基于单片机红外计数装置的设计.docx
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基于单片机红外计数装置的设计
密级：
学号：
本科生毕业论文（设计）
基于单片机的红外计数教室点到装置的设计
学院：
信息工程学院
年级：
专业：
电子信息工程
学生姓名：
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完成日期：
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：
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除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
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摘要
随着自动化、数字化和机电一体化的进步，智能化的仪器得到了广泛的使用，智能化的技术能提高生产管理的水平，采取红外传感器制作的电子计数器可以实现自动化的控制。
再加上单片机技术的提升，让实现功能电路变得简单，给人们的生活带来了方便。
以往的机械或电子计数器，电路布局复杂，而且需要的元器件数量比较多。
处理系统的稳定性相对较低外，当系统出现故障时，维修的成本也很高，功能不容易修改，因而得不到普及。
而以单片机为控制器的红外计数装置有很多优势，单片机的实时、准确性高、不易被干扰、电路设计简单。
本文设计的是一个4位红外计数器，用途非常普遍，如实时工控、导航、电器等。
对于机电一体化，单片机能实现高度的自动化、集中化。
关键词：
单片机；数码管；红外计数器
Abstract
Withtheprogressofautomation,digitalandmechanicalandelectricalintegration,intelligentinstrumenthasbeenwidelyused,intelligenttechnologycanimprovethelevelofproductionmanagement,taketheinfraredsensorandelectroniccountercanrealizeautomationcontrol.Combinedwithsingle-chipmicrocomputertechnology,torealizefunctioncircuitbecomessimple,broughtconveniencetopeople'slife.
Mechanicalorelectroniccounter,circuitlayoutiscomplex,thenumberofcomponentsandneedmore.Thestabilityoftheprocessingsystemisrelativelylow,whenthesystemfailure,maintenancecostishigh,thefunctionisnoteasytomodify,andthereforeisnotpopular.Andwiththesinglechipprocessorasthecontrolleroftheinfraredcountingdevicehasmanyadvantages,microcontroller,real-time,highaccuracy,susceptibletointerference,simplecircuitdesign.Isdesignedinthispaperafourinfraredcounter,useiswidespread,accordingtothefactsinindustrialcontrol,navigation,electricalappliances,etc.Formechanicalandelectricalintegration,SCMcanachievehighdegreeofautomationandcentralized.
Keywords：
Singlechipmicrocomputer;Digitaltube;Infraredcounter
