光照强度检测装置要点

0 课程设计 题 目 光照强度检测装置 学生姓名 学号 所在学院 专业班级 指导教师 完成地点 合作者 2014 年 1 月 5 日 1 目录 1 课题的意义 目的课题的意义 目的 4 1 1 课题的意义4 1 2 课程设计目的4 2 光照检测装置硬件电路设计光照检测装置硬件电路设计 6 2 1 总体方案设计6 2 2 单片机的选择6 2 3 单元电路的设计7 2 3 1 光敏电阻电路 7 2 3 2 晶振电路和复位电路 8 2 3 3 数模转换电路 8 2 3 4 报警电路 9 2 3 5 显示电路 9 3 光照检测装置软件设计光照检测装置软件设计 10 3 1 软件主程序1 3 2 显示程序11 3 3 报警程序11 4 电路仿真调试电路仿真调试 12 5 总结与心得总结与心得 13 附录附录 14 源程序源程序 14 2 摘 要 该数字式光照强度检测仪以 STC89C52 单片机和模数转换为技术核心 具体由单 片机最小系统 A D 模数转换模块 光照强度检测模块 输出模块和数码管显示模块 组成 在本系统的设计中 利用光敏电阻阻值随光强的变化特性来检测光强 采用单片 机控制输出模块和数模转换芯片依次测量不同的光照强度 并通过编程处理数据进行 光强的比较 最后通过数码管显示检测结果 过低或者过高将会使报警电路蜂鸣 总 之 通过对电路的设计和实际装调 最终基本实现了基于单片机的数字式光照强度检测 仪的整体功能 可显示最大光照强度 关键字 STC89C52 单片机 模数转换 光敏电阻 报警 3 1 课题的意义 目的 1 1 课题的意义课题的意义 本系统是一个基于单片机的数字式光照检测仪 通过数码管显示光 度 以 89C52 单片机为核心 控制 A D 芯片采集数据 辅以数码管 数 据选择器等器件 实现功能 本系统采用光敏电阻采集光照强度信息 光照强度直接反映在光敏 电电阻阻值上 进而反映在光敏电阻两端的电压值上 然后通过单片机 控制 A D 模数转换对电压信号进行采集 经换算后通过数码管显示光强强 度 本设计适当地利用了光敏电阻的特性以及单片机的强大的运算控制功能 实现了光照强度的检测 并在数码管上显示 本系统充分利用了现有资 源 结构合理 性能稳定 成本低 满足题目要求 加强对单片机的学习和认识 正确运用所学单片机的理论知识 将 理论与实际相结合 单片机在我们的生活中得到越来越广泛的应用 单 片机注定影响一个时代 只要存在计算机的地方就会有他的存在 学好 单片机对今后的学习与工作有很多益处 1 2 课程设计目的课程设计目的 采用光敏电阻为光传感器 利用光敏电阻的光照特性完成光强的检测 设计目的如下 1 对于光照强度的检测结果能够处理后在液晶屏上显示 光照过强 4 光照强 光照一般 光照弱 2 当光强太弱或者太强的时候 系统报警 操控简易实用 5 2 光照检测装置硬件电路设计 2 1 总体方案设计总体方案设计 5 2 单 片 机 光敏电阻 晶振电 路 复位电 路 数模转换器 蜂鸣器 显示屏 总体设计方框图 设计原理 光敏电阻在不同光照下的不同阻值通过数模转换和单片机处理用数字表示出光照 强弱的区别 当光照过强或者过弱时会触发警报 总体上来说 本方案电路结构简单 所用元器件供给充足 成本造价低 性能稳 定且误差范围也在设计选题的要求之内 能在简单低成本的基础上很好的完成设计选 题的任务 故实验中采用本方案 2 2 单片机的选择单片机的选择 本次课设选用的是 STC89C52 单片机 它是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 使用经典的 MCS 6 51 内核 但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用 系统提供高灵活 超有效的解决方案 STC89C52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 4KB EEPROM MAX810 复位电路 3 个 16 位定时器 计 数器 4 个外部中断 一个 7 向量 4 级中断结构 兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构 全双工串 行口 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中 断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个 中断或硬件复位为止 最高运作频率 35MHz 6T 12T 可选 STC89C52 单片机引脚图 2 3 