基于52單片機智能紅外自動感應水龍頭設計與制作

湖南商務職業(yè)技術學院畢業(yè)設計

目錄

1產品功能分析...............................................................................................................1

1.1設計背景及內容.................................................................................................1

1.2功能分析.............................................................................................................1

2方案設計.......................................................................................................................2

2.1傳感器的選擇.....................................................................................................2

2.1.1CCD圖像傳感器.......................................................................................2

2.1.2光電傳感器...............................................................................................2

2.2接收管選擇.........................................................................................................3

2.3系統(tǒng)框圖.............................................................................................................4

3產品硬件設計...............................................................................................................4

3.1STC89C52RC最小系統(tǒng)電路..............................................................................4

3.1.1主要特性...................................................................................................4

3.1.2參數...........................................................................................................4

3.2紅外避障傳感器.................................................................................................5

3.2.1電氣特性...................................................................................................6

3.2.2機械特性...................................................................................................6

3.2.3使用原理...................................................................................................6

4產品軟件設計...............................................................................................................6

4.1KeiluVision5程序開發(fā)環(huán)境...............................................................................6

4.2KeiluVision5軟件開發(fā)流程...............................................................................7

4.3STC-ISP程序燒錄軟件介紹...............................................................................7

4.4主程序流程圖.....................................................................................................8

5產品組裝與調試...........................................................................................................9

5.1產品組裝.............................................................................................................9

5.2產品調試.............................................................................................................9

5.2.1軟件調試...................................................................................................9

I

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5.2.2硬件調試...................................................................................................9

6產品使用說明...............................................................................................................9

7產品設計技術標準.....................................................................................................10

參考資料.........................................................................................................................11

附錄1元器件清單.......................................................................................................12

附錄2電路原理圖.......................................................................................................13

附錄3PCB設計圖........................................................................................................14

附錄4作品實物照........................................................................................................15

附錄5軟件程序代碼...................................................................................................16

II

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基于52單片機智能紅外自動感應水龍頭設計與制作

1產品功能分析

1.1設計背景及內容

人們和水是密不可分的，節(jié)約用水是一種傳統(tǒng)美德。水龍頭基本上都是傳

統(tǒng)，但是往往我們也可以發(fā)現，當忘記關閉水龍頭，水就會一直流，就會使水

資源產生浪費。水是人類生命的源泉，無論在干旱的土地上或者濕潤的農田當

中。設計智能水龍頭是為了節(jié)約用水，方便了我們，也使為了減少水資源的浪

費

當手上很臟打開水龍頭又不想弄臟水龍頭或避免手上沾染細菌，為了避免

此類的麻煩和造成的困擾，所以設計了利用智能紅外自動感應水龍頭，紅外感

應水龍頭不需要用手接觸開關。紅外感應水龍頭操作簡單，非常的人性化設計，

通過伸手排水，還有時間控制來排水，避免水資源浪費，利用紅外感應的水龍

頭操作開關閥門，閥門會自動關閉。特別適合公共場合，尤其適用于餐飲行業(yè)

和醫(yī)院使用，減少水源流失的同時避免交叉感染的機會和造成不必要的麻煩。

設計內容：

1）系統(tǒng)方案的選擇；

2）硬件電路的組成及使用方法；

3）硬件、軟件調試。

1.2功能分析

反射式光電傳送器可以用來觀察地上的光影、影子、顏色的變化，也可以探測

接近物。利用這些屬性，我設置紅外自動感應水龍頭。光譜、靈敏度、抗干擾

能力、輸出，是反射式光電傳送器的重要屬性。這種光電傳感器的基礎，人物

相近，被紅外光所阻擋，感光元件收光信號，進行光電轉換，電磁閥使水龍頭

打開。紅外自動水龍頭的控制過程是，人或者物體接近自動水龍頭，紅外發(fā)射

電池紅外線和物體反射到接收光電池中。接收光電池接收到的反射光信號轉換

為電信號，經過后續(xù)的電路更放大、整形、解碼，最后驅動電磁閥開啟水源的

動作。當審查人物離開水龍頭時，接收光電管收不到反射光信號，控制著驅電

路斷開電磁閥的電源，所以關閉水源。

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2方案設計

2.1傳感器的選擇

根據我在市場上面搜索了解到，當前可適用的傳感器有CCD圖像傳感器、

光電傳感器這兩種。

2.1.1CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器傳感器可以能把光學信號轉變成數字電信號，用來展現圖像

