1、編號: 傳感器綜合設計 實訓 (論文 說明書題 目:光敏電阻測量光照強度院 (系 :信息與通信學院專 業:電子信息工程學生姓名:羅振雄學 號: 0901130441 指導教師:王守華、胡機秀、童有為、李秀東2012年 6月 22日摘 要隨著時代的進步和發展, 傳感器技術已經普及到我們生活, 工作, 科研, 各個領域, 已經成為一種比較成熟的技術。傳感器是將感受的物理量、化學量等信息,按一定規律 轉換成便于測量和傳輸的信號的裝置。本設計題目是光敏電阻測量光照強度,用光照的強弱來改變光敏電阻的阻值大小, 從而使輸出電壓值改變,通過測量輸出電壓值的大小就可以間接的測量光照的強度了。 本設計有光照強度

2、報警控制系統和光照強度等級顯示電路以及光照亮度的顯示。 本設計 采用了 STC 單片機為主控制電路,用數碼管顯示光照強度值,用綠、黃、紅 LED 來顯示 光照亮度等級,用蜂鳴器來做報警電路。本設計電路各個部分電路的設計原理及功能都 能實現, 要求對各種基本的電子元器件, 電阻、 電容、 二極管、 三極管等熟悉, 掌握 Proteus 仿真軟件的運用、 Protel 99 SE工具軟件等繪圖軟件,并加以運用。用單片機內部的 AD 轉換實現模擬轉化為數字量, 通過編程控制各個外圍電路并實現其功能。 本設計具有 有線路簡單、結構緊湊、價格低廉、性能優越等特點。關鍵詞:光照強度;光敏電阻;單片機Abs

3、tractWith the progress and development of sensor technology has spread to the way we live, work, research in various fields, has become a relatively mature technology. The sensors are the feelings of physical, chemical and other information, according to certain rules to convert to facilitate the me

4、asurement and transmission of the signal device.This design is entitled to the photoresistor to measure light intensity, the strength of the light to change the photosensitive resistor size, so that the output voltage changes, by measuring the size of the output voltage value can be indirectly measu

5、ring the light intensity. The design of the light intensity alarm control system and the light intensity level display circuit and illumination brightness of the display. This design uses the STC microcontroller-based control circuit, digital display light intensity, light green, yellow, red LED dis

6、play brightness levels, to do with buzzer alarm circuit. The design of the circuit design principles and functions of various parts of the circuit can achieve, requiring a variety of basic electronic components, resistors, capacitors, diodes, transistors and other familiar and master the use of Prot

7、eus simulation software Protel 99 SE software tools such as mapping software and use of them. AD of the internal microcontroller to convert analog into digital, programmed to control the various peripheral circuits and to achieve its function. The design of the circuit is simple, compact, low cost,

8、superior performance characteristics.Key words:Light intensity; photosensitive resistance; MCU目 錄引言 . . 1 1 電路系統概述 . . 1 1.1 設計要求 . . 1 1.2 方案設計 . . 11.3 方案論證 . . 22 硬件設計與分析 . . 3 2.1 單片機最小系統 . . 3 2.2 光敏電阻的特性及參數 . . 5 2.3 光采樣電路 . . 5 2.4 光強度顯示電路 . . 62.5 光強度等級報警電路 . . 63 軟件程序設計 . . 7 3.1 程序流程圖 . .

9、7 3.2 安裝調試及測量數據分析 . . 83.3 調試問題與解決方法 . . 94 總結 . . 9謝 辭 . . 11 參考文獻 . . 12 附 錄 . . 13引言光照強度自動檢測顯示電路, 該電路可以自動檢測光照強度的強弱并顯示給人們知 道此時光照強度的強弱。該電路還可以設定光照強度的范圍,一旦超出此范圍該電路系 統可以發出警報通知或直接采取措施使光照強度限定在此范圍內。 人們可以通過看此電 路裝置的顯示了解現在的光照狀態,做合理的光照調節。該設計可分為三部分:即光照 采集檢測部分、光照強度信號處理部分、光照強度顯示部分。還可加上報警部分和光照 強度等級顯示部分。對于光照檢測部分可

10、利用光敏電阻傳感器作為檢測元件,它可以完 成從光的強弱到電阻值變化的信號轉換, 再把電阻值轉換為電信號就可以作為系統的輸 入信號,對輸入信號進行 AD 處理后就可以用來顯示了。對于顯示部分可利用數碼管來 顯示,不同的光強對應于不同數碼管顯示值,就能簡單的顯示出不同的光強了。用綠、 黃、紅 LED 來顯示光照強度的等級。1 電路系統概述1.1 設計要求設計一個光照強度自動檢測、顯示、 (報警系統,實現對外界三種不同條件下光 強的分檔指示和報警(弱、適宜、強 。通過采樣到的光照射強度選擇,在數碼管上顯 示電壓的大小。(1自己設計至少三種以上不同光照條件, 測定不同光照條件下光電傳感器的輸出;(2傳