单元电路的设计单元电路的设计 2 3 1 光敏电阻电路光敏电阻电路 光敏电阻又称光导管 常用的制作材料 为硫化镉 另外还有硒 硫化铝 硫化铅和 硫化铋等材料 这些制作材料具有在特定波 长的光照射下 其阻值迅速减小的特性 这 是由于光照产生的载流子都参与导电 在外 加电场的作用下作漂移运动 电子奔向电源 的正极 空穴奔向电源的负极 从而使光敏电 阻器的阻值迅速下降 光敏电阻的工作原理 是基于内光电效应 在半导体光敏材料两端 装上电极引线 将其封装在带有透明窗的管 壳里就构成光敏电阻 为了增加灵敏度 两电 极常做成梳状 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压 其中便有电流通过 受到适当波长的光 线照射时 电流就会随光强的增加而变大 从而实现光电转换 光敏电阻的入射光强 电阻减小 入射光弱 电阻增大 7 2 3 2 晶振电路和复位电路晶振电路和复位电路 单片机需要一个时间基准来为各种操作提供秩序 此电路叫时钟电路 采用不同 的接线方式可以获得不同时钟电路 有内部时钟电路和外部时钟电路 外部时钟电路 会使电路复杂 故采用的是内部时钟电路 时钟电路在单片机的外部通过两个引脚跨 接晶体振荡器和微调电容 构成稳定的自激振荡器 复位电路和晶振电路 2 3 3 数模转换电路数模转换电路 A D 转换器就是模拟 数字转换器是将输入的模拟信号转换成为数字信号 本实 验中利用模数转换将模拟电压值转换为离散的数字量再送入单片机进行数据处理 制 作中选用芯片 PCF8591 为 8 位 CMOS 逐次比较型模数转换器 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 8 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 2 3 4 报警电路报警电路 一般所指的蜂鸣器是以压电陶瓷为主要元件 的 压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能 力的特殊陶瓷 这种能力缘于其特殊的晶体结构 当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体 结构发生形变时 它就会在内部产生一个电流 并且电流的变化与压力的变化密切相关 反之亦 然 所以利用这一特性 在压电陶瓷上通过一定 频率的电流 就会引起压电陶瓷微小形变 这一 形变带动空气发生振动 如果频率适当 就可以 被人耳所听见 也就是产生了蜂鸣声 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大 以致于单片机的 I O 口是无法直接驱动的 所以要利用放大电路来驱动 一般使用三极管来放大电流就可以了 当光照强度过高或过弱时 蜂鸣器会开始报警 2 3 5 显示电路显示电路 显示电路采用的是 1602 液晶 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 它是一种专门用来显示字母 数字 符号等的 点阵型液晶模块 它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成 每个点阵字符位都 可以显示一个字符 每位之间有一个点距的间隔 每行之间也有间隔 起到了字符间 距和行间距的作用 1602LCD 是指显示的内容为 16X2 即可以显示两行 每行 16 个字符液晶模块 显 示字符和数字 市面上字符液晶大多数是基于 HD44780 液晶芯片的 控制原理是完全相同的 因 此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶 9 液晶显 示内容有 光照的强度 Light Text xxx 亮度等级 No Light 无光 Low Light 低光照 Middle Light 中等光照 High Light 高亮度 So High 太高 四个等级 由于本系统采用的是 8 位 AD 芯片 所以显示亮度的数值范围是 0 256 即最低亮度 检测显示为 0 最高亮度检测显示为 256 测试图如上 可以看出当数字显示过小时表明光照过低 系统发出警报 3 光照检测装置软件设计 3 1 软件主程序软件主程序 主程序流程图 开始 装置开始运行 进行光照 光敏电阻产生变化 模数转换 单片机处理 显示成像数字 是否触发报 警 10 否 是 3 2 显示程序显示程序 while 1 LCD Write String 0 0 Light Test num 255 ReadADC 0 值取差值 