-
第
I
页
2.3
设计框图
本次设计是基于
STC89C52
单片机的电动机保护装置
，
包括稳压模块、
按键控制、
红
外发射接收模块、模数转换、电机部分。
稳压模块
红外发射
接收模块
模数转换
MCU
信号处理
电
机
按键控制
图
2.1
电机保护装置的总体框图
稳压模块<
/p>
[2]
是经变压器、滤波、稳压后输出电压
5V
，为整个电路提供电源。
按键控制根据设计需要设置工作
模式和调节安全距离所用，主要用于控制整个装
置的操作。模数转换是整个电路的桥梁，
主要把模拟量转换为数字量。本设计的
电机部分是由
LED
模拟电动机的工作和停止的。
第
II
页
3
主要器件介绍及工作原理
3.1
红外传感器的简介
红外技术是最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工
农业生产等领域获得广泛的应用。
红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：
1
、
红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量。
2
、
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其运动进行
跟踪。
3
、
热成像系统：能形成整个目标的红外辐射分布图像。
4
、红外测距系统：实现物体间距离的测量。
5
、通讯系统：红外线通信作为无线通信的一种方式。
6
、混合系统：是指以上各类系统中的两个或多个的组合。
3.1.1
红外对管测距原理
红外线测距是利用
红外光来传送光波信号，因此，作为红外测距中的红外光发射器
件的红外发光二极管和红
外光接收器件的红外光敏管，是构成红外测距系统的基本器
件。
如图
3.1
所示是红外对管的实物图。
图
3.1
红外对管实物图
传感器的探测距离较
短，一般在几十厘米之内，而这个测距范围是能够满足设计方
案要求的。红外传感器的测
距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，经障
第
III
页
碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有<
/p>
障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物
体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。
因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直
线
传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不
透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温<
/p>
度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。
3.1.2
红外线发射器件的结构
红外线发射
器件是最长用的为红外发光二极管，
它与普通发光二极管的结构
原理以
及制作工艺基本相同，是只有一个
PN
结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红
外发光二
极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。红外发光二极管一般采用
环氧树脂，
玻璃，塑料等封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装
的，
。红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率，中功率，大功率三种。另外，
红外发光二极管除顶面发光型外，还有侧面发光型。小功率管一般采用全塑封装，也有
部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹
< br>金属底座，以便安装散热片。随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。
3.1.3
红外发光二极管测试方法
红外发光
二极管测试方法
[3]
非常简单，用万用表
RX1K
档测量，正向电阻在
30KΩ
左右，反向电阻在
200KΩ
以上的管子是好的。反向电阻
越大，漏电流越小，质量越好。
反之，若反向电阻只有几十
KΩ
，说明管子质量不好，但可使用。若管子的正向的反向
电阻都为
无穷大或为零，说明管子是废品，不能使用。
3.2
模数转换芯片
3.2.1
TLC2543
的简介
TLC2543
是
TI
公司
的
12
位串行模数转换器，如图所示
T
LC2543
的引脚图，其使
用开关电容逐次逼近技术完成
A/D
转换过程
[4]
。由于是串行输入结构，能够节省
51
系
< br>
第
IV
页
列单片机
I/O
资源；且价格适中，分
辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