的獲取、存儲、傳輸、處理、復現。

根據CCD的特性，可以將其劃分為兩種類型：線陣列和面陣列。線性CCD

一般是把CCD的內電極分為幾個群，每個群被稱作一個相位，然后用相同的時

間來進行輸出。CCD晶片所需要的相位數目是根據CCD晶片的內部構造來確定的，

構造上的相位差異可以適應各種情況下的應用需求。線性CCD可分為單溝道與

雙溝道兩種，其光敏區(qū)采用了MOS電容器與光電二極管兩種器件，制作過程較

為簡便。該系統(tǒng)采用光敏區(qū)和移位寄存器相結合的方式，具有快速的數據處理

和方便的外部電路設計等優(yōu)點，便于實時的監(jiān)控；但是，這種方法所獲得的信

息很少，而且無法對一些比較復雜的圖形進行處理。平面陣列CCD是一種將許

多感光區(qū)域按某種方式組合在一起，具有較大的信息采集能力，能夠對復雜的

影像進行處理。

2.1.2光電傳感器

在各種光電探測系統(tǒng)中，光電傳感器是實現光電轉換的關鍵部件。它們是

將光信號(紅外、可見光和紫外輻射)轉換成電信號的設備。它包括一個可以發(fā)

射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光電二極管(或光敏晶體

管)。

標準光電傳感器可分為十種類型:漫反射型、反射型、對反射型、槽型、光

纖傳感器、色碼傳感器、光通信、激光測距、光柵、防爆/隔爆型等。其優(yōu)勢包

括以下7點:

(1)探測距離遠

如果目標類型保留10m以上的探測距離，則不能脫離其他探測方法(如磁力、

超聲等)的探測。

(2)檢測對象的限制較少

由于檢測物體引起的遮陽和反射的檢測原理，不可能類似于接近傳感器對

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物體的檢測僅限于金屬，它們可以檢測幾乎所有的物體，如玻璃、塑料、木材、

液體等。

(3)響應時間短

光的速度本來是高速的，并且傳感器是由電子元件組成的，所以不包含機

械工作時間，響應時間本身就很短。

(4)分辨率高

通過先進的設計技術或構建特殊的接收光學系統(tǒng)，可以將投影光束聚焦在

小光點上，從而達到高分辨率。

(5)可實現非接觸式檢測

它可以在沒有機械接觸的情況下檢測物體，被檢測物體和傳感器不會造成

傳感器損壞，所以此類傳感器可以長時間使用。

(6)可實現辨色

探測物體形成的光的反射率和吸收率根據投射光的波長和被探測物體的顏

色組合而變化。通過利用這個屬性，可以檢測到被檢測對象的顏色。

(7)調節(jié)方便

在可見光投射的類型中，投射光束對眼睛是可見的，因此很容易調整被檢

測物體的位置。

因此，光電傳感器被廣泛應用于檢測和控制。通過對幾種傳感器的辯證比

較，我選擇了第二種類型——光電傳感器，并將反射式光電傳感器作為我設計

的核心部件。

2.2接收管選擇

硅光電二極管、硅光電晶體管和光敏電阻這三種接收管是常用的接收管。

光電二極管產生的電流很小，需要很高的放大倍率，但速度很高，可以在高頻

下調制。普通二極管在陰影狀態(tài)下的特性是相似的。在反向電壓下工作時，類

似光電流的輸出與光的強度成正比。光電晶體管的一般基極不引出，光電晶體

管只有兩個引腳。光電晶體管產生的電流比較大，不需要提前放大，缺點是速

度較低，調制赫茲頻率在100KHz以下。在陰影條件下，正向和反向阻力都很高。

當被強光照射時，一個方向的電阻明顯降低。這個方向是正向的，當使用時，

施加大于1V的正向電壓，導致輸出光電流大約與光的強度成正比。

這些管子有兩種外殼:無色透明和黑色。黑色外殼幾乎只傳輸紅外光，可以

與紅外led一起使用。

替代應用使用發(fā)光二極管作為充電二極管，其具有更寬的能帶，僅用于接

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收短波長的可見光。

有些光敏電阻對中間區(qū)域的可見光比較敏感。添加濾色片可以更方便地改

善管道的光譜特性，并可用于制造各種顏色的傳感器。

2.3系統(tǒng)框圖

本設計由52單片機核心板+紅外傳感器+繼電器器+電源+電機等部分組成。

電源

紅外壁障傳感器52單片機繼電器電機

水泵

圖1系統(tǒng)框圖

3產品硬件設計

3.1STC89C52RC最小系統(tǒng)電路

該單片機是由STC公司生產的功耗低、性能高的微型控制芯片，該器件由

于性價比高的原因深受電子工程師的青睞。擁有Flash存貯器技術是它的主要

特征，制造成本從而被降低了。在單芯片上，是擁有8位CPU和能夠在系統(tǒng)內

編程Flash，從而迅速進入中國市場被廣大中國用戶接受。

3.1.1主要特性

1）8K字節(jié)程序存儲空間；

2）512字節(jié)數據存儲空間；

3）內部所包含的只讀儲存器具有4KB字節(jié);

