摘要 隨著科技進步與經濟的成長, 使得人們可以過更安逸的日子, 在衣食無缺的生活中應更懂得享受人生 於此科技發達日新月益的環境下, 各科技公司也往所謂 < 科技始終來自於人性 > 的理念研發, 許多高科技產品也因應誕生來滿足人們食衣住行方面的需求 據此, 本組決定以家電控制為專題的主要方向 爲了使居家生活能更舒適 更安全 且更具人性化 因此在電機的專業領域上, 我們選擇嘗試使用 89S51 單晶片來製作聲控點燈, 以及門外紅外線感測點燈等 並藉由我們所學的專業知識應用在這次的專題實作上, 以檢視我們這幾年來所學的成果
目錄 第一章元件介紹與原理說明 元件介紹與原理說明 ---------------------- -------------------3 1-1 使用元件 --------------------------------------------------------------------------3 1-2 原理說明 --------------------------------------------------------------------------7 1-2-1 溫度感測器 ------------------------------------------------------------------7 1-2-2 聲音感測器 ------------------------------------------------------------------8 1-2-3 紅外線感測器 --------------------------------------------------------------12 1-2-4 89S51 單晶片 ---------------------------------------------------------------13 第二章系統功能介紹 系統功能介紹 ----------------------------------------------------- 19 2-1 系統功能 -------------------------------------------------------------------------19 2-2 實體結構 -------------------------------------------------------------------------20 第三章實際電路及動作原理 實際電路及動作原理 -----------------------------------------22 3-1 溫度感測電路圖 ----------------------------------------------------------------22 3-2 聲控感測電路圖 ----------------------------------------------------------------32 3-3 人體紅外線感測電路圖 ------------------------------------------------------- 24 第四章 89S51 單晶片 單晶片 -------------------------------------------------------25 4-1 程式碼撰寫 ----------------------------------------------------------------------25 1
