基于單片機(jī)光敏傳感器論文設(shè)計(jì)

1、新型傳感器 課程設(shè)計(jì)論文 二號(hào)黑體加粗居中號(hào)） 研究課題 傳感器原理及應(yīng)用 論文題目 光敏傳感器測(cè)量光強(qiáng)度 學(xué) 部 機(jī)電與信息工程學(xué)部 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2015年 5 月 20 日 光敏傳感器測(cè)量光照強(qiáng)度設(shè)計(jì) 摘 要；本設(shè)計(jì)題目是光敏電阻測(cè)量光照強(qiáng)度，用光照的強(qiáng)弱來(lái)改變光敏電阻的阻值大小，從而使輸出電壓值改變，通過(guò)測(cè)量輸出電壓值的大小就可以間接的測(cè)量光照的強(qiáng)度了。本設(shè)計(jì)有光照強(qiáng)度報(bào)警控制系統(tǒng)和光照強(qiáng)度等級(jí)顯示電路以及光照亮度的顯示。本設(shè)計(jì)采用了STC單片機(jī)為主控制電路，用數(shù)碼管顯示光照強(qiáng)度值，用綠、黃、紅LED來(lái)顯示光照亮度等級(jí)，用蜂鳴器來(lái)做報(bào)警

2、電路。本設(shè)計(jì)電路各個(gè)部分電路的設(shè)計(jì)原理及功能都能實(shí)現(xiàn)，要求對(duì)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(yùn)用、Protel 99 SE工具軟件等繪圖軟件，并加以運(yùn)用。用單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過(guò)編程控制各個(gè)外圍電路并實(shí)現(xiàn)其功能。本設(shè)計(jì)具有有線路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、性能優(yōu)越等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：光照強(qiáng)度；光敏電阻；單片機(jī) Design of illumination intensity for photosensitive sensor Abstracts ：This design is entitled to the photore

3、sistor 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 measuring the light intensity. The design of the light intensity alarm control system and t

4、he 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 display brightness levels, to do with buzzer alarm circuit. The design of the circuit des

5、ign 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 Proteus simulation software Protel 99 SE software tools such as mapping software and use o

6、f 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, superior performance characteristics.Key words：Light intensity; photosensitive resista

7、nce; MCU引言光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱并顯示讓人們知道此時(shí)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱。人們可以設(shè)定光照強(qiáng)度的范圍，一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)通知或直接采取措施使光照強(qiáng)度在此范圍內(nèi)。人們可以通過(guò)看此裝置的顯示了解現(xiàn)在的光照狀態(tài)，做合理的光照調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)可分為三部分：即光照檢測(cè)部分、信號(hào)處理部分、光強(qiáng)顯示部分。還可加上報(bào)警部分。對(duì)于光照檢測(cè)部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測(cè)元件，它可以完成從光強(qiáng)到電阻值的信號(hào)轉(zhuǎn)換，再把電阻值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)就可以作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。對(duì)輸入信號(hào)處理后，就可以用來(lái)顯示了。對(duì)于顯示部分可利用數(shù)碼管來(lái)顯示，不同的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于不同數(shù)碼管顯示值，就能

8、簡(jiǎn)單的顯示出不同的光強(qiáng)了。1 系統(tǒng)概述1.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)、顯示、（報(bào)警）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界三種不同條件下光強(qiáng)的分檔指示和報(bào)警（弱、適宜、強(qiáng)）。通過(guò)采樣到的光照射強(qiáng)度選擇，在數(shù)碼管上顯示電壓的大小。 (1)自己設(shè)計(jì)至少三種以上不同光照條件，測(cè)定不同光照條件下光電傳感器的輸出；(2)傳感器測(cè)量電路采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)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(bào)警系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計(jì)；(3)完成自然光光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示報(bào)警系統(tǒng)電路方框圖、電路原理圖的設(shè)計(jì)；(4)完成自然光光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示報(bào)警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的計(jì)算（備注：1. 含各種元件參數(shù)的計(jì)算

