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1、 单位代码:005 分 类 号:TN 延安大学西安创新学院 本科毕业论文（设计）题 目：基于单片机的光电计数器的设计专 业： 电子信息工程 姓 名： 伍桂清 学 号： 0903024124 指导教师： 马惠铖 职 称： 讲 师 毕业时间： 二零一三年六月 基于单片机的光电计数器的设计摘要：近年来，随着工业发展和科学技术的创新，光电计数器技术越来越多的被应用到工业生产和生活中。光电计数器采用光敏元件作为传感器，利用不同光强产生不同电平信号流进一步实现计数的原理，使得光电计数器现在广泛应用于工业生产线的计数。本论文主要介绍了基于单片机AT89S51的软硬件设计过程，以及实现光电计数的工作原理和理论
2、基础，实现了光电计数器基本的工作要求和性能指标，采用LCD显示技术显示计数结果。本次光电计数器设计使用PCB板和LCD模块显示，因此电路结构简单清晰、焊接过程简单、电路稳定性好、操作难度小。关键词：传感器；光电计数器；AT89S51Design based on single chip microcomputer photoelectric counter Abstract: in recent years, along with industrial development and the innovation of science and technology, photoelectric
3、 counter technology more and more applied to industrial production and life. Photoelectric counter using photosensitive element as the sensor, the use of different light intensity have different level signal flow to further realize the counting principle, makes the photoelectric counter now counts a
4、re widely used in industrial production line. This thesis mainly introduces the hardware and software design process, based on single chip microcomputer AT89S51 and photoelectric counting principle and theoretical basis of implementing the basic job requirements and performance indicators, photoelec
5、tric counter use LCD display technology to display the count result. The photoelectric counter design using the PCB and the LCD display module, so the circuit structure is simple and clear, the welding process simple, circuit stability is good, operation difficulty is small. Key words: sensor;Photoe
6、lectric counter; AT89S51目 录1引言12任务要求23方案论证23.1两种方案的选择23.2方案的选择24 系统组成概述35 硬件系统各部分介绍35.1光电传感器35.2 AT89S51单片机45.2.1 AT89S51系列单片机的主要性能特点45.2.3 51系列单片机的基本组成55.2.4外接晶体引脚65.2.5 控制信号或与其它电源复用引脚65.3显示器件76 硬件电路设计86.1 最小系统86.1.1 电源电路86.1.2 复位电路86.1.3 晶振电路96.2 单片机控制电路106.3 显示电路107 系统软件设计118 结论12参考文献13致 谢1415延安大
7、学西安创新学院本科毕业论文（设计）1引言 随着时代的快速发展，信息已逐渐在人们的生产生活中占到重要的地位，如何从生活中的事物中采集信息、处理并且应用这些信息的技术就逐渐变得越来越重要了。人们平时从外界获的信息的方式通常借助于感觉器官，譬如：眼，耳，鼻，嘴等。但是仅仅依靠人们自身的感官系统，在研究自然规律或者是采集自然信息并运用到日常生产和生活活动中时这些感官系统的功能却显得捉襟见肘了。因此为了适应生产和生活的需要，许多具有方便人们生活活动的传感器便产生了。传感器的本质是一种检测、 测量的装置，它能够检测或者形象一点的说是感受某一些信息，而且能将检测、感受到的这些信息，按照其固有的运行规律转变成
