灯塔导航设计传感器
摘要
本文主要论述了利用光敏三极管的光电检测功能模拟海上灯塔控制电路。在夜间，灯塔具有引导航行的作用。此系统是以光敏三极管，单片机为核心开发制作的自动控制灯塔导航系统，采用光敏三极管来完成自动控制识别白天和黑夜的任务，并可以用电位器对其灵敏度进行微调。夜间灯塔内的灯是海上船舶在内河安全航行的助航设施，其主要功能是表示航道方向，界限与障碍物，为船舶航行指示安全的航道，该系统经改进后还可以广泛应用于报警系统，交通灯控制，楼道光控照明灯控制等多个领域，具有实际开发价值。
关键词：海上灯塔，导航，光敏三极管，A/D转换，单片机，自动控制
目录
摘要 ............................................................................................................................ - 1 - 引言 ............................................................................................................................ - 3 -
一、设计目的及要求 .................................................................................................. - 4 -
1.设计目的.................................................................................................................... - 4 -
2.设计要求.................................................................................................................... - 4 -
二、设计方案与论证 .................................................................................................. - 4 -
1.设计思路.................................................................................................................... - 4 -
2.总体方案.................................................................................................................... - 4 -
3.总体框图.................................................................................................................... - 5 -
三、硬件设计——设计原理及电路图 ........................................................................ - 5 -
1.芯片及原理介绍........................................................................................................ - 5 -
2.硬件电路图................................................................................................................ - 9 -
四、软件设计——设计原理及流程图 ...................................................................... - 10 -
1.软件环境.................................................................................................................. - 10 -
2.软件流程图.............................................................................................................. - 11 -
五、器件清单 ........................................................................................................... - 11 -
六、软件编程与调试 ................................................................................................ - 11 -
七、控制系统实现 .................................................................................................... - 14 -
八、设计心得 ........................................................................................................... - 14 -
九、参考文献 ........................................................................................................... - 15 -
引言
随着社会的发展和科学技术的进步，人们在研究自然现象和规律及生产活动时，必然从外界获得大量信息，信息的获取、处理、传输已经成为信息领域的关键技术。要及时正确地获取这些信息，就必须合理地选择和应用各种传感器和检测技术。作为信息技术的三大支柱之一，传感器与检测技术已渗透到人类的科学研究、工程实践和日常生活的各个方面，在促进生产发展和科学技术进步的广阔领域中发挥着重要的作用。
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器的内容及其丰富，在检测和控制领域获得了广泛的应用。
随着海上交通运输业迅速的发展，海上航行安全问题已经越来越被人所重视。为了解决夜晚航行安全问题，本文对此问题进行了研究和分析解决。
本设计是以光敏三极管，单片机为核心开发制作的自动控制灯塔导航系统，采用光敏三极管来完成自动控制识别白天和黑夜的任务，用ADC0832完成模数转换部分，并可以用电位器对其灵敏度进行微调。灯塔内的灯在黑夜每隔2秒闪闪发光，可以起到指示航道方向，界限与障碍物等作用，由此夜晚航行安全问题得以解决。
一、设计目的及要求
1.设计目的
本设计主要是应用Proteus ISIS软件和嵌入式C语言编程工具，结合传感器与检测技术，单片机原理及应用等专业课程，强化和巩固专业理论基础，掌握Proteus ISIS仿真的技巧和嵌入式C语言编程工具，提高传感器的应用能力，并为嵌入式开发打下基础。
2.设计要求
1. 灯塔内的灯在黑夜能定时闪闪发光，白天不亮
2. 设定时间间隔为2秒，即亮2秒，灭2秒，周期循环（系统晶振12MHZ）
3. 可以对其灵敏度进行微调
二、设计方案与论证
1.设计思路
（1）使用光敏三极管来完成自动控制识别白天和黑夜的任务
（2）用ADC0832完成模数转换部分
（3）用电位器对其灵敏度进行微调
2.总体方案
本系统可分为三个模块，以单片机为主控单元，采用光敏三极管来完成自动控制识别白天和黑夜的任务，用ADC0832完成模拟信号到数字信号的转换过程，在定时器中断中实现LED灯闪烁的控制，并可以用电位器对其灵敏度进行微调。
3.总体框图
图1 总体框图
三、硬件设计——设计原理及电路图
1.芯片及原理介绍
（1）AT89S52（由于在仿真软件中没有该元件，用AT89C51替代）
