光敏电阻检测光照亮度.

编号：传感器综合设计实训（论文）说明书题 目：光敏电阻检测光照亮度院（系）：信息与通信学院专 业：电子信息工程学生姓名：学 号：指导教师：2012年6月20日摘要本题设计一个光照强度自动检测、显示、报警系统，实现对外界三种不同条件下光 强的分档指示和报警（弱、适宜、强）。使用光敏电阻光照强度的测量并进行显示，采 取单片机对光敏电阻输出变化进行处理转换成数字量再使用数码管进行显示。在单片机 上加外围器件三个LED，通过采样到的光照射强度选择，在数码管上显示电压的大小。 本设计具有有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等特点。关键词：光照亮度；光敏电阻；单片机；数码管器AbstractSubject to design a light intensity to be automatic detection, display, alarm system, the realization on the outside three different conditions of light intensity FenDang instructions and alarm (weak, appropriate, stronger). Use photoconductive resistance of light intensity measurement that take the monolithic integrated circuit to change photoconductive resistance output processing converted into digital quantity to use digital tube displayed. In the single peripheral devices with three LED, by sampling the light to illuminate intensity choice, in digital tube display voltage size. This design has a simple lines, compact structure, low prices, superior performance etc. Characteristics.Key words: light brightness; Photoconductive resistance; Single chip microcomputer; Digital pig引言01系统概述01.1设计要求01.2方案设计01.2.1方案说明01.2.2方案论证12硬件电路设计与分析22.1单片机最小系统22.2光敏电阻的主要特性及参数42.3光敏电阻接入电路图52.4数码管显示电路62.5报警电路63软件设计63.1主程序73.2安装调试及测量数据分析84实训的心得体会8致 谢 错误!未定义书签。参考文献11附录12引言光照强度自动检测显示系统，该系统可以自动检测光照强度的强弱并显示让人们知 道此时光照强度的强弱。人们可以设定光照强度的范围，一旦超出此范围该系统可以发 出警报通知或直接采取措施使光照强度在此范围内。人们可以通过看此装置的显示了解 现在的光照状态，做合理的光照调节。该设计可分为三部分：即光照检测部分、信号处 理部分、光强显示部分。还可加上报警部分。对于光照检测部分可利用光敏电阻传感器 作为检测元件，它可以完成从光强到电阻值的信号转换，再把电阻值转换为电信号就可 以作为系统的输入信号。对输入信号处理后，就可以用来显示了。对于显示部分可利用 数码管来显示，不同的光强对应于不同数码管显示值，就能简单的显示出不同的光强了。1系统概述1.1设计要求设计一个光照强度自动检测、显示、（报警）系统，实现对外界三种不同条件下光 强的分档指示和报警（弱、适宜、强）。通过采样到的光照射强度选择，在数码管上显 示电压的大小。（1）自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的输 出；（2）传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完成，完成至少三种以上 不同光照条件下显示报警系统方案的论证和设计；（3）完成自然光光照强度自动检测显示报警系统电路方框图、电路原理图的设计；（4）完成自然光光照强度自动检测显示报警系统中核心芯片的选型、系统中各个 参数的计算（备注：1.含各种元件参数的计算过程或依据2.选定最接近计算结果的元 件规格）；（5）设计结束后，进行仿真调试。（6）不断检测设计和实践的相差情况（7）仿真调试方案（8）给出系统整机电路图。（9）完成课程设计报告1.2方案设计1.2.1方案说明（1）传感器选择：选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。（2）电阻测试：在室外太阳光强照射下、室内适宜光照下、室内昏暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为=15.6k欧。（3）方案原理图：系统功能描述：考虑到系统的实用价值，确定了光照适宜时的光敏 电阻值的范围为1.4-3.6k欧，当光照过强时，LED1点亮，蜂鸣器报警；光照适宜时， LED2点亮；黑暗时，LED3点亮，蜂鸣器也报警。即光照不适宜时就会报警，所以该 系统不但可以完成光强的显示、报警，而且可以判断光照是否适宜。原理框图如下：光敏电阻信号转换电路信号处理电路图1-1 原理框图1.2.2方案论证（1）光照强度的信号采集部分采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无 光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小；当受到光照时，半 导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感 器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、 耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的 光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化 为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号 V的处理。（2）信号处理部分：采用集成电压比较器LM358N作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。 光强、适宜、黑暗三种光照状态转换为三个电压值VI，V2, V3作为比较器的输入电压； 两个比较器设置两个参考电压 Vrefl，Vref2。