8、为可被电子电路分析和使用电信号或其他形式信号作为信息输出，从而达到传感器传感时对信号的采集、处理并运用的目的和要求。因此，传感器也是生活生产中作为自动检测和自动控制的重要工具1。 传感器根据其不同的感受特性和固有的内部规律因此通常具有许多不同的分类方式，光敏传感器便是由于其对光的感知特性而产生的传感器，也是目前应用最广泛的传感器之一。光敏传感器它的种类非常的多，常见的光敏传感器主要有：光电管、光敏电阻、光敏三极管、红外线传感器等。光敏传感器也是目前生活中投入生产中产量最多、用途最广的传感器之一，它主要广泛应用于自动化控制和电子测量技术中，而光敏传感器主要实际生活中的应用却是涉及到人们生活中的方
9、方面面。譬如，光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等。因此许多涉及到光自动控制的电子产品都出现了光电传感器的身影。而本文中关于光电计数器的设计就是基于光敏传感器的感光特性为原理对光敏传感器的一种实际应用2。光电计数器具有直观计数和计数精确简单的优点，目前已应用于各种行业的计数统计和扫描计数中。关于光电计数器的工作原理，它其实由实际环境中的光线决定的，在对光线的感应中它通常随着光强度的变化而产生自身作为光敏传感器的光电特性，从而达到采集信息并对自然信号进行光电转换的作用。然后对这些转换过来的电信号再通过电路
10、内部的处理、分析和显示，这种光电计数器便产生了3。目前光电计数器最广泛的应用在工厂的生产流水线上，其作为产品数量统计工作的工具与其他类型的计数器相比较而言有着不可取代的优点。2任务要求 1.可接收1米内红外遮光信号，随着遮光信号距离的增大需要增大信号源器件的功率来产生稳定的脉冲信号 2.可设定计数上限，上限值为100，超过上限值时计数器的计数中断并且发出报警，同时LED灯指示并需手动复位使计数器重新开始工作计数 3.光电计数器应拥有一定的抗干扰能力，相对较强光的环境也可以稳定工作，并且可以正常显示出被计数信号电路分析、处理后得到的计数值3方案论证3.1两种方案的选择光电计数器可由以下两种方案提
11、供：方案一：采用红外对射式光电传感器，使用红外发光管发出红外线作为信号源，对应采用光敏电子管作为信号接收器，产生的高低电平信号由内部数字电路放大译码并使用数码管显示。方案二：采用红外反射光电传感器，拟采用3-80CM可调集成光电传感器，发射出红外线作为信号源，采用收发一体的方式达到信号采集目的，且可控制信号源功率，从而控制信号感知强度，采集到的遮光信号作为计数信号由电路中AT89S51单片机控制处理，最后使用LCD液晶显示模块显示出来。3.2方案的选择对于方案一和方案二的选择，应以性能指标和功能实现的原则选取。方案一的传感方式是由对射的方式分发和收两部分，原理简单易设计，但是不易实现功能。因为
12、信号收发的分开将导致信号的发射源和接收器件远距离不能很好地对准，因此对于一米以内的计数信号不能准确的将信号源和接收器件间获得的技术信号采集到，对此传感器的不能稳定采集信号导致方案一不能通过。而方案二的传感器可以很好的处理信号的采集过程中的不可靠因素，不需要对准即可对遮光信号进行准确采集，且可控制传感器的功率使其感应强度更大，采集的信号也更准确。然而方案二的成本由于选择单片机和LCD显示，因此成本相对方案一较高。综合方案一和方案二的优缺点，以性能指标和功能实现为最终准则，因此选择方案二较妥。4 系统组成概述 本系统采用3-80CM可调集成光电传感器作为传感器，AT89S51单片机作为控制器，LC
13、D液晶显示模块作为结果显示器以及一些电位器作为功能按钮实现硬件系统的功能。硬件系统组成框图如图4-1所示：AT89S51单片机LCD液晶显示模块超过设定值报警3-80CM可调集成光电传感器 电位器复位 图4-1光电计数器的系统组成5 硬件系统各部分介绍5.1光电传感器 3-80CM可调集成光电传感器是一种反射式光电传感器，它的信号发射源与接收器件集成于一体。它发射出来的红外信号当被外接物体遮挡时，便会反射回来被接受装置所接受并且产生电平的反向，此时的反向电平信号就是计数信号。3-80CM可调集成光电传感器的感知距离可以由感知任务的需要进行电位调节，通过调节后的红外可以感知到更远距离的遮挡信号。
