数器PC，CPU从原来被中断处重新执行被中断的程序。
由此可见，用户的中断服务程序末尾必须安排一条返回指令RETI，CPU现场的保护和恢复必须由用户的中断服务程序实现。
（3）中断响应
CPU响应中断的过程可分为设置标志、保护断点、选择中断入口、进行中断服务和中断返回五个部分。
响应中断后，硬件自动设置与中断有关的标志。
中断的断点保护是由硬件自动实现的，当CPU响应中断后，硬件把当前的PC寄存器的内容压入堆栈。
根据不同的中断源，选择不同的中断入口地址送入PC，从而转入相应的中断服务程序。
由于各中断入口地址间隔较近，通常可安排一条绝对转移指令，跳转到相应的中断服务程序。
不同的中断请求会有不同的中断服务要求，中断服务程序也各不相同。
中断服务程序最后执行中断返回指令RETI，标志着中断响应的结束。
本设计需要用到MCS—51单片机的外部中断INT0和INT1
由于外部中断INT0和INT1都有两种触发方式：
低电平触发和下降沿触发。
这两种方式的选择由中断控制器TCON中的中断类型控制位IT0和IT1决定。
本系统设计为IT0=1，下降沿触发的方式，INT0引脚上为负跳变（由高到低下降沿）有效，当有人来的时候INT0引脚接收到负跳变信号并产生中断信号；同样设定IT1=1，下降沿触发的方式，INT1引脚上为负跳变（由高到低下降沿）有效，当人离开时INT1引脚接收到负跳变信号并产生中断信号。
IT0、IT1可由软件置位或清零。
2．定时器：
MCS-51单片机有两个定时器，分别为T0和T1。
每个定时器有两个外部输入端（T0和T1）、两个8位的二进制加法计数器（TH0和TH1）。
由两个内部特殊功能寄存器（TMOD、TCON）控制定时器的工作，其中TMOD是定时器模式控制寄存器，其格式如下表：
表3.3TMOD格式表
寄存器名：
TMOD
位名称
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
地址：
89H
位地址
—
—
—
—
—
—
—
—
TMOD被分成两部分，每部分四位，分别用于定时器0和定时器1。
其中GATE和C/T用于控制计数信号的输入：
C/T=0时，计数信号取自于内部，其计数频率为晶振频率的1/12，此时工作于定时器模式；C/T=1时，计数信号来自于外部，此时工作于计数器模式。
M1和M0用于定义定时器的工作方式。
TCON是定时器控制寄存器，其格式如下表：
表3.4TCON格式表
寄存器名：
TCON
位名称
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
地址：
88H
位地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
TCON也被分成两部分，高四位用于定时器。
其中TR1、TR0用于控制计数信号的输入，TF1、TF0为计数器的溢出位。
TR0和TMOD中的GATE用于控制计数脉冲的接通，通常有两种使用方法：
GATE=0时，仅仅由程序设置TR0=1来控制接通计数脉冲，由程序设置TR0=0来停止计数。
GATE=1时，先由程序设置TR0=1，然后由外部TINT0=1来控制接通计数脉冲，INT0=0则停止计数。
所以，GATE位是专门用来选择计数去启动方式的控制位，GATE=0时可由程序来启动计数，GATE=1时可由外部硬件通过INT0端来启动计数。
两个8位计数器均为加法计数器，它们的级联和计数范围是由TMOD中的M1和M0来控制的。
M1和M0可设置四种内部计数的工作方式，如下表：
表3.5四种工作方式表
工作方式
M1
M0
功能
计数范围
0
0
0
13位二进制加法计数器
8192-初值
1
0
1
16位二进制加法计数器
65536-初值
2
1
0
可重置初值的8位二进制加法计数器
256-初值
3
1
1
2个独立的8位二进制加法计数器（对T0）
256-初值
工作方式0特点是：
主要为兼容早期的MCS-48单片机所保留，一般可用方式1代替。
工作方式1特点是：
计数范围宽，但每次的初值都要由程序来设置。
工作方式2特点是：
初值只需设置一次，每次溢出后，初值自动会从TH0加载到TL0或从TH1加载到TL1，但计数范围较方式1小。
工作方式3特点是：
增加了一个独立的计数器，但只能适用于定时器0，而且占用了定时器1的TR1和TF1，此时的定时器1只能用于不需要中断的应用。
四种工作方式对溢出处理均相同，加法计数超出范围后，溢出信号将使TCON中的TF0或TF1置位，计数值回到0或初值，重新开始计数。
TF0或TF1置位后，可向CPU提出中断请求。
TF0和TF1在CPU响应中断后会自动复位，而在禁止中断响应时，也可由软件来复位
。
定时器/计数器0和定时器/计数器1的中断由TF0和TF1置位产生。
当两定时器的计数器回零时产生溢出，使TF0和TF1置位向CPU申请中断。
CPU响应后，转入中断服务程序，由硬件清除中断标志TF0或TF1。
定时器/计数器的启停：
T0为定时方式1,在置TR0=1以后,定时立即开始,但在定时时间到后,还必须
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