第1章绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1选题的背景
人类的文明不断在进步，世界文明传承历史悠久，孕育了数字计数和字母计数等诸多计数方法，而这些数字也使得计算和累计得到了大幅度的扩展和延伸。
古代的人们以其笔墨纸张，以眼观的方式记录数目统计总汇，就当今社会来看早已不能满足现下人类快节奏发展的需要，而在古代却是人们赖以生存的计数方法。
当今社会以其快数性和准确性而存，以往的计数和统计方式正被现今的各种最新科技所取代和更新。
回顾过去祖先们用纸笔记录庞大的数目，统计大量的数据所花费的人力物力颇为感叹，所花费的时间更是令人震惊，然而其准确性也是相当令人担忧和折服的。
站在当今的科技时代里，科技早已成了生产的主力军，没有科技的力量，没有科技的推动，时代的步伐将会举步维艰。
当下青年将以身作则，学习科技力量，掌握科技知识，着眼于世界，努力创新，赶上历史发展的客轮。
现今社会电子技术飞速发展，其产品在人们生活中早已成了不可或缺的生活用品和发展利器。
航天事业离不开电子技术，军事作战离不开它，农业发展，医药发展，建筑发展等等，无不有电子技术的参与，电子技术类品更是市场炙手可热的的新宠儿。
由于电子技术的提升和进步，基于这一技术的智能产品使用及其普遍。
比如在工业生产中，许多工厂流水线需要对产品计数，以往的计数方式都是人为计件，工作效率不是很高。
而基于单片机的自动计数产品性能好、计数准确，并且成本很低，便于控制，因此在许多行业都很实用。
在日常生活中，具有红外报警功能的设备也得到了普及。
红外线是看不见的，这种报警装置不易被人察觉，安全性也有提高。
1.1.2选题的意义
社会的产物利于生活，源于生活，科技的进步随时代的需要而不断前行。
在电子计数器发展到现在差不多30年了，其迅速性和突破性令人瞠目结舌，关于其类产品的拓展和延伸更是各具特色，五花八门，各相出彩。
其造价低，性能高，简单方便易操作得到广大人士的亲睐和瞩目。
电子信息时代在这个百家争鸣的新时代里分秒必争，各种技术的综合已成为时代发展的驱能，本设计也不甘落后，紧跟时代步伐。
本设计红外计数装置的设计更加稳定、准确。
本设计具有自动计数和报警的功能。
把单片机与红外计数装置结合起来，其稳定、实时的智能计数与监控在日常生活与工业生产中都能得到应用。
在工业生产上，电子计数器高效能，高准确性的实现了计数的自动化及准确性，大大缩减了人们的工作时间和工作人数，以最小化的投入实现最大化的收益。
在生活学习中，电子计数器大大减轻了人类的工作量，不必再一一计数和累加，其产品简单方便易操作更是让人爱不释手。
农业生产中有了电子计数器不必挨个计数，可实现智能化和机械化的生产模式。
生态统计中以红外计数实现，生态分布的统计，准确快数掌握生态分布的流动量，以合理控制生态平衡。
建筑设计更是最为明显，街道人流量的计算有了更准确更快数的计数方式。
城市建设中即可统计城市人口流量，了解人口动态信息。
展望未来电子计数可以实现深海和天空的计数，给人类带来难以想象的便利和快捷。
本设计综合了红外线和电子计数的优点，把复杂变为简单，大大减轻了人们的工作量和时间量，人们的生活得到很好的改善和便利。
一切发明和创造都源于生活用于生活，本设计的适用性正是生活的产物。
1.2研究内容及目标
1.2.1研究的内容
本系统涉及到模电、数电、单片机电路及C语言编程、keil4的软件调试等，总的来说，包含以下几个方面：
（1）了解单片机原理和各个引脚功能。
（2）掌握C语言。
（3）了解传感器的检测原理。
（4）单片机驱动数码管的电路设计。
（5）数码管发光原理。
（6）蜂鸣器电路的设计。
（7）单片机定时、中断的原理。
（8）AltiumDesigner原理图的绘制。
1.2.2研究的目标
本设计采取单片机控制电路，旨在实现教室计数点到,用于简化点到计数的快捷性和准确性，帮助教师类工作人员以最短时间，实现课堂人数的考勤工作，也可以作为各种列会和组织的会仪等统计工作。
为了实现该目的，需要掌握以下内容：
STC89C52工作原理，红外装置包含红外发射端和红外接收端，三极管控制电流信号，数码管发光原理，按键的设置，蜂鸣器。
红外装置可以产生脉冲，单片机接收脉冲信号加以数据处理，进而控制三极管驱动数码管发光，当计数值达到设定的上限值时，蜂鸣器响。