14、因此，3-80CM可调集成光电传感器具有感知距离远、抗外界光信号干扰能力强、价格低廉、易操作、易使用等特点,目前已经广泛应用于机器人避障、流水线计件等许多日常生活生产活动当中。其主要电气特性及工作指标如:U:5VDCI:100mASn:0-80CM（DC：直流通电；Sn：指3-80CM可调集成光电传感器的实际可感知遮光信号距离）5.2 AT89S51单片机5.2.1 AT89S51系列单片机的主要性能特点AT89S51单片机芯片是ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，它具有单片机的超强抗干扰、高速、低功耗的特点，单片机内部的内部程序代码容量为4KB，其指令代码与传统的80
15、51系列单片机芯片完全兼容。MCS51的主要特点为： 1.AT89S51单片机芯片具有功耗低，而其性能很高且为8位芯片的CPU； 2.AT89S51单片机具有集成密度高、非易失性存储技术； 3.AT89S51单片机内部含有振荡器，其振荡频率的范围是1.212MHz； 4.AT89S51单片机片含有128bytes的随机数据存储器； 5.AT89S51单片机片内含有4KB的只读程序存储器，且能反复擦写1000次； 6.AT89S51单片机程序存储器的寻址空间可为64KB； 7.AT89S51单片机片外数据存储器的寻址空间可为64KB； 8.AT89S51单片机的特殊功能寄存器SFR具有18个字节
16、； 9.AT89S51单片机由32个外部双向输入/输出（I/O）口组成； 10.AT89S51单片机有2个16位可编程定时器/计数器T0、T1和2个全双工的串行通信接口； 11.AT89S51单片机有2个优先级别高、低不同的中断源5个； 12.AT89S51单片机片内具有总线结构，且具有较强的位处理能力。5.2.2 AT89S51与AT89C51的区别 随着技术的发展，新一代的51系列单片机芯片AT89S51的性能相对于之前的AT89C51单片机的型有了明显的特高，且增加了许多新功。 1.AT89S51单片机具有ISP在线编程功能，其功能的特点是在编写程序操作的过程中方便对单片机存储器内部的程
17、序不必把芯片从工作中取出，可在线编写。因此，AT89S51单片机从操作方式的功能上市一个非常强大且实用的功能。 2.AT89S51单片机其最高工作频率可达到33MHz，而AT89C51单片机芯片的最高工作频率只能达到24MHz，因此可以知道AT89S51单片机具有比AT89C51单片机芯片的更高工作频率，即AT89S51单片机具有更快的速度。 3.AT89S51单片机内部集成含有看门狗计时器（WDT），相比AT89C51单片机需要外接看门狗计时器单元电路有很大程度上的方便，而且在功能上比AT89C51单片机有很大的进步。 4.AT89S51单片机使用新的加密方法和算法，这使得程序不易被破解，从
18、而对程序的保密性极大的加强。5.2.3 51系列单片机的基本组成 AT89S51单片机芯片相对于AT89C51单片机具有相同的引脚分布很兼容性，因此AT89S51单片机芯片的引脚图分布如图5-1所示：图5-1 51单片机的引脚图通过51单片机的引脚分布和特点，我们知道AT89S51与51系列其他单片机中各种型号芯片的引脚互相兼容且相同。一般使用过程中对引脚的使用只采用40只引脚的双列直插，如图5-1所示。51单片机按照引脚的功能不同可基本分为以下几类：1.电源及时钟等功能引脚，如：VCC、VSS；XTAL1、XTAL2等为单片机提供相应的功能支持和电源供给；2.单片机基本控制功能引脚，如：、和
19、可为单片机提供复位、读、写等操作功能5； 3.单片机的I/O口串行接口引脚，一般是由P0、P1、P2、P3这4个8位I/O口组成，它为整个电路的数据接入和输出做出保障。5.2.4外接晶体引脚在51单片机系统引脚中XTAL1、XTAL2作为单片机晶振为单片机提供时钟信号，并且可输出时序的电平信号工单片机分析和处理。XTAL1（19脚）XTAL2（18脚）分别接外部晶体振荡器的两端。在工作过程中，如果当需要使用单片机的芯片内部时钟时，XTAL1、XTAL2，都用来外接石英晶体振荡器和微调电容；如果当需要使用单片机的芯片外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1接地，XTAL2引脚接外部振荡源；对于
20、CMOS单片机，XTAL1引脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2引脚悬空不接6。C51单片机的晶振频率一般是在6MHZ40MHZ之间，而在用过程中常用的频率一般是6MHz或12MHz的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF100pF之间选择。当外接晶体振荡器时，电容可选30pF10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选40pF10pF。5.2.5 控制信号或与其它电源复用引脚1.（9脚）：单片机复位端口，复位输入信号，高电平有效，即当单片机系统中在RST上输入两个机器周期以上的高电平，此时的复位信号为高电平即为有效