工作过程分析如下：光照较强时 V1 Vref1Vref2,两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时Vref1V2 Vref2, 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0）；光照黑暗时V3 Vref2 Vref1两个比较器 的输出电压分别为（-5V，5V）。这样就完成了从模拟信号到数字信号的转换，显示部分 就变得容易了。（3）光强显示部分采用数码管管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，所以在输出端加 一个上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两 个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照适宜时，两个比较器的输 出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮；光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为 （-5V，5V），LED2、LED3被点亮。这样三种状态就显示出来了。（4）光报警部分采用有源蜂鸣器作为报警器件。电路连接如原理图所示，用两个NPN型BJT三极 管的导通来控制报警电路的导通，三极管的导通又受发光二极管导通与否的控制，发光 二极管的导通受光照的控制。所以光强就可以控制报警器了，设计方案采用了当光照较 强或较暗时报警。工作过程分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V， 0V），LED1点亮，三极管BJT1被导通，报警电路被导通，蜂鸣器报警；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮，三极管BJT1截止，报警电 路也截止；光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3 被点亮，BJT2被导通，报警电路也被导通，蜂鸣器报警。2硬件电路设计与分析2.1单片机最小系统STC12C5A08S2 简介：新一代宏晶芯片具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高 速A/D转换，25万次/秒1T 8051带总线，无法解密，管脚直接兼容传统89C52，有全球唯一 ID号可省复位电路,36-44个I/O内部R/C时钟的新一代宏晶芯片加密性强，解密难度高。中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU 正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理 这个紧急事件。时钟电路。由于频率较大时，三角波、正弦波、方波等波中每一点延时 时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形，该电路用 24MHz晶振。如下图：图1-2主控电路图宽电压：5.53.3V, 2.23.6V （STC12LE5A60S2 系列）增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率12MHz时，无 需此功能）增加外部掉电检测电路，可在掉电时，及时将数存进EEPROM,正常工作时无需操 作EEP低功耗设计：空闲模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一个中断唤醒）低功耗设计：掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持上升沿和远程唤醒工作频率：035MHz，相当于普通8051： 0420MHzT2/P1. 0 E:1 =403 VccT2EX/P1. 1 C239J P0. 0/AD9P1. 2 C33$3 PO. 1/kBlP1. 3 C437J P0. 2/AB2Pl.4 C53 PO. S/AB3MDSI/P1. 5 C635 P0.4/kB4MIS0/PL6 C734 P0. 5/AB5SCK/P1. r c$33JRST C3323 P0. 7/AD7皿腿o rio ai1 Ei/VFPTXD/F3. 1 L1130J ALE/PRiOG1229 FesS1325pa. misT0/P3, 4 c44273 P2.6/A14Tiyps. 5 rg 弟=P2. 5?A13Lil6 25J P2.4/U2M/P3. T C1724 Pi. 3/kllXTU2 C18233 P2.2/A10xmi c223 P2.fDif c-nd r20211 F2.图1-3单片机内部接入2.2光敏电阻的主要特性及参数（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的 电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“ 100LX ”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流 过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“ 0LX ”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射 时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏 电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光 敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。（5）光敏电阻的光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较 宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光 区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。（6）光敏电阻的伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间 的关系称为伏安特性。在给定偏压下，光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下， 所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何 光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。