光照度采集系统的硬件设计

摘 要在生产生活中，我们时常需要对一些环境参数进行监测，以确保我们的生产生活正常进行，时代的变化让我们对这些参数有了新的要求，科技的进步也让我们明白，利用传感器、单片机和无线通信芯片设计出一种环境参数监测系统十分重要。本文是光照度采集的硬件设计，简单明了的阐述采用AT89S52进行多路数据采集系统的原理与结构，阐述了光照度传感器的基本原理。本系统采用AT89S52控制的A/D转换器MAX197来进行光照度数据的测量。基本实现了硬件设计的要求，可以通过单片机通讯实现数据的收集和传输。实验证明，本硬件设计是完全可行的。关键字：光照度传感器；单片机；A/D转换；AT89S52；IAbstractIn the production and living, we often need to some environmental parameters monitoring, to ensure that our normal production and living, in the era of change, lets have a new request for these parameters, the progress of science and technology also let we know, using sensors, MCU and wireless communication chip to design a kind of environmental parameters monitoring system is very important.Is light to collect the hardware design, this paper simple describes using AT89S52 multi-channel data acquisition system is the principle and structure, this paper expounds the basic principle of light sensor. This system USES AT89S52 control A/D converter MAX197 for light measurement data. Basic realization of the hardware design requirements, can be realized by single chip microcomputer communication data collection and transmission. Experiments show that the hardware design is completely feasible.Key word：Light sensor；Single chip microcomputer；A/D conversion；AT89S52；目 录摘 要IABSTRACTII第一章 概论21.1课题背景21.2本实验的研究内容21.3本实验的的设计要求和指标2第二章 系统的方案选择32.1光照度简介32.2硬件方案选择32.3系统方案选择小结4第三章光照度传感器63.1简介63.2使用标准63.3技术参数6第四章 光照度数据采集系统84.1 光照度数据采集系统84.2 传感器简介224.3 系统的放大器23第五章 实验设计的总结24附 录25参考文献26致 谢271第一章 概论1.1课题背景在现代农业和工业领域，一些环境因素会影响我们的设备和系统的正常运行，而光照度作为一个重要的的参数起着举足轻重的作用，随着时代的变化，对光照度的准确监测要求也越来越高。光照度作为一个重要的环境参数，因此对环境中的光照度进行实时的数据收集、无线传输与显示就显得格外的有意义和市场开发价值。AT89S52是一块具有微处理器功能的单片机，具有计算记录的功能，能够实现数据的测试和控制，本实验就是基于单片机的多路数据采集原理构成的。测试光照度的方法有很多，他们的原理都是测量本体表面摄入光照强度来计算的，本文就是主要研究的是光照度监测系统的设计上，通过具有微处理器功能的AT89S52控制光照的采集系统、无线通信芯片和LCD显示,对光照度进行数据收集。