光敏电阻检测系统设计

1、专业课程设计报告光敏电阻检测系统设计学生姓名学号教学院系专业年级2018年7月目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1章绪论1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 课题的意义和目的1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 发展前景及趋势1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第2章方案设计2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 本设计

2、实现的目标2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 方案及框图2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第3章主要元器件选型3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 单片机3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 3.2MAX2324 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.3IC405143.4ADC08045 HYPERLINK l bookmark24 o C

3、urrent Document 第4章系统硬件设计6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 单片机最小系统和通信模块的设计6单片机最小系统的设计6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 下载通信模块的设计7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 光敏电阻网络的设计7输出选择电路的设计8 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document A/D模数转换电路的设计9 HYPERLINK l bookmark34 o Curren

4、t Document 数码管显示电路的设计10 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 本章小节10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第5章PCB设计12 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 结论16附录错误！未定义书签。 第1章绪论课题的意义和目的在日常生活，农业，工业，航空航天等方面我们需要对光源的强度和方向做到很准确的检测和定位，这样不仅可以对其进行精确的可行性的防护也可以做到对其进行精确的有意义的引导。普通的光强检测系统只能对光源的大小强度进行

5、显示和分析不能做到对方向的精确定位。这样我们就需要一个既能检测大小又能判断来源的一个系统。光敏单组检测系统就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，并且具有判断光照方位能力。以单片机为核心，通过数据采集，辅以数码管、比较器、数据选择器等器件，实现功能。系统中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。判断光照方向时可采用两个位于不同方向的光敏电阻。光照方向会导致他们两端的电压值不同，把两个电压值输入到比较器进行比较，单片机根据比较结果控制数

6、据选择器选择光照较强的那一路的电压值给A/D进行数模转换，用数码管的亮灭显示方向。进而实现了对光大小和方向的检测。发展前景及趋势本课题通常与仪器测量的光束强度，是专门针对一个电路测量光强度关联到一个时间信号的光强度。其中有一个光通过介质传递光束强度是在现有条件中的指示广泛的应用。光照强度的分析与使用这些计划的检测电路通常比较熟悉。目前，仍然有必要制定一个系统，使光强度检测的有效使用，而又能准确有效地转换设备系统的应用。（1）快速性要求检测的时间短，能迅速得到检测结果，以适应检测。（2）便携，体积小，能够在离线、现场后在线环境下，实现准确，无损检测。（3）低成本，价格便宜，是普通老百姓买得起，用

7、得起。（4）低功耗，易于操作，检测人员不需要对仪器进行复杂的调整，只需启动几个按钮就可以进行检测。第2章方案设计本设计实现的目标本设计中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。设置了两个方向的光敏电阻，比较光照强度数值大小确定了当前光照方向。系统中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。而光敏电阻的特性是光照变化时其电阻值随着变化所以可以通过电阻值的变化得出光照强度的变化，而电阻值的变化可以反映在电阻两端的电压值的变化情况上，这样可以设计一个简单的电路，该电路由光敏电阻分压并可以将光敏电阻两端的电压信号作为输入信号

8、输入单片机，然后进行数模转换，将输入单片机的电压模拟信号转换成数字信号，再由单片机处理转换出来的数字信号。然后由数码显示管显示出光照强度结果并判断光照方向。方案及框图采用三路光敏电阻支路并联检测光照强度，通过每一路可以得到一个模拟采样电压，将这三路电压通过模数转换器转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给单片机，通过比较后得出最大值，将最大值输出并利用两位数码管显示出来。图2.2设计方案原理图对于光强的方位，则通过控制两位数码管的两个小数点的关断与否来显示出来，具体是两个小数点分别单独亮时对应两个方位，而两个小数点均不亮时对应另外一个方位。至此，可以将光照的强度以及光照的方位通过两位数码管

9、显示出来。第3章元器件选型单片机单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、ScO三大阶段。20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能

10、，系统扩展方面都有了很大的提高。我国单片机起步较晚，我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机及其增强型、拓展型的衍生机型，MCS-51是最早进入我国的单片机主流品种之一，在我国得到广泛应用，直到现在仍为单片机主流系列在一块芯片上集成CPU、数据存储器、程序存储器、输入输出和定时/计数器等部件的一台小型计算机，它体积小、结构紧凑、功耗低，嵌入到某应用系统中，主要完成信号控制功能，又称“嵌入式微控制器”。本设计采用89C51单片机，89C51单片机引脚图如图3.1所示。U1XTAL1XTAL2RSTidd士士士PSENALEEAFO.O/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2P0.3

11、/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15PI.0PI.1PI.2PI.3PI.4PI.5PI.6P1.7P3.0RXDP3.1JTXDP3.2JINTTP3.3J1NT?P3.4.TUP3.5JT1P3.6AWP3.7W图3.189C51单片机引脚图MAX232下载通信模块选用MAX232芯片MAX232是MAXIM公司专门为PC视RS-232标准串口设计的电平转换电路。该芯片与TTL/COMS电平兼容，片内有2个发送器，2个接收器，且使用

