光敏電阻檢測光照亮度

1、傳感器綜合設(shè)計略一實訓(xùn)（論文）說明書題 目：光敏電阻檢測光照亮度院（系）：信息與通信學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程學(xué)生姓名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：2019年6月20日摘要本題設(shè)計一個光照強度自動檢測、顯示、報警系統(tǒng)，實現(xiàn)對外界三種不同條件下光 強的分檔指示和報警(弱、適宜、強)。使用光敏電阻光照強度的測量并進行顯示，采 取單片機對光敏電阻輸出變化進行處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再使用數(shù)碼管進行顯示。在單片機 上加外圍器件三個LED，通過采樣到的光照射強度選擇，在數(shù)碼管上顯示電壓的大小。 本設(shè)計具有有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、性能優(yōu)越等特點。關(guān)鍵詞：光照亮度；光敏電阻；單片機；數(shù)碼管器AbstractSubjec

2、t 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 monol

3、ithic 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

4、a simple lines, compact structure, low prices, superior performance etc. Characteristics.Key words: light brightness; Photoconductive resistance; Single chip microcomputer; Digital pig TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 引言0 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1系統(tǒng)概述01.1設(shè)計要求

5、01.2方案設(shè)計0 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.2.1方案說明0 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 1.2.2方案論證1 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2硬件電路設(shè)計與分析2 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 2.1單片機最小系統(tǒng)2 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.2光敏電阻的主要特性及參數(shù)3 HYPERLINK l bookm

6、ark62 o Current Document 2.3光敏電阻接入電路圖3 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 2.4數(shù)碼管顯示電路32.5報警電路3 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 3 軟件設(shè)計43.1主程序4 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 3.2安裝調(diào)試及測量數(shù)據(jù)分析5 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 4實訓(xùn)的心得體會6致 謝 錯誤！未定義書簽。 HYPERLINK l bookmar

7、k83 o Current Document 參考文獻7 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 附錄7引言光照強度自動檢測顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動檢測光照強度的強弱并顯示讓人們知 道此時光照強度的強弱。人們可以設(shè)定光照強度的范圍，一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā) 出警報通知或直接采取措施使光照強度在此范圍內(nèi)。人們可以通過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)計可分為三部分：即光照檢測部分、信號處 理部分、光強顯示部分。還可加上報警部分。對于光照檢測部分可利用光敏電阻傳感器 作為檢測元件，它可以完成從光強到電阻值的信號轉(zhuǎn)換，再把電阻值轉(zhuǎn)

8、換為電信號就可 以作為系統(tǒng)的輸入信號。對輸入信號處理后，就可以用來顯示了。對于顯示部分可利用 數(shù)碼管來顯示，不同的光強對應(yīng)于不同數(shù)碼管顯示值，就能簡單的顯示出不同的光強了。1系統(tǒng)概述1.1設(shè)計要求設(shè)計一個光照強度自動檢測、顯示、（報警）系統(tǒng)，實現(xiàn)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(shù)碼管上顯 示電壓的大小。（1）自己設(shè)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）傳感器測量電路采用集成運算放大器構(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警系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計；（3）完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系

9、統(tǒng)電路方框圖、電路原理圖的設(shè)計;（4）完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個 參數(shù)的計算（備注：1.含各種元件參數(shù)的計算過程或依據(jù)2.選定最接近計算結(jié)果的元 件規(guī)格）；（5）設(shè)計結(jié)束后，進行仿真調(diào)試。（6）不斷檢測設(shè)計和實踐的相差情況（7）仿真調(diào)試方案（8）給出系統(tǒng)整機電路圖。（9）完成課程設(shè)計報告1.2方案設(shè)計1.2.1方案說明（1）傳感器選擇：選用光敏電阻作為采集光照信號的傳感器。（2）電阻測試：在室外太陽光強照射下、室內(nèi)適宜光照下、室內(nèi)昏暗條件下三種光照 條件下分別測的光敏電阻的阻值為=15.6k歐。（3）方案原理圖：系統(tǒng)功能描述：考慮到系統(tǒng)的實用價值，確定了

