单片机红外遥控系统设计(最终版).doc

本科毕业设计（论文） 题 目 基于单片机的红外遥控系统设计学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师 完成时间 单片机的红外遥控系统设计摘 要基于市场的需求，结合红外遥控的设计简单、方便、成本低廉等特点，采用了51单片机作为遥控发射、接收的主芯片，HS0038作为一体化红外接收管，对载波信号进行接收、解调、放大、检波、整形等。在此基础上设计一个简易的红外遥控控制电机转速的系统。系统包括红外发射和红外接收两大部分，本设计实现了电机的基本功能：多级调速功能。另外本设计可以增加按键的个数，可用于扩展控制其他的功能。关键字 红外遥控 信号调制 编码The Design Of The Infared Remote Contorl Based On 51-MCUAbstract The design was based on household products, Considering that infrared remote control is simple, easy to operate, low-cost, I use a special launching and receiving chip which depends on remote control, the signal demodulation, amplification, filtering, shaping, etc. On the basis of this chip a system of intelligent infrared remote-control was designed for the fan. The system consists of the part and the receiving part. This system is designed to achieve basic function of fans: two kinds of speed. and the function of two kinds of wind which are the natural wind and the normal wind. Key words Infrared Remote Control Signal Modulation Encoding目 录中文摘要I英文摘要II1 绪 论11.1课题设计目的及意义11.2 红外技术的发展史21.3 红外技术的应用22 课题的方案设计42.1 红外遥控的原理42.2 红外编码42.3 红外遥控的设计思路52.4 总体设计框图53 系统的硬件结构设计73.1 系统方框图73.2 系统功能需求83.3 51系列单片机的功能特点83.4 红外发射电路153.5 红外接收电路163.6 控制电路173.7 电源电路设计203.8 显示部分的设计213.9 按键设计234 系统软件的设计264.1遥控码的发射264.2 红外接收294.3 调速单元314.3.1 调速原理314.3.2 调速方法324.4 系统的软硬件的调试34总 结35致 谢36参考文献37附 录381 绪 论1.1课题设计目的及意义随着科技的发展，人们的生活节奏也越来越快，随之人们对方便、快捷的要求也随之不断增高！遥控器的出现，在一定程度上满足了人们这个要求！遥控器是由发明家Robert Adler在五十年代发明的。而红外遥控是20世纪70年代才开始发展起来的一种远程控制技术，其原理是利用红外线来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制。具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，利用接收器接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。 红外遥控具有独立性、物理特性与可见光相似性、无穿透障碍物的能力及较强的隐蔽性等特点。随着红外遥控技术的开发和迅速发展，很多领域都应用了红外遥控的技术，特别是电器领域得到了广泛的应用。从单纯的在电器面板上通过按钮控制，到短距离(10m以内)的遥控控制，虽然改变不大，但其带来的便利无疑是巨大的。随着红外遥控技术的成熟，使得遥控器变得设计简单、价格低廉。 作为含有电机的一种老牌电器，电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积轻巧等特点。虽然现在空调在城市中已经相当普遍，并有替代电风扇的趋势，但由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一个成熟的家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额。目前红外遥控器已在各种电器上得到了广泛的应用，但一般设备系统均采用专用的遥控编码及解码集成电路，具有制作电路简单等特点，但由于这些芯片价格昂贵，功能键数和功能受到限制，且相互之间采用的遥控编码方式相互不兼容，只适用于专用的产品，应用范围受到限制，采用单片机进行的遥控系统设计，具有硬件接口简单方便，编程灵活多样，操作码个数可以随意设定等优点。 市场的需求促使了电风扇的发展。随着“智能化”的兴起，电风扇的功能也越来越多，越来越贴进人们的生活。因此，对于电风扇的开发和设计依然有着较大的实用价值。在现有市场上多功能遥控电风扇的基础上，人们提出了一种新型的智能电风扇，相对于以往的电风扇，智能电风扇添加了很多人性化的设计，如安全保护，倾倒保护，智能照明等功能，使电风扇更加人性化，相信其丰富的功能，人性化的设计将会大大提高电风扇的市场竞争力。 本设计就是以电风扇的电机为对象，通过红外遥控实现电风扇的调速功能，相对于传统的机械控制，体现出了更加方便快捷的优点。 1.2 红外技术的发展史红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。 1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。 19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。 20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。 30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。 40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。 50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。 到60年初期，对于13、35和813微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。 60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。1.3 红外技术的应用红外技术在安防领域、消防领域 、电力领域 、企业制程控制领域、医疗领域、建筑领域、遥感领域、工业控制、航空航天、家电领域等应用广泛。红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。由于红外通信具有隐蔽性，保密性强，故国外军事通信机构历来重视这一技术的开发和应用。这一技术在军事隐蔽通信，特别是军事机密机构、边海防的端对端通信中将发挥出重要的作用。2 课题的方案设计2.1红外遥控的原理红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射雕红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。 发射机一般由指令键(或操作杆)、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载体进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定指令编码信号。