1.2本实验的研究内容本系统当中，主要核心是采用微处理器AT89S52和光照度传感器进行的光照度数据的测量和收集，利用显示器来显示测量值。系统实现了光照度数据的收集、处理、显示、键盘输入和警报等工作，具有很强的具体应用价值。1.3本实验的的设计要求和指标本实验因以光照度为测量对象，应具有以下指标：1.监测点环境应该符合系统设计环境，且应该准确监测，精度大于0.1lux。2.LCD上显示的参数数据，要求传输距离大于1km。 3.无线传输设备能够具有能够抗干扰能力；4.设备具有高的时效性；耗能较低。第二章 系统的方案选择2.1光照度简介光照度其实表示的是阳光摄在我们需要测量物体表面上的且表面积为1的光的照射量，也就是我们常常在公式中见到的lux。它相当于1流明/平方米，单位是1勒克司。其实我们经常讲的光照度主要以烛光测量的，单位烛光以远离我们需要测量物体单位距离所检测的光的照射量。流明系数法虽然能够估算出光照度，但是误差很大，我们一般会选用专业的软件进行专业的计算。2.2硬件方案选择2.2.1光照采集模块方案选择系统对环境的要求度是很高的，并且要求一定的精确度，所以有以下两种方案：方案一：自制光照采集模块采用光敏电阻，难以达到课题的要求。方案二：如果采用ZD型照度变送器，会有以下的优点：首先它是采用硅兰光伏探测器作为传感器，会对弱光有较高的灵敏度，其次他的范围测量广，线性度好，防水好，最重要的是它方便安装，传输距离远，适合各种工作环境，因此选择这个方案设计。2.2.2无线传输模块方案选择系统和终端都采用无线传输方式，所以无线通信模块方案有下列几种方案：方案一：采用无线串口进行无线数据通信，具有接口简单，只需利用单片机的串口就可建立无线通信，采用该模块成本较高，虽然能够满足题目要求，但是考虑到系统的成本，不采用该方案。方案二：采用无线收发模块nRF24L01，该模块采用SPI接口可以很方便的与单片机建立通信，发送与接受只需通过简单的将控制指令通过SPI接口写入nRF24L01就可以发送和接收数据。具有系统费用低，数据传输时间短，保密性好。故采用该方案。2.2.3 LCD显示模块方案选择系统终端自带显示屏，而且能够实时显示数据信息，生产厂商选用的是液晶1602进行数据显示，已经可以达到实验要求。2.2.4单片机模块方案选择方案一：采用51系列单片机及其最小系统作为MCU模块，其特点是结构简单，使用的是CISC指令系统，冯诺依曼总线结构，系统功能易于实现，成本低，但是处理速度较慢，故不采用此方案。方案二：AT89S52是一种高性能的微处理器，且它有可编程的存储器。它是ATMEL公司制造的，与同样具有微处理器功能的80C51的产品指令和管脚互相兼容，它的存储器既可以允许程序编程也可以允许常规编程。与其他芯片相比，AT89S52就是因为拥有了8位cpu和在系统可编程，才使的它广受用户喜爱，所以它适合本实验。2.3系统方案选择小结本章首先对光照度进行了简单的介绍，因为本设计就是围绕着光照度进行展开的，如果不能更好的理解光照度这个概念，可能对本实验的理解上也会存在偏差，我们只要弄明白实验研究对象的单位、测量方法、误差分析法等，我们才能体会到实验真正需要我们去改进的，本实验要求对光照度进行测量，首先我们了解了光照度单位，理解了他的单位的物理意义，也明白了平时的测量方案有一点误差，需要我们择优选择，也就肯定了我们这个实验设计的现实意义。本实验测量的数据对环境的要求特别高，尤其是我们需要直接在户外进行实验，必须达到高的实验精度，实验的实时性，才能达到实验的要求，和使用者的要求，我们在实验中会遇到比较恶劣的天气情况，或则我们测量物体表面不适合进行光照度实验测量，这样就难免会照成实验误差，我们需要尽最大的可能规避实验误差，我们有两种方法进行规避误差，我们可以选择通过改进实验系统进行误差的改进，我们也可以通过数学方法进行数学改进误差，比如我们可以通过精确小数点进行误差规避，虽然无法完全减少误差，但是可以最少的规避误差。我们理科实验必须要保证实验的严谨性和实时性，做到最大程度的客观。本实验是研究光照度的测量的，我们需要进行实验各部分的系统选择，正如本章第二节所进行的实验各部分系统的选择，我们需要进行各部分最优选择，我们对系统的四部分：采集、传输、显示、单片机。