10、光照適宜時的光敏 電阻值的范圍為1.4-3.6k歐，當(dāng)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(tǒng)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：光敏信號轉(zhuǎn)換電路電 阻信號處理電路圖1-1 原理框圖1.2.2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(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無 光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很?。划?dāng)受到光照時，半 導(dǎo)體材料電導(dǎo)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，

11、它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)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(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，就把對光照信號的處理轉(zhuǎn)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、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三個電壓值VI，V2, V3作為比較器的輸入電壓； 兩個比較器設(shè)置兩個參考電壓 Vrefl，Vref2。工作過程分析如下：光照較強時 V1 Vref1Vr

12、ef2,兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時Vref1V2 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(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，顯示部分 就變得容易了。（3）光強顯示部分采用數(shù)碼管管顯示不同的光強狀態(tài)。由于比較器的驅(qū)動能力有限，所以在輸出端加 一個上拉電阻提高其驅(qū)動能力。電路連接如原理圖所示，分析如下：當(dāng)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

13、輸出電壓分別為 （-5V，5V），LED2、LED3被點亮。這樣三種狀態(tài)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(dǎo)通來控制報警電路的導(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。所以光強就可以控制報警器了，設(shè)計方案采用了當(dāng)光照較 強或較暗時報警。工作過程分析如下：當(dāng)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(dǎo)通，報警電路被導(dǎo)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；

14、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(dǎo)通，報警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報警。2硬件電路設(shè)計與分析2.1單片機最小系統(tǒng)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/D轉(zhuǎn)換，25萬次/秒1T 8051帶總線，無法解密，管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52，有全球唯一 ID號可省復(fù)位電路,36-44個I/O內(nèi)部R/C時鐘的新一代宏晶芯片加密性強，解密難度高。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對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候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當(dāng)

15、前的工作，轉(zhuǎn)而去處理 這個緊急事件。時鐘電路。由于頻率較大時，三角波、正弦波、方波等波中每一點延時 時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間即可得到指定頻率的波形，該電路用 24MHz晶振。如下圖：圖1-2主控電路圖寬電壓：5.53.3V，2.23.6V （STC12LE5A60S2 系列）增加第二復(fù)位功能腳（高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)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(shù)存進EEPROM,正常工作時無需操 作EEP低功耗設(shè)計：空閑模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一個中斷喚醒）低功耗設(shè)計：掉電模式(可由外部中斷喚醒)，可支持上升沿和遠程喚醒工作頻

16、率：035MHz,相當(dāng)于普通8051： 0420MHz圖1-3單片機內(nèi)部接入2.2光敏電阻的主要特性及參數(shù)光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)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。暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)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。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 時的電阻值(亮電阻)的相對變化值。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏 電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈

17、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(tǒng)中用作光電開關(guān)。光敏電阻的光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。硫化鉛光敏電阻在較 寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光 區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。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(guān)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(xiàn)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

18、的限制。超過最高工作電壓和最大額定電 流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)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(shù)光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。2.3光敏電阻接入電路圖圖1-4光敏電阻接入電路2.4數(shù)碼管顯示電路圖1-5數(shù)碼管電路2.5報警電路采用有源蜂鳴器作為報警器件。圖1-6光報警電路和光顯示電路3軟件設(shè)計軟件設(shè)計上，根據(jù)功能分了幾個模塊編程。模塊主要有：主程序模塊、檢測光

19、度模 塊，比較光亮度模塊。3.1主程序圖1-7主程序的流程框圖應(yīng)用Keil進行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存一建立工程并添加源 文件一設(shè)置工程一編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標(biāo)文件一程序調(diào)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(diào)試狀態(tài)，Keil 提供對程序的模擬調(diào)試功能，內(nèi)建一個功能強大的仿真CPU以模擬執(zhí)行程序。Keil能 以單步執(zhí)行（按F11或選擇Debug-Step）、過程單步執(zhí)行（按F10或選擇Debug-Step Over）、 全速執(zhí)行等多種運行方式進行程序調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯，可采用