21、，将器件复位。因此，一般用于完成对单片机控制系统内的初始化操作。通常此端口正常工作时，此脚电平应 小于等于 0.5V。此端口是在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚此时不作为RST复位端口使用，其端口功能是可接备用电源VPD，端口中由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。2.（30脚）：地址锁存使能，地址锁存允许信号，输出。做为片外存储器访问时访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将会低字节地址锁存，因此低8位地址会锁存在片外的地址锁存器中。引脚可以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟信号或者定时，为编程脉冲输入端。 3.（29脚）：作为片外
22、程序存储器选通信号，低电平时有效。在从片外程序存储器取指期间，有效时，程序存储器的内容被送上P0口，即数据总线内。可以驱动8个LSTTL负载。 4.（31脚）：访问程序存储控制信号，为低电平有效。当“0”时，即表示为低电平，此时表示读外部程序存储器。一般只读取外部的程序存储器中的存储内容，寻址空间为外部存储器的全部空间即64KB，因此读取的地址范围为从0000HFFFFH（64KB），片内的4KB 程序存储器不寻址因此不起作用6。当“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KB Flash存储器的地址范围）时，单片
23、机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当PC值超出0FFFH （即超出片内4KB Flash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。对于单片机的编程，应注意严格控制此引脚端口的电压，编程是电压必须控制为12V或21V的编程电压。5.3显示器件 本次设计采用 LCD液晶显示，液晶模块简单点说就是屏加背光板加PCB板加铁框，液晶显示的原理是背光灯组件发出均匀的面光，光通过液晶屏传到我们的眼睛里。屏的作用就是按像素对这些光进行处理，以显示图像。它使得显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。1602液晶显示模块如图5-2所示：图5-2 1602液
24、晶显示模块图6 硬件电路设计 光电计数器的原理图主要分为三个部分：最小系统，AT89S51单片机控制电路，显示电路。6.1 最小系统6.1.1 电源电路 本次设计中的电源主要由外接5V供电或接USB线也可供电，该电路设计具有电路简单清晰，外接电源方便，电压稳定可靠，功耗较小。主要电路如图6-1所示： 图6-1 电源电路原理图6.1.2 复位电路 复位电路在单片机电路中占重要的作用，任何的单片机电路中都离不开复位。因为复位电路不仅仅可以将电路从错误状态中复位，更重要的是它对电路的调试起着非常重要的作用，利用复位对单片机系统进行初始化操作是调试过程中必不可少的操作之一。单片机复位电路如图6-2所示
25、：图6-2 单片机复位电路时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，当单片运行计数值超过上限值时单片机产生中断，按下复位电路后重新工作。6.1.3 晶振电路晶振电路是本次设计中电路原理图的一个重要部分，它在整个电路系统中产生时钟信号，由高低状态组成的时钟信号表示并且控制着光电信号的转换过程。单片机系统默认低电平时无计数信号状态，当外部传感器采集计数信号并转换成电信号再通过晶振电路转换成由产生高低电平组成的时钟信号，计数信号为时钟信号中高电平部分，无计数信号部分为低电平状态。晶振电路原理图如图6-3所示： 图6-3 晶振电路原理图6.2 单片机控制电路 本设计使用了AT89S51单
26、片机作为控制端，在这个电路设计中占主要地位，它作为作为控制端，主要实现了对外部采集信号的分析和处理，同时整个对电路的正常工作和运行起到了决定性作用。因此，该电路是本次设计的核心。其电路原理图如图6-4所示： 图6-4 单片机控制电路 如图6-4所示，当传感器P2采集得信号通过AT89S52单片机的P1.0引脚送入单片机中，再由AT89S51单片机进行分析并将结果送显示模块显示，同时对整个系统的运行进行控制。6.3 显示电路显示模块电路使用LCD集成模块，型号为1602液晶显示，其主要显示功能及其引脚图如表1所示： 表6-1 LCD1602管脚功能介绍表引脚图符号状态功能1VSS电源地2Vdd电
