光敏电阻传感器实训论文.doc

编号： 传感器综合设计 实训(论文)说明书题 目： 光敏电阻测量光照强度 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 罗振雄 学 号： 0901130441 指导教师：王守华、胡机秀、童有为、李秀东 2012年6月22日桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 1 页 共 2页摘 要随着时代的进步和发展，传感器技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。本设计题目是光敏电阻测量光照强度，用光照的强弱来改变光敏电阻的阻值大小，从而使输出电压值改变，通过测量输出电压值的大小就可以间接的测量光照的强度了。本设计有光照强度报警控制系统和光照强度等级显示电路以及光照亮度的显示。本设计采用了STC单片机为主控制电路，用数码管显示光照强度值，用绿、黄、红LED来显示光照亮度等级，用蜂鸣器来做报警电路。本设计电路各个部分电路的设计原理及功能都能实现，要求对各种基本的电子元器件，电阻、电容、二极管、三极管等熟悉，掌握Proteus 仿真软件的运用、Protel 99 SE工具软件等绘图软件，并加以运用。用单片机内部的AD转换实现模拟转化为数字量，通过编程控制各个外围电路并实现其功能。本设计具有有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等特点。关键词：光照强度；光敏电阻；单片机AbstractWith the progress and development of sensor technology has spread to the way we live, work, research in various fields, has become a relatively mature technology. The sensors are the feelings of physical, chemical and other information, according to certain rules to convert to facilitate the measurement and transmission of the signal device. This design is entitled to the photoresistor to measure light intensity, the strength of the light to change the photosensitive resistor size, so that the output voltage changes, by measuring the size of the output voltage value can be indirectly measuring the light intensity. The design of the light intensity alarm control system and the light intensity level display circuit and illumination brightness of the display. This design uses the STC microcontroller-based control circuit, digital display light intensity, light green, yellow, red LED display brightness levels, to do with buzzer alarm circuit. The design of the circuit design principles and functions of various parts of the circuit can achieve, requiring a variety of basic electronic components, resistors, capacitors, diodes, transistors and other familiar and master the use of Proteus simulation software Protel 99 SE software tools such as mapping software and use of them. AD of the internal microcontroller to convert analog into digital, programmed to control the various peripheral circuits and to achieve its function. The design of the circuit is simple, compact, low cost, superior performance characteristics.Key words：Light intensity; photosensitive resistance; MCU桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 0 页 共 1页目 录引言11 电路系统概述11.1 设计要求11.2 方案设计11.3 方案论证22 硬件设计与分析32.1 单片机最小系统32.2 光敏电阻的特性及参数52.3 光采样电路52.4 光强度显示电路62.5 光强度等级报警电路63 软件程序设计73.1 程序流程图73.2 安装调试及测量数据分析83.3 调试问题与解决方法94 总结9谢 辞11参考文献12附 录13桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 12 页 共13页引言光照强度自动检测显示电路，该电路可以自动检测光照强度的强弱并显示给人们知道此时光照强度的强弱。该电路还可以设定光照强度的范围，一旦超出此范围该电路系统可以发出警报通知或直接采取措施使光照强度限定在此范围内。人们可以通过看此电路装置的显示了解现在的光照状态，做合理的光照调节。该设计可分为三部分：即光照采集检测部分、光照强度信号处理部分、光照强度显示部分。还可加上报警部分和光照强度等级显示部分。对于光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件，它可以完成从光的强弱到电阻值变化的信号转换，再把电阻值转换为电信号就可以作为系统的输入信号，对输入信号进行AD处理后就可以用来显示了。对于显示部分可利用数码管来显示，不同的光强对应于不同数码管显示值，就能简单的显示出不同的光强了。用绿、黄、红LED来显示光照强度的等级。1 电路系统概述1.1 设计要求设计一个光照强度自动检测、显示、（报警）系统，实现对外界三种不同条件下光强的分档指示和报警（弱、适宜、强）。通过采样到的光照射强度选择，在数码管上显示电压的大小。(1)自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的输出；(2)传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完成，完成至少三种以上不同光照条件下显示报警系统方案的论证和设计；(3)完成自然光光照强度自动检测显示报警系统电路方框图、电路原理图的设计；(4)完成自然光光照强度自动检测显示报警系统中核心芯片的选型、系统中各个参数的计算（备注：1. 含各种元件参数的计算过程或依据2. 