9、過(guò)程或依據(jù)2. 選定最接近計(jì)算結(jié)果的元件規(guī)格）；(5)設(shè)計(jì)結(jié)束后，進(jìn)行仿真調(diào)試。（6）不斷檢測(cè)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的相差情況（6）仿真調(diào)試方案（7）給出系統(tǒng)整機(jī)電路圖。（8）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告1.2 方案設(shè)計(jì)1.2.1方案說(shuō)明(1)傳感器選擇：選用光敏電阻作為采集光照信號(hào)的傳感器。(2)電阻測(cè)試：在室外太陽(yáng)光強(qiáng)照射下、室內(nèi)適宜光照下、室內(nèi)昏暗條件下三種光照條件下分別測(cè)的光敏電阻的阻值為<=320歐、1.4-3.6k歐、>=15.6k歐。(3)方案原理圖：系統(tǒng)功能描述：考慮到系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值,確定了光照適宜時(shí)的光敏電阻值的范圍為1.4-3.6k歐，當(dāng)光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，LED1點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)

10、，LED2點(diǎn)亮；黑暗時(shí)，LED3點(diǎn)亮，蜂鳴器也報(bào)警。即光照不適宜時(shí)就會(huì)報(bào)警，所以該系統(tǒng)不但可以完成光強(qiáng)的顯示、報(bào)警，而且可以判斷光照是否適宜。原理框圖如下：數(shù)碼管顯示電路報(bào)警電路光敏電阻光敏電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)處理電路 圖1 原理框圖1.2.2方案論證(1)光照強(qiáng)度的信號(hào)采集部分采用光敏電阻作為信號(hào)采集器件。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無(wú)光照時(shí), 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很小； 當(dāng)受到光照時(shí)，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強(qiáng)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(yīng)范圍寬；體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐震動(dòng)、抗過(guò)

11、載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。所以選擇光敏電阻采集光照信號(hào)，并把不同的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，電路如原理圖所示。于是，就把對(duì)光照信號(hào)的處理轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓信號(hào)V的處理。(2)信號(hào)處理部分：采用集成電壓比較器LM358N作為信號(hào)處理的核心元件，電路連接如原理圖所示。光強(qiáng)、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三個(gè)電壓值V1，V2，V3作為比較器的輸入電壓；兩個(gè)比較器設(shè)置兩個(gè)參考電壓Vref1，Vref2。工作過(guò)程分析如下：光照較強(qiáng)時(shí)V1> Vref1>Vref2，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時(shí)Vref1>V2

12、> Vref2， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0）； 光照黑暗時(shí)V3< Vref2 < Vref1 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V）。這樣就完成了從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,顯示部分就變得容易了。(3)光強(qiáng)顯示部分采用數(shù)碼管管顯示不同的光強(qiáng)狀態(tài)。由于比較器的驅(qū)動(dòng)能力有限，所以在輸出端加一個(gè)上拉電阻提高其驅(qū)動(dòng)能力。電路連接如原理圖所示，分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮；光照適宜時(shí)， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點(diǎn)亮； 光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3

13、被點(diǎn)亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來(lái)了。（4）光報(bào)警部分采用有源蜂鳴器作為報(bào)警器件。電路連接如原理圖所示，用兩個(gè)NPN型BJT三極管的導(dǎo)通來(lái)控制報(bào)警電路的導(dǎo)通，三極管的導(dǎo)通又受發(fā)光二極管導(dǎo)通與否的控制，發(fā)光二極管的導(dǎo)通受光照的控制。所以光強(qiáng)就可以控制報(bào)警器了，設(shè)計(jì)方案采用了當(dāng)光照較強(qiáng)或較暗時(shí)報(bào)警。工作過(guò)程分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮，三極管BJT1被導(dǎo)通，報(bào)警電路被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點(diǎn)亮，三極管BJT1截止，報(bào)警電路也截止； 光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LE