用于显示光强越小 数值越小 aaa num 100 bbb num 100 10 ccc num 100 10 LCD Write Char 12 0 0 x30 aaa LCD Write Char 13 0 0 x30 bbb LCD Write Char 14 0 0 x30 ccc DelayMs 500 if num 30 else 报警器报警 11 LCD Write String 1 1 So High warn 3 3 报警程序报警程序 include include spk h void DelayUs2x unsigned char t 函数声明 void DelayMs unsigned char t void warn void unsigned int i while 1 for i 0 i 200 i DelayUs2x 200 spk spk spk 0 防止一直给喇叭通电造成损坏 for i 0 i 200 i DelayMs 1 12 4 电路仿真调试 13 5 总结与心得 本设计主要完成了以下内容 数字式光照强度检测系统的工作原理及应用 基本 方案的选择 单片机系统的硬件设计 单片机系统的软件设计 系统各个模块的设计 以及系统的仿真调试 设计的要求是检测光照强度 光敏电阻在光照下电阻两端电压 改变电压式模拟量需要转换成数字量这样单片机才能采集到信号因而选择 A D 模数转 换 在设计过程中设计的前一部分也就是系统的硬件设计比较顺利 但到了系统仿真 调试的时候出现了一定困难 包括软件绘图方面以及软件编程方面 经过不懈努力还 是完成了老师要求的内容 通过这次课程设计认识到了自己的不足 我会努力完善自 己的知识基础和实践能力 相信以后会更好 感谢我的队友王轶超 感谢老师对我们 课程设计中的指导 我会更加努力 在专业上取得更大进步 附录 参考文献 1 阎石 数字电子技术基础 第四版 M 高等教育出版社 1998 11 2 张毅刚等 MCS 51 单片机应用设计 哈尔滨工业电子出版社 1996 3 何立民 单片机应用技术选编 北京航空航天大学出版社 2000 4 张友德等 单片微型机原理应用与实验 复旦大学出版社 1996 14 源程序 include 包含单片机寄存器的头文件 include 包含 nop 函数定义的头文件 sbit CS P3 4 将 CS 位定义为 P3 4 引脚 sbit CLK P1 0 将 CLK 位定义为 P1 0 引脚 sbit DIO P1 1 将 DIO 位定义为 P1 1 引脚 unsigned char code digit 10 定义字符数组显示数字 unsigned char code Str1 Volt V 说明显示的是电压 unsigned char code Str2 SLG I LOVE YOU 以下是对液晶模块的操作程序 sbit RS P2 0 定义端口 sbit RW P2 1 sbit E P2 2 使能信号位 将 E 位定义为 P2 2 引脚 sbit BF P0 7 忙碌标志位 将 BF 位定义为 P0 7 引脚 函数功能 延时 1ms 3j 2 i 3 33 2 10 1010 微秒 可以认为是 1 毫秒 void delay1ms unsigned char i j for i 0 i 10 i for j 0 j 33 j 函数功能 延时若干毫秒 入口参数 n void delaynms unsigned char n unsigned char i for i 0 i n i delay1ms 函数功能 判断液晶模块的忙碌状态 返回值 result 15 result 1 忙碌 result 0 不忙 bit BusyTest void bit result RS 0 根据规定 RS 为低电平 RW 为高电平时 可以读状态 RW 1 E 1 E 1 才允许读写 nop 空操作 nop nop nop 空操作四个机器周期 给硬件反应时间 result BF 将忙碌标志电平赋给 result E 0 将 E 恢复低电平 return 0 函数功能 将模式设置指令或显示地址写入液晶模块 入口参数 dictate void WriteInstruction unsigned char dictate while BusyTest 1 如果忙就等待 RS 0 根据规定 RS 和 R W 同时为低电平时 可以写入指令 RW 0 E 0 E 置低电平 根据表 8 6 写指令时 E 为高脉冲 就是让 E 从 0 到 1 发生正跳变 所以应先置 0 nop nop 空操作两个机器周期 给硬件反应时间 P0 