測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)-光照強(qiáng)度測(cè)量顯示電路

1、測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：光照強(qiáng)度測(cè)量顯示電路專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師：劉建娟同組人姓名測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)題目光照強(qiáng)度測(cè)量顯示電路課題性質(zhì)工程設(shè)計(jì)課題來源參考書指導(dǎo)教師劉建娟主要內(nèi)容（參數(shù)）參考期刊、文獻(xiàn)等資料設(shè)計(jì)光照強(qiáng)度測(cè)量顯示電路，包括以下內(nèi)容：（1）選擇合適的傳感器和放大電路；（2）設(shè)計(jì)a/d轉(zhuǎn)換電路；（3）設(shè)計(jì)單片機(jī)程序；（4）設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示電路；根據(jù)以上內(nèi)容要求來設(shè)計(jì)電路圖并具體分析電路圖的特性。任務(wù)要求（進(jìn)度）第1-2天:確定課程設(shè)計(jì)題目，查閱相關(guān)技術(shù)資料；第3-6天:確定設(shè)計(jì)內(nèi)容及方案，并按照確定的方案設(shè)計(jì)單元電路， 對(duì)各單元電路進(jìn)行功能分析

2、；第7-8天 :進(jìn)一步修正方案并畫出電路圖；第9-10天:撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，將各部分內(nèi)容完整地呈現(xiàn)在報(bào)告中，并對(duì)本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。主要參考資料1 張國雄.測(cè)控電路機(jī)械工業(yè)出版社.20112 陳磊單片機(jī)控制數(shù)字光強(qiáng)檢測(cè)計(jì)的設(shè)計(jì)j 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).2009. 4.4孫圣和，王廷云，徐影.光纖測(cè)量與傳感技術(shù)m.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版 社.2007審查意見系（教研室）主任簽字：年月 日引言照度與人們的生活有著密切的關(guān)系。充足的光照，可防止人們免遭意外事故 的發(fā)生。反之，過暗的光線可引起人體疲勞的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過眼睛的本身。因此， 不適或較差的照明條件是造成事故和疲勞的主要原因之一?，F(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料表明， 在所有

3、職業(yè)勞動(dòng)的事故中約有30%是直接或間接因光線不足所造成的。對(duì)體育場(chǎng) （館）的光照要求是非常嚴(yán)格的，光照過強(qiáng)或過暗都會(huì)影響比賽的效果。那么，人們居住的室內(nèi)對(duì)照度的衛(wèi)生學(xué)要求是如何呢？照度是在衛(wèi)生學(xué)中一 項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。光是指能引起人眼睛光亮感覺的電磁輻射，當(dāng)光線進(jìn)入眼睛 后可產(chǎn)生的知覺稱為視覺。人們所見的光是指可見光，其波長(zhǎng)范圍在380760nm （納米）之間。采光可分為自然采光和人工光源兩大類。自然采光是指室內(nèi)和地區(qū)的天然照 度，有直接的曰光照散射光和周圍物體的反射光，常用采光系數(shù)和自然照度表示。 而采光系數(shù)是指采光口的有效面積與室內(nèi)地面面積之比。一般住宅的采光系數(shù)在 1/51/15之間，居

4、住面積比在1/81/10之間（窗面積/室內(nèi)地面面積）。自然 照度系數(shù)是用于評(píng)價(jià)自然光的照度水平。它是反映室內(nèi)的和同時(shí)從室外來的光照 射關(guān)系。也反映出當(dāng)?shù)毓鈿夂颍ㄗ匀还饽茉春蜌夂虻年柟庹斩戎笜?biāo)的總和）。本設(shè)計(jì)采用at89c51單片機(jī)組成光照強(qiáng)度測(cè)量顯示系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的 測(cè)量和顯示。光強(qiáng)傳感器采用光敏三極管，對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。設(shè)計(jì)傳感 器放大電路，將太陽的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并將強(qiáng)度值顯示出來。將光敏三極 管接入電路，受光照度不同吋光敏三極管的集電極電流發(fā)生相應(yīng)的變化，將采集 的信號(hào)接入運(yùn)算放大電路，再輸入到adc轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸 入單片機(jī)中，通過數(shù)碼顯示器顯示出在不同