第一章元件介紹與原理說明 1-1 使用元件 表 1-1 元件表 編號 名稱 規格 註明 單位 數量 1 單晶片 AT89S51 單晶片 只 1 2 IC 腳座 40PIN 固定式 IC 腳座 只 1 3 IC 腳座 16PIN 固定式 IC 腳座 只 3 4 IC 腳座 14PIN 固定式 IC 腳座 只 2 5 積體電路 定時器 4098 只 2 6 積體電路 反向器 4069 只 2 7 積體電路 達靈頓 ULN2003 只 1 8 可變電阻 1KΩ 只 1 9 可變電阻 500KΩ 只 1 10 可變電阻 100KΩ 只 1 11 可變電阻 50KΩ 只 1 12 電阻 10KΩ 1/4W 只 1 13 電阻 82Ω 1/4W 只 1 14 電阻 6.2MΩ 1/4W 只 1 2
編號 名稱 規格 註明 單位 數量 15 電阻 330Ω 1/4W 只 1 16 電阻 100Ω 1/4W 只 1 17 電阻 10KΩ 1/4W 只 1 18 電阻 220Ω 1/4W 只 4 19 晶體振盪器 20MHz 只 1 20 LED 紅 只 4 21 按鈕開關 TACK SWITCH 4PIN 只 1 22 穩壓 IC 7805 T0-220 只 2 23 穩壓 IC 7812 T0-220 只 2 24 散熱片 T0-220 只 4 25 電解電容 100uF/50V 只 6 26 電解電容 100uF/25V 只 4 27 電解電容 10uF/50V 只 1 28 陶瓷電容 104 只 8 29 陶瓷電容 103 只 1 30 陶瓷電容 102 只 1 31 陶瓷電容 30pf 只 2 3
編號 名稱 規格 註明 單位 數量 32 電晶體 C9013 NPN 只 2 33 電晶體 CS9012 PNP 只 1 34 繼電器 LEG-5 5 VDC 只 3 35 排針 2 PIN 2CM 只 8 36 排針 4 PIN 2CM 只 2 37 電源線 AC 電源線 2 線式 只 4 38 變壓器 110VAC 轉 12VAC 只 4 39 橋式整流 2A 只 4 40 連接座 直立式連接座 ( 公 ) 只 19 41 連接座 直立式連接座 ( 母 ) 只 19 42 電容式麥克風 PVM-4FT 個 1 43 熱敏電阻 負溫度係數 1KΩ 只 1 44 燈泡 5 VDC 個 2 45 燈座 只 2 46 紅外線二極體發射器 透明色 只 1 47 紅外線二極體接受器 ( 光電晶體 ) 黑色 只 1 4
編號 名稱 規格 註明 單位 數量 48 連接器 2.54mm 杜邦連接器 2P 只 8 49 連接器 2.54mm 杜邦連接器 4P 只 2 50 風扇 12VDC 8x8 具 1 5
1-2 原理說明 1-2-1 溫度感測器溫度是一種抽象的量, 必須藉由多種材料隨溫度變化之特性來定義之 有數種不同的材料可以訂定出溫度及相位轉換之關係, 溫度範圍為 -183 到 1064 適合做溫度測量的各種感應器包含電阻式溫度檢測器 (RTD) 熱阻器 膨脹溫度計 熱電偶溫度計及測高溫計 每一種感應器都有其優點與缺點, 通常對特定應用的適當感應器之選擇是根據溫度範圍 準確度要求 環境 動態響應要求與適用的儀器來考慮 A. 熱電偶最常用的溫度測量感應器是熱電偶, 因為它是低廉的轉換器, 容易製造裝配及安裝 其信號輸出很低, 必須使用具有高輸入阻抗的測試及記錄儀器, 以減低電路中的電流, 若輸入阻抗小將造成嚴重的誤差 熱電偶的非線性輸出顯然是一種缺點, 但是現代的儀器多半具有線性化電路以記錄輸出電壓, 並可直接讀出溫度值 熱電偶可測量的溫度範圍極大約為 -185 到 2800 將兩種不同之金屬接合在一起, 若升高其接合點之溫度時, 即產生電壓造成電流流動, 這種現象稱為齊北克效應 例如, 將銅與銅鎳之合金 ( 6