(7) 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而 在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光 敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，硫化铅的使用频率比硫化镉高 得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。2.4数码管显示电路光强.亶显示旦路25图1-5数码管电路2.5报警电路采用有源蜂鸣器作为报警器件。图1-6光报警电路和光显示电路3软件设计软件设计上，根据功能分了几个模块编程。模块主要有：主程序模块、检测光度模 块，比较光亮度模块。3.1主程序图1-7主程序的流程框图应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存一建立工程并添加源 文件一设置工程一编译/汇编、连接，产生目标文件一程序调试。成功编译/汇编、连接 后，选择菜单Debug-Start/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil 提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能 以单步执行（按F11或选择Debug-Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug-Step Over）、 全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程 序进行在线修改(Debug-Inline Assambly)，不必执行先退出调试环境、修改源程序、对 工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定 条件(如按键被按下等)才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用 断点设置的方法处理(Debug-Insert/Remove Breakpoint 或 Debug-Breakpoints等)。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标 样机真实的运行状况。3.2安装调试及测量数据分析通电、用万用表根据电路图仔细检查各线路连接是否正常。先是调试单片机部分，DA和运算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483软件通过串 口下程序。看是否可以正常下程序。可以正常下程序时，给51单片机下一个让所有I/0 口一会儿输入0，延时，再输出 1，以此类推。用万用表测量各I/O 口得电压是不是一会儿高，一会儿低。在单片机报警器和LM358芯片，给单片机下测试程序，通过看数码管输出是否正 常。给单片机下一个完整的程序，分别按下按键，看对应的光照亮度。得到的值是否正 常。3.3出现的问题与解决的方法调试单片机的串口时，发现不能正常的下程序。我想可能是单片机坏了借了一块学 习板测试了一下单片机芯片，发现可以正常下载。这说明很可能是我单片机的引脚可能 出现焊接问题。有可能哪个引脚虚焊或假焊了。我仔细查看了电路图于是我将电路板重 新加焊一遍。再下程序，终于可以正常下载了。开始写的测试程序输出的数据误差很大。我想可能是光敏二极管这一模块出现了问 题，于是不断的排查和检测。最终还是被我弄好了。尽可能的让电路板做到很完美，调节好各级的电阻让实验结果精确。刚开始报警声 音很小。这也是要检测和排查修改的范围。测量仪器：示波器;直流稳压电源;万用表。4实训的心得体会在本次的实训中，自己确定要做的题目之后，就开始上网搜索有关光敏电阻检测光 照亮度的相关的资料，收集了很多有关这方面的资料。后来再和一起都是做光敏电阻检 测光照亮度的同学交流了一番，最后确定方案之后，开始着手准备画PCB板和程序的 查找和编程。PCB板画出来之后，然后就着手电路板的腐蚀和与元器件的焊接，硬件 的调试和修改，程序的调试和仿真以及修改，最后到密码锁的完成。在本次的实训中， 遇到了蛮多的问题，只要是硬件和软件方面的问题。一是腐蚀电路板的时候，刚开始电路板的短路线画得太小了，腐蚀的时候容易断路， 焊盘设计得太小了导致打孔的时候容易把焊盘打没了。二是焊接的过程中，由于自己的 粗心大意，把发光二极管的正负极方向焊反了，导致电路没能按照设计的那样正常的发 光和报警。三是调试程序时，程序刚开始按照自己所想的那样去运行，在仿真电路里面正常调 试了，但是烧录到单片机里面的时候就是不得，后面查阅了一定的资料和通过同学的指 导之后才得与实现。此次的实训由于时间的过于紧张，没能把电子锁的设计想得那么的面面俱到，如设 计电路板的时候，因为当时比较急，所以设计上出现了一定的设计缺陷，比如没有电源 的输入指示灯，也没有输入电源的总开关等。电路的布局已经元器件的焊接都存在一定 的问题，希望下次实训的时候能吸取这次的教训。谢辞在学习中，老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识。认真的工作态度都是我学习的 楷模。在实训中老师给予了许多帮助与支持。感激学院让我有这次学习设计的机会。本次实训一些难题老师都仔仔细细的为我解 答，老师那认真仔细的精神使受益匪浅。这次学习对于没有真正实践经验的我来说，绝 对是一次成长的机会。本次实训是把理论只是应用到实践的一次很好的机会。感谢老师 们2周多的指导。你们辛苦了开始老师指导我们课题方案设计，在选题以及研究设计方法上给予的悉心指导，使 我尽快理清思路，通过请教老师以及查找资料使我较快的完成了对软件的编程及调试和 顺利完成了论文写作在本次实训中，我遇到了很多难题，然而这些难题让我不断的学习， 在困难中进步，本次实训同学们帮了我很多忙，通过同学之间的相互帮助，我更加顺利 地完成了本次实训，在此感谢我的同学朋友们！我要感谢学校给我们提供实训的机会。参考文献1李科学.新编传感器技术手册.北京:高等教育出版社,2002.82杨拴科.模拟电子技术基础J（第一版）.西安电子科技出版社，2010.63程军.传感器及实用检测技术M.广东:华南理工大学出版社,2008.84陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.北京:高等教育出版社,2002.85蒋延彪.单片机原理及应用M .重庆:重庆大学出版社,2003.8表1元件清单元器件名称类型数量单片机芯片STC12C5A-S2 系列1运算放大器LM3241光敏电阻2晶振12M1蜂鸣器1发光二极管4数码管四位共阳（大）1可调电阻10K1继电器5V控制1三极管PNP、 NPN6开关自锁1