測控電路課程設(shè)計(jì)光照強(qiáng)度測量顯示電路

課程設(shè)計(jì)測控電路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：光照強(qiáng)度測量顯示電路專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：同組人姓名：課程設(shè)計(jì)時(shí)間：測控電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題目光照強(qiáng)度測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，對各單元電路進(jìn)行功能分析；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.《測控電路》.機(jī)械工業(yè)出版社.2011[2]陳磊.單片機(jī)控制數(shù)字光強(qiáng)檢測計(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。現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料表明，在所有職業(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。對體育場（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，其波長范圍在380～760nm（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，有直接的日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1/5～1/15之間，居住面積比在1/8～1/10之間（窗面積/室內(nèi)地面面積）。自然照度系數(shù)是用于評價(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)度測量顯示系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)的測量和顯示。光強(qiáng)傳感器采用光敏三極管，對光照強(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?，并將?qiáng)度值顯示出來。將光敏三極管接入電路，受光照度不同時(shí)光敏三極管的集電極電流發(fā)生相應(yīng)的變化，將采集的信號接入運(yùn)算放大電路，再輸入到ADC轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機(jī)中，通過數(shù)碼顯示器顯示出在不同光照強(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)，如：電路理論中電阻電路的分析、模擬電子線路中運(yùn)算放大器、比較器、功率放大器等知識(shí)，數(shù)字電子線路中開關(guān)特性及數(shù)字信號等知識(shí)，傳感器技術(shù)中的光電傳感器原理及應(yīng)用、測量電路等部分知識(shí)。光照強(qiáng)度測量顯示電路課程設(shè)計(jì)一：設(shè)計(jì)總?cè)蝿?wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度測量顯示電路，要求在不同的光照強(qiáng)度下，通過光敏三極管電流的變化采樣到當(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。二：設(shè)計(jì)總目的：通過本次設(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，并將采樣的信號送入差分電路，經(jīng)過信號放大送入減法運(yùn)算放大電路，經(jīng)過信號調(diào)整，送入ADC轉(zhuǎn)換器中，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機(jī)，對數(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。圖1由光敏三極管組成的傳感器電路圖2信號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)：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口開漏結(jié)構(gòu)，使用時(shí)一般接排阻拉高電平。圖4數(shù)碼管顯示電路第三部分設(shè)計(jì)任務(wù)：將調(diào)整后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，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)的信號必須是數(shù)字信號，單片機(jī)是對二進(jìn)制代碼進(jìn)行處理的，所以我們必須對實(shí)時(shí)采樣的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，只有這樣信號才能被計(jì)算機(jī)識(shí)別，進(jìn)而對數(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：一、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，模擬電壓輸入一般為0~5V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，其目前已經(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。圖5A/D轉(zhuǎn)換器引腳功能說明：CS-：片選使能，低電平CH0：模擬輸入通道0CH1：模擬輸入通道1GND：0電位 VCC：電源輸入DI：數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制DO：數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出CLK：芯片時(shí)鐘輸入二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程：模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。在某些特定的時(shí)刻對這種模擬信號進(jìn)行測量叫做采樣，量化噪聲及接收機(jī)噪聲等因素的影響，采樣速率一般取。通常采樣脈沖的寬度是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個(gè)采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號保持一段時(shí)間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設(shè)噪聲信號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，且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。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=R7，R6=R8,所以兩級差?？傇鲆婵梢酝茖?dǎo)為：通常第一級的增益比較高，第二級的增益為1至2倍。這里，第一級選擇為100倍，第二級選擇為1倍。取R5=R6=R7=R8=10K。則。先定Rb=1K，由上式可得Ra=49.5K，取其標(biāo)稱值51K。另外，R3，R4一般不超過1/2的Rb。這里，取值為510，用于保護(hù)運(yùn)放輸入級。三、單片機(jī)對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、DI。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)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。（見圖3）當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI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。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。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：如表1所示，當(dāng)此2位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對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CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時(shí)，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。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)DATA0，一個(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DATD0。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輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是0~5V且8位分辨率時(shí)的電壓精度為19.53mV。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00H。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32μS，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合對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)采用光敏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)的光強(qiáng)測量系統(tǒng)。制作光強(qiáng)測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量的功能，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，并將采樣的信號送入差分電路，經(jīng)過信號放大送入減法運(yùn)算放大電路，經(jīng)過信號調(diào)整，送入ADC轉(zhuǎn)換器中，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機(jī)，對數(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β倍的信號電流。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，具有很大的光電流放大作用，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。圖7主流程圖本次方案的電路原理圖如下圖所示：圖8總原理圖設(shè)計(jì)總結(jié)：光照強(qiáng)度測量顯示電路具有很高的實(shí)用價(jià)值，現(xiàn)實(shí)生活中的應(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)測量顯示電路也可以應(yīng)用于溫室大棚里檢測光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)人工控制對光合作用的影響，從而影響作物的生長等等。另外，在此基礎(chǔ)上可增加報(bào)警模塊，以實(shí)現(xiàn)提示功能等。設(shè)計(jì)心得：經(jīng)過了兩周的課程設(shè)計(jì)，兩周的課程設(shè)計(jì)很短暫,但