27、源+5V3V0对比度控制端4RS输入寄存器选择5R/W输入读、写操作6E输入使能信号7DB0三态数据总线（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地1602液晶显示的控制及显示如表1所示，因此由单片机控制程序控制，而根据表1的引脚功能图可对单片机进行写入操作指令，可期显示计数结果。 7 系统软件设计本系统采用C语言程序作为软件支持，C语言更符合人类思维习惯、开发效率高、模块化强、可移植性好、程序可读性和可维护性强，同时与汇
28、编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势7。因此本系统使用美国的软件编程程序C语言进行程序的编写，同时使用Keil软件进行调试和编辑。Keil具有生成代码效率高，易懂易理解的好处。故此，多数使用keil软件编译调试。C编程过程前的信号流程图是不少的，它可是程序清晰化、简单化，便于修改9。信号流图如图7-1所示：显示计数值外部中断服函数务手动复位蜂鸣器产生警报开 始数值单片机控制 N Y图7-1信号流程图8 结论本次设计从硬件系统设计上使用了多模块设计，从传感器到显示逻辑都很清晰。原理上从理论程度上将传感器采集到的信号分高低电平分析，高电平计数，低电平通过。从而上升到单片机
29、控制的高度，利用AT89S51单片机控制时序电路，在传感器正常无遮挡的条件下电平为低电平信号，遮挡则为高电平信号。如此时序信号的产生和AT89S51单片机控制对遮挡信号进行多次计数，达到了最终的计数目的。通过本次的设计，使我单独思考和独立解决问题的能力得到了加强，并且也加强了我的动手能力。对书本上知识的掌握和应用都得以加深。经过这次设计，我对单片机各个引脚的功能有了更身入的了解。特别是对单片机的最小系统，先前总听听老师说最小系统，可是自己一直搞不太明白，经过这次设计我才彻底弄清楚。同时也学到了一些光电传感器方面的知识，增加了我的知识面。在本次设计中采用3-80CM可调集成光电传感器，它的信号发
30、射源与接收器件集成于一体。3-80CM可调集成光电传感器的感知距离可以由感知任务的需要进行电位调节，通过调节后的红外可以感知到更远距离的遮挡信号。因此，3-80CM可调集成光电传感器具有感知距离远、抗外界光信号干扰能力强、价格低廉、易操作、易使用等特点,目前已经广泛应用于机器人避障、流水线计件等许多日常生活生产活动当中。参考文献1丁镇山.传感器及传感器技术应用.M北京：电子工业出版社，19992吴兴惠，王彩君.传感器与信号处理.M北京：电子工业出版社,19983杨永才，何国兴.马军山.光电信息技术.M上海：东华大学出版社，20024邓建云.光电传感器在自动控制中的应用J,2005.85吴宗凡等
31、编著.红外与微光技术.M.北京：国防工业出版社，19986张毅坤.单片微型计算机原理及应用M.西安电子科技大学出版社. 1998.9第1版7V.Yu.Tepiov,A.V.Anisimov.Thermostatting Systems Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier EffctJ,20028陈海宴.51单片机原理及应用M.北京:航空航天大学出版社，20109王东峰等.单片机C语言应用100例M.电子工业出版社，200910袁志祥、秦锋.数据结构（c语言版）例题详解
32、与课程设计指导第二版.中国科学技术大学出版社出版,2002致 谢本次毕业设计前后历时半年，在论文完成之际，我要对给予我帮助的老师和同学表示深深的感谢！首先要向马惠铖老师表示诚挚的谢意和深深的敬意。本课题在选题及其研究过程中得到马老师的悉心指导。每周三马老师都会开例会，给我们解决疑难问题，且对我们的问题一一作了回答，而且举一反三，使我们考虑问题全面，老师负责认真的态度感染了我们，马老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。马老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时四载，却给以终生受益无穷之道。对马老师的感激之情是无
33、法用言语表达的。在马老师的指导下，我从刚开始的迷茫到后来慢慢变得清晰，在这次的设计过程中我还积累了许多设计的经验，还学会的怎样去找参考资料，再找参考资料的过程中，我掌握了很多有用的新的知识。 同时，我要感谢给我帮助的老师，感谢老师四年的栽培。没有你们前期打的基础，这次的设计也不可能这么顺利的完成。感谢我的同学，在我的毕业设计中，他们给予的帮助。 最后，我要感谢各位评审的老师们，在百忙之中抽空看我的论文。附录一：程序清单#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ulong unsig