每当有一个脉冲就是一个累加信号，单片机内部有计数的功能，可以实现自动计数。
第2章单片机控制电路的设计
2.1系统总体的方案设计与选择
方案1：
采取检测芯片的方法，芯片可以计数，然后发给单片机，单片机读取数据转换代码。
其中，74LS245是数码管的驱动芯片，AT24C02是EEPROM部分，有掉电数据保护的作用，可使系统更稳定。
如图2.1是该方案的框图。
图2.1方案一的框图
方案2：
红外发射和红外接收电路构成计数脉冲，有两对红外对管1,2构成光电检测电路，当有人或物体挡住红外光时，红外计数器把脉冲发给单片机，单片机经过转换，控制三极管驱动数码管发光。
如图2.2的框图。
图2.2方案2的框图
方案3：
采取红外接收管电阻的分压特点，先设置一个基本电压，选用LM324输出高低电平。
工作状态是这样的：
当有红光时，与接收管串在一起的电阻分到较大的电压，进而LM324送出一个低电平；当无红外光时，串联电阻分压小，LM324输出一个高低平。
这样的高低电平送到单片机就构成一个又一个脉冲，从而完成单片机计数。
如图2.3是方案3的框图。
图2.3方案3的框图
下面来说明各个方案：
方案1可以很好实现计数并且抗干扰能力很强，不过该方案的电路简单，属于自动设计产品，不仅如此，成本太高了，不完全符合在校学生的设计标准，因而该方案不能得到普及。
不过从计数的精准程度来说，如果采取此方法，设计思路很简单，只需要了解芯片的引脚功能和它的外部电路就可以了，检测芯片的计数是很准确的，但是如果说学习现成的模块来达到设计的目的，这并不是我设计的想法。
所以尽管这个方案很好，我也不采取该方案。
下面来说说方案2，计数功能不如方案1，但是基本上能实现准确计数，并且工作状态下很稳定，系统掉电具有保护数据作用，可以说是市场上比较流行的一种，价格方面也很合理，在高要求的计数场所也能使用。
经过对比，我决定采取此方案。
方案3也能发挥准确的计数功能，但是用LM324产生的高低电平取决于红外接收管的信号，高低电平转换有延时，而且LM324受温度、电路的影响较大，不太稳定，抗干扰能力弱。
故不选用此方案。
2.2单片机的概述
本系统的主控芯片是STC89C52，它主要由微处理器、RAM、ROM、I/O口、串行口、中断和寄存器组成。
它有4组I/O口，分为P0-P3口。
P3口具有第二功能，其中有五个中断源：
P3.2和P3.3是两个外部中断，可采取电平触发或者边沿触发的方法，P3.4和P3.5是两个内部定时器中断，还有一个串行中断。
RAM即随机存储器，既可以读取数据，写可以写入数据，并且读写迅速，但是断电不能保存。
ROM是只读存储器，写的周期较慢，但是数据在断电后不丢失，ROM有早期的EPROM需要需要紫外线，后来EEPROM电擦写，最近的FLASH的快速擦写。
单片机体积小、集成度高、制作方便，有贴片式和双列直插式两种封装形式，一共40个引脚。
并且单片机可靠性高，工作电压稳定，接+5V电压，单片机很容易扩展RAM、ROM，制作电路的成本低。
用途非常普遍，如实时工控、导航、电器等。
单片机有很多不同的种类，用户可以根据电路的设计要求选择适合的芯片。
2.3单片机的结构
单片机内部程序存储器分为ROM型、EPROM型和FlashMemory型。
其中，ROM型单片机是内部具有工程掩模编程的ROM存储器，其内部的程序不能修改；EPROM型是内部具有EPROM的程序存储器，其内容可以用紫外线擦除，如8751。
FlashMemory型具有FlashMemory的程序存储器，其内容可写入和擦除，如Atmel公司的89C52。
如图2.4是单片机的内部结构图。
图2.4单片机内部结构图
图2.4单片机内部结构图
以上的是单片机的基本结构，包括一个8位的CPU、布尔、片内振荡器、128B的片内存储器、4KB的程序存储器、寻址范围为64KB的外部数据存储器和程序存储器、21个专用寄存器、4个8位I/O口、全双工的串行口、两个16位的定时器、5个、两个中断优先级和111条指令，片内采用单总线结构。
如图2.5是STC89C52的引脚图。
图2.5STC89C52的引脚图
各引脚的功能如下：
1—8引脚：
P1.0—P1.7，P1口有上拉电阻，当对其写入“1”时，即为高电平，P1口就可当作输入端口，由于上拉电阻的存在，当其中某一个引脚为“0”时，该引脚就会送出一个电流信号。