5、光照強(qiáng)度下電路電壓的變化值。光敏 三極管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏三極管必須有一個(gè)對(duì)光敏感 的pn結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏二極管實(shí)質(zhì)上是一 種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通二極管。設(shè)計(jì)開始先查閱資料，如元器件資料，方案選擇等，可以使用單片機(jī)方案， 也可以使用模擬電路方案，設(shè)計(jì)顯示電路時(shí)注意按照國標(biāo)顯示，并有相應(yīng)的手動(dòng) 校正電路。其中運(yùn)用到了許多基本知識(shí)，女口：電路理論中電阻電路的分析、模擬 電子線路屮運(yùn)算放大器、比較器、功率放大器等知識(shí)，數(shù)字電子線路屮開關(guān)特性 及數(shù)字信號(hào)等知識(shí)，傳感器技術(shù)中的光電傳感器原理及應(yīng)用、測(cè)量電路等部分知 識(shí)。光照強(qiáng)

6、度測(cè)量顯示電路課程設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)總?cè)蝿?wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度測(cè)量顯示電路，要求在不同的光照強(qiáng)度下，通過光敏三極 管電流的變化釆樣到當(dāng)前的光照強(qiáng)度，并在數(shù)碼管顯示電路上顯示出量化的光照 強(qiáng)度的值。設(shè)計(jì)總目的：通過木次設(shè)計(jì)，熟悉由光敏三極管組成的傳感器電路、運(yùn)放和減法運(yùn)放的應(yīng)用，并熟悉a/d轉(zhuǎn)換的原理和過程，學(xué)會(huì)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和a/d轉(zhuǎn)換芯片間的聯(lián)調(diào)。三：設(shè)計(jì)內(nèi)容：第一部分傳感器與差分電路的設(shè)計(jì):應(yīng)用光敏三極管組成的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并將采樣的信號(hào)送入差分電路, 經(jīng)過信號(hào)放大送入減法運(yùn)算放大電路，經(jīng)過信號(hào)調(diào)整，送入adc轉(zhuǎn)換器屮，將模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而使實(shí)時(shí)釆樣的值在

7、數(shù)碼管顯示電路中即時(shí)顯示出來。17v圖2信號(hào)采集及放大電路第二部分單片機(jī)與數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì):c133pf?1.1 2345678七155v143119isir12qi11?1.015v匚二1y1 t 12!c2433pfp1.q(t2)(ad0)p0.0?1.1(t2ex)(adl)po.lpl.2(ad2)p02pl.3(ad3)p0.3pl.4g4d4)p0.4pl.5(ad5)p05pl.6(ad6)p06pl.7(ad7)p0.7p3.3(dtri)(a8)p2.0p3.2(int0)(a9)p2.1(a10)p2.2p3.5(t1)(a11)p2.3p3.4(t0)(a12)p2

8、.4(a13)p2.5eavpp(a14)p2.6(a15)p2.7>xtal1xtal2vccgndrst(rxd)p3.0(txd)p3.1p3.7(rd)ale progp3.6()u5at89c52393837363534333221 ?2.022?2.123?2.224?2.3 p2.4 2?p2.5 tt?2.64020toit3029圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)圖5v電源：給系統(tǒng)供電。復(fù)位電路：程序跑飛時(shí)復(fù)位電路可以使程序從新執(zhí)行，相當(dāng)于電腦的重啟。 晶振：給單片機(jī)運(yùn)行提供時(shí)鐘。比如電腦的2. 2ghz頻率。ea接高電平：表示運(yùn)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器下載的程序。p0 口接排阻：p0 口開漏