4）可直接使用串口下載。

3.1.2參數

1）8052內核芯片，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期；

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2）ISP/IAP，無需專用編輯器可以直接下載程序；

3）工作電壓在5.5V~3.4V，屬于5V單片機（工作電壓在2.7V~3

.6V的屬于3.3V單片機）；

4）8K字節(jié)用戶應用程序空間；

5）片上集成512字節(jié)RAM；

6）通用I/O口（32個），P0、P1、P2、P3一共八位口；

7）工作頻率：0~40MHz；

8）具有EEPROM功能；

9）共有三個十六位定時器/計數器。定時器為T0、T1、T2；

10）擁有看門狗功能；

11）全雙工異步串行口；

12）工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)用產品）/0～70℃（商業(yè)用產品）；

13）PDIP封裝。

原理圖如下：

圖25V單片機電路原理圖

3.2紅外避障傳感器

E18-D80NK-n是E18-D80NK的升級版本。里面換了電路板，外面換了線路。

傳感器外部接線，末端增加杜邦頭，經久耐用，使用方便。

傳感器E18-D80NK-N具有收發(fā)一體化功能。調制后可以發(fā)光，反射光由接

收頭解調輸出，這樣就可以避免可見光的干擾。使用透鏡使他能夠檢測到80CM

的最遠距離。位于尾部的電位器旋鈕可以旋轉來調節(jié)傳感器檢測物體的距離。

該傳感器擁有探測距離遠、抗干擾強、價格低、反應快速、性能穩(wěn)定、結實耐

用、使用便捷等特點，可以廣泛應用于機床、自動門、工廠等眾多場合。

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3.2.1電氣特性

棕線：VCC；藍線：GND；黑線：OUT。

工作電壓：5V

工作電流：10-15mA

驅動電流：100mA

感應距離：3-80CM

3.2.2機械特性

顏色：橙黃色

直徑:18mm

長度:45mm

引線長度:45cm

3.2.3使用原理

工作狀態(tài)下，沒有檢測到物體，out線返回一個高電平使傳感器通電，檢測

到物體時返回一個低電平。

圖3紅外避障傳感器接口圖4紅外避障傳感器實物圖

4產品軟件設計

控制系統(tǒng)是由硬件和軟件系統(tǒng)組成，硬件部分就是前面提到的產品設計，

開發(fā)板還有一些元器件組成，在硬件條件充沛的情況下，想要達到效果是不可

能的，同時也需要各種軟件部分的支持，就像我們平時經常應用到的軟件程序。

即燒到KeiluVision5軟件里即可。

4.1KeiluVision5程序開發(fā)環(huán)境

KeiluVision5是一款C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)。提供了清晰簡潔的用戶應用