这四部分的选择必须严格的遵照实验的准确和及时性进行实验的，我们应该遵守这些实验规则，最大程度的保证系统的可靠性。实验研究的是硬件设计，就要满足硬件设计的技术要求，首先要根据实验的设计进行布局，要划分功能区，节约设计成本，考虑设计元件的形态大小，尽量把具有统一作用的元件靠近摆放，做到设计的有利有条；其次就是注意连接器的位置关系，比如说母板与机箱的连接关系，在连接中要把插头插座等器件放好，注意易损元件的保护，比如说小芯片和电阻，应该先注意分立元件的摆放，再去放耦合元件。还有在我们布局时，一定要记得最好的走线方式，仔细考虑走线的方式，考虑到怎么走线最短，尽最大的可能增加布通率；而且注意另外一大需要解决的问题就是散热问题，散热问题的妥善解决可以很好的延长器件的使用寿命，为了解决散热问题，必须要考虑芯片功率的大小，是否留有足够的空间去散热等问题。如果我们的硬件设计有时钟，这是重要的信号，我们设计的时候必须让他们离负载更近一点，这样可以避免信号延迟。其实在我们上面所讲的硬件设计要求外，还有一些原则是我们需要注意的：1、普遍原则，我们在设计过程中应该尽量使用大众器件，尽量少使用平时我们在生产生活中不经常使用元器件，以免照成社会化大生产的元件不能大量购买的缺点，造成成本增加，不利于社会技术的进步。2、高性价比原则，在功能，使用寿命等客观技术指标都相近的情况下，我们应该尽量选择价格少，成本较低，而且比较好购买的元件，减少人工成本。3、购买方便原则，我所用的元器件应该尽量的我们在当地的电子市场好购买，我们所设计的硬件应该具有实用性，能够被大众市民所接受。4、持续发展原则，所选用的元器件不能够在短时间就停产，这样就失去了我们设计硬件的意义啦，替代的周期太短，会造成成本的增加。5、向上兼用原则，对以前产品的承接，可以使原来的老客户能够顺利过渡，加强用户的顺接能力。6、资源节约原则，我们必须充分利用元件的所有管脚和功能，尤其是我们的在本次实验中所选用单片机AT89S52它的管脚比较多，我们必须充分的利用它的所有管脚的和功能这样才能不会造成资源的浪费。这些就是我们本实验硬件设计的原则和要求，如果我们想让自己的设计更加贴近生活，更加的能够被社会所接受，我们必须严格的遵守实验设计守则和硬件设计要求，这样才能使我们的硬件更加贴近民生，有社会市场，不至于设计成为无用品。4第三章光照度传感器3.1简介本实验传感器部分选用华控集团生产的ZD系列光照度变送器，该系统采用的硅兰光伏传感器对弱光也有很好的感应作用；具有对光的测量范围广，且线性度较高，防水性能好，安装简单使用方便等优点，适用于各种复杂的的环境中，对工业和农业的环境要求度较低，能够达到一般的大棚和城市照明的需要，外观美观抗干扰能力强。 3.2使用标准这种类型传感器的使用标准：1、强光（尤其是夏天）下照度为11万Lux（434万Lux）；阴天光照度为1万Lux；2、日出、日落光照强度为： 300400Lux；夜里 ：0.30.03 Lux（明亮月光下）；0.0030.0007 Lux（阴暗的夜晚）3、室内日光灯照度为：3050Lux；以上参数公供参考3.3技术参数本系列变送器的技术参数如下：供电电压：13VDC31VDC；波长测量范围： 380nm730nm；感光体：带滤光片的硅蓝光伏探测器；准确度： 7；重复测试：5%；温度特性：0.5%/；范围测量：1020000Lux；输出形式：二线制522mA电流输出三线制16V电压输出；液晶显示输出：222/466网络输出。使用环境： 141、3%RH44%RH（带液晶）；173、3%RH69%RH(不带液晶)；大气压力：78109kPa。规格选型如表3-1所示表3-1规格6第四章 光照度数据采集系统4.1 光照度数据采集系统4.1.1 采集系统的介绍下面我们讨论有MAX197的数据采集系统。该系统用于测量，记录光照度的数据。日常生活中常常需要对某些重要地区运用光照度系统测量，比如，在工业领域需要对局部进行温度测量，在日常生活中要对某个重要地点进行测量，并通过系统将结果显示出来。将传感器采集的电流信号转变为电压信号。采集的结果送入由PHILIPS公司生产的AT89S52单片机中进行预处理。PC端将收到的数据在数据处理处软件中进行结果处理，显示。