如表
3.1<
/p>
TLC2543
引脚功能，
TLC2543
的特点如下：
1
、
12
位分辩率
A/D
转换器；
2
、在工作温度范围内
10
μ
s
转换时间；
3
、
11
个模拟输入通道；
4
、
3
路内置
自测试方式；
5
、采样率为
66kbps
；
<
/p>
6
、线性误差±
1LSBmax
；
7
、有转换结束输
出
EOC
；
8
、具有单、双极性输出；
9
、可编程的
MSB
或
LSB
前导；
10
、可编程输出数据长度。
表
3.1 TLC2543
引脚功能
引脚号
1~9
，
11,12
名称
AIN0~AIN10
I/O
I
器选通。
片选端口。在
CS
端由高变低时，内部计
15
CS
I
数
器复位。由低变高时，在设定时间内禁
止
DATAINPUT<
/p>
和
I/O CLOCK
17
16
19
DA
TANPUT
DA
TAOUT
EOC
I
O
高时处于高阻态，为低电平时为激活态
O
转换结束端，在转换结束后为高电平
串行数据输入端。
A/D
转换结果的三态串行输出端。
CS
。
为
说明
模拟量输入端。<
/p>
11
路输入信号由内部多路
第
V
页
图
3.2
TLC2543
引脚图
3.2.2
工作时序
TLC2543
每次转换和数据传送使用
16
个时钟周期，且在每次传送周期之间插入
/
CS
时序如图
3.3
所示。
在
TLC2543
的<
/p>
/ CS
变低时开始转换和传送过程
,
I/ O CLOCK
的
前
8
个上升沿将
8
个输入数据位键入输入
数据寄存器，同时，将前一次转换的数据的
其余
11
位移出
DATAOU T
端，在
I/ O CLOCK
下降沿
时数据变化。当
CS
为高时，
I/
O CLOCK
和
DATA INPU T
被禁止，
DA2TA OU T
为高阻态。
访问周期
采样周期
高阻状态
转换数据
B15
C7
移
入
新
的
器
件
地
址，移出转换值
A/D
转换时间
图
3.3
TLC2543
的时序图
3.2.3
数据输入格式
数据寄存器的前
4
位
(D7
～
D4)
数据
[4]
，当其为
0000
到
1010
间的数据时，代表选
第
VI
页
中
11
个模拟通道的某一个通道
[5]
1011
到
1
110
代表分别选中测试电压
(Vref-+ Vref +)
/2
、
Vref -
以及
Vref +
。
D3
、
D2
表示输出数据长度，
D1
表示输出数据的格式
( 0
为
MSB
，
1
为
LSB)
，
D0
就决定了
TLC2543
的工作方式。
3.3
LCD1602
的应用
1602
液晶也叫
1602
字符型液晶，它是一种专
门用来显示字母、数字、符号等的点
阵型液晶模块
[6]
。它由若干个
5X7
或者
5X11
等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可
以显示一
个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和
行间距的作
用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
3.3.1
字符操作控制
1602
液晶模块内部的字符发生存储器
（
CGROM)
已经存储了
160
个不同的点阵字符
图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、
和日文假名等，每
一个字符都有一个固定的代码，
比如大写的英
文字母
“
A
”
的代码是
01000001B
（
41H
）
，
显示时模块把地址
41H
中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“
A
”
。
因为
1602
识别的是
ASCII
码，试验可以用
ASCII
码直接赋值，在单片机编程中还
可以用字符型常量或变量赋值，如‘
A
’
。
3.3.2
指令操作控制
1602
通过
D0~D7
的
8
位数据端传输数据和指令。
显示模式设置：
(
初始化
) 0011 0000
[0x38]
设置
16
×
2
显示，
5
×
7
点阵，
8
位数据
接口。
显示开关及光标设置：
(
初始化
) 0000 1DCB D
显示
(1
有效
)
、
C
光标显示
(1
有效
)
、
B
光标闪烁
(1
有效
)
。
0000 01NS
N=1(
读或写一个字符后地址
指针
加
1 &
光标加
1)
。
N=0(
读或写一个字符后地
址指针减
1 &
光标减
1)
，
S=1
且
N=1 (
当写一个字符后，
整屏显示
左移
)
。
s=0
当写一个字符后，整屏显示不移动。
数据指针设置：
数据首地址为
80H
，
所以数据地址为
80H+
地址码
(0-27H
，
40-67H)
。
第
VII
页
3.4
主控芯片简介
电动机保护装置设计的主控芯片是
STC89C52
4
电路图设计
4.1
红外发射接收电路
红外对管收发电路如图
4.1
所示，
TLC2272
轨对轨运放进行信号处理，频率和距离