接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路(机构)等几部分组成。接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。2.2 红外编码本设计采用码分制。采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的被控对象，最小为2个脉冲。为了使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余为1ms，遥控码数据帧间隔大于10ms，码分制编码编程简单，在按键较少的情况下优势明显。如图1所示。电器0的遥控输出码电器1的遥控输出码图 1 码分制编码波形图2.3 红外遥控的设计思路 红外遥控是单工的红外通信方式，整个通信中，需要一个发射端和一个接收端。发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收端普遍采用价格便宜，性能可靠的一体化红外接收管接收红外信号，它同时对信号进行解调、放大、检波、整形，得到相应的信号，再送给单片机，经单片机控制相关的被控对象。 图2 遥控器原理框图 2.4 总体设计框图整体设计思路为：根据扫描到不同的按键调用不同的程序，从P0.7口输出控制脉冲与38KHZ的载波（周期是26.3us）进行调制，经NPN三极管对信号放大驱动红外发光管将信号发送出去。红外数据接收则采用HS0038一体化红外接收管，内部集成红外接收头、数据采集、解码等功能，经过P3.2口将信号传输给单片机，单片机通过P0.4口输出信号对电机进行转速的控制。系统总体框图如图3所示。按键STC89C51单片机红外发射电路红外接收电路STC89C51单片机控制电路图3 设计框图3 系统的硬件结构设计3.1 系统方框图（1）发射端电路：单片机系统及显示电路、红外发射电路以及按键电路、稳压电路等组成。其设计原理框图如下：按 键显 示STC89C51稳压电路红外发射管图 4 手持段遥控器方框图（2）接收端电路：单片机系统、红外接收电路、稳压电路、控制单元等组成。其设计原理框图如下：STC89C51控制单元红外接收管220V交流电源+5V电源图 5 红外接收端方框图3.2 系统功能需求本遥控系统要求用单片机作为控制芯片制作一个遥控器，另一个单片机控制系统能被遥控操作。本系统要求遥控器具有多级调速的功能。用 STC89C51单片机来作主芯片控制，采用HS0038作为红外一体化接收管，控制电机的转速，具有红外遥控的功能特点。3.3 51系列单片机的功能特点（1）主要特性·与MCS-51 兼容 ·4K字节可编程闪烁存储器 ·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路 (2)主要组成部分·微处理器(CPU)·数据存储器(RAM)·程序存储器(ROM/EPROM)，8031没有此部件·4个8位并行I/O口(P0口、P1口、P2口、P3口)·1个串行口·2个16位定时器/计数器·中断系统·特殊功能寄存器(SFR)微处理器：51单片机中有1个8位的CPU，与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能不仅可以处理字节数据，还可以进行位变量的处理。数据存储器：片内为128B，片外最多可扩张到64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B的RAM，以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机的运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。程序存储器：用来存储程序，8031无此部件；8051为4KBROM；8751则为4KBEPROM。如果片内只读存储器的容量不够，则需用扩展片外只读存储器，片外最多可扩展至64KB。中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。定时器/计数器：片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数，因而需要在单片机内部设置定时器/计数器部件。串行口：1个全双工的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。特殊功能寄存器：特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。 STC89C51的引脚功能，图6所示: 图 6 AT89S51的引脚功能图（3）管脚说明 VCC（40引脚）：接+5V电源。 Vss（20引脚）：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向三态I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0口外部电位必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 (外部中断0)P3.3 (外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 (外部数据存储器写选通)P3.7 (外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST/Vpd（9引脚）：RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个市中振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应为小于0.5V低电平。Vpd为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供内部电源，以保证片内RAM的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。（30引脚）：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器的锁存信号。即使不访问外部锁存器，ALE端任有正脉冲信号输出，此频率为时钟正当频率Fosc的1/6。如果想初步判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号的输出。如果有正脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。每当MCS-51访问外部数据存储器时，在一个机器周期中ALE只出现一次，即丢失1个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个LS型TTL负载。PROG为本引脚的第二功能，在对片内编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 （29引脚）：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的OE(输出允许)端。PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。如果检查一个MCS-51单片机应用系统上电后，CPU能否正常到外部程序存储器读取指令码，可以用示波器检查PSEN端有无脉冲输入。 （31引脚）：功能为内外程序存储器选择控制端。当引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH(对于8051、8751)时，即超出片内程序存储器地 4KB地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当引脚为低电平时，单片机只访问外部程序存储器，不论有无内部程序存储器。