测控电路课程设计-光照强度测量显示电路

课程设计测控电路课程设计课程设计名称：光照强度测量显示电路专业班级：学生姓名：学号：指导教师：刘建娟同组人姓名：课程设计时间：2013.12.25—2014.01.03课程设计测控电路课程设计任务书学生姓名专业班级学号题目光照强度测量显示电路课题性质工程设计课题来源参考书指导教师刘建娟主要内容（参数）参考期刊、文献等资料设计光照强度测量显示电路，包括以下内容：（1）选择合适的传感器和放大电路；（2）设计A/D转换电路；（3）设计单片机程序；（4）设计数码管显示电路；根据以上内容要求来设计电路图并具体分析电路图的特性。任务要求（进度）第1-2天：确定课程设计题目，查阅相关技术资料；第3-6天：确定设计内容及方案，并按照确定的方案设计单元电路，对各单元电路进行功能分析；第7-8天：进一步修正方案并画出电路图；第9-10天：撰写课程设计报告，将各部分内容完整地呈现在报告中，并对本次课程设计进行总结。主要参考资料[1]张国雄.《测控电路》.机械工业出版社.2011[2]陈磊.单片机控制数字光强检测计的设计[J].大学物理实验.2009.4.[4]孙圣和，王廷云，徐影..光纤测量与传感技术[M].哈尔滨工业大学出版社.2007审查意见系（教研室）主任签字：年月日课程设计1引言照度与人们的生活有着密切的关系。充足的光照，可防止人们免遭意外事故的发生。反之，过暗的光线可引起人体疲劳的程度远远超过眼睛的本身。因此，不适或较差的照明条件是造成事故和疲劳的主要原因之一。现有统计资料表明，在所有职业劳动的事故中约有30%是直接或间接因光线不足所造成的。对体育场（馆）的光照要求是非常严格的，光照过强或过暗都会影响比赛的效果。那么，人们居住的室内对照度的卫生学要求是如何呢？照度是在卫生学中一项十分重要的指标。光是指能引起人眼睛光亮感觉的电磁辐射，当光线进入眼睛后可产生的知觉称为视觉。人们所见的光是指可见光，其波长范围在380～760nm（纳米）之间。采光可分为自然采光和人工光源两大类。自然采光是指室内和地区的天然照度，有直接的日光照散射光和周围物体的反射光，常用采光系数和自然照度表示。而采光系数是指采光口的有效面积与室内地面面积之比。一般住宅的采光系数在1/5～1/15之间，居住面积比在1/8～1/10之间（窗面积/室内地面面积）。自然照度系数是用于评价自然光的照度水平。它是反映室内的和同时从室外来的光照射关系。也反映出当地光气候（自然光能源和气候的阳光照度指标的总和）。本设计采用AT89C51单片机组成光照强度测量显示系统，可以实现对光强的测量和显示。光强传感器采用光敏三极管，对光照强度进行实时采样。设计传感器放大电路，将太阳的强弱转变为电信号，并将强度值显示出来。将光敏三极管接入电路，受光照度不同时光敏三极管的集电极电流发生相应的变化，将采集的信号接入运算放大电路，再输入到ADC转换器，将模拟信号转换成数字信号输入单片机中，通过数码显示器显示出在不同光照强度下电路电压的变化值。光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。设计开始先查阅资料，如元器件资料，方案选择等，可以使用单片机方案，也可以使用模拟电路方案，设计显示电路时注意按照国标显示，并有相应的手动校正电路。其中运用到了许多基本知识，如：电路理论中电阻电路的分析、模拟电子线路中运算放大器、比较器、功率放大器等知识，数字电子线路中开关特性及数字信号等知识，传感器技术中的光电传感器原理及应用、测量电路等部分知识。课程设计2光照强度测量显示电路课程设计一：设计总任务：设计一个光照强度测量显示电路，要求在不同的光照强度下，通过光敏三极管电流的变化采样到当前的光照强度，并在数码管显示电路上显示出量化的光照强度的值。二：设计总目的：通过本次设计，熟悉由光敏三极管组成的传感器电路、运放和减法运放的应用，并熟悉A/D转换的原理和过程，学会实现单片机和A/D转换芯片间的联调。三：设计内容：第一部分传感器与差分电路的设计：应用光敏三极管组成的传感器进行实时采样，并将采样的信号送入差分电路，经过信号放大送入减法运算放大电路，经过信号调整，送入ADC转换器中，将模拟信号转换为数字信号，送入单片机，对数据进行处理，从而使实时采样的值在数码管显示电路中即时显示出来。图1由光敏三极管组成的传感器电路课程设计3图2信号采集及放大电路第二部分单片机与数码管显示电路的设计：图3单片机最小系统图课程设计45V电源：给系统供电。复位电路：程序跑飞时复位电路可以使程序从新执行，相当于电脑的重启。