毕业设计：基于单片机的人机接口技术设计

毕业设计：基于单片机的人机接口技术设计内容摘要：

1P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E / P R O G30E A / V p p31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C40A T 8 9 C 5 1123A7 4A L S 3 2R41 0KR31 0KR51KC 1 32 2u FSC 1 40 .1 u FCS1SO2WP3V S S4V C C8R S T7S C K6SI5X 2 5 0 4 5p1 . 0p1 . 3p1 . 1p1 . 2+ 5V 图 复位和 X25045看门狗电路硬件连接图 13 看门狗定时器的预置时间是通过 X25045 的状态寄存器的相应位来设定的如表 所示， X25045 状态寄存器共有 6 位有含义，其中 WD WD0和看门狗电路有关，其余位和 EEPROM 的工作设置有关。 表 X25045状态寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP WD1＝ 0， WD0=0，预置时间为 ； WD1＝ 0， WD0=1，预置时间为 ； WD1＝ 1， WD0=0，预置时间为 ； WD1＝ 1， WD0=1，禁止看门狗工作。 看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。 编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。 当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系 统复位。 X25045的看门狗电路使用十分方便 X25045内部还集成了 512BEEPROM和电压运行监视系统，只需这样一块芯片，外加晶振和复位电路就可以组成单片机的应用系统，非常适合于便携式仪器和嵌入式系统的设计。 晶振电路 晶振是晶体振荡器的简称。 它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。 高级的精度更高。 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。 本 系统单片机采用 12MHZ 的晶振，晶振电路采用 30PF 的电容。 其电路图见图。 图 晶振电路 XTAL1 C1 30pF C2 30pF XTAL2 接地 AT89C51 12MHZ 14 I/O 口扩展电路 由于本系统由于 I/O 口资源比较紧缺，所以在这里通过 8155 扩展 I/O 口，为系统提供足够的 I/O 资源。 8155 是可编程 RAM/IO 芯片，为 40脚双列直插封装，功能较强，广泛的应用在计算机电路中。 它有两个 8 位口 A、 B 和一个 6 位可编程并行口 C，总共可以扩展出 22 条接线。 它含一个 14位可编程定时器 /计数器，其中可预置的计数器的计数范围是从 2 到 16383，可用于延时、计数或分频。 它内部还有 256字节的 RAM，可以补充 CPU 内存的不足。 其可直接与 MCS51 单片机相接，是 MCS51 单片机应用系统中应用最多的芯片之一。 其与单片机的连接电路如图。 传感器的选择、性能及其信号转换电路 人体接近检测 目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射 /接收以及微波等技术为基础，但是这些报警器成本高，误报率高，隐蔽性不好。 而这里设计的被动式红外报警器则采用了 美国的传感元件 —— 热释电红外传感器 P2288。 这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。 热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。 用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性AD0 AD7 RD +5V +5V WR CE IO/M ALE ALE RD WR AT89C51 图 I/O口扩展电路 RESET 8155 15 好，可流动安装，灵敏度高、控制范围大，对警戒目标实施多点监控，漏报率极低，设置了语音报警电路和数码显示电路，报警内容明确，方式新颖 [18]。 凡是存在自 然界的物体都会辐射出红外线，只是其释放的红外线的波长是不一样的。 用红外线传感器可以检测物体发射的红外线，并可进行测量、成像或控制。 人体可辐射出中心波长为 9μ m～ 10μ m 的红外线，而用于人体检测的红外线传感器波长灵敏度特性在 m～ 20μ m 范围内几乎是稳定不变的。 热释电红外传感器的原理是某些电介质具有强烈的自发极化效应，受到热辐射而产生温度变化时。 其表面上会产生电荷变化。 在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器 (PIR)，它能将波长为 8μ m～ 12μ m 之间的红外信号变化转变为电信号，并 能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的誉戒区内。 当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测的基本原理就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。 另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式：即折射式和反射式。 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射 (反射 )在 PIR 上，第二个作用是将警戒区内分为若千个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在 PIR上产生变化热释红外信号，这样 PIR 就能产生变化的电信号。 