系统流程如图4-1所示光照度8路电流转变为电压信号A/D变换PC端处理 显示单片机处理 串口发送电路原理图4-rrr3-2（b），图4-2rcr4-1e（d），图4-2（e）图4-1多通道采集系统流程图图4-2（a） 单片机与74LS377、74LS138的连线图图4-2（b）用8255扩展了I/O口图4-2（c）液晶显示和单片机复位连接图图4-2（d）AD MAX197的连接图图4-2（e） DA AD667的连接图4.1.2 系统所用器件介绍单片机1选用PHILIPS公司生产的AT89S52，AT89S52单片机的片内结构如图4-3。CPU控制部件运算部件串行口RAM中断并行口ROMSFR定时/计数图4-3 单片机内部结构其中包含16有七个部分组成：微处理器，片内随机存储器，片内程序存储器,并行输入输出口（P0、P1、P2、P3），串行口，定时器/计数器，中断系统及特殊功能寄存器各管脚及其功能简介：管脚40：VCC管脚20：VSS管脚18，19： 时钟引脚通过管脚19 XTAL1引回振荡信号是内部时钟振荡电路放大器的输出端。管脚18 是内部时钟振荡电路放大器的输入端。管脚9：复位/掉电保护管脚16 ，17 RD/WR 读有效/写有效单片机将一个并行口P3作为一个多功能并行口，指定P3.7（管脚17）作为读取信号输出端。指定P3.6(管脚16)作为写入信号输出端。RD信号在地址信号期间出现为低电平。使XRAM或其它接口将数据送到THE DATA BAS上，并在读写信号的上升沿将数据总线上的参数读入目的地。WR信号在地址信号期间的后部出现为低电平管脚12 INT0 中断 低电平有效。I/O 口引脚P0口：双向8位三态I/O口。P1口：八位准双向口I/O口，可驱动四个LS型TTL负载。P2口：与P1口功能基本相同，但是可以与地址总线（高8位）复用。MAX197 A/D转换器在本系统中芯片对8个通道进行多次采集,采集数据送入微处理器中进行预处理。MAX197为可编程，多通道，逐次比较，12位模/数变换器。芯片MAX197的主要功能为故障保护；八个输入通道都是模拟的；十二位分辨率；误差小0.012%；转换时间约为6s；具有内部或外部采集控制功能。芯片MAX197的工作流程如图4-4。 写控制寄存器读取上次AD转换结果设置控制字节AD转换是否完成图4-4 MAX197工作流程图芯片MAX197各管脚名称及功能如下：管脚1：CLK 时钟输入。管脚 2：CS 低电平有效的片选信号。管脚 3：WR 主要取决于CS低电平的内外部采样方式，当CS为前者时，WR第一个上升沿开始采样和转换，当CS为后者时，WR下一个上升沿就会做相同作用。管脚 4：RD 读信号。如CS为低电平，直接会导致RD下降，并且伴随着允许读数据（只能是数据总线的）。管脚 5：HBEN 这个管脚的作用是对12位转换结果的传输，分为高低电平，当为前者时，将会把4MSB送到数据总线，当为后着时，会把8LSB传送到总线上。管脚 6：SHDN 停止端。当低电平时，则为FULLPD。管脚 710：D7D4 三态数字I/O。管脚 11： D3/D11 三态数字I/O，D3输出（HBEN=低），D11输出（HBEN=高）。管脚 12： D2/D10 三态数字I/O，D2输出（HBEN=低），D10输出（HBEN=高）。管脚 13： D1/D9 三态数字I/O，D1输出（HBEN=低），D9输出（HBEN=高）。管脚 14： D0/D8 三态数字I/O，D0输出（HBEN=低），D8输出（HBEN=高）。管脚 24： INT 当转换结束和准备读输出数据时，INT变低。管脚 27： VDD 该引脚与AGND之间用0.1F电容旁路。8255 I/O扩展在本系统中芯片82552作为I/O口的扩展。8255有三个八位的并行口，端口有两种选择。8255为总线兼容型的，可以与AT89S52的总线直接接口。8255内部有三个可编程的并行I/O端口：PA口.PB口和PC口，其中C口又分为两个独立的4位端口：PC0PC3和PC4PC7。A口和C口的高四位合在一起称为A组控制部件；B口和C口的低四位合在一起称为B组，通过B组控制部件控制。8255内部结构如图4-5所示：图4-5 8255内部结构图A口有三种工作方式。B口有两种工作方式：无条件输入/输出方式和选通输入/输出方式。