20、在線匯編功能對程 序進行在線修改（Debug-Inline Assambly），不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)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(diào)試狀態(tài)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(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進行調(diào)試的程序行，可采用 斷點設(shè)置的方法處理（Debug-Insert/Remove Breakpoint 或 Debug-Breakpoints等）。在模擬調(diào)試程序后，還須通過編程器將.hex目標(biāo)文件燒寫入單片機中才能觀察目標(biāo) 樣機真實的運行狀況。3.2安裝調(diào)試及測量數(shù)據(jù)分析通電、用萬用表根據(jù)電路圖仔細檢查各線路連接是否正常。先是調(diào)試單片機部

21、分，DA和運算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483軟件通過串 口下程序?？词欠窨梢哉Ｏ鲁绦颉？梢哉Ｏ鲁绦驎r，給51單片機下一個讓所有I/0 口一會兒輸入0，延時，再輸出 1，以此類推。用萬用表測量各I/O 口得電壓是不是一會兒高，一會兒低。在單片機報警器和LM358芯片，給單片機下測試程序，通過看數(shù)碼管輸出是否正 常。給單片機下一個完整的程序，分別按下按鍵，看對應(yīng)的光照亮度。得到的值是否正 常。3.3出現(xiàn)的問題與解決的方法調(diào)試單片機的串口時，發(fā)現(xiàn)不能正常的下程序。我想可能是單片機壞了借了一塊學(xué) 習(xí)板測試了一下單片機芯片，發(fā)現(xiàn)可以正常下載。這說明很可能是我單片機的引腳可能 出現(xiàn)焊接問題

22、。有可能哪個引腳虛焊或假焊了。我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，終于可以正常下載了。開始寫的測試程序輸出的數(shù)據(jù)誤差很大。我想可能是光敏二極管這一模塊出現(xiàn)了問 題，于是不斷的排查和檢測。最終還是被我弄好了。盡可能的讓電路板做到很完美，調(diào)節(jié)好各級的電阻讓實驗結(jié)果精確。剛開始報警聲 音很小。這也是要檢測和排查修改的范圍。測量儀器：示波器;直流穩(wěn)壓電源;萬用表。4實訓(xùn)的心得體會在本次的實訓(xùn)中，自己確定要做的題目之后，就開始上網(wǎng)搜索有關(guān)光敏電阻檢測光 照亮度的相關(guān)的資料，收集了很多有關(guān)這方面的資料。后來再和一起都是做光敏電阻檢 測光照亮度的同學(xué)交流了一番，最后確定方案之后，開始著

23、手準(zhǔn)備畫PCB板和程序的 查找和編程。PCB板畫出來之后，然后就著手電路板的腐蝕和與元器件的焊接，硬件 的調(diào)試和修改，程序的調(diào)試和仿真以及修改，最后到密碼鎖的完成。在本次的實訓(xùn)中， 遇到了蠻多的問題，只要是硬件和軟件方面的問題。一是腐蝕電路板的時候，剛開始電路板的短路線畫得太小了，腐蝕的時候容易斷路， 焊盤設(shè)計得太小了導(dǎo)致打孔的時候容易把焊盤打沒了。二是焊接的過程中，由于自己的 粗心大意，把發(fā)光二極管的正負(fù)極方向焊反了，導(dǎo)致電路沒能按照設(shè)計的那樣正常的發(fā) 光和報警。三是調(diào)試程序時，程序剛開始按照自己所想的那樣去運行，在仿真電路里面正常調(diào) 試了，但是燒錄到單片機里面的時候就是不得，后面查閱了一定的資料和通過同學(xué)的指 導(dǎo)之后才得與實現(xiàn)。此次的實訓(xùn)由于時間的過于緊張，沒能把電子鎖的設(shè)計想得那么的面面