14、D2、LED3被點(diǎn)亮，BJT2被導(dǎo)通，報(bào)警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。2 硬件電路設(shè)計(jì)與分析2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)STC12C5A08S2簡(jiǎn)介：新一代宏晶芯片具有1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，25萬(wàn)次/秒1T 8051帶總線,無(wú)法解密,管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52,有全球唯一ID號(hào)可省復(fù)位電路,36-44個(gè)I/O內(nèi)部R/C時(shí)鐘的新一代宏晶芯片加密性強(qiáng)，解密難度高。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對(duì)外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器CPU正在處理某件事的時(shí)候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊急事件。時(shí)鐘電路。由于頻率較大時(shí)，三角波、

15、正弦波、方波等波中每一點(diǎn)延時(shí)時(shí)間為幾微秒，故延時(shí)時(shí)間還要加上指令時(shí)間即可得到指定頻率的波形，該電路用24MHz晶振。如下圖： 圖2 主控電路圖2.2光敏電阻的主要特性及參數(shù)1) 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。2)光敏電阻的伏安特性測(cè)量圖1 光敏電阻伏安特性測(cè)試電路（1）按原理圖1連接好實(shí)驗(yàn)線路，將光源用的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈和光敏電阻板置測(cè)試架中，電阻盒

16、以及轉(zhuǎn)接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。（2）通過(guò)改變光源電壓或調(diào)節(jié)光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強(qiáng)，每次在一定的光照條件下，測(cè)出加在光敏電阻上電壓U為+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V時(shí)5個(gè)光電流數(shù)據(jù)，即,同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值。以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行56次不同光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一組伏安特性曲線。光強(qiáng)（lx)UR(V)U(V)46.8315.710992688.95436.720.0560.2030.4040.6140.81040.1130.4120.8301.2511.64360.1740.6211.24

17、51.8742.45780.2320.8311.6702.5053.281100.2901.0402.0883.1394.103 由圖可知，在一定光強(qiáng)下，光敏電阻的光電流與光電壓成線性關(guān)系，隨電壓的增大二增大，并且，光強(qiáng)越大，其增長(zhǎng)越快。 2.3光敏電阻接入電路圖 圖4 光敏電阻接入電路2.4數(shù)碼管顯示電路 圖5 數(shù)碼管電路 2.5報(bào)警電路采用有源蜂鳴器作為報(bào)警器件。 圖6 光報(bào)警電路和光顯示電路3.1 安裝調(diào)試及測(cè)量數(shù)據(jù)分析3.1.1 通電、用萬(wàn)用表根據(jù)電路圖仔細(xì)檢查各線路連接是否正常。3.1.2 先是調(diào)試單片機(jī)部分，DA和運(yùn)算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483軟件通過(guò)串口下程序?？?/p>

18、是否可以正常下程序。3.1.3可以正常下程序時(shí)，給51單片機(jī)下一個(gè)讓所有I/0口一會(huì)兒輸入0，延時(shí)，再輸出1，以此類推。用萬(wàn)用表測(cè)量各I/O口得電壓是不是一會(huì)兒高，一會(huì)兒低。3.1.4在單片機(jī)報(bào)警器和LM358芯片，給單片機(jī)下測(cè)試程序，通過(guò)看數(shù)碼管輸出是否正常。3 實(shí)訓(xùn)的心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)傳感器、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深的的理解也加強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手能力。也第一次這么近距離的了解自動(dòng)化的含義，了解傳感器。接觸到我們以后需要使用和進(jìn)一步了解的程序。不管是電路理論，還是實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過(guò)此次設(shè)計(jì)后我的能力都有了不少提升。同時(shí)在本次課程設(shè)計(jì)時(shí)，也暴露了自己的不少毛病，如設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化，仿真軟件不熟悉等。剛開始的的時(shí)候，Protel完全不會(huì)，但經(jīng)過(guò)兩天的摸索，也逐步上手了。通過(guò)這幾天的努力奮斗，最終做出電路原理圖，心里有一種莫名的成就感。在這次課程設(shè)計(jì)中，我也有很多不足，做事太急。方案的設(shè)計(jì)沒有能實(shí)現(xiàn)很多的功能，知識(shí)面狹隘，學(xué)過(guò)的知識(shí)遺忘了。