constantan) 接合在一起時, 若與另一端之溫度差為 100 時, 將產生 5mv 左右之電壓 這種電壓稱為熱電動勢 (thermoelectromotive force ) 能產生熱電動勢的接合在一起的這兩種金屬稱為熱電偶 (thermal couple), 可被應用於熱電偶溫度計等上面 表 1-2 熱電偶的優缺點 優點 缺點 自生動力 簡單 強健 不貴 多樣性 非線性 低電壓 需參考溫度 最不穩定 最不敏感 溫度範圍廣 7
B. 熱電阻器當需要高靈敏度時, 通常採用電阻式溫度感測器 (RTD 及熱阻器 ), 因為它們具有高的電壓輸出, 所以有較佳的準確度 RTD 型感應器的金屬箔形式可作液態的溫度測量, 而另一種黏合式柵格形式則可作表面的溫度測量, 這些感應器都很容易安裝, 且用以監控輸出信號的儀器也不貴, 使得被廣泛使用 熱阻器由於具有高的電壓輸出, 構造簡單且讀取系統低廉而被使用在許多的商用溫度記錄器中, 但熱阻器的缺點是應用範圍有限且其輸出為嚴重地非線性狀態 ㄧ個溫度感應器, 它的原理是金屬電線電阻將隨溫度上升而增加 表 1-3 熱電阻器的優缺點 優點 缺點 最穩定 最精密 比熱電偶更線性 昂貴 需要電流源 低 R 低絕對電阻 內部生熱 8
C. 熱敏電阻熱敏電阻為一種半導體陶質, 它利用粉末狀的金屬氧化物 ( 一般為氧化錳和氧化鎳 ) 製成 ( 註 : 不同廠商, 可能會有其它材料 ) 而這些粉末狀的氧化物與水及各種黏合結劑相互混合, 形成一糊狀物, 再將此糊狀物作成一特定的形狀, 放置在 1000 以上的高溫中燒結形成複合熱壓結體 最後, 再將一層導電的金屬外殼 ( 如銀 ) 燒結在它的表面, 並牽引出導線, 然後, 再用一層環氧樹酯 (epoxy) 或玻璃加以包裝, 而完成一個熱電阻的製作過程 表 1-4 熱敏電阻的優缺點 優點 缺點 輸出電阻變化大 非線性 快速 溫度範圍有限 雙線歐姆量測 易碎 需要電流源 內部生熱 9
1-2-2 聲音感測器 一般電子街規模較大的電子材料行是很容易買到這種裝置的, 它的原理非常簡單, 只要對著它的麥克風 (SENSOR 感應器 ) 喊話, 其兩端點電壓就會隨著音量大小而改變, 將電壓改變的訊號以 U-V 表或 LED 顯示即可偵測聲音的大小 麥克風是一種動態壓力感測器 (Dynamic Pressure Sensor), 可以量測很小的壓力變化, 相當於耳朵的功能, 透過不同機械結構的麥克風, 則可以配合需求感測到不同頻率範圍內的聲音 將微型麥克風與信號處理電路整合在同一晶片上, 可降低雜訊且有良好的相容性, 並藉由信號處理電路將通話環境中噪音濾除與信號放大, 提高噪訊比, 而在吵雜環境中也能有良好辨識效果 10
1-2-3 紅外線感測器紅外線感測器採用熱電型紅外線光敏元件和量子型紅外線光敏元件來製作 一般常用來作為防盜報警 來客告知和其它非接觸式感測開關等場合 紅外線領域的熱釋電紅外線感測器就是採用熱電型紅外線光敏元件來製作 其基本原理為熱釋電效應, 即當一些晶體受熱時, 在晶體的兩端將產生數量相等但正負相反的電荷, 造成電極化現象 在熱電型紅外線光敏元件兩端並聯上電阻, 當元件受熱時, 此電阻即流過電流, 於是電阻兩端就能提供電壓訊號 A. 光二極體之發射端及接收端光二極體的原理是由發射端發射出紅外線, 由接收端接收, 如果接收端收到紅外線, 將使得接收端的迴路導通, 而造成需求的動作 ; 若是發射端發出的紅外線沒有傳送到接收端, 若是接收端未收到訊號, 則接收端將無法動作 11
1-2-4 89S51 單晶片 註 :40-pin PDIP 圖 1-1 89S51 單晶片接腳圖 12
