传感器与测控电路课程设计自动调光台灯控制电路设计.doc

传感器与测控电路课程设计传感器与测控电路课程设计 设计课题：自动调光台灯控制电路设计指导老师： 单位：湖南科技大学机电工程学院作者： 班级：07级测控一班学号：0703030128设计时间：2010年6月目 录一、 设计题目与要求2二、 基本原理简述2三、 设计总体方案拟定8四、 传感器的结构设计及计算8五、 测控电路设计与计算9六、 精度误差分析 11七、 抗干扰措施 11八、 参考文献 12九、 附录 13一、设计题目与要求设计课题：用光敏电阻制作一个自动调光台灯。使台灯的亮度根据周围环境照度自动调节，当周围环境照度较弱，亮度增大，反之则较小。基本要求：1、 工作在常温、常压、静态、环境良好；2、 精度：0.1%FS；3、 分辨率：按参考文献上常用传感器类比；4、 测量范围：按参考文献上常用传感器类比；5、 传感器及其辅助结构设计（传感器结构简图1张）；6、 电路设计（控制流程图1张；硬件电路及分析，系统电路图1张）。二、基本原理简述1、光传感器检测光的传感器称为光传感器，通常是指将光信号转换为电信号的一种传感器。用光电传感器进行非电量的测量时，只需将非电量信号转化成为光信号即可。由于光传感器都具有结构简单、非接触性、可靠性高、反应快等优点，在军用及民用中极为广泛，因此，其种类繁多，常用的光传感器包括：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、红外线传感器、光电耦合器件、电荷耦合器件、颜色传感器、光纤传感器、紫外线和放射线传感器等多种。图1 光电式传感器的组成光传感器的物理基础是光电效应。光电效应通常分为内光电效应、外光电效应和光生伏特效应。光敏电阻主要是根据敏感材料CdS、CdSe的内光电效应（光电导效应：高电阻率半导体受光照吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象）制成的。是一种物质半导体充电器件，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。内光电效应的物理过程是：光照射到半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，越过禁带跃入导带，从而形成自由电子，与此同时价带也会相应地形成自由空穴，即激发出电子空穴对，从而使导电性能增强，光线越强，阻值越低。如图2所示，为了使电子能从键合状态过渡到自由状态，即实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电材料的禁带宽度Eg，亦即入射光的频率应高于由Eg决定的红限频率。式中，h为普朗克常数,、分别为入射光的频率和波长。图2 半导体能带图及内光电效应图3 光敏电阻工作原理图图4 光敏电阻结构图光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和温度特性等。(1)伏安特性：一定光照下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系曲线。光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流I与光通量之间的关系特性曲线。图5 光敏电阻的伏安特性 图6 光敏电阻的光照特性(2) 光电灵敏度：单位光通量入射时能输出的光电流的大小，即。光照不同，灵敏度也发生变化。光照增大，灵敏度下降。最大灵敏度是在光敏电阻上加以最大电压时，光电流Im与光通量之比值。相对灵敏度是指在单位外加电压下，入射单位光通量时对应的光电流输出，即K=r/V=I/(V) (3)光谱特性:光敏电阻对于不同波长的光，其灵敏度不同。图7 光敏电阻的光谱特性 (4)频率特性：光敏电阻具有延时特性，当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不会马上为零。不同材料的延时特性不同，它们的频率特性也不同。图1.8为相对灵敏度与光强变化频率之间的关系曲线。图8 光敏电阻的频率特性 (5)光谱温度特性：随着温度变化，光敏电阻的暗电阻和亮电阻都会发生变化，光敏电阻受温度影响大，光谱特性也受到影响。2、滤波和信号转换电路测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其他处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响测量精度。滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，当信号与噪声分布在同频带中时，可以从频率域实现信号分离。在实际测量系统中，噪声与信号的频带往往有一定的重叠，如果重叠不很严重，仍可利用滤波器有效地抑制噪声功率，提高测量精度。图9 010mA/05V转换电路3、脉宽调制（PWM）控制电路原理简述 脉宽调制控制电路的基本构成和工作原理等叙述如下。(1)PWM的基本电路 基本的脉宽调制控制电路由电压一脉宽转换器和开关功率放大器组成其组成原理 如图10所示。电压一脉宽转换器的核心是运算放大器(比较器)。运算放大船A输入信号有调制信号Ur(其频率为主电路所需的开关调制频率)、负偏置电压Up、控制电压Uc。由于运算放大器A为开环，因此，该比较器的输出仅取决于输入方向的两个极限值(取决于Uc一(Ut+Up)的正负)，此输出经开关功率放大器输出到触发脉冲列逆变器。 图11所示，调制电压“Ut为锯齿波，当控制电压UcUt-Up时，运算放大器的输出为低电平(-Uom)如图(b)所示；反之，当UcB”输出端保持高电平。当比较器的两个输入值相等时，“AB”端变零，并且直到计数器溢出之前保持为低电平。溢出后，“AB”端恢复为高电平，并重复执行该过程。输出波形的周期T=256Tc，而脉冲宽度=D*Tc。其中D为控制的数值，Tc为时钟周期。如果要求PWM频率为1kHZ，则CLK的频率应为256kHZ。图中8255A的PC7位用于控制计数器的工作；D0-D7为8位数据输入端，全部为双向三态；/CS为片选端，低电平有效；A0；A1为通道0、1的选择信号端；/RD为读信号输入端，低电平有效；/WR为写信号端，输入，低电平有效；RESET为复位信号输入端，高电平有效。图12 计数比较式脉宽调制PWM电路图13 计数式PWM电路原理图4、整流滤波电路单相桥式整流电容滤波电路(1)二极管的导电角,流过二极管的电流为不连续的且幅度很大的电流脉冲，它比输出电流大许多倍。实际中近似估算为 =（1.52）。(2)负载平均电压升高，纹波减小。并且越大，电容放电越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，实际中一般取= （35）T/2式中，T为电源交流电压的周期。(3)滤波电容估算 图14 桥式整流滤波电路三、设计总体方案拟订根据设计题目及要求，拟订方案如下：根据光敏电阻的伏安特性，当光照强度改变时，光敏电阻的光电流随之改变，将光敏电阻的电流变化转换为电压的变化，再对由光信号产生的电压信号进行模数转换，经过单片机的设定程序，根据已定的外界光照强度（即电压变化）与台灯光亮度调节的函数关系，输出信号，实现对脉宽的调制，通过光电耦合器件与主电路耦合，从而控制输出的平均电压，改变台灯光亮度，使其达到预定的光照效果。光信号光敏电阻台灯PWMI/V转换单片机A/D转换图15 控制原理框图四、传感器的结构设计及计算选择光敏电阻：型号规格外径尺寸封装方式额定功率亮阻（K）暗阻（M）使用环境温度（）时间常数（mS）最高工作电压MG45-125塑料封装10mW22-40+702050VMG45-13510mW55-40+702050VMG45-14510mW1010-40+702050VMG45-32950mW22-40+7020150VMG45-33950mW55-40+7020150VMG45-34950mW1010-40+7020150VMG45-5216200mW22-40+7020250VMG45-5316200mW55-40+7020250VMG45-5416200mW1010-40+7020250V 根据光敏电阻的各项参数及转换电路指标，选择光敏电阻MG45-33。并设计I/V转换电路如下：MG45-339塑料封装50mW55-40+7020150V输入电流Ig首先经输入电阻R1变为输入电压Ui=IgR，加到运算放大器的同相输入端，经过同相比例放大后得输出电压：Uo=IgR1(1+R2/R3)R1值根据电流的输出器件满足I/V转换的低输入输出阻抗的要求而确定，一般为几百欧姆数量级。当R1确定后，可根据Ig与Uo的范围决定R2，R3，为避免运算放大器偏置电流造成误差，要求两输入端对地的电阻值相等，即：R4=R2R3/（R2+R3）。