dictate 将数据送入 P0 口 即写入指令或地址 nop nop nop 空操作四个机器周期 给硬件反应时间 E 1 E 置高电平 nop nop nop nop 空操作四个机器周期 给硬件反应时间 E 0 当 E 由高电平跳变成低电平时 液晶模块开始执行命令 函数功能 指定字符显示的实际地址 入口参数 x 16 void WriteAddress unsigned char x WriteInstruction x 0 x80 显示位置的确定方法规定为 80H 地址码 x 函数功能 将数据 字符的标准 ASCII 码 写入液晶模块 入口参数 y 为字符常量 void WriteData unsigned char y while BusyTest 1 RS 1 RS 为高电平 RW 为低电平时 可以写入数据 RW 0 E 0 E 置低电平 根据表 8 6 写指令时 E 为高脉冲 就是让 E 从 0 到 1 发生正跳变 所以应先置 0 P0 y 将数据送入 P0 口 即将数据写入液晶模块 nop nop nop nop 空操作四个机器周期 给硬件反应时间 E 1 E 置高电平 nop nop nop nop 空操作四个机器周期 给硬件反应时间 E 0 当 E 由高电平跳变成低电平时 液晶模块开始执行命令 函数功能 对 LCD 的显示模式进行初始化设置 void LcdInitiate void delaynms 15 延时 15ms 首次写指令时应给 LCD 一段较长的反应时间 WriteInstruction 0 x38 显示模式设置 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据接 口 delaynms 5 延时 5ms 给硬件一点反应时间 WriteInstruction 0 x38 delaynms 5 延时 5ms 给硬件一点反应时间 WriteInstruction 0 x38 连续三次 确保初始化成功 delaynms 5 延时 5ms 给硬件一点反应时间 WriteInstruction 0 x0c 显示模式设置 显示开 无光标 光标不闪烁 delaynms 5 延时 5ms 给硬件一点反应时间 WriteInstruction 0 x06 显示模式设置 光标右移 字符不移 delaynms 5 延时 5ms 给硬件一点反应时间 17 WriteInstruction 0 x01 清屏幕指令 将以前的显示内容清除 delaynms 5 延时 5ms 给硬件一点反应时间 以下是电压显示的说明 函数功能 显示电压符号 void display volt void unsigned char i WriteAddress 0 x01 写显示地址 将在第 2 行第 1 列开始显示 i 0 从第一个字符开始显示 while Str1 i 0 只要没有写到结束标志 就继续写 WriteData Str1 i 将字符常量写入 LCD i 指向下一个字符 void display3 void unsigned char i WriteAddress 0 x80 0 x41 写显示地址 将在第 2 行第 1 列开始显示 i 0 从第一个字符开始显示 while Str2 i 0 只要没有写到结束标志 就继续写 WriteData Str2 i 将字符常量写入 LCD i 指向下一个字符 函数功能 显示电压的小数点 void display dot void WriteAddress 0 x0d 写显示地址 将在第 1 行第 10 列开始显示 WriteData 将小数点的字符常量写入 LCD 函数功能 显示电压的单位 V void display V void 18 WriteAddress 0 x0e 写显示地址 将在第 2 行第 13 列开始显示 WriteData V 将字符常量写入 LCD 函数功能 显示电压的整数部分 入口参数 x void display1 unsigned char x WriteAddress 0 x08 写显示地址 将在第 2 行第 7 列开始显示 WriteData digit x 将百位数字的字符常量写入 LCD 函数功能 显示电压的小数数部分 入口参数 x void display2 unsigned char x unsigned char i j i x 10 取十位 小数点后第一位 j x 10 取个位 小数点后第二位 WriteAddress 0 x0a 写显示地址将在第 1 行第 11 列开始显示 WriteData digit i 将小数部分的第一位数字字符常量写入 LCD Wr