9、結(jié)構(gòu)，使用時(shí)一般接排阻拉高電平。ds4圖4數(shù)碼管顯示電路第三部分設(shè)計(jì)任務(wù)：將調(diào)整后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以送入單片機(jī)進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)目的：通過本實(shí)驗(yàn)，熟悉a/d轉(zhuǎn)換的原理以及單片機(jī)與a/d轉(zhuǎn)換芯片的聯(lián)調(diào)，熟悉 逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換的方法和過程。設(shè)計(jì)原因：送入單片機(jī)的信號(hào)必須是數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)是對(duì)二進(jìn)制代碼進(jìn)行處理的，所 以我們必須對(duì)實(shí)時(shí)采樣的模擬信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換處理，只有這樣信號(hào)才能被計(jì)算 機(jī)識(shí)別，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而在數(shù)碼管上即時(shí)顯示出當(dāng)前的光照強(qiáng)度的值。 設(shè)計(jì)電路：ad轉(zhuǎn)換：、adc0832引腳功能介紹adc8032是一種8位分辨率、雙通道a/d轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256 級(jí)，

10、模擬電壓輸入一般為05v之間，芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32us,具有雙輸出可作 為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入, 使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過di數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí) 現(xiàn)通道功能的選擇。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及 企業(yè)歡迎，其目前己經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用adc0832可是使我們了解 a/d轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高。15vp>1.211icsvccchoclkchidognddi1vo7pl.6-16p3545adc0832圖5 a/d轉(zhuǎn)換器引腳功能說明：cs-：片選使能，低電平ci10：

11、模擬輸入通道0ci11：模擬輸入通道1gnd： 0電位 vcc：電源輸入di：數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制do：數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出clk：芯片吋鐘輸入二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程：模數(shù)轉(zhuǎn)換包扌舌釆樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。在某些特定的時(shí)刻對(duì) 這種模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量叫做采樣，量化噪聲及接收機(jī)噪聲等因素的影響， 采樣速率一般取fs = 2.5/max o通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣 輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個(gè)采樣輸出信號(hào)數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號(hào)保持一段時(shí)間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的 抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào)，量化的主要問題就是量 化誤差。假設(shè)噪

12、聲信號(hào)在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與 量化間隔和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗值有關(guān)。編碼是將量化后的信號(hào)編碼成 二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的，例如，采樣和保持就利用 一個(gè)電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，u所用時(shí) 間又是保持時(shí)間的一部分。cp時(shí)鐘電壓比較器移位寄存器邏路制電控輯啟動(dòng)脈沖數(shù)據(jù)奇存器i o d dd/a轉(zhuǎn)換器圖6逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器框圖逐次逼近adc包括n位逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器如圖6所示。它由控制邏輯電 路、時(shí)序產(chǎn)生器、移位寄存器、d/a轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。ra=rc, r5二r7, r6二r&所以兩級(jí)差?？傇鲆婵梢酝茖?dǎo)為:avd

13、 = - 1+2rar6則加二伽+血）/妙通常第一級(jí)的增益比較高，第二級(jí)的增益為1至2倍。這里，第一級(jí)選擇為 100倍，第二級(jí)選擇為1倍。取r5=r6=r7=r8=10ko先定rb二1k,由上式可得ra二49. 5k,取其標(biāo)稱值51ko另外，r3, r4 般不超過1/2的rb。這里，取值為510,用于保護(hù)運(yùn)放輸 入級(jí)。三、單片機(jī)對(duì)adc0832的控制原理：正常情況下adc0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是cs、clk、 do、de但由于do端與di端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙 向的，所以電路設(shè)計(jì)吋可以將do和dt并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。（見圖3） 當(dāng)adc0832未工作

14、時(shí)其cs輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，clk和do/d1的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將cs使能端置于低電平并 且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯 片時(shí)鐘輸入端clk輸入時(shí)鐘脈沖，do/di端則使用di端輸入通道功能選擇的 數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)吋鐘脈沖的下沉之前dt端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。 在第2、3個(gè)脈沖下沉之前di端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。表1：table 6. mux addressing: adco832 single-ended mux modemux addresschannel #sgl/ dtfodd7 signoq1o