34、ned long#define LCD_DATA P0sbit LCD_RS =P25;sbit LCD_RW =P26;sbit LCD_E =P27;sbit Data =P10;sbit speaker=P24;void delay5ms(void); /误差 0usvoid LCD_WriteData(uchar LCD_1602_DATA); /*LCD1602数据写入*/void LCD_WriteCom(uchar LCD_1602_COM); /*LCD1602命令写入*/void lcd_1602_word(uchar Adress_Com,uchar Num_Adat,uc
35、har *Adress_Data); /*1602字符显示函数，变量依次为字符显示首地址，显示字符长度，所显示的字符*/void InitLcd();void Tim_Init();uchar number=0;uchar number_View3;uchar Data_Change;void main() InitLcd(); Tim_Init(); lcd_1602_word(0x80,16,Number : ); TR0 = 1; while(1) if(Data_Change) Data_Change=0;number+;number_View0=number/100+0x30;num
36、ber_View1=number%100/10+0x30;number_View2=number%10+0x30;if(number_View0=0x30) number_View0= ; if(number_View0= )&(number_View1=0x30) number_View1= ; lcd_1602_word(0xcd,16,number_View);if(number=100) lcd_1602_word(0x80,16,*Full*Full*); lcd_1602_word(0xc0,16,*Full*Full*); speaker=0; while(1); void ti
37、me0() interrupt 1 static uchar Key_Con; TH0 = 0xD8; TL0 = 0xF0; switch(Key_Con) case 0: if(Data=0) Key_Con+; break; case 1: if(Data=0) Key_Con+; else Key_Con=0; break; case 2: if(Data) Key_Con=0;Data_Change=1; void Tim_Init() EA=1; ET0=1; ET1=1; TMOD=0x11; TH0 = 0xD8; TL0 = 0xF0;void lcd_1602_word(u
38、char Adress_Com,uchar Num_Adat,uchar *Adress_Data) uchar a=0; uchar Data_Word; LCD_WriteCom(Adress_Com); for(a=0;a0;b-) for(a=12;a0;a-);附录二：系统原理图附录三：仿真图附录四：pcb图ag an employment tribunal clai Emloyment tribunals sort out disagreements between employers and employees. You may need to make a claim to a
39、n employment tribunal if: you dont agree with the disciplinary action your employer has taken against you your employer dismisses you and you think that you have been dismissed unfairly. For more informu, take advice from one of the organisations listed underFurther help. Employment tribunals are less formal than some other courts, but it is still a legal process and you will need to give evidence under an oath or affirmation. Most people find making a claim to an employment tribunal challenging. If you are thinking about making a claim to an empl