9脚：
复位端，可实现上电复位，也可以手动复位。
10—17引脚：
P3.0—P3.7，是8位双向I/O口，每个引脚的第二功能包括外部中断端口，内部定时器、计数器输入端口以及外部位选和段选信号输入端口。
18、19引脚：
时钟引脚，也可以外接晶体振荡器。
当接外部时钟时，HMOS单片机的18脚接地、19脚接外部振荡信号；而对于CHMOS单片机来说，此时18脚接外部振荡信号、19脚悬空。
当不接外部时钟而采取外接晶体时，该晶体与片内的反向放大器可以构成一个振荡器，也能产生时钟脉冲。
20引脚：
GND接地。
21—28引脚：
P2.0—P2.7，可连接外部I/O设备，也可用作高8位地址总线。
通常扩展地址时作地址总线用。
29引脚：
PSEN，可驱动8个TTL电路。
30引脚：
地址锁存有效输出端。
31引脚：
当该端口为“1”时，单片机访问内部程序存储器，但当PC（程序计数器）值超过某值时，当该端口为“0”时，则不管是否有内部程序存储器而只访问外部程序存储器。
32—39引脚：
P0.0—P0.7，为双向8位三状态I/O口。
P0口无上拉电阻，当想要驱动外部电路时要外加上拉电阻。
40引脚：
接电源+5V。
2.4单片机的最小系统
2.4.1复位电路
复位电路有手动复位和上电自动复位，手动复位，就是人为操作按键使单片机复位。
当程序进入死循环时就可以采取手动复位的方式让单片机复位。
自动复位，即上电就可以实现复位。
如图2.6是两种复位方式。
图2.6上电自动复位（左图）和手动复位
2.4.2单片机的最小系统
如图2.7是单片机的最小系统。
图2.7单片机的最小系统
2.5键盘设计
在本系统中，按键的设计必不可少，除了一个复位按键外，还有三个按键，分别是减键、加键、设置键。
按键可以设定计数的上限报警值，设定的参数可以掉电保存到STC单片机的内部。
按键键盘有独立的和矩阵的。
这种键盘形式灵活，结构简单。
这个形式适用于按键相对较少的情况。
当按键数量较多时，一般将按键组合成矩阵的形式。
在矩阵键盘中，每行每列的相交处不是直接连接的，是用按键连接的。
在开始计数前，需要先设定计数上限值，即全班的人数。
按下设置键，然后调节加键或者减键就可以设定上限值。
当红外传感器每感应到一次物体或人时，数码管显示的计到的数就会加一。
当计数到设定值时蜂鸣器响和指示灯亮。
如图2.8是一个按键电路的设计。
图2.8独立按键的设计
2.6蜂鸣器的电路设计
在单片机系统中，除了显示器件之外，有时候会经常用到发生器件，最常见的就是蜂鸣器。
蜂鸣器可用于声音报警和一些提示音。
蜂鸣器有自己的固有频率，不过也可以外加各种各样的频率使它发出一些简单的音乐。
蜂鸣器很容易使用，通常不采取I/O口直接与其相连，而是用三极管驱动。
如图2.9，是蜂鸣器与单片机的一种常见的连接方式。
图2.9蜂鸣器的连接方式
第3章数码管显示结构的设计
3.1数码管的电路设计
3.1.1数码管的显示原理
LED数码管的结构很简单，通常说的是七段数码显示管（加上DP端，也说作八段数码管），有共阳极和共阴极两种。
共阳极就是八个发光二极管的阳极一并连接，共阴极就是所有的阴极一并连接。
本系统采取共阴极数码管，如图3.1是共阴极连接。
图3.1数码管的共阴极方式
这样，一个数码管就有一个位选端和8个段选端。
控制位选和段选的高低电平就能显示一个数字。
一般的结构是由多个数码管构成，本系统中用4个数码管构成4位数字显示。
一共有4个位选端和32个段选端,DP（小数点）引脚悬空不接。
位选端可以控制点亮数码管，段选端可以控制点亮一个数码管的哪几个发光二极管，当需要显示的位数较多时，需要采取译码芯片进行扩展。
常见的驱动芯片有74LS138等，是一个3-8线译码器。
数码管有静态和动态显示，静态的是数码管上每位一起显示各自的字符。
动态的是每个数码管来回的显示各自的字符，由于人眼视觉的暂时停留，看上去好像全部的数码管都被点亮了，进而实现字符的显示。
实际上，这都是人的错觉，只是字符来回显示的速度太快了，人眼区分不出来，所以感觉上是字符在动态变化。
本系统中，采取的是静态显示。