AT89S52与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33MHz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、双数据指针、掉电标识符。
图2 AT89S52引脚示意图
AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：
表1 AT89S52特殊功能引脚
（2）ADC0832 （a）ADC0832是8脚双列直插式双通道A/D转换器，能分别对两路模拟信号实现模—数转换，可以用在单端输入方式和差分方式下工作。ADC0832采用串行通信方式，通过DI 数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送。8位的分辨率（最高分辨可达256级），可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
（b）ADC0832 具有以下特点：
· 8位分辨率；
· 双通道A/D转换；
· 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
· 5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
· 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
· 一般功耗仅为15mW；
· 8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装；
· 商用级芯片温宽为0°C to +70°C，工业级芯片温宽为-40°C to +85°C；
图3 ADC0832引脚图
（c）芯片接口说明：
· CS_ 片选使能，低电平芯片使能。
· CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
· CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
· GND 芯片参考零电位（地）。
· DI 数据信号输入，选择通道控制。
· DO 数据信号输出，转换数据输出。
· CLK 芯片时钟输入。
· Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）
（d）ADC0832的工作原理：
正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。
表2 通道地址设置表
如表2所示，当此两位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当两位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当两位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第三个脉冲的下降之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿开始由DO端输出转换数据最高位Data7，随后每一个脉冲的下降沿DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据Data0，
一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下降沿输出Data0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。
作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0—5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV，即（5/256）V。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。
（e）ADC0832的工作时序
图4 ADC0832的工作时序图
（3）光敏三极管
（a）简介
光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。
（b）优越性
当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。
（c）基本结构和工作原理
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。
2.硬件电路图
（a）时钟电路
图5时钟电路图
（b）复位电路
图6复位电路图
（c）传感器与A/D转换电路
图7传感器与A/D转换电路图
（d）总电路图
图8 总电路图
四、软件设计——设计原理及流程图
1.软件环境
本次课设用到了μVision集成开发环境，使用单片机C51语言。单片机C51语言继承了C语言的特点，其程序结构与一般C语言的程序结构没有差别。C51源程序文件的扩展名为“.c”，如test.c等。每个C51源程序包含一个名为main()函数开始的。当主函数的所有语句执行完毕，则程序执行结束。
2.软件流程图
图9 程序流程图 五、器件清单
表3 元件清单
六、软件编程与调试
源程序：
#include #include /*预定义部分*/
sbit led=P0^0; //led控制 sbit dio=P3^2; sbit cs=P3^0; sbit clk=P3^1;
//ad模拟信号输入端 //ad选通控制 //ad时钟信号
unsigned char s=0; //计数时间=s*50ms /*AD转换部分*/
unsigned 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
for(i=0;i
dat2=dat2|((unsigned char)(dio)
//高位到低位
clk=1; _nop_();nop_(); clk=0; _nop_();_nop_(); dat1=dat1
}
}
clk=0; _nop_();_nop_();
cs=1;
return (dat1==dat2)?dat1:0; //检验是否转换正确，正确则返回转换后的数字量
/*主控部分*/ void main() { }
/*LED闪烁部分*/
void timer0(void) interrupt 1 {
led=0; EA=1; ET0=1; TMOD=0x01;
TH0=(65535-46083)/256; TL0=(65535-46083)%256; TR0=1; while(1) { }
if(Get_AD_Result()
TR0=1;
else {
TR0=0;
led=1; }
s++;
if(s==40) }
{ }
// 检测是否到达2s
led=!led; s=0;
TH0=(65535-46083)/256; TL0=(65535-46083)%256;
七、控制系统实现
调试结果：
图10调试结果图
八、设计心得
本次课程设计的题目是基于光敏三极管的光电信号检测—海上灯塔导航设计。最开始的学习过程中，并没有对光敏三极管有多么深刻的了解，在课设的准备过程中，经过图书馆资料的翻阅以及上网了解的基本知识，加深了对传感器知识的了解，并对此进行了简单设计。
在做课设的过程中，经过多次调试，本次课设终于成功。课程设计是培养学生综
合运用所学知识，发现实际为题、提出实际问题、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际学习能力、动手能力的具体训练和考察过程。在此次设计过程中，在学习新知识的同时，把在课程中学到的理论知识运用到实际作品设计，操作中更进一步地熟悉了光敏三极管的结构及掌握了其工作原理和具体的使用方法与相关元器件的参数计算方法、使用方法了解了电路的开发和制作及课程设计报告的编写。加深了对相关理论知识及专业知识的掌握度，增强自身的动手能力，锻炼及提高了理解问题、分析问题、解决问题的能力，更深刻体会到了理论联系实际的重要性。
通过此次课程设计不仅仅将我们这一学期内在传感器课程上所学的知识很好的应用到了实际设计中，更是将理论知识用到了实践中，这是我收获最大的地方。
九、参考文献
1. 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2010.11 2. 姜志海，赵艳雷，陈松.单片机的C语言程序设计与应用——基于Proteus仿真（第2版）.北京：电子工业出版社，2011.7
3. 肖婧.单片机系统设计与仿真——基于Proteus. 北京：北京航空航天大学出版社，2010.8