界面，使用起來十分的輕松方便，提供了編譯器、安裝包和功能強大的調試跟

蹤，支持LWIP，KeiluVision5的SWD下載速度也是KEILuVision4的5倍，給

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用戶帶來不一樣的全新體驗。

4.2KeiluVision5軟件開發(fā)流程

（1）首先要先建立一個工程，填寫工程名，選擇STC89C52，新建一個.c

文件，將.c文件add到工程中

（2）編譯的過程中程序上出現錯誤，會提出警告，在這個時候，我們出現

任何問題時，可以進行修改，直到編譯器沒有產生錯誤的提示為止。

（3）直到沒有顯示錯誤，生成.hex文件打開燒錄軟件，鏈接單片機，將生

成的.hex文件燒錄到單片機中，具體開發(fā)流程如圖所示。

圖5軟件開發(fā)流程

4.3STC-ISP程序燒錄軟件介紹

STC-ISP是專業(yè)STC89C52RC編程下載燒錄工具，是涉及STC系列單片機設

計出來的燒錄工具。

操作說明：

(1)打開STC-ISP，在單片機型號內選擇STC89C52RC；

(2)根據usb連接幾COM端口選中COM端口，波特率設置9600；

(3)若單片機的線路正常之后點擊“打開程序文件“打開要下載的.hex文件；

(4)點擊下載/編程，先關閉單片機電源開關再打開便即可將.hex文件燒錄

到單片機內；

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(5)等待程序寫入成功后，單片機開始運行程序結果。

圖6STC-ISP界面

4.4主程序流程圖

本設計主要采取KeiluVision5軟件編寫、編譯與調試，主程序流程圖如下

圖所示。

圖7主程序流程圖

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5產品組裝與調試

5.1產品組裝

（1）拿到PCB板后檢查外觀，看是否存在短路、斷路等問題，然后熟悉開

發(fā)板原理圖，將原理圖與PCB絲印層進行對照，避免原理圖與PCB不符。

（2）PCB焊接所需物料準備齊全后，應將元器件分類，可按照尺寸大小將

所有元器件分為幾類，便于后續(xù)焊接。需要打印一份齊全的物料明細表。在焊

接過程中，沒焊接完一項，則用筆將相應選項劃掉，這樣便于后續(xù)焊接操作。

（3）挑選元器件進行焊接時，應按照元器件由低到高、由小到大的順序進

行焊接。以免焊接好的較大元器件給較小元器件的焊接帶來不便。優(yōu)先焊接集

成電路芯片。

（4）焊接完畢后應使用萬用表查看焊點，檢查是否有虛焊及短路等情況。

5.2產品調試

5.2.1軟件調試

如果程序編譯顯示沒有錯誤，就可以通過串口燒寫模塊燒寫程序，檢查是

否可以滿足功能要求，如果功能還存在問題，那就要調試到沒有問題為止。

5.2.2硬件調試

產品上電調試前，觀察杜邦線接線還有沒有問題，比如線脫落，線有沒有

接反，正負極接反等問題：

先觀察，看焊接的是否完整，還有元器件直接有沒有焊接好，有沒有松動

的情況，不然會出現短路斷路的情況，達不到相應的效果。

可以使用萬用表進行調試，檢測電源是否短路，是否連通，然后，有沒有

接線錯誤，不然達不到工作效果，甚至燒壞器件。

確認線路沒有錯誤的情況下，可以上電測試，最后確認每個器件是不是都

可以正常工作，能不能滿足開發(fā)的效果，在此要好好保護產品，不要讓元器件

損壞和丟失。

6產品使用說明

將產品放置，把單片機USB接口插入電腦通電，打開KeiluVision5軟件編

寫程序生成.hex文件，然后打開STC-ISP燒錄軟件燒錄編寫的程序，按下電源

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開關使產品通電將裝有水的杯子放在電機上端，在紅外避障傳感器前方揮動手，

使繼電器工作，此時電機會工作，連接電機的軟管會流液體。

測試正常如下圖所示。將產品放置，把單片機USB接口插入電腦通電，打

開KeiluVision5軟件編寫程序生成.hex文件，然后打開STC-ISP燒錄軟件燒

錄編寫的程序，按下電源開關使產品通電將裝有水的杯子放在電機上端，在紅

外避障傳感器前方揮動手，使繼電器工作，此時電機會工作，連接電機的軟管

會流液體。

圖8產品實物圖

7產品設計技術標準

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術軟件工程術語；

[5]GB/T8566-2007信息技術軟件生存周期過程標準；

[6]GB/T8567-2006計算機軟件文檔編制規(guī)范。

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參考資料

[2]傅勁松．《電子制作實例集錦》[M]．福建科技技術出版社，2006．

[3]賈海瀛．《傳感器技術與應用》[M]．高等教育出版社，2019．

[5]孫梅升．《電子技術基礎課程設計》[M]．高等教育出版社，2003．

[8]束慧．陳衛(wèi)兵．姜源．路桂明．宋玉鋒．《單片機應用技術項目教程》[M]．人民郵電出版社，

2019

[9]董建華．《電路分析基礎》[M]．大連理工大學出版社，2009．

[10]于寶明．張園．《電子技術基礎》[M]．大連理工大學出版社，2009．

[13]龍海燕．楊剛．《嵌入式系統(tǒng)設計與實踐》[M]．北京航空航天大學出版社，2009．

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附錄1元器件清單

元件型號元件名稱元件標號數量

10uF電容C11

20pf電容C2,C32

104電容C42

LED發(fā)光二極管D31

Relay-SPDT繼電器K11

紅外避障傳感器紅外避障傳感器P11

電源輸入電源接口P21

接線柱接線柱P31

電機電機P41

9012三極管Q11

1K電阻R4,R52

10K電阻R3