数据总线缓冲器3是一个8位双向三态缓冲器，是8255与系统总线之间的接口，8255与CPU之间传送的数据信息、命令信息、状态信息都通过数据总线缓冲器实现传送。WR接收处理器送来的信号，将信息写入相应的内部的端口寄存器。82554有4个端口寄存器：A寄存器、B寄存器、C寄存器和控制口寄存器，通过控制信号和地址信号对这4个端口寄存器的操作如表4.1所示。表4.1 8255工作方式CSA1A0RDWRI/O操作00001读A口寄存器内容到数据总线00101读B口寄存器内容到数据总线01001读C口寄存器内容到数据总线00010数据总线上的内容写到A口寄存器00110数据总线上的内容写到B口寄存器01010数据总线上的内容写到C口寄存器01110数据总线上的内容写到控制口寄存器8255各引脚及其功能：管脚35 RESET：复位输入线管脚14，3740 PA0PA7端口A输入输出线管脚1825 PB0PB7端口B输入输出线，一个锁存器（8位的I/O），一个8位的缓冲器（输入输出的）。管脚 1017 PC0PC7端口C输入输出线，它有两个器件，都是八位的管脚6 CS片选信号线，低电平有效。管脚5 RD读信号线，与CS相同。 管脚36 WR：写入信号管脚2734 D0D774LS138芯片74LS1385是3-8线译码器/多路分配器。它有3个使能输入端、3个选择输入端、8个数据输出端。74LS138就是用TTL与非门组成的3线-8线译码器。当G1为1，另外选通端为0时，译码器处于工作状态。可将地址端（A，B，C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平。表3.2为74LS138芯片的功能表。表3.2 74LS138的功能表INPUTOUTPUTENABLESELECTG1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7XLHHHHHHHHHXLLLLLLLLXXLLLLHHHHXXLLHHLLHHXXLHLHLHLHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHL74LS377芯片74377是8D锁存器。具有8个单独输入端的锁存器，3态驱动总线输出。当允许端（G）是高电平时，锁存器输出将随数据（D）输入端变化；当为低电平时，锁存在数据电平上。在此系统中它用来连接液晶显示器。若允许输入端（E）是低电平，在时钟脉冲正跳沿来到时，D输入端上的信息即被传送到Q输出端，时钟触发与正跳沿脉冲的跳变时间无直接关系。不管时钟是高电平还是低电平，D输入端的信号对输出端均无作用。该线路能防止E输入端的跃变带来的错误时钟控制。74LS377内部与管脚如图3-6。74LS377控制方式如表4.3。图4-6 74LS377内部与管脚表4.3 74LS377控制方式AD667 D/A转换器AD6677是一种D/A转换器（12位的电压输出型的），内含基准电压源（双缓冲输入锁存器和高稳定的），可方便地与4位、8位、12位、或16位微处理器接口。AD667的主要性能及特点如下：分辨率为12位；输入方式位双缓冲输入；输出方式位电压输出，可输出+5V，+10V，-2.5V+2.5V，-5V+5V和-10V+10V；基准电压源内含式的（9V，允许误差不超过1%），外接用；可与微处理器直接接口；但是必须是4位、8位、12位、16位的。功耗300mW；与TTL和5VCMOS逻辑输入电平兼容；温度工作时的：商品为1+71，工品为-26+86，军品为-56+126。AD667外部引脚如图3-7，表3.4为AD667DIP封装引脚说明，表4.5为AD667真值表图4-7 AD667外部引脚图表4.4 AD667DIP封装引脚说明引脚符号说明120V SPANR片内10K反馈电阻引脚210V SPANR片内10K反馈电阻中心抽头引脚3SUM运放求和点，即运放反相输入点4BPOFF双极性偏执端，用于双极性补偿5AGND模拟地6Vrefout内置基准电压源输出端7Vrefin外置基准电压源输入端8+Vcc正电源电压输入端9Vout模拟电压输出端，10-Vee负电源电压输入端11Cs片选信号输入，D/A锁存器启用端（低电平有效），只有当cs有效时，才能选通各种锁存器1215A3A0锁存器地址16PGND电源地1728DB0DB1112位数字俩输入线表4.5 AD667真值表CSA3A2A1A0操作说明1XXXX不起作用X1111不起作用01110选通低4位输入数据锁存器01101选通中4位输入数据锁存器01011选通高4位输入数据锁存器00111把输入数据锁存器中的12位数据送入DAC锁存器00000所有锁存器直通128*64和键盘、显示、和键盘电路的构建在本系统中，由于该温度计还要进行信息的实时显示，C系列中文液晶8 128*64显示模块如图4-8。