光强检测系统设计报告.doc

电电子子设设计计自自动动化化实实训训说说明明书书 题题 目目： 光强检测系统设计 系系 部：部： 信息与控制工程学院 专专 业：业： 电子信息工程 班班 级级： 学生姓名学生姓名： 学学 号号： 指导教师指导教师： 戴曰章 2010 年 12 月 9 日 电子设计实训说明书 目 录 1 引言.1 2 设计任务及要求.1 2.1 基本要求 .1 2.2 主要器件及功能 .1 3 总体框图及原理.2 4 电路原理.3 4.1 电源电路 .3 4.2 最小系统电路 .3 4.3 显示电路 .5 4.4 检测电路 .6 4.5 数据传输电路 .7 4.6 A/D 转换电路8 4.7 继电器控制电路 .9 5 PCB 版图设计 11 6 实训总结12 参考文献.13 电子设计实训说明书 0 1 1 引言引言 工农业生产中对光照强度的要求越来越高，为了更好的利用光照来提高生产， 应精确的检测并控制光照的强度。本设计基于此目的，设计了简单的光强检测系统。 2 2 设计任务及要求设计任务及要求 2.12.1 基本要求：基本要求： 设计制作一套单片机光照强度控制系统，包括： （1）硬件原理图 （2）印制板 PCB 图 2.22.2 主要器件及功能主要器件及功能 器件功能 STC89C52 实现对系统的控制 MAX232CPE 实现串口通讯功能驱动与 串口数据接收功能 继电器实现对光强的控制 数码管实现对光强的显示 TLC1543 实现 A/D 转换 光敏电阻实现对光照的采集 电源给系统提供稳定电压 电子设计实训说明书 1 3 3 总体框图及原理总体框图及原理 图 3.1 总体框图 设计原理： 本设计采用了 STC89C52 单片机组成光照控制系统，可以实现对光强的控制。光 强传感器采用了光敏电阻,对光照强度进行实时采样。通过 A/D 转换模块将采集到的 模拟信号转换成数字信号，再通过串行编程模块将其传入到单片机进行处理。然后 通过数码管显示，用继电器控制光照，以此达到对光照强度的控制。 光 照 传 感 器STC89C5 2 单片机基 本控制系 统 LCD 显示 键盘继电器光 照 模 数 转 换 器 串 行 输 入 电子设计实训说明书 2 4 4 电路原理电路原理 4.14.1 电源电路电源电路 图 4.1 电源模块 电源模块原理：本电路将 USB 电流作输入，通过滤波、稳压等将电流转换成稳定 的电压给系统供电。 4.24.2 最小系统电路最小系统电路 电子设计实训说明书 3 图 4.2 MCU 最小系统 MCU 最小系统工作原理： 设计中选用 STC89C52 单片机，共有四个 8 位的 I/O 口,外加 12MHz 晶振提供时钟 信号，采用上电复位模式，P2. 2 口号和采样与处理器件 MAX232CPE 通讯，直接输 入 12 位数字量到 89C52 内进行处理，P2.0 口输出控制信号与外接电源构成回路来 控制固态继电器的输入信号，P0 口与 LCD 液晶显示模块连接，用于实时光照显示和 控制。 电子设计实训说明书 4 4.34.3 显示电路显示电路 图 4.3 数码管显示模块 数码管显示原理： 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一 个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个 “8”可分为 1 位、 2 位、4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极 数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的 数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM 接到+5V，当某一字段发光二极管 的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段 就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的 数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线 GND 上，当某一字段发 光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时， 相应字段就不亮。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码， 从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式 和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每 一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十进制 译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5840 根 I/O 端口来驱动，要 知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 端口才 32 个），实际应用时必须增加译码驱 动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 电子设计实训说明书 5 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显 示方式之一， 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 “a,b,c,d,e,f,g,dp“的 同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选 通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同 的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端 电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出 字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端， 就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码 管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽 管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是 一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能 够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 4.44.4 检测电路检测电路 图 4.4 光强转换模块 光强转换模块原理：光照通过 R16 光传感器将光照强弱转换成电信号并将其传输 到 A/D 转换模块。 