选定最接近计算结果的元件规格）；(5)设计结束后，进行仿真调试； (6)不断检测设计和实践的相差情况； (7)仿真调试方案； (8)给出系统整机电路图； (9)完成课程设计报告。1.2 方案设计 传感器选择：选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。电阻测试：在室外太阳光强照射下、室内适宜光照下、室内昏暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为=15.6k欧。方案原理图：系统功能描述：考虑到系统的实用价值,确定了光照适宜时的光敏电阻值的范围为1.4-3.6k欧，当光照过强时，LED1点亮，蜂鸣器报警；光照适宜时，LED2点亮；黑暗时，LED3点亮，蜂鸣器也报警。即光照不适宜时就会报警，所以该系统不但可以完成光强的显示、报警，而且可以判断光照是否适宜。 原理框图如下：数码管显示电路报警电路光敏电阻光敏电阻信号转换电路信号处理电路图1电路原理框图1.3 方案论证(1)光照强度的信号采集部分采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小； 当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，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、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。(2)信号处理部分采用集成电压比较器LM358N作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。光强、适宜、黑暗三种光照状态转换为三个电压值V1，V2，V3作为比较器的输入电压；两个比较器设置两个参考电压Vref1，Vref2。工作过程分析如下：光照较强时V1 Vref1Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时Vref1V2 Vref2， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0）； 光照黑暗时V3 Vref2 Vref1 两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V）。这样就完成了从模拟信号到数字信号的转换,显示部分就变得容易了。(3)光强显示部分采用数码管管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，所以在输出端加一个上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED3被点亮。这样三种状态就显示出来了。(4)光报警部分采用有源蜂鸣器作为报警器件。电路连接如原理图所示，用两个NPN型BJT三极管的导通来控制报警电路的导通，三极管的导通又受发光二极管导通与否的控制，发光二极管的导通受光照的控制。所以光强就可以控制报警器了，设计方案采用了当光照较强或较暗时报警。工作过程分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮，三极管BJT1被导通，报警电路被导通，蜂鸣器报警；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮，三极管BJT1截止，报警电路也截止； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮，BJT2被导通，报警电路也被导通，蜂鸣器报警。2 硬件设计与分析2.1 单片机最小系统STC12C5A08S2简介：新一代宏晶芯片具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D转换，25万次/秒1T 8051带总线,无法解密,管脚直接兼容传统89C52,有全球唯一ID号可省复位电路,36-44个I/O内部R/C时钟的新一代宏晶芯片加密性强，解密难度高。高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快812倍 宽电压：5.53.3V，2.23.6V（STC12LE5A60S2系列） 增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率12MHz时，无需此功能）增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP 低功耗设计：空闲模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一个中断唤醒） 低功耗设计：掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒 工作频率：035MHz，相当于普通8051：0420MHz 时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上 1280字节片内RAM数据存储器 芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上 ISP / IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器 8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用 2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），-也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断） 4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器 可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟 硬件看门狗（WDT） 高速SPI串行通信端口 全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口 先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA图2单片机最小系统电路图2.2 光敏电阻的特性及参数(1)光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。 (2)暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。 (3)灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。 (4)在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 (5)光敏电阻的光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。 (6)光敏电阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流的限制，超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。 (7)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，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。2.3 光采样电路本光采样电路是应用光敏电阻的特性而设计形成的，根据光敏电阻的工作原理，当有光照是光敏电阻的阻值会随着光的强度增加而减小。