燈塔導航設計傳感器

1、摘要本文主要論述了利用光敏三極管的光電檢測功能模擬海上燈塔控制電路。在夜間，燈塔具有引導航行的作用。此系統(tǒng)是以光敏三極管，單片機為核心開發(fā)制作的自動控制燈塔導航系統(tǒng)，采用光敏三極管來完成自動控制識別白天和黑夜的任務，并可以用電位器對其靈敏度進行微調(diào)。夜間燈塔內(nèi)的燈是海上船舶在內(nèi)河安全航行的助航設施，其主要功能是表示航道方向，界限與障礙物，為船舶航行指示安全的航道，該系統(tǒng)經(jīng)改進后還可以廣泛應用于報警系統(tǒng)，交通燈控制，樓道光控照明燈控制等多個領域，具有實際開發(fā)價值。關鍵詞：海上燈塔，導航，光敏三極管，A/D轉換，單片機，自動控制目錄摘要1引言3一、設計目的及要求41.設計目的42.設計要求4二、設

2、計方案與論證41.設計思路42.總體方案43.總體框圖4三、硬件設計設計原理及電路圖51.芯片及原理介紹52.硬件電路圖9四、軟件設計設計原理及流程圖101.軟件環(huán)境102.軟件流程圖10五、器件清單11六、軟件編程與調(diào)試11七、控制系統(tǒng)實現(xiàn)14八、設計心得14九、參考文獻15引言隨著社會的發(fā)展和科學技術的進步，人們在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律及生產(chǎn)活動時，必然從外界獲得大量信息，信息的獲取、處理、傳輸已經(jīng)成為信息領域的關鍵技術。要及時正確地獲取這些信息，就必須合理地選擇和應用各種傳感器和檢測技術。作為信息技術的三大支柱之一，傳感器與檢測技術已滲透到人類的科學研究、工程實踐和日常生活的各個方面，在促進

3、生產(chǎn)發(fā)展和科學技術進步的廣闊領域中發(fā)揮著重要的作用。光電式傳感器是將光通量轉換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的基礎是光電轉換元件的光電效應。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，一般情況下具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應快等特點，加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器的內(nèi)容及其豐富，在檢測和控制領域獲得了廣泛的應用。隨著海上交通運輸業(yè)迅速的發(fā)展，海上航行安全問題已經(jīng)越來越被人所重視。為了解決夜晚航行安全問題，本文對此問題進行了研究和分析解決。本設計是以光敏三極管，單片機為核心開發(fā)制作的自動控制燈塔導航系統(tǒng)，采用光敏三極管來完成自

4、動控制識別白天和黑夜的任務，用ADC0832完成模數(shù)轉換部分，并可以用電位器對其靈敏度進行微調(diào)。燈塔內(nèi)的燈在黑夜每隔2秒閃閃發(fā)光，可以起到指示航道方向，界限與障礙物等作用，由此夜晚航行安全問題得以解決。一、設計目的及要求1.設計目的 本設計主要是應用Proteus ISIS軟件和嵌入式C語言編程工具，結合傳感器與檢測技術，單片機原理及應用等專業(yè)課程，強化和鞏固專業(yè)理論基礎，掌握Proteus ISIS仿真的技巧和嵌入式C語言編程工具，提高傳感器的應用能力，并為嵌入式開發(fā)打下基礎。2.設計要求1. 燈塔內(nèi)的燈在黑夜能定時閃閃發(fā)光，白天不亮2. 設定時間間隔為2秒，即亮2秒，滅2秒，周期循環(huán)（系統(tǒng)

5、晶振12MHZ）3. 可以對其靈敏度進行微調(diào)二、設計方案與論證1.設計思路（1）使用光敏三極管來完成自動控制識別白天和黑夜的任務（2）用ADC0832完成模數(shù)轉換部分（3）用電位器對其靈敏度進行微調(diào)2.總體方案本系統(tǒng)可分為三個模塊，以單片機為主控單元，采用光敏三極管來完成自動控制識別白天和黑夜的任務，用ADC0832完成模擬信號到數(shù)字信號的轉換過程，在定時器中斷中實現(xiàn)LED燈閃爍的控制，并可以用電位器對其靈敏度進行微調(diào)。 LED燈顯示模塊 A/D轉換模塊單片機主控模塊3.總體框圖 圖1 總體框圖三、硬件設計設計原理及電路圖1.芯片及原理介紹（1）AT89S52（由于在仿真軟件中沒有該元件，用A

6、T89C51替代） AT89S52與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz33MHz、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數(shù)器、八個中斷源、全雙工串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標識符。圖2 AT89S52引腳示意圖AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示： 表1 AT89S52特殊功能引腳引腳特殊功能P1.0T2（定時器T2外部輸入）P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部輸入）

7、P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀先通）（2）ADC0832（a）ADC0832是8腳雙列直插式雙通道A/D轉換器，能分別對兩路模擬信號實現(xiàn)模數(shù)轉換，可以用在單端輸入方式和差分方式下工作。ADC0832采用串行通信方式，通過DI 數(shù)據(jù)輸入端進行通道選擇、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送。8位的分辨率（最高分辨可達256級），可以適應一般的模擬量轉換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便