电子设计实训说明书 6 4.54.5 数据传输电路数据传输电路 图 4.5 串行编程模块 串行编程模块原理： 实现串口通讯功能驱动与串口数据接收功能集成IC 这个 max232cpe 的芯片必须 +5V 电源才会工作。主要用在外围设备中主要起到与电脑或单片机这一块串口通讯。 电子设计实训说明书 7 4.64.6 A/DA/D 转换电路转换电路 图 4.6 A/D 转换模块 TLC1543 简介： TLC1543 是由 TI 公司开发的开关电容式 AD 转换器，该芯片具有如下的一些特 点：10 位精度、11 通道、三种内建的自测模式、提供 EOC（转换完成）信号等。 该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。图 1 是 TLC1543 的引脚示意图，其中 A0A10 是 11 路输入，Vcc 和 GND 分别是电源引脚， REF+和 REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将 REF-接到系统的地，达到一 点接地的要求，以减少干扰。其余的引脚是 TLC1543 与 CPU 的接口，其中 CS 为片 选端，如不需选片，可直接接地。I/O Clock 是芯片的时钟端，Adress 是地址选择 端，Data Out 是数据输出端，这三根引脚分别接到 CPU 的三个 I/O 端即可。EOC 用于指示一次 AD 转换已完成，CPU 可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需 要，该引脚可接入 CPU 的中断引脚，一旦数据转换完成，向 CPU 提出中断请求；此 外，也可将该引脚接入一个普通的 I/O 引脚，CPU 通过查询该引脚的状态来了解当 前的状态，甚至该引脚也可以不接，在 CPU 向 TLC1543 发出转换命令后，过一段固 定的时间去读取数据即可。 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，采样速率一 般取 。通常采样脉冲的宽度 是很短的，故采样输出是断续的窄 max 5 . 2ffs w t 电子设计实训说明书 8 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。 4.74.7 继电器控制电路继电器控制电路 图 4.7 继电器模块 继电器模块驱动原理： 当 STC89C52 单片机的 P3.5 引脚输出低电平时，三极管 T5 饱和导通，+5V 电源 见到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的 常开触点闭合，相当于开关闭合 。当 STC89C52 单片机 P3.5 引脚输出高电平时，三 极管 T5 截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光 二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管截止的瞬 间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应 电子设计实训说明书 9 电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放，从而保护了三极管免被击 穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管的保护作用。 电子设计实训说明书 10 5 5 PCBPCB 版图设计版图设计 图 5.1 PCB 版图设计 电子设计实训说明书 11 6 6 实训总结实训总结 通过这次实习,我们熟练掌握了常用的电工工具的使用方法和注意事项，使 我们对电子工艺的理论有了更深入的了解.我们熟悉了从设计电路，仿真，制板， 焊接，调试电路的技巧,工作原理与组成元件的作用等 .这些知识不仅仅是在 课堂上有效,对以后的学习也同样有很重要的意义.而且在日常生活中也有着非 常现实的意义.同时还培养了我们的团队合作精神.我们明白了,在团队里面.光 靠一个人的力量是远远不够的.只有大家齐心协力、共同合作才能够又快又好地 完成任务. 这次的实习对自己的动手能力是一个很大的锻炼.我们平时都只注重理论方 面的学习,而往往忽略了实践的重要性 .俗话说:实践是检验真理的唯一标准. 没有足够的动手能力,很难在未来的科研尤其是实验研究中有所成就.在实习中, 我们锻炼了自己的动手能力,掌握了操作技巧,提高了自己动手解决问题的能力. 比如电路板的制作就是一个不小的挑战，稍不留神就会在过塑的时候出错，电 路图印在板上不完全。但我们在面对困难的时候没有退却，经过 5 次重复实验 最后还是较好的完成了任务. 两周的实习很短暂,但却给我们以后的道路指出一条明路 ,那就是思考着 做事,事半功倍,更重要的是,做事的心态,也可以得到磨练,可以改变很多不良的 习惯,例如：在电工实习过程中,起初效率低.为什么呢?那是因为在开始的时候 大家并没有进行明确的分工.三个人中只有一个人在做,另外两个人更像是与实 验无关的局外人.而且在开工前,也没有统一意见,彼此缺少应有的默契.而通过 不断的磨合,心与心的交流以及对操作的逐渐熟练,使我们学到了这种经验。 电子设计自动化实训说明书 12 参考文献参考文献 1 刘西社, 刘建平, 吴宝宁等 闪光有效光强测定 仪研究应用光学, 1996; 2 李红滨等新型数字逻辑器件第 1 版, 西安电子科技大学出