A. 接腳說明 1.Vcc: 電源輸入腳, 工作電壓 4V~5.5V 之間 2.GND: 電源輸入腳, 接地端 3.VDD :42-PDIP 的電源輸入腳 4.PWR VDD: 由此輸入的電壓, 會專門供給 I/O 腳位使用 (42-PDIP) 5.PWRGND: 為 PWR VDD 的接地端 (42-PDIP) 6.P0.0~P0.7: (1) 第 32~39 腳 (2)8 位元的輸入 / 輸出腳 (3) 輸出的結構為開汲極 (open drain) 結構, 內部沒有提升電阻, 若要將 P0.0~P0.7 當成輸出腳時, 則必須自行在每個輸出外部加上 4.7k~10kΩ 的提升電阻, 使 P0.0~P0.7 可推動邏輯電路 (4) 每支腳可推動 8 個 TTL 邏輯閘 (5) 每支腳均可當輸入或輸出使用, 若要將接腳當成輸入時, 必須先將該腳寫入 1 (6) 當 MCS-51 在讀取外部程式或資料記憶體時,Port 0 可用來當成低位元的位址匯流排或資料匯流排 13
7.P1.0~P1.7: (1) 第 1~8 腳 (2)8 位元的輸入 / 輸出腳, 內部含有提升電阻,Port 1 可直接輸出 Hi Lo 信號 (3) 每支腳可推動 4 個 TTL 邏輯閘 (4) 每支腳均可當輸入或輸出使用, 若要將接腳當成輸入時, 必須先將該腳寫入 1 (5) 利用 ISP 的方式燒錄程式時 P1.5 P1.6 及 P1.7 為其特殊功能接腳, 如下表 1-5 所示 表 1-5 P1.5~P1.7 特殊功能接腳接腳名稱特殊功能 ( 使用在 ISP 時 ) P1.5 MOSI(Input): 串列資料輸入腳 P1.6 MISO(Output): 串列資料輸出腳 P1.7 SCK(Serial Clock): 串列資料移位脈波 8.P2.0~P2.7: (1) 第 21~28 腳 (2)8 位元的輸入 / 輸出腳, 內部含有提升電阻 (3) 每支腳可推動 4 個 TTL 邏輯閘 14
(4) 每支腳均可當輸入或輸出使用, 若要將接腳當成輸入時, 須先將該腳寫入 1 (5) 當單晶片讀取 / 寫入外部記憶體時,Port 2 被用來當作 8 位元的位址匯流排 9.P3.0~P3.7: (1) 第 10~17 腳 (2)8 位元的輸入 / 輸出腳, 內部含有提升電阻 (3) 每支腳可推動 4 個 TTL 邏輯閘 (4) 每支腳均可當輸入或輸出使用, 若要將接腳當成輸入時, 必須先將該腳寫入 1 (5) 在 Port 3 其他的特殊功能, 如下表 1-6 所示 表 1-6 P3.0~P3.7 特殊功能 接腳名稱 特殊功能 P3.0 RXD( 串列阜輸入腳 ) P3.1 TXD( 串列阜輸出腳 ) P3.2 INT0( 外部中斷 0 的輸入腳 ) P3.3 INT1( 外部中斷 1 的輸入腳 ) P3.4 T0( 計數器 0 的信號輸入腳 ) P3.5 T1( 計數器 1 的信號輸入腳 ) P3.6 WR( 外部資料記憶體 寫入 的信腳輸出腳 15
P3.7 RD( 外部資料記憶體 讀出 的信腳輸出腳 10.RST 腳 : (1) 第 9 腳, 重置輸入腳 (2) 只要給該腳一個 Hi 的信號持續 2 個機械週期以上, 就可讓 AT89S51 重置 (3) 當看門狗計時器發生中斷後的 98 個振盪器週期後, 該腳自動為 Hi, 使系統重置 (4) 實際應用時, 我們會在 Reset 腳加上一個電阻 電容電路, 電容器的目的, 在於使電路一通電時, 電容瞬間短路, 所以 Reset 腳得到一個 Hi 的信號, 將單晶片重置 ; 電容充飽電之後, 會維持一個 Lo 的信號給 Reset 腳, 使單晶片正常工作, 電阻的目的在於加速重置的時間, 另外, 也可以加上一個按鈕開關, 只要按鈕一按下, 一樣能將單晶片重置 11.ALE/PROG: (1) 第 30 腳, 位址閂鎖致能輸出腳 / 程式寫入脈波輸入腳 (2)ALE:Address Latch Enable 當單晶片存取外部記憶體時, 此腳輸出 Lo 的信號通知外部電路, 以便來鎖住由 Port 0 輸出的低位元位址 16