15、+114-com is. irternailly tied to a gndtable 7. mux addressing: adco832 differential mux modemux addressotiannel #sgl/difodd/sigimo1oo+o1+如表1所示，當(dāng)此2位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)ch0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。 當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì)ch1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、 “0”時(shí)，將ci10作為正輸入端in+, ci11作為負(fù)輸入端in-進(jìn)行輸入。當(dāng)2位 數(shù)據(jù)為“0”、“1”吋，將ch0作為負(fù)輸入端tn-, ch1作為正輸入端in+進(jìn) 行輸入。

16、到第3個(gè)脈沖的下沉之后di端的輸入電平就失去輸入作用，此后do/di 端則開始利用數(shù)據(jù)輸出do進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開始由do 端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位data7,隨后每一個(gè)脈沖下沉do端輸出下一位數(shù)據(jù)。直 到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)datao, 一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從 此位開始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出datdoo隨 后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次a/d轉(zhuǎn)換的 結(jié)束。最后將cs置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。作為單通道模擬信號(hào)輸入?yún)糰dc0832的輸入電壓是05v u 8位分辨率時(shí) 的電壓精度

17、為19. 53mvo如果作為由in+與in-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè) 定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進(jìn)行in+ 與in-的輸入時(shí)，如果in-的電壓大于in+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為 ooilo四、adc0832芯片接口程序的編寫：由于adc0832的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32 us,所以a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采樣頻率可 以很快，從而也保證的某些場(chǎng)合對(duì)a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。數(shù)據(jù)讀取程序以 子程序調(diào)用的形式出現(xiàn)，方便了程序的移植。第四部分總體方案設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)采用光皺三極管作為主要感應(yīng)元件，設(shè)計(jì)以at89c51單片機(jī)為核心， 實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)處理和即時(shí)顯示為關(guān)鍵點(diǎn)的

18、光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)。制作光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)可 以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量的功能，具有穩(wěn)定、使用、方便、快捷、可靠性高的特點(diǎn)，解決 光強(qiáng)測(cè)量的技術(shù)問題，有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用光敏三極管組成的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并將釆樣的信號(hào)送入差分電 路，經(jīng)過信號(hào)放大送入減法運(yùn)算放大電路，經(jīng)過信號(hào)調(diào)整，送入adc轉(zhuǎn)換器中， 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而使實(shí)時(shí)采樣的 值在數(shù)碼管顯示電路中即時(shí)顯示出來。當(dāng)具有光敏特性的pn結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基 極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于b倍的信號(hào)電流。不 同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很

19、人的 光電流放大作用，即很高的靈敏度。光敏三極管與普通半導(dǎo)體三極管一樣，是采用半導(dǎo)體制作工藝制成的具有 npn或pnp結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體管。它在結(jié)構(gòu)上與半導(dǎo)體三極管相似，它的引出電極 通常只有兩個(gè)，也有三個(gè)的。為適應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的要求，它的基區(qū)面積做得較大， 發(fā)射區(qū)面積做得較小，入射光主要被基區(qū)吸收。和光敏二極管一樣，管子的芯片 被裝在帶有玻璃透鏡金屬管殼內(nèi)，當(dāng)光照射時(shí)，光線通過透鏡集中照射在芯片上。a/d圖7主流程圖 木次方案的電路原理圖如下圖所示：rm ee:s:seiit1 o o o oo oo o oeocf a»aiwk»waa»m0 1m>! 02*i2 ojta>3 aw 0>am yxaancx wtx»13wttie沖s*> 7»rtaicrt1»xtal1xta120018rj w«e 22av 7*們7 waq 1«ao24tauratjl圖8總原理圖設(shè)計(jì)總結(jié)：光照強(qiáng)度測(cè)量顯示電路具有很高的實(shí)用價(jià)值，現(xiàn)實(shí)生活屮的應(yīng)用極為廣泛。該電路可以應(yīng)用于研究光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的充分利用，可應(yīng)用于氣象臺(tái)等 區(qū)域。同時(shí)，光強(qiáng)測(cè)量顯示電路也可以應(yīng)用于溫室大棚里檢測(cè)光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)人工控 制對(duì)光合作用的