可以通过精密电阻调节。对从输入端口送入信号进行进行编码，使用编码红外线，抗干
扰能力强，可通过单片机控制，可以避免多个红外模块之间干扰。除此之外
TLC227
2
具有放大功能经过两级放大后模拟电压达到了可以检测到范围。
图
4.1
红外发射接收电路
由运放
LM32
4
比较输出，当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器
输出为高电平；当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平。
第
VIII
页
NE555N
组成施密特触发器
[8]
，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。施密特触发器
555
内部有电阻分压网络，当
R13
与
R14
的分压输入大于其阈值时输出反向，
555
是对
Vcc
及地而言的，不是对
交流信号的。在交流信号中串接一个电容，改变信号的电位。
滑动变阻器
PR1
可以调节
LM324
放
大器的输入，可以调节比较电压，同时可以调节频
率和距离。当
555
输出时高电平时，三极管
9013
导通。红外对管发射管
LED0
工作。
其中
C1
、
C2
分别与
R15
，
R10
组成无源高通滤波器，
C3
为旁路电容。
LED2
是之所以要反接，
< br>是因为红外接收管应用时
PN
结要反偏
< br>[9]
，
因为
PN
结反偏
后漂移电流随着光变化的灵敏度大，这样可以更好地线性变化。从
TLC2272
第二级输
出端即为
AO
是模拟信号输出端，随着障碍物与红外对管的距离，输出端的电压值
也随
着变化。
4.2
模数转换模块电路
图
4.2
是数模转换电路整体效果图，
主要由
TLC2543
转换芯片，
红外发射接收电路
主要是普通红外发射管和红外接收三极管。
图
4.2
数模转换电路
电路工作原理：红外发光管发射出的红
外光，在遇到前面的障碍物反射后，由红外
接收三级管接收，
此
时红外接收三级管会产生一个与光强相对应的电流。
,
在输出端
可以
得到一个
0
～
3V
的模拟电压，
作
51
单片机模拟输入量进行
A/D
转换
,
最后将转换结果在
LCD
上显示出来。输入的模拟信号直接与
AIN
相连，用软件设置
所选通道，然后对其
进行读数据。
4.3
按键部分
第
IX
页
按键部分按功能主要是复位键和控制键如图
4.3
所示。
复位键
KEY1<
/p>
：当单片机运行出问题时，复位键控制单片机复位。
控制键
KEY2
：调节模式，进入设置期望的安全
距离数值。
控制键
KEY3
：设置安全距离时，加数值。并且还具有开电动机的功能。
控制键
KEY4
：置安全距离时，减数值。
单片机根据
ADC
转换的数据和拟合函数进行计算，
得到实际距离并且在
LCD
上显
示距离大小。当实际距离小于设定距离时，
LCD
正常显示，继电器动作，
LED
灯灭，
蜂鸣器响起。当设定距离大于时，
LED
灯保持亮的状态，蜂鸣器不响并且红外发光二极
管发光报警。
图
4.3
按键控制电路
4.4
其他模块电路
图
4.4
所示，
继电器驱动
电路
[10]
。
当
P20
口给低电平时三极管
8550
饱和导通，
此电
路中的三级管有放大电流和做开关的作用。继
电器上电吸合，此时
LED0
点亮。
L
ED0
是
模拟电动机，
LED
亮说明在工作，灭是不工作。
二极管
D1
与继电器线圈并联后，二极管负极接直流电源正极，继电器线圈断电
时，
二极管因势利导，为线圈电流继续流动提供途径，残余能量在线圈与二极管组成的回
路
中较为平缓地自我消耗掉，开关得到有效保护。
第
X
页
图
4.4
继电器驱动电路
图
< br>4.5
蜂鸣器驱动电路
[3]
，
这与继电器驱动电路有相似之处。当
P21
口给低电平时
三极管
8550
饱和导通
[11]
，此电路中的三级管有放大电流和做开关的作用。这样蜂鸣器
达到了工作的条件。
图
4.5
蜂鸣器驱动电路
第
XI
页
5
软件设计部分
5.1
软件设计框图
红外收发部分
实验数据
AD
模块程序
继电器控制
电机程序
主程序
数据显示程序
图
5.1
软件设计框图
如图
5.1
所示，红外收发部分根据障碍物与红外对管的距
离不同，输出不同的
模拟信号，模拟信号经过
AD
采集模块程序的处理转化为数字信号
[13]
，写入
单片
机中
,
进行实验，将固定距离所采
集到的信号强度记录下来，然后将对应的数据加
入程序中，最后通过红外模块进行测量<
/p>
,
便可显示出对应的距离值，根据设定距离
与实时距离比对，比对的值送到单片机，单片机处理比对结果，然后对继电器做
出处理
。单片机主程序是整个程序的基础，也是核心。
5.2
程序设计流程
在理解设计任务的时候，首先画出了如图
5.2
所示，
根据程序设计流程图，我
对程序的编写有了很清晰地思路。
AD
采集主要是对通过
AD
转换芯片对红外
对管
的数据采集。采样的电压数据在
LCD
上显示。电压值对应的距离是通过多次测量
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