8、。（b）ADC0832 具有以下特點：· 8位分辨率；· 雙通道A/D轉換；· 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；· 5V電源供電時輸入電壓在05V之間；· 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32S；· 一般功耗僅為15mW；· 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；· 商用級芯片溫寬為0°C to +70°C，工業(yè)級芯片溫寬為-40°C to +85°C；圖3 ADC0832引腳圖（c）芯片接口說明：· CS_ 片選使能，低電平芯片使能。

9、3; CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。· CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。· GND 芯片參考零電位（地）。· DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。· DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出。· CLK 芯片時鐘輸入。· Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）（d）ADC0832的工作原理：  正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時使用并與單片機的接口是雙向的，所以在I/O口資源緊張時可以將DO和DI并

10、聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘（CLK）輸入端輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第一個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第二、三個脈沖下沉之前DI端應輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。表2 通道地址設置表通道地址通道工作方式說明SGL/DIFODD/SIGN0100+-差分方式01-+10+單端輸入方式11+  如

11、表2所示，當此兩位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時，只對CH0 進行單通道轉換。當2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉換。當兩位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當兩位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進行輸入。到第三個脈沖的下降之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個脈沖下降沿開始由DO端輸出轉換數(shù)據(jù)最高位Data7，隨后每一個脈沖的下降沿DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)Data0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正

12、是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下降沿輸出Data0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次A/D轉換的結束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。  作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是05V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV，即（5/256）V。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉換后的數(shù)據(jù)結果始終為00H。（e）ADC0832的工作時序

13、圖4 ADC0832的工作時序圖（3）光敏三極管（a）簡介光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。 通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補償和附加控制等作用。（b）優(yōu)越性當具有光敏特性的PN 結受到光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當于倍的信號電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。（c）基本結構和工作原理三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把正塊半導

14、體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，如圖從三個區(qū)引出相應的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c?；鶇^(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。2.硬件電路圖（a）時鐘電路圖5時鐘電路圖（b）復位電路圖6復位電路圖（c）傳感器與A/D轉換電路圖7傳感器與A/D轉換電路圖（d）總電路圖圖8 總電路圖四、軟件設計設計原理及流程圖1.軟件環(huán)境本次課設用到了V

15、ision集成開發(fā)環(huán)境，使用單片機C51語言。單片機C51語言繼承了C語言的特點，其程序結構與一般C語言的程序結構沒有差別。C51源程序文件的擴展名為“.c”，如test.c等。每個C51源程序包含一個名為main()函數(shù)開始的。當主函數(shù)的所有語句執(zhí)行完畢，則程序執(zhí)行結束。2.軟件流程圖開始IO口，定時器T0初始化NAD轉換Y轉換值<50？開啟定時器中斷，控制led閃爍圖9 程序流程圖五、器件清單表3 元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注光敏三極管OPTOCOUPLER-NAND250uA15mA1AD轉換器ADC0832無1單片機AT89C514個I/O口1電位器POT-HG1k1LE

16、D燈LED-YELLOW無1開關SWITCH無1開關BUTTON無1電容CAP33pF，10uF2，1晶振CRYSTAL1MHz1電阻RES1k，10k1，1電源POWER無3地GROUND無3六、軟件編程與調(diào)試源程序：#include <reg51.h>#include <intrins.h>/*預定義部分*/sbit led=P00; /led控制sbit dio=P32;/ad模擬信號輸入端sbit cs=P30;/ad選通控制sbit clk=P31;/ad時鐘信號unsigned char s=0;/計數(shù)時間=s*50ms/*AD轉換部分*/unsigned

17、char Get_AD_Result()unsigned char i,dat1=0,dat2=0;cs=0;clk=0;dio=1;_nop_();_nop_();clk=1; _nop_();_nop_();clk=0;dio=1;_nop_();_nop_();clk=1; _nop_();_nop_();clk=0;dio=0;_nop_();_nop_();clk=1;dio=1;_nop_();_nop_();clk=0;dio=1;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i+)/高位到低位clk=1;_nop_();nop_();clk=0;_nop_();

18、_nop_();dat1=dat1<<1|dio;for(i=0;i<8;i+) / 低位到高位dat2=dat2|(unsigned char)(dio)<<i);clk=1;_nop_();_nop_();clk=0;_nop_();_nop_();cs=1;return (dat1=dat2)?dat1:0;/檢驗是否轉換正確，正確則返回轉換后的數(shù)字量/*主控部分*/void main() led=0; EA=1; ET0=1; TMOD=0x01; TH0=(65535-46083)/256; TL0=(65535-46083)%256; TR0=1; while(1) if(Get_AD_Result()<50) /檢測是否黑暗 TR0=1; else TR0=0; led=1; /*LED閃爍部分*/void timer0(void) interrupt 1s+; if(s=40)/ 檢測是否到達2s led=!led;s=0;TH0=(65535-46083)/256;TL0=(65535-46083)%256;七、控制系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)試結果：圖10調(diào)試結果圖八、設計心得本次課程設計的題目是基于光敏三極管的