11、感器測量電路采用集成運算放大器構成的比較器完成,完成至少三種以上不 同光照條件下顯示報警系統方案的論證和設計;(3完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統電路方框圖、電路原理圖的設計;(4完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統中核心芯片的選型、系統中各個參 數的計算 (備注:1. 含各種元件參數的計算過程或依據 2. 選定最接近計算結果的元件 規格 ;(5設計結束后,進行仿真調試;(6不斷檢測設計和實踐的相差情況;(7仿真調試方案;(8給出系統整機電路圖;(9完成課程設計報告。1.2 方案設計傳感器選擇:選用光敏電阻作為采集光照信號的傳感器。電阻測試:在室外太陽光強照射下、室內適宜光照下、室內昏

12、暗條件下三種光照條 件下分別測的光敏電阻的阻值為 <=320歐、 1.4-3.6k 歐、 >=15.6k歐。方案原理圖:系統功能描述:考慮到系統的實用價值 , 確定了光照適宜時的光敏電阻 值的范圍為 1.4-3.6k 歐,當光照過強時, LED1點亮,蜂鳴器報警;光照適宜時, LED2點亮;黑暗時, LED3點亮,蜂鳴器也報警。即光照不適宜時就會報警,所以該系統不但 可以完成光強的顯示、報警,而且可以判斷光照是否適宜。 原理框圖如下: 圖 1電路原理框圖1.3 方案論證(1光照強度的信號采集部分采用光敏電阻作為信號采集器件。光敏電阻是基于光電導效應的一種光電器件,無 光照時 , 光

13、敏電阻值(暗電阻很大 , 電路中電流(暗電流很小; 當受到光照時, 半導體材料電導率增加,電阻減小。其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻作為光電式傳 感器的一種,它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬;體積小、重量輕、機械強度高、耐沖 擊、耐震動、抗過載能力強和壽命長等特點。所以選擇光敏電阻采集光照信號,并把不 同的光照強度轉化為不同的電阻值。 把光敏電阻串聯在直流電路中即可把不同的電阻值 轉化為不同的電壓值,電路如原理圖所示。于是,就把對光照信號的處理轉化為對電壓 信號 V 的處理。 (2信號處理部分采用集成電壓比較器 LM358N 作為信號處理的核心元件,電路連接如原理圖所示。 光強、適宜、黑暗三種光

14、照狀態轉換為三個電壓值 V1, V2, V3作為比較器的輸入電壓; 兩個比較器設置兩個參考電壓 Vref1, Vref2。工作過程分析如下:光照較強時 V1> Vref1>Vref2,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V , 0V ;光照適宜時 Vref1>V2> Vref2, 兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V , 0 ; 光照黑暗時 V3< Vref2 < Vref1 兩個比較器 的輸出電壓分別為(-5V , 5V 。這樣就完成了從模擬信號到數字信號的轉換 , 顯示部分就變得容易了。(3光強顯示部分采用數碼管管顯示不同的光強狀態。由于比較器的驅動能力有限,所

15、以在輸出端加 一個上拉電阻提高其驅動能力。電路連接如原理圖所示,分析如下:當光照較強時,兩 個比較器的輸出電壓分別為(5V , 0V , LED1點亮;光照適宜時, 兩個比較器的輸出電 壓分別為(-5V , 0 , LED2被點亮; 光照黑暗時,兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V , 5V , LED3被點亮。這樣三種狀態就顯示出來了。(4光報警部分采用有源蜂鳴器作為報警器件。電路連接如原理圖所示,用兩個 NPN 型 BJT 三極管 的導通來控制報警電路的導通,三極管的導通又受發光二極管導通與否的控制,發光二 極管的導通受光照的控制。所以光強就可以控制報警器了,設計方案采用了當光照較強 或較暗

16、時報警。 工作過程分析如下:當光照較強時, 兩個比較器的輸出電壓分別為 (5V , 0V , LED1點亮, 三極管 BJT1被導通, 報警電路被導通, 蜂鳴器報警; 光照適宜時, 兩 個比較器的輸出電壓分別為(-5V , 0 , LED2被點亮,三極管 BJT1截止,報警電路也截 止; 光照黑暗時, 兩個比較器的輸出電壓分別為 (-5V , 5V , LED2、 LED3被點亮, BJT2被導通,報警電路也被導通,蜂鳴器報警。2 硬件設計與分析2.1 單片機最小系統STC12C5A08S2簡介:新一代宏晶芯片具有 1個時鐘 /機器周期,高速、高可靠, 2路 PWM , 8路 10位高速 A/