对于8031来说，因其无内部程序存储器，所以该引脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。Vpp为本引脚的第二功能。对于EPROM型号的单片机8751片内的EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压(例如+21V或+12V)。对于89C51，则加在Vpp引脚的编程为+12V或+5V。 XTAL1(19引脚)：接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是一个反向放大器的输入端。这个反向放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。 XTAL2(18引脚)：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反向放大器的输出端。如采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。内部结构框图如图7所示。 图7 STC89C51的内部结构框图(4)STC89C51的基本操作 如图8所示，在C2和C3之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，电路中的电容C2和C3典型值通常选择为30pF左右。电容的大小会影响振荡频率器的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是1.2MHZ到12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠的近些，以减少寄生电容，更好的保证振荡器的稳定性、可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性好的电容。STC89C51复位引脚RST/Vpd通过片内一个施密特触发器(抑制噪声作用)与片内复位电路相连，施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持2个机器周期的高电平时，就能使STC89C51完成一次复位。复位不影响RAM的内容。复位后，PC指向0000H单元，使单片机从起始地址0000H单元开始重新执行程序。所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每一个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需的信号。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现上电自动复位。按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位两种方式。其中电平复位是通过RST端经电阻和电源Vcc接通而实现的；当时钟频率选用6MHZ时，C1取22uF,R s取0.2K欧姆，Rk1欧姆。脉冲复位则是利用RC微分电路产生的脉冲来实现的。复位电路参数的选择应能保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。关于复位还有一个就是“看门狗”技术，它就是使用一个计数器不断的进行计数，监视程序循环运行。若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这是计数器溢出，然后强迫系统进行复位，在复位如后0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行进入正轨。在单片机系统运行时，有可能发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失。这时要求系统应首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。目前看门狗电路已经集成到一些处理器监控芯片中，集成化程度较高，功能齐全，具有广阔的应用前景。在单片机系统中使用微处理器监控芯片，可以大大提高单片机应用系统的抗干扰能力和可靠性。图 8 STC89C51基本操作电路3.4 红外发射电路本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。单片机遥控发射器主要由单片机、按键、红外发射电路三部分组成。单片机部分主要完成遥控发射器发射过程的控制、按键扫描的管理和显示。单片机选用STC89C51，其中P0.7用于输出方波信号控制红外发射电路的工作，遥控器信息吗由STC89C51单片机的定时器1中断产生38KHZ红外方波信号，由P0.7口输出，经过三极管进行放大，由红外发射管发送，改变滑动变阻的阻值大小可以改变红外发射的距离。在确定选择STC89C51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体震荡器便可实现红外发射。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它发出的便是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通的发光二极管相同，只是颜色不同。 遥控发射通过键盘，每按下一个键，即产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在38KHz的载波上，激励红外光二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机的遥控接收器。P1口作为按键部分，P0.7口作为红外发射部分。电路图如图9所示。图9 红外发射电路3.5 红外接收电路在接收过程中，信号经过HS0038红外一体化红外接收管，此信号经过解调、放大、检波、整形在送到单片机中，从而完成相应的遥控功能。接收电路图见图10。通常，红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码)调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，产生红外信号发射出去。将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz(周期为26s)的载波信号进行脉幅调制(PAM )，再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号的识别即解码过程是去除38KHz载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。由MCS51 系列单片机STC89C51、一体化红外接收头、还原调制与红外发光管驱动电路组成。一体化红外接收管HS0038的解调可以理解为：接收到红外脉冲串时，输出低电平，否则输出高电平，显然输出的信号极性与发送信号的相反。所以解码时要将接收到的信号经过反向才能和发送信号编码一致。当接收端接收到表示传输开始的同步帧后，接收单片机进入解码过程，解码采用软件抽样判决。红外遥控器接收部分由主程序、信号解码子程序和执行控制子程序，主程序负责初始化，检查有无红外信号。控制程序则随各设备的不同而不同。HS0038可以直接对红外信号进行解调，并将解调后的信号直接给微处理器进行解码和存储。接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。图 10 红外接收电路3.6 控制电路 在电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，甚至产生误动作，从而带来破坏性的后果。在控制部分采用了隔离驱动电路，用光电器件作为隔离元件，利用光耦来隔离强电，以防止强电影响单片机的工作。光电隔离的目的是割断两个电路的电气联系，使之相互独立，从而也就割断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。