但由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱 (通常仅有 1mV 左右 )，而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式 (脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为 ～ 10Hz 左右 )，所以此热释电红外传感器需要添加信号放大电路才能连上 ADC0809 进行信号转换 [12]。 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 所以本系统热释电红外传感器的信号放大电路是由 LM324 组成两级放大来实现的。 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。 与单电源应用场合的标准运算放大器相比 ,它们有一些显著有点。 该四放大器可以工作在低到 或者高到 32V 的电源下，静态电流大致为 MC1741 的静态电流的五分之一 (对每一个放大器而言 )。 共模输入如范围包括负电源 ,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 输出电压范围页包含负电源电压。 16 每一组运算放大器可用图 ，它有 5个引出脚，其中“ +”、“ ”为两个信号输入端，“ V+”、“ V”为正、负电源端，“ Vo”为输出端。 两个信号输入端中， Vi()为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。 LM324 引脚图见图。 图 LM324的运算放大器 图 LM324引脚图 此处放大 器选用两级放大，第一级 LM324 放大电路的电压放大倍数 Av1仅由外接电阻 R R4 决定： Av1=R4/R2。 负号表示输出信号与输入信号相位相反。 按电路图 中所给数值得： Av1=100；第二级 LM324 放大电路的放大倍数 Av2 由 R7 和 R8 决定：Av2=R8/R7。 由图 13 种所给数值得： Av2=50；所以此热释电红外传感器的信号放大电路的放大倍数是： Av=Av1 Av2=5000。 热释电红外传感器输出的探测信号电压仅有 1mV左右，所以经过这两级信号放大电路放大后，大小变为 5V 左右，正好可以作为信号 转换电路 ADC0809 的模拟信号输入，再经信号转换电路转换成数字信号就可以传送给单片机 AT89C51 处理了 [17]。 热释电红外传感器信号放大电路如图 所示。 321P 22 8 8R21 0k R31 0kR41MR57 .5 K R61 0k + 5V+ 5V+ 9VR85 00 KR71 0K 1 2 V 图 热释电红外传感器信号放大电路 信号转换电路 17 本系统需要把四个离子感烟传感器和四个热释电红外传感器的八个模拟输出信号经过转换后，再把其传送给单片机进行处理。 在此，选用八位 ADC0809 芯片，其主要特性为。 1) 8路 8位 A／ D 转换器，即分辨率 8位； 2) 具有转换起停控制端； 3) 转换时间为 100μ s； 4) 单 个＋ 5V 电源供电； 5) 模拟输入电压范围 0～＋ 5V，不需零点和满刻度校准； 6) 工作温度范围为 40℃ ～＋ 85℃； 7) 低功耗，约 15mW[9]。 其与单片机的连接如图 所示。 键盘电路 键盘在单片机应用系统中是一个很关键的输入部件。 它能实现向计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。 由于本系统需设置的输入键不多，所以键盘设计采用独立式键盘，通过 AT89C51 的 I/0 口，即 、 和 设成输 入模式，读取键盘的输入。 74LS373 OC G + + RD WR Q Q D CLK ALE 89C51 CLK A B D7 C D0 Vr(+) Vr() IN7 START IN0 ALE OE EOC A0 A1 A2 A7 ADC0809 图 ADC0809连线图 八路模拟输入 基准电压 1/4 74LS74 18 单片机应用系统中，键盘扫描只是 CPU 的工作内容之一。 CPU 在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。 键盘工作方式的选取原则是既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用 CPU 的工作时间。 通常，键盘工作方式有三种，即：编程扫描，定时扫描和中断扫描。 键盘工作于编程扫描方式时。 CPU 要不间断地对键盘进行扫描工作，以监视键盘的输入情况，直到有键按下。 在这期， CPU 不能执行任何其它任务，因此 CPU 利用率不高；定时扫描方式，即利用单片机内部定时器产生定时中断。 CPU 响应中断 后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键并执行相应键功能程序。 在这种方式下， CPU 除了定时监视一下键盘输入情况外，其余时间可以进行其它任务的处理， CPU 的利用率提高了；中断扫描工作方式，即只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描并执行该键功能程序，如无键按下， CPU 就不用理睬键盘，因此提高了 CPU工作效率，同时也提高了系统对键盘的响应速度。 因此，本系统使用的是键盘中断扫描工作方式，共设置 8个按键：一个复位按键，控制单片机的复位；四个测试按钮开关，测试报警电路是否正常。 剩余三个按键由AT89C51 芯片的 、 和 三口扫描，功能分别是自动报警、报警启动、报警关闭 (自动报警按键作用是使系统处于自动报警状态，报警启动按键只要按下不管在 什么状态报警电路均立即启动，产生报警，直到有人按下报警关闭按键 )。 其硬件电路如图 所示。 数码管显示电路 LED 数码管的主要特点如下。 +5V 图 键盘扩展电路 3 单片机 INT1 AT89C51 与 门 19 1) 能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与 CMOS、 ITL 电路兼容 ； 2) 发光响应时间极短 ( )，高频特性好，单色性好，亮度高 ； 3) 体 积小，重量轻，抗冲击性能好 ； 4) 寿命长，使用寿命在 10 万小时以上，甚至可达 100 万小时 ， 成本低。 因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。 本系统所需显示的内容不多，所以这里只使用六个数码管。