晶振：给单片机运行提供时钟。比如电脑的2.2GHz频率。EA接高电平：表示运行内部程序存储器下载的程序。P0口接排阻：P0口开漏结构，使用时一般接排阻拉高电平。图4数码管显示电路第三部分设计任务：将调整后的模拟信号转化为数字信号，以送入单片机进行处理。设计目的：通过本实验，熟悉A/D转换的原理以及单片机与A/D转换芯片的联调，熟悉逐次比较型A/D转换的方法和过程。设计原因：送入单片机的信号必须是数字信号，单片机是对二进制代码进行处理的，所以我们必须对实时采样的模拟信号进行A/D转换处理，只有这样信号才能被计算机识别，进而对数据进行处理，从而在数码管上即时显示出当前的光照强度的值。设计电路：AD转换：课程设计5一、ADC0832引脚功能介绍ADC8032是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，模拟电压输入一般为0~5V之间，芯片转换时间仅为32us，具有双输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。图5A/D转换器引脚功能说明：CS-：片选使能，低电平CH0：模拟输入通道0CH1：模拟输入通道1GND：0电位VCC：电源输入DI：数据信号输入，选择通道控制DO：数据信号输出，转换数据输出CLK：芯片时钟输入二、模数转换的过程：模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，课程设计6采样速率一般取max5.2ffs。通常采样脉冲的宽度wt是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。图6逐次比较型A/D转换器框图逐次逼近ADC包括n位逐次比较型A/D转换器如图6所示。它由控制逻辑电路、时序产生器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。Ra=Rc，R5=R7，R6=R8,所以两级差模总增益可以推导为：通常第一级的增益比较高，第二级的增益为1至2倍。这里，第一级选择为100倍，第二级选择为1倍。取R5=R6=R7=R8=10K。则。先定Rb=1K，由上式可得Ra=49.5K，取其标称值课程设计751K。另外，R3，R4一般不超过1/2的Rb。这里，取值为510，用于保护运放输入级。三、单片机对ADC0832的控制原理：正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。（见图3）当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。表1：如表1所示，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2位课程设计8数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。四、ADC0832芯片接口程序的编写：由于ADC0832的数据转换时间仅为32μS，所以A/D转换的数据采样频率可以很快，从而也保证的某些场合对A/D转换数据实时性的要求。数据读取程序以子程序调用的形式出现，方便了程序的移植。第四部分总体方案设计：本设计采用光敏三极管作为主要感应元件，设计以AT89C51单片机为核心，实时采样、数据处理和即时显示为关键点的光强测量系统。制作光强测量系统可以实现实时测量的功能，具有稳定、使用、方便、快捷、可靠性高的特点，解决光强测量的技术问题，有广泛的应用前景。应用光敏三极管组成的传感器进行实时采样，并将采样的信号送入差分电路，经过信号放大送入减法运算放大电路，经过信号调整，送入ADC转换器中，将模拟信号转换为数字信号，送入单片机，对数据进行处理，从而使实时采样的值在数码管显示电路中即时显示出来。课程设计9当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。传感器（信号采集）光照度差分电路减法运算放大电路信号输入信号放大A/DA/D转换器信号调整单片机数码管显示电路显示器图7主流程图本次方案的电路原理图如下图所示：课程设计10图8总原理图设计总结：光照强度测量显示电路具有很高的实用价值，现实生活中的应用极为广泛。该电路可以应用于研究光强，从而实现对太阳能的充分利用，可应用于气象台等区域。同时，光强测量显示电路也可以应用于温室大棚里检测光强，实