光电隔离是通过光电耦合器实现的。光耦又称光电隔离器或光电耦合器，它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器与受光器封装在管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“光电光”的转换。光电耦合器是把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个外壳里的器件。外壳有金属的或塑料的两种。发光二极管和光敏三极管之间用透明绝缘体填充，并使发光管与光敏管对准，以提高其灵敏度，光电耦合器的电路符号如图11所示。对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。图11 光电耦合器原理图输入信号使用权发光二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出，从而既完成了信号的传递又实现了电气上的隔离。光电耦合的响应时间一般不超过几个微秒。由于光电耦合器是电流型输出，不受输出端工作电压的影响。因此可以用于不同电平的转换。光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。一方面光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位所产生的影响。另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环路是低阻抗电路，它对噪音的敏感度低，因此提高了通信系统的抗干扰能力。光电耦合器的输入端与输出端在电气上是绝缘的，且输出端对输入端也无反馈，因而具有隔离和抗干扰两方面的独特性能。通常使用光电耦合器是为实现以下两个主要功能：电平转换：TTL电路与电源电路之间不需另加匹配电路就可以传输信号，从而实现了电平转换。隔离：这时由于信号电路与接收电路之间被隔离，因此即使两个电路的接地电位不同，也不会形成干扰。光电耦合器中光敏三极管的基极有引出和不引出两种形式。基极引出通常是经一个电阻接地。光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号利用率大为提高，主要有以下原因： 光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。 P3Z838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号P3Z838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 P3Z838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号P3Z838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 P3Z838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号P3Z838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10s左右，适于对回应速度要求很高的场合。光电耦合器的主要特点：能够有效抑制接地回路的噪声，消除地干扰，使信号现场与主控制端在电气上完全隔离，避免了主控制系统受到意外损坏。可以在不同电位和不同阻抗之间传输电信号，并且信号有放大和整形等功能，使得实际电路设计大为简单。开关速度快，高速光电耦合器的响应速度达到ns数量级，极大的扩展了光电耦合器在数字信号处理中的应用。体积小，器件多采用双列直插封装，具有单通道、双通道以及多达八通道等多种结构，使用十分方便。可替代变压器隔离，不回因触电跳动而产生剑锋噪声，且抗震和抗冲击能力强。高线性型光电耦合器除了用于电源监控等，还被用于医用设备，能有效地保护病人的生命安全。通过接地电阻可以控制耦合的响应速度和灵敏度。总的来说，电阻越小，响应速度越高。其控制电路如图12所示。图12 控制电路3.7 电源电路设计典型电源稳压应用电路如图13所示。图中C6用于频率补偿，防止自激振荡和抑制高频干扰；C5采用电解电容，以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响；LM78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。LM7805起到稳定电压的作用，提供+5V电压。电源稳压电路主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。电源稳压电路原理图如图13所示。 图13 电源稳压电路3.8 显示部分的设计LED，发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。 LED灯得主要特点：    体积小：LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。    耗电量低：LED耗电非常低,LED流星灯，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电不超过0.1W。    使用寿命长：在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。    环保：LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。    坚固耐用：LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固,灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。响应速度快：这是半导体器件共有的特点。 可视距离远：led的单点直径可达52mm，可视距离500米以上。 规格品种多：led显示屏有室内的、户外的，有单色的、双色的、全彩色的。 数字化程度高：全数字化，可实现高分辨率图形方式。 亮度高：可用于户外，如交通灯、防雾灯等。并且亮度可以根据晴天和阴天或上午、下午的不同亮度需求自动灵活调节。 LED灯发光原理：发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。电子和空穴之间的能量（带隙越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太短，则光线太弱，人眼无法看清；但也不能太长，因为要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越长。另外，显示位数增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示的实质是以牺牲CPU时间来换取器件的减少。图14 显示模块 3.9 按键设计 单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。 (1)编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较复杂。(2)非编码键盘的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开，因此必须有一套相应的程序与之配合，才能产生相应的键码，非编码键盘几乎不需要附加什么硬件电路。因此为了简洁电路，我使用非编码键盘。但使用非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。基于键数少的原因我采用独立式键盘接口与单片机相连接，因为它占用的I/O口不多。图中每个按键占用一个口，彼此独立，互不影响。上拉电阻保证按键没被按下时，I/O口输入高电平。独立式键盘可工作在查询方式下，通过I/O口读入键状态，当有键被按下时I/O口变为低电平，而未被按下的键对应为高电平，这样通过读电平状态可判断是否有键按下