图4-8 128*64外形图主要参数：工作电压：4.55.5V逻辑电平：2.75.5VLED驱动电压：07V液晶显示初始化有功能设定控制字，一次送8位数据，清屏，地址指针指向00H及光标移动方向增量型 和开显示关游标。例如，若在液晶屏上第一个字符位置上显示“A”，只需向DDRAM的00H单元写入代码“80H”。字符LCD模块可显示的代码见其字符表。英文字母、数字的代码与ASCII码相同。代码02H7FH的显示内容可由用户在其CGRAM中自定义。表4.6为显示坐标关系。表4.6 显示坐标关系键盘电路9是单片机应用系统最常用的人机接口电路，用它可以完成温度值的设定、移位、加1、减1、清零、前翻页和后翻页等功能。4*4键盘由16个开关矩阵组成。识别闭合键依靠软件实现。4*4键盘10行线、4条列线，在每一条行线与列线的交叉点接有一个按键，16个按键的编号为K0K15，结构如图4-9所示。图4-9 4*4键盘当某一个按键闭合时，与该键相连的行线与列线接通。此处用的是逐行扫描法识别闭合键盘，其操作步骤如下：（1）、将行线接8255的PC口的低四位，列线接PC口的高四位。（C口的高四位输出，低四位用于输入）（2）通过输出口11输出数据，逐一使一条行线为低电平（其余3行为高电平）然后通过输入口读4跟列线的状态，若全为高电平，则此行无按键按下，若不全为高电平，说明这行有键按下，且按键位于此行与电压为低电平的列线交叉点。例如，PC口输出1000B（第一列为低电平）时，若读的行线的数据为1000B,说明按键K0被按下；若读的行线的数据为0100B，表明4键被按下。当一行没有按键按下时再用同样的办法 接着扫描下一行。（3）某一行有键按下时，由键值可唯一确定按键号码。K0按下时，必在列线输出1000B，行线读的1000B时，其键值为10001000B=88HK1按下时, 必在列线输出0100B，行线读的1000B时，其键值为01001000B=48H同理其余键盘键值 K2=28H K3=18H K4=84H K5=44H K6=24H K7=14H K8=82H K9=42H K10=22H K11=12H K12=81H K13=41H K14=21H K15=11H 以上构成一个数据表，通过查表即可确定键盘 。4.2 传感器简介传感器是将物理量转化为电量的一种器件12。我们选用的温度传感器是AD590传感器。具有价格低，精度高，性能好，防水防腐蚀等优点。此光照度传感器测量范围为1lux+150lux，工作电压为+4+105V，分辨率为0.1度,输出精度为1A/lux；线性好，非线性误差为0.3lux。4.3 系统的放大器我们选用的A/DMAX197为12位的A/D，他的分辨率为1/2=1/409613。它的输入电压范围是0.000V5.000V，即0mV5000mV，MAX197将0.000V5.000V分为4096个等分，每一等分约为1.22mV，即A/DMAX197输入端的电压每变化1.22mV，A/D输出就变化一个字。当输入电压从0.000V变化到5.000V时，A/DMAX197输出的数字量从0000H变化到0FFFH。放大器的设计有以下考虑:温度为-55度对应的电压量是0.000V；温度为70度对应的电压量是70MV。将0.000v放大0.000v；70mv放大5000mv，放大量为5000/70=70倍，设计出富余量放大两设计为100倍（可调）。放大器的设计为两级放大器。本设计中MAX19715的输入信号为05v，因此选用运算放大器op-07来进行信号放大。Op-0720是精密运算放大器，发使用双极性电源供电，精度较高，放大倍数为100，可把070mv的信号放大到05v。使用op-07de信号电路如图4-1