把光敏电阻采样得到的电压值经过LM358进行电压放大，然后进行滤波后送到单片机进行处理。光敏电阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流的限制，超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。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，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同。光采样电路如下：图3光采样电路图2.4 光强度显示电路本光强度显示部分电路采用了数码管来进行显示数值，单片机接收光采样电路采样得到的电压进行AD转换处理，然后经过数码管显示数字量，显示数字量越大表示光越强，数码管采用共阳接法，用8550（PNP）三极管来驱动，四位数码管可以显示从0至9999数字中的任一个数值，这样就可以满足本设计的显示要求。图4光强度显示电路图2.5 光强度等级报警电路 本部分电路采用蜂鸣器进行报警器，采用8550PNP三极管进行驱动，当控制信号为低电平时，三极管导通，就有电流流过三极管，驱动蜂鸣器，这时蜂鸣器就会发出声音；当信号为高电平时，三极管就截至，就没有电流留到蜂鸣器，就没有响声。本部分还采用了三个LED，颜色分别为绿、黄、红进行显示光照强度的等级，用绿色的LED来表示光强度弱，用黄色LED来表示光照强度适中，用红色LED来表示光照强度强，三个LED采用了共阳的接法，当控制信号为低电平时LED就亮，控制信号为高电平就不亮；通过用单片机来控制输出的信号就可以实现到蜂鸣器和LED的控制了，这样就可以实现本部的功能。图5光强度等级报警电路图3 软件程序设计本软件程序设计上，根据电路的功能可以分为几个模块。主要有：光采样模块、AD转换模块、光强度显示模块、光亮度等级模块和报警模块。各个模块通过编程用单片机了控制，使之其联系起来，协调的工作。3.1 程序流程图应用Keil软件进行程序的编写主要步骤为：编写源程序并保存建立工程并添加源文件设置工程编译/汇编、连接，产生目标文件程序调试。成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug-Start/Stop Debug Session(或按Ctrl+F5键)进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行(按F11或选择Debug-Step)、过程单步执行(按F10或选择Debug-Step Over)、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改(Debug-Inline Assambly)，不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件(如按键被按下等)才能被执行的，难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理(Debug-Insert/Remove Breakpoint或Debug-Breakpoints等)。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。结束黄色LED亮，光强度适中AD转换值小于70绿色LED亮，光强度弱检测所得电压进行AD转换开始红色LED亮，光强度强，蜂鸣器报警AD转换值小于40光强度检测NONOYESYES图6程序流程图3.2 安装调试及测量数据分析(1) 在没有通电前目检整个作品的的焊接问题和元件问题，检查是否有空焊、虚焊、错焊、短路等现象，检查元器件是否有用错，极性是否有错等不良。 (2) 通电测试各个功能模块的工作是否正常，用万用表来测量各个功能模块的电流电压，并确认模块工作情况。(3) 在各个模块正常情况下，给51单片机编程一个让所有I/0口一会儿输出0，延时，再输出1。用万用表测量各I/O口得电压是不是一会儿高，一会儿低。(4) 在单片机报警器和LM358芯片，给单片机下测试程序，通过看数码管输出是否正常，并确认数码管工作情况。(5) 给单片机下一个完整的程序，分别用不同的光照强度照射光敏电阻，检查数码管是否显示不同的数值，当显示数值在不同范围时对应的绿、黄、红LED是否发光，当红色LED亮时蜂鸣器也是否有响声等。3.3 调试问题与解决方法(1) 调试单片机程序时，发现不能正常的下载程序，首先怀疑可能是单片机坏了，然后借了一块单片机学习板测试了一下单片机芯片，发现可以正常下载。这说明很可能是我单片机的引脚可能出现焊接不良问题，有可能哪个引脚虚焊或假焊了，仔细查看了电路图于是我将电路板重新加焊一遍再下程序，并检查下载器的问题，最终可以正常下载调试。(2) 开始写的测试程序输出的数据误差很大。我想可能是光敏电阻这一模块出现了问题，于是不断的排查和检测，通过调节可变电阻使在没有光照时，数码管显示值为0，这样调节后误差就大大的减小，测量结果符合要求。(3) 尽可能的让电路板做到很完美，调节好各级的电阻让实验结果精确。如数码管和LED亮度很暗，则可以是限流电阻过大的缘故，更换比较小的电阻阻值就可以了，如果报警声音很小，要更换比较大的电流三极管来驱动。(4) 调试测量仪器：示波器；直流稳压电源；万用表；单片机开发板。4 总结通过本次课程设计，我对传感器、电路系统设计有了更深的的理解也加强了我的实际动手能力。也第一次这么近距离的了解自动化的含义，了解传感器。接触到我们以后需要使用和进一步了解的传感器。不管是电路理论，还是实际应用，经过此次设计后我的能力都有了不少提升。同时在本次课程设计时，也暴露了自己的不少毛病，如设计过程中缺乏规范化，标准化，仿真软件不熟悉等。刚开始的的时候，Protel完全不会，但经过两天的摸索，也逐步上手了。通过这几天的努力奋斗，最终做出电路原理图，心里有一种莫大的成就感。在这次课程设计中，我也有很多不足，做事太急。方案的设计没有能实现很多的功能，知识面狭隘，学过的知识遗忘了。我会努力将基础打牢，争取在下一次的课程设计中有新颖的想法，做的东西功能更为全面。平常我们上课学习理论知识有时觉得挺容易的，但一旦自己真正动手设计，才发现自己有很多不足。只有实践才能提高自己的能力，因此我希望有更多类似课程设计。我认为设计此装置可以让我们得到适宜的光照，便于调节。可以用于大棚蔬菜的培养，路灯的控制，汽车的在夜间行驶时突遇强光照射司机的眼睛等问题。当汽车行驶时，光照很强照在司机的眼睛上时，光敏电阻可在到达司机眼睛之前感受到光照增强此时可将报警装置改为一个自动放下虑光板，可以保护眼睛同时可以避免交通事故的发生。此装置用于路灯的控制，因为冬夏的日照不同，此装置可根据亮度的不同控制路灯，这样一来可以节省资源同时可以在最需要的时候开启路灯。在设计中也遇到了一些问题，并没有达到相关功能，在开始时无从下手，经过细心查阅资料，了解相关知识，克服了困难。程序编程一直是个很困难的问题，很难在一次性就能解决，需要不断的积累，不断的学习。本次实训设计，让我感触很深，对我来说是一次很重要的实践项目。虽然在整个实训过程当中感到有些紧张，但整个过程是非常快乐的。这次实训设计让我进一步巩固了传感器课程的知识，进一步提高了电路理论分析能力和动手实践操作能力，让我更加懂得了理论知识与实际操作相结合的重要性。虽然在这次实训的过程当中遇到了不少问题，但我还是努力的去探索和解决这些问题，只要按照正确的方法操作和进行仔细的检查，我们还是能很好的完成这次实训任务的。由于本人的知识能力有限，在本课程实训中不可避免存在一些不足之处，我会在以后的学习生活中不断加以完善。相信本次实训的经历一定会在我今后的学习生活中产生巨大的推动作用。在今后的学习当中，我还需要继续加强努力认真学习和多动手实践