17、D轉換, 25萬次 /秒 1T 8051帶總線 , 無法解密 , 管腳直接兼容傳統 89C52, 有全球唯一 ID 號可省復位電路 ,36-44個 I/O內部 R/C時鐘的新一代宏晶芯片加密 性強,解密難度高。高速:1個時鐘 /機器周期,增強型 8051內核,速度比普通 8051快 812倍 寬電壓:5.53.3V , 2.23.6V (STC12LE5A60S2系列增加第二復位功能腳(高可靠復位,可調整復位門檻電壓,頻率 <12MHz時,無需 此功能增加外部掉電檢測電路 , 可在掉電時 , 及時將數據保存進 EEPROM, 正常工作時無需 操作 EEP低功耗設計:空閑模式 ,HOLTE

18、K 芯片解密, (可由任意一個中斷喚醒低功耗設計:掉電模式(可由外部中斷喚醒 ,可支持下降沿 /上升沿和遠程喚醒 工作頻率:035MHz ,相當于普通 8051:0420MHz時鐘:外部晶體或內部 RC 振蕩器可選,在 ISP 下載編程用戶程序時設置 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節片內 Flash 程序存儲器, 擦寫次數 10萬次 以上 1280字節片內 RAM 數據存儲器芯片內 EEPROM 功能 , 擦寫次數 10萬次以上 ISP / IAP,在系統可編程 /在應用可編程 , 無需編程器 /仿真器 8通道 ,10位高速 ADC ,速度可達 25萬次 /秒 ,

19、2路 PWM 還可當 2路 D/A使用 2通道捕獲 /比較單元(PWM/PCA/CCP , -也可用來再實現 2個定時器或 2個外 部中斷(支持上升沿 /下降沿中斷 4個 16位定時器,兼容普通 8051的定時器 T0/T1,2路 PCA 實現 2個定時器 可編程時鐘輸出功能, T0在 P3.4輸出時鐘, T1在 P3.5輸出時鐘 ,BRT 在 P1.0輸出時鐘硬件看門狗(WDT 高速 SPI 串行通信端口全雙工異步串行口 (UART,兼容普通 8051的串口先進的指令集結構,兼容普通 8051指令集,有硬件乘法 /除法指令通用 I/O口(36/40/44個 ,復位后為:準雙向口 /弱上拉(普

20、通 8051傳統 I/O口可設置成四種模式:準雙向口 /弱上拉,推挽 /強上拉,僅為輸入 /高阻,開漏每個 I/O口驅動能力均可達到 20mA ,但整個芯片最大不得超過 100mA 圖 2單片機最小系統電路圖2.2光敏電阻的特性及參數(1光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下,當有光照射時,流過的電 流稱為光電流,外加電壓與光電流之比稱為亮電阻,常用“ 100LX ”表示。(2暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下,當沒有光照射的時候,流過 的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻,常用“ 0LX ”表示。(3靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值(暗電阻與受光照射時

21、 的電阻值(亮電阻的相對變化值。(4在一定外加電壓下,光敏電阻的光電流和光通量之間的關系。不同類型光敏電 阻光照特性不同,但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件,這是光敏 電阻的不足之處。一般在自動控制系統中用作光電開關。(5光敏電阻的光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關。硫化鉛光敏電阻在較寬 的光譜范圍內均有較高的靈敏度,峰值在紅外區域;硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區 域。因此,在選用光敏電阻時,應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮,才能 獲得滿意的效果。(6光敏電阻的伏安特性在一定照度下,加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關 系稱為伏安特性。在給定偏壓下 , 光照度較大,

22、光電流也越大。在一定的光照度下,所 加的電壓越大,光電流越大,而且無飽和現象。但是電壓不能無限地增大,因為任何光 敏電阻都受額定功率、最高工作電和額定電流的限制,超過最高工作電壓和最大額定電 流,可能導致光敏電阻永久性損壞。(7當光敏電阻受到脈沖光照射時,光電流要經過一段時間才能達到穩定值,而在 停止光照后,光電流也不立刻為零,這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏 電阻時延特性不同,所以它們的頻率特性也不同,硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多, 但多數光敏電阻的時延都比較大,所以,它不能用在要求快速響應的場合。2.3光采樣電路本光采樣電路是應用光敏電阻的特性而設計形成的,根據光敏電阻的工作