根据光敏电阻的光照特性，转换电路如图16将0-10mA的输入电流转换为0-5V的输出支流电压，取R1=250，根据以上公式得，R2=R3=5.1K，R4=2.6K图16 I/V转换电路五、测控电路设计及计算1、模数转换使用ADC0809将I/V转换输出的电压经过模数转换，将变化的电压转化为数字信号，输入单片机进行运算处理。2、单片机控制将经过模数转换的输出电压出入单片机，利用软件编程使输出参考信号与输入相对应，将单片机输出值与脉冲记数相比较输出，从而实现PWM调制。3、看门狗电路：光敏电阻装置的实际工作环境比实验室的环境要恶劣得多，常常会有很多干扰因素使程序跑飞，从而整个系统便不能正常运行。为了避免这种状况的出现，需要给系统增加电源监控电路，使CPU在电源电压低于某一值时停止工作，处于复位状态，待电压恢复正常后，CPU再脱离复位状态，进入正常工作状态。在系统上电时，还需给CPU提供可靠的复位信号，这些功能都需要由看门狗电路来完成。看门狗分为软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗需要在正常程序中安放冗余指令，在正常程序执行不到的空余程序存储空间安放软件陷阱。但是，当程序跑飞到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱均会无能为力，此时可由硬件看门狗解决。硬件看门狗电路简称为WDT电路，由它内部的定时器来监定，当超过所规定的时间之后，便由其复位端输出一个复位信号，从而使系统重新恢复正常工作。在使用硬件看门狗时，需要在软件中进行喂狗，保证硬件看门狗的正常监控。本装置采用MAX813芯片来构成看门狗电路。MAX813的主要功能如下:1、系统上电、掉电以及供电电压降低时，第7管脚产生复位输出，高电平有效;2、看门狗电路输出，如果在1. 6秒时间内没有触发该电路(即第六脚无脉冲输入)，则第8脚输出一个低电平;3、手动复位入，低电平有效。即第1脚输入一个低电平，则第七脚产生复位输出。电路如下图所示。实际应用时，将MAX813的第7脚接至AT89C52的复位脚RST，上电复位电路产生的RESET信号同看门狗的输出端WDO相与，然后送至MAX813的不仄端。MR端是操作复位端，当MR 图17 看门狗MAX813电路连接图端上输入大于140ms宽度的复位脉冲时，会清时钟，同时RST端会产生一个高脉冲，这个脉冲会在MR端上恢复高电平后继续延迟200ms，然后恢复回低电平，同时时钟开始计数。所以当在1. 6秒内没有喂狗时，WDO会产生一个低电平，从而使得在MR端上产生一个低脉冲，使得MAX813复位，RST端也产生一个复位脉冲给AT89C51，使得整个系统复位。同样的，当上电时，在RESET端会有一个上电复位脉冲，一样会使MR端产生低脉冲，结果一样。第6脚与CPU的P1. 4相连。在软件设计中，P1. 4不断输出脉冲信号。整个看门狗的时序图如下图所示:图18 看门狗时序图六、精度误差分析1、温度影响光敏电阻的大部分参数都随温度变化，从而使传感器的灵敏度发生变化。各种光敏电阻的温度系数不同，而且光敏元件及壳体的几何尺寸在外界环境和光照状态下的热膨胀和热应力也会引起温度误差，因此，要正确选择材料和确定传感器的使用温度范围，适当的工作温度范围，才能保证温度误差的要求。2、老化误差各种材料的特性随时间缓慢变化，也导致误差。3、系统时钟误差一般单片机的设计，最难保证的是时间的一致性，微小的时序误差也会给系统带来很大的误差，或错误的判断和运行。七、抗干扰措施 抗干扰技术是设计过程中的重要环节，合理地使用抗干扰技术，可使系统最大限度的避免干扰的产生和受干扰后能使系统恢复正常运行，保证系统长期稳定可靠地工作。1、系统供电线路是干扰的主要来源，防止从电源系统引入干扰，可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工频干扰。采用开关电源并提供足够的功率余量，装置中两个模块的主机部分使用单独的稳压电路。2、看门狗即程序监视跟踪定时器在单片机抗干扰设计中使用非常广泛，本装置采用MAX813芯片来构成看门狗电路。为单片机提供上、掉电条件下的复位信号、看门狗监视及电源失效监视。3、由于环境温度及入射光波长等对光敏电阻影响很大，所以应该给光敏电阻提供稳定的温度及光照条件。4、由于光敏电阻的暗阻很大，亮阻相对很小，而放大器处于开路装，任何微小的干扰都可能产生较大的影响。为此传感器与放大器之间必须采用屏蔽电缆，以便屏蔽外部干扰，而且使用中需将屏蔽线固定，以防止电缆在突然弯曲或受到振动时，屏蔽网与绝缘之间产生摩擦静电。各芯片也因技术