(3)PROG: 在燒錄程式到單晶片時, 本腳為脈波輸入腳 12.PREN: (1) 第 29 腳, 外部程式記憶體致能輸出腳 (2) 當單晶片欲讀取外部程式記憶體時, 本腳會輸出 Lo 的信號, 以通知外部程式記憶體 13.EA/VPP: (1) 第 31 腳, 內部程式記憶體存取致能 (2) 當本腳接地時, 單晶片的內部程式記憶體失效, 此時單晶片會去讀取外接的程式記憶體 (3) 本腳正常使用狀態下, 必須接到 +Vcc (4) 在燒錄單晶片程式時, 本腳為 12V 燒錄致能電壓輸入腳 14.XTAL1: 脈波輸入腳 ( 第 18 腳 ) XTAL2: 脈波輸出腳 ( 第 19 腳 ) XTAL1 及 XTAL2 兩腳間通常接一個晶體振盪器及兩個電容到地端, 和單晶片的內部電路組成振盪電路, 供給單晶片工作所需的時脈 17
第二章系統功能介紹 2-1 系統功能 A. 溫度感測當屋內溫度升高達到感測器設定的溫度時, 代表屋內溫度異常升高, 此時感測器偵測到這異常的變化, 使的感測器內部線路電壓發生改變而去觸發風扇電路, 使風扇開始轉動而降低室內溫度, 並持續這樣的動作, 一直到室內溫度降到感測器所設定的溫度以下時才會停止, 以保持室內的溫度都維持在最舒適的狀態 B. 聲控點燈當人們回到家裡時, 藉由自己發出的聲音, 使聲控感測器接收到聲音, 並而觸發電路使屋內的燈泡點亮, 這樣的電路是為了讓人們不用再為了開燈而去按開關, 可減少時間上的浪費, 進而達到省時又省力的效果 C. 紅外線感測當人們夜晚回家走到門口時, 門口上的紅外線感測器檢測到有人體接近時, 它所發射的光源將藉由人體的反射使接收端接收到訊號, 使得紅外線感測器的線路形成導通而啟動電路, 則門口上的燈泡點亮, 如此可便於屋主返家時的開門操作或者做為夜間的警示作用 18
2-2 實體結構 A. 材料主要材料是有珍珠紙板所設計組成的, 而地板 牆壁 天花板都是由珍珠紙板所切割而成 : 家俱則是手工藝品店所購買組合式的模型家俱 所需的工具有美工刀 剪刀, 膠水 捲尺 美術鉛筆等 B. 模型屋製作首先規劃設計草圖, 再以珍珠紙板實際長度考量模型屋之比例, 決定比例長度後, 開始裁剪珍珠紙板所需的尺寸, 門口的高度 寬度, 再以雕刻刀刻出牆壁所需要放傢俱的位置大小及厚度, 並依裁剪的順序組裝模型屋並以黏貼的方式加以固定, 家俱的黏貼頗為煩雜不好製作, 費盡了不少時間精神與耐力最後終於完成了模型屋的成品, 不過能夠完成模型屋彼此都感到喜悅及成就感 19
C. 模型屋的側視圖與感測器的分佈圖 圖 2-1 展示屋構造圖 20
第三章實際電路及動作原理 3-1 溫度感應電路圖 圖 3-3 溫度感應電路圖 動作與原理說明 : 當室內溫度升高時, 則 NTC 熱敏電阻會因為溫度升高, 導致電阻降低, 使電壓分壓降低, 則反向器輸入低電位, 輸出高電位, 電晶體導通, 則繼電器也跟著導通, 常開接點閉合, 使風扇運轉, 藉此達到散熱的效果 21
3-2 聲控感應電路圖 圖 3-2 聲控感應電路圖 動作與原理說明 : 當 ECM 接收到聲響時, 則電阻降低, 造成定時器的負觸發,89S51 持續動作, 繼電器也跟著動作, 常開接點閉合, 使電燈點亮 ECM 再次接收聲響時, 電阻降低, 造成定時器的負觸發,89S51 停止動作, 繼電器的常開接點恢復開狀, 則電燈熄滅 22
3-3 人體紅外線感測電路圖 圖 3-1 人體紅外線感測電路圖 動作與原理說明 : 紅外線發射器發射出紅外線, 當人體接近時, 則紅外線反射到紅外線接收器, 接收器電阻降低, 電壓分壓降低, 則反向器輸入低電位, 輸出高電位, 造成定時器的正觸發, 則電晶體導通, 繼電器也跟著動作, 常開接點閉合, 使電燈點亮 23