23、原理,當 有光照是光敏電阻的阻值會隨著光的強度增加而減小。 把光敏電阻采樣得到的電壓值經 過 LM358進行電壓放大,然后進行濾波后送到單片機進行處理。光敏電阻的伏安特性在 一定照度下, 加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。 在給定偏壓下 , 光照度較大,光電流也越大。在一定的光照度下,所加的電壓越大,光電流越大,而且 無飽和現象。但是電壓不能無限地增大,因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電 和額定電流的限制, 超過最高工作電壓和最大額定電流, 可能導致光敏電阻永久性損壞。 當光敏電阻受到脈沖光照射時,光電流要經過一段時間才能達到穩定值,而在停止光照 后,光電流也不立刻為零

24、,這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同,所以它們的頻率特性也不同。光采樣電路如下: 圖 3光采樣電路圖2.4 光強度顯示電路本光強度顯示部分電路采用了數碼管來進行顯示數值, 單片機接收光采樣電路采樣 得到的電壓進行 AD 轉換處理,然后經過數碼管顯示數字量,顯示數字量越大表示光越 強,數碼管采用共陽接法,用 8550(PNP 三極管來驅動,四位數碼管可以顯示從 0至 9999數字中的任一個數值,這樣就可以滿足本設計的顯示要求。 圖 4光強度顯示電路圖2.5 光強度等級報警電路本部分電路采用蜂鳴器進行報警器,采用 8550PNP 三極管進行驅動,當控制信號 為低電平時,三

25、極管導通,就有電流流過三極管,驅動蜂鳴器,這時蜂鳴器就會發出聲 音;當信號為高電平時,三極管就截至,就沒有電流留到蜂鳴器,就沒有響聲。本部分 還采用了三個 LED ,顏色分別為綠、黃、紅進行顯示光照強度的等級,用綠色的 LED 來表示光強度弱,用黃色 LED 來表示光照強度適中,用紅色 LED 來表示光照強度強,三個 LED 采用了共陽的接法,當控制信號為低電平時 LED 就亮,控制信號為高電平就不亮; 通過用單片機來控制輸出的信號就可以實現到蜂鳴器和 LED 的控制了, 這樣就可以實現 本部的功能。 圖 5光強度等級報警電路圖3 軟件程序設計本軟件程序設計上,根據電路的功能可以分為幾個模塊。

26、主要有:光采樣模 塊、 AD 轉換模塊、光強度顯示模塊、光亮度等級模塊和報警模塊。各個模塊通過 編程用單片機了控制,使之其聯系起來,協調的工作。3.1 程序流程圖應用 Keil 軟件進行程序的編寫主要步驟為:編寫源程序并保存建立工程并 添加源文件設置工程編譯 /匯編、連接,產生目標文件程序調試。成功編譯 /匯編、連接后,選擇菜單 Debug-Start/Stop Debug Session(或按 Ctrl+F5鍵 進入程序調試狀態, Keil 提供對程序的模擬調試功能,內建一個功能強大的仿真 CPU 以模擬執行程序。 Keil 能以單步執行 (按 F11或選擇 Debug-Step 、過程單步

27、 執行 (按 F10或選擇 Debug-Step Over、全速執行等多種運行方式進行程序調試。 如 果 發 現 程 序 有 錯 , 可 采 用 在 線 匯 編 功 能 對 程 序 進 行 在 線 修 改 (Debug-Inline Assambly,不必執行先退出調試環境、修改源程序、對工程重新進行編譯 /匯 編和連接、然后再次進入調試狀態的步驟。對于一些必須滿足一定條件 (如按鍵被 按下等 才能被執行的,難以用單步執行方式進行調試的程序行,可采用斷點設置 的方法處理 (Debug-Insert/Remove Breakpoint或 Debug-Breakpoints等 。 在模擬調試程序后

28、, 還須通過編程器將 .hex 目標文件燒寫入單片機中才能觀察目標 樣機真實的運行狀況。圖 6程序流程圖3.2 安裝調試及測量數據分析(1在沒有通電前目檢整個作品的的焊接問題和元件問題,檢查是否有空焊、 虛焊、錯焊、短路等現象,檢查元器件是否有用錯,極性是否有錯等不良。 (2 通電測試各個功能模塊的工作是否正常, 用萬用表來測量各個功能模塊的 電流電壓,并確認模塊工作情況。(3 在各個模塊正常情況下,給 51單片機編程一個讓所有 I/0口一會兒輸出 0,延時,再輸出 1。用萬用表測量各 I/O口得電壓是不是一會兒高,一會兒低。 (4 在單片機報警器和 LM358芯片,給單片機下測試程序,通過看