当红外计数脉冲变化时，单片机接收信号，进行数据转换控制三极管驱动数码管加一，实现计数的功能，当红外接收装置始终能接收红外信号，即无人或物体经过红外装置时，数码管保持数字不变。
3.1.2三极管驱动电路
三极管不仅可以放大电流，还可以用作开关。
三极管用作开关时，工作在截止区和饱和区。
如图3.2，是三极管的外形和内部结构图，三极管有“两结”：
发射结和集电结；有“三区”：
发射区、基区和集电区；还有“三级”：
发射极、基极和集电极。
图3.2三极管的外形（左图）和内部结构
三极管由两个PN结（发射结和集电结）构成，注意这两个结是一个整体，而不是独立的。
在三极管的结构中，基区很薄，这样发射结和集电结就靠的很近。
基区的载流子（空穴）很少，发射区的载流子（电子）很多，发射结的面积比集电结小，因此三极管可以控制电流。
按照结构的极性，分为NPN型和PNP型。
这两种极性的三极管原理一样，但载流子极性不同。
如图3.3是三极管的两种极性结构图。
图3.3三极管的两种极性结构图
三极管的工作状态有：
放大、饱和和截止。
在模电中主要用到放大，在数电中主要用到饱和和截止。
在本系统中，三极管作为开关使用。
如图3.4是三极管的开关特性。
图（a）是三极管共E极电路，图（b）是三极管的输出特性曲线，图（c）是三极管简化的开关模型。
图3.4三极管的开关特性
如图3.4（b），Ib曲线与负载线的交点就是电路的工作点，当Ib小于0时，三极管工作在A点，是截止区；当增加Ib时，工作点会由截止区向饱和区移动；当Ib增大到超过S点时，三极管就到了饱和区。
所以三极管用作开关时，必须满足截止和饱和的条件：
Ube小于0，Ib大于Ib（sat）。
三极管的开关特性常常应用在驱动蜂鸣器和继电器等元器件。
如图3.5是驱动电路。
图3.5驱动电路
第4章程序的设计与仿真
4.1系统编译环境和程序的设计
本系统采用Keiluvision4进行程序的编写，keil4是能够编写、编译程序，还能调试软件程序。
起初，keil4只能简单的编写、编译C程序和汇编程序，如今发展到现在，已经是一个重要的单片机开发软件。
Keil4界面简单明了，容易操作能创建hex文件，进而实现与proteus的连接。
如图4.1是编写的程序在keil4
中的编译和hex文件的创建。
图4.1程序的编译界面
4.2硬件电路的仿真
硬件的仿真用到proteus软件，Proteus可以仿真模拟电路和集成电路，有很多元器件库，包含了很多基本的模拟和数字元器件，ISIS包含了虚拟的仪器仪表、单片机、电路的仿真和程序。
本系统在proteus中设计，在元器件库中查找需要的单片机、电阻、数码管、三极管等，然后进行连线，节省了设计时间。
如图4.2是仿真图。
图4.2系统仿真图
第5章结论
本文设计了一个红外计数系统，系统中包含红外计数装置、单片机控制电路、三极管驱动电路、蜂鸣器电路和数码管显示电路。
首先，我学习了红外计数装置，在了解了其原理后，刚开始很纠结于方案的选择。
三种方案能实现此功能，最后决定用方案2。
数码管的计数显示是由STC89C52控制的，用4个三极管来驱动4个数码管，单片机通过位选可以控制数码管的点亮与熄灭，通过段选控制单个数码管中哪几个发光二极管的亮灭，实现动态显示计数数值。
在程序设计的过程中确实是比较麻烦，刚开始的时候，我试着点亮一个数码管，这个不难。
然后是点亮两个，这里就出现问题了，我对于动态显示的原理有点不理解，后来才明白是利用人眼视觉的暂留，就是“错觉”来实现的，只要每个数码管来回轮流显示各自的数字就行了，由于延迟的时间非常短，所以看上去就是一个静止的数字。
在掌握了数码管的显示方法后，接着我学习了单片机及其外围电路。
单片机通过接收红外脉冲信号开始计数，每来一个信号，单片机就计一次数，转换数据代码，通过I/O口连接数码管显示。
本系统设计要求利用红外装置实现教室自动点到的功能，对于远距离的红外传感器测控等技术都有指导的意义。
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附录1
原理图
实物图
附录2
使用方法和步骤图列
1，如图为未接通电源的设计图，图中红色字体1,2,3标记的按键依次为减键，加键（置零键），设置键。
打开开关后，加减键变
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