第四章.89S51 單晶片 4-1 程式碼撰寫 LD 00 ANI 71 SET 20 LD 20 TIM 70 #10 LD 01 AND 70 RST 20 LD 02 ANI 31 ANI 32 ANI 33 SET 30 TIM 60 #2 LD 60 OR 31 AND 02 SET 31 RST 30 TIM 61 #2 LD 61 OR 32 AND 02 SET 32 RST 31 TIM 62 #2 LD 62 OR 33 AND 02 24
SET 33 RST 32 TIM 63 #2 LD 63 RST 33 LD 03 ANI 31 ANI 32 ANI 30 SET 33 TIM 67 #2 LD 67 OR 32 AND 03 SET 32 RST 33 TIM 66 #2 LD 66 OR 31 AND 03 SET 31 RST 32 TIM 65 #2 LD 65 OR 30 AND 03 SET 30 RST 31 TIM 64 #2 LD 64 RST 30 END 25
專題組員資料 姓名 : 廖啟倫學號 :BD94074 生日 :76/05/19 興趣 : 登山 騎腳踏車 看書星座 : 金牛座專題心得 : 經過這次的專題製作, 讓我除了從老師那邊學到了許多相關知識外, 自己也因此買了不少相關的書籍來參考及學習, 真是受益良多 藉此也讓我在電路設計與實作方面多了一些經驗, 並且在電路板的焊接技術上精進不少 因為常跑電子材料行, 也見識了許多的電路模組以及與 AT89S51 相關的其他功能應用, 讓我知道單晶片的廣泛用途 在實作過程中, 剛開始總是挫折連連, 還好最後都能一一的克服, 也讓我培養出以沉穩的態度來面對事情的處理 總之, 印象最深刻的是我學到了當問題發生時, 要如何面對, 冷靜思考, 找出問題點來, 並且針對問題癥結想出辦法來解決, 這個學期隨著專題製作的結束, 也讓我成長了不少 26
姓名 : 馮威舜學號 :BD94071 生日 :74/09/26 興趣 : 聽音樂 打球 賺錢星座 : 天秤座專題心得 : 經過這次專題製作, 除了讓我學會自我思考, 以及遇到困難就要有面對的勇氣去克服外, 每次跟老師會商, 老師總是能給我很好的意見, 在我想不出辦法的時候都能提供很大的幫助 在實作上, 製作模型屋雖然不是一件很困難的事, 但是在整體製作過程中算是滿複雜的, 卻也因此讓我在美工方面提升了不少實力 與組員的互動中也有不少的收穫, 因為經常的溝通使我們能更認識對方, 也讓我在他們的身上學到了很多東西 專題製作過程中, 組長算是最辛苦的一位, 如果不是他, 我想有許多東西到現在可能還做不出來, 所以在此我要特別的感謝他, 同時我們也應該好好的向他學習 最重要的是我在這次專題製作經驗中確實成長了不少, 也非常感謝老師的指導跟幫助, 以及本組同伴們的分工合作, 使我們的專題能夠順利完成 27
姓名 : 黃大吉學號 :BD94021 生日 :75/02/11 興趣 : 打棒球 打籃球 看電影星座 : 水瓶座專題心得 : 專題製作的目的, 希望能把這四年所學的東西應用在這其中, 所以選擇了這個題目, 雖然跟理想中的藍圖還有一段落差, 但總算能跟組員們一起努力, 完成這項任務 其中包含了三個重點 : 即 ( 一 ) 利用溫度檢知來引動風扇提供室內散熱功能,( 二 ) 利用聲控來點滅室內照明,( 三 ) 利用紅外線感測來作為門口警示及照明 我們用了溫度控制相關元件 還有利用 8051 編寫程式來控制碼的的啟動與正反轉等功能, 還有聲控開關, 藉由麥克風收音, 提供訊號控制 專題製作過程中, 團隊合作的精神及默契會因為某個環節的疏失而受到很大的影響, 我想這應該是我最需要加強的地方, 最後希望能夠順利的展示這個專題結果 28