29、數碼管輸出 是否正常,并確認數碼管工作情況。(5 給單片機下一個完整的程序,分別用不同的光照強度照射光敏電阻,檢查 數碼管是否顯示不同的數值,當顯示數值在不同范圍時對應的綠、黃、紅 LED 是 否發光,當紅色 LED 亮時蜂鳴器也是否有響聲等。3.3 調試問題與解決方法(1 調試單片機程序時,發現不能正常的下載程序,首先懷疑可能是單片機壞 了,然后借了一塊單片機學習板測試了一下單片機芯片,發現可以正常下載。這 說明很可能是我單片機的引腳可能出現焊接不良問題,有可能哪個引腳虛焊或假 焊了,仔細查看了電路圖于是我將電路板重新加焊一遍再下程序,并檢查下載器 的問題,最終可以正常下載調試。(2 開始寫

30、的測試程序輸出的數據誤差很大。 我想可能是光敏電阻這一模塊出 現了問題,于是不斷的排查和檢測,通過調節可變電阻使在沒有光照時,數碼管 顯示值為 0,這樣調節后誤差就大大的減小,測量結果符合要求。(3 盡可能的讓電路板做到很完美,調節好各級的電阻讓實驗結果精確。如數 碼管和 LED 亮度很暗,則可以是限流電阻過大的緣故,更換比較小的電阻阻值就 可以了,如果報警聲音很小,要更換比較大的電流三極管來驅動。(4 調試測量儀器:示波器;直流穩壓電源;萬用表;單片機開發板。4 總結通過本次課程設計,我對傳感器、電路系統設計有了更深的的理解也加強了我的實 際動手能力。也第一次這么近距離的了解自動化的含義,了

31、解傳感器。接觸到我們以后 需要使用和進一步了解的傳感器。不管是電路理論,還是實際應用,經過此次設計后我 的能力都有了不少提升。同時在本次課程設計時,也暴露了自己的不少毛病,如設計過 程中缺乏規范化,標準化,仿真軟件不熟悉等。剛開始的的時候, Protel 完全不會,但 經過兩天的摸索,也逐步上手了。通過這幾天的努力奮斗,最終做出電路原理圖,心里 有一種莫大的成就感。在這次課程設計中,我也有很多不足,做事太急。方案的設計沒 有能實現很多的功能,知識面狹隘,學過的知識遺忘了。我會努力將基礎打牢,爭取在 下一次的課程設計中有新穎的想法,做的東西功能更為全面。平常我們上課學習理論知 識有時覺得挺容易的

32、,但一旦自己真正動手設計,才發現自己有很多不足。只有實踐才 能提高自己的能力,因此我希望有更多類似課程設計。我認為設計此裝置可以讓我們得到適宜的光照,便于調節。可以用于大棚蔬菜的培 養, 路燈的控制, 汽車的在夜間行駛時突遇強光照射司機的眼睛等問題。 當汽車行駛時, 光照很強照在司機的眼睛上時, 光敏電阻可在到達司機眼睛之前感受到光照增強此時可 將報警裝置改為一個自動放下慮光板,可以保護眼睛同時可以避免交通事故的發生。此 裝置用于路燈的控制,因為冬夏的日照不同,此裝置可根據亮度的不同控制路燈,這樣 一來可以節省資源同時可以在最需要的時候開啟路燈。在設計中也遇到了一些問題,并沒有達到相關功能,在

33、開始時無從下手,經過細心 查閱資料,了解相關知識,克服了困難。程序編程一直是個很困難的問題,很難在一次 性就能解決,需要不斷的積累,不斷的學習。本次實訓設計,讓我感觸很深,對我來說是一次很重要的實踐項目。雖然在整個實 訓過程當中感到有些緊張,但整個過程是非常快樂的。這次實訓設計讓我進一步鞏固了 傳感器課程的知識,進一步提高了電路理論分析能力和動手實踐操作能力,讓我更加懂 得了理論知識與實際操作相結合的重要性。雖然在這次實訓的過程當中遇到了不少問 題,但我還是努力的去探索和解決這些問題,只要按照正確的方法操作和進行仔細的檢 查,我們還是能很好的完成這次實訓任務的。由于本人的知識能力有限,在本課程實訓 中不可避免存在一些不足之處,我會在以后的學習生活中不斷加以完善。相信本次實訓 的經歷一定會在我今后的學習生活中產生巨大的推動作用。在今后的學習當中,我還需 要繼續加強努力認真學習和多動手實踐操作,努力提高自身各方面的綜合技能。謝 辭近兩周實訓已經臨近結束了,在此期間同學們都在努力學習,認真調試調著設計作 品。在此我要特別感謝老師們對我的指導,還有同