12、+5V单电源供电，使用非常方便。串口通信的概念非常简单，串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。+5VINPUTC31EC1+副TD41S口一VOLTAGEDOUBLR3.3IC4051TTbiCMOSJINPUTS1+1WTO-10Vv-C2-VOLTAGEINmERTER+唧400k:*TI

13、.in.，+5V、血T1outT2n6_-10V誉4岸图引脚图HL-CMOSJOUTPUTS1用curRIIn5kJS-IORS-232OUTPUTSRS-232INPUTS个CMOS开关单元三部分组成,I种组合可用于选择8路通道;IC4051由逻辑电平转换电路、8选1译码电路和8其中A、B、C是3位二进制地址输入端，3位二进制的丿丄15INH是地址输入禁止端，其为高电平时，地址输入端无效，即无通道被选通。A、B、C及INH的输入电平与TTL兼容。逻辑电平转换电路的主要作用是把地址输入端A、B、C和地址输入禁止端INH输入的TTL逻辑电平转换成CMOS电平，使开关单元能用TTL电平控制。8选1

14、地址译码电路的主要作用是把来自逻辑电平转换电路的地址输入信号转换成相应的开关单元选通信号，并把相应开关单元接通。图3.3IC4051引脚图ADC0804ADC0804是单片集成A/D转换器。ADC0804是一款8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约lOOus；方便TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（05）V输入电压范围是05V；不需要调零等等。ADC0804是一款早期的AD转换器，而且因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。CS匸I却RD匸219丽匚318CLKI匸4ADC17円邛匚Q闘416旳匚61?7

15、14ACfiDd!3Yiifrj匚912IJCND匸10H二I加t底g)二icmZJDBo(LS)l)Z7IDB1ZD甌ZU帕二I呱二IDBn二1Mb也闕)图3.4ADC0804引脚图元器件表见附录C。第4章系统硬件设计单片机最小系统和通信模块的设计单片机最小系统的设计单片机的主要功能是负责整个系统的控制，不承担复杂的数据处理任务，因此在设计本系统时选用STC89C51。其中，时钟电路为在引脚XTAL1和XTAL2跨接晶振和两个补偿电容构成自激振荡器，结构中Yl、Cl、C2，根据情况本设计中选择12MHz的晶振，补偿电容选择30pF左右的瓷片电容；复位电路则采用手动按键复位两种方式实现，其结构

16、如图中RO、C3和S1,通过按键将电阻R0与VCC接通即可实现复位;P0口外接上拉电阻,其结构如图中3.1，采用10K的排阻以提供给I/O口合适的电流。下图为一个51单片机的最小系统电路图。下载通信模块的设计现从MAX232芯片中两路发送接收中任选一路作为接口，其发送接收的引脚一对应。本系统中使T2IN接单片机的发送端TXD,同时R20UT接单片机的RXD端，C1+、C1-脚和C2+、C2-脚接104瓷片电容，其接口电路如图4.2所示。图4.2通信模块的电路图光敏电阻网络的设计光敏电阻器件是光信号转换类传感器,它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。光敏电阻不只局限于对光的探

17、测,它还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可,因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。本课题主要用于光敏电阻的光照特性等的研究。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如

18、光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。光敏电阻工作原理构成光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物以及蹄化物等半导体。半导体的导电能力取决于自身载流子的多少。当光透过透明窗照射到梳状电极上时，若光子能量hf大于半导体的禁带宽度，则价带中的电子吸收能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴。电子一空穴对的不断增加，则使半异体的正向电阻迅速变小。光照越强，产生的电子一空穴对越多，其电阻下降越快。入射光消失，电子一空穴对因电极性相反而逐渐复

19、合，电阻随之逐渐恢复原值。光敏电阻的入射光强，电阻减小；入射光弱，电阻增大。该器件一般可用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。本电路制作中，将光敏电阻分别串联2K电阻和10K滑动变阻器，再接通电源，调试过程中，还需将三个光敏电阻进行校准，使得在同一光强下从光敏电阻一端的电压值尽量保持一致。光敏电阻网络电路如图4.3。v图5.1.1STC89C51图5.1.2ADC0804图5.1.3IC4051图5.1.4MAX232PCB元件库附加封装如下：图5.1.5DIP10图5.1.6DO-92APCB结构设计根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位,在PCB设计环境下绘制PCB

20、板面,并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等.并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。Mechanical层5000milx5380mil，KeepOutlayer层5020milx4740mil。PCB布局在板子上放器件，这时如果前面讲到的准备工作都做好的话,就可以在原理图上生成网络表（Design-CreateNetlist）,之后在PCB图上导入网络表（Design-LoadNets）.然后就可以对器件布局了。一般布局按如下原则进行：按电气性能合理分区,一般分为:数字电路区（即怕干扰、又产生干扰）、模拟电路区（怕干扰）、功率驱动区

21、（干扰源）;完成同一功能的电路,应尽量靠近放置,并调整各元器件以保证连线最为简洁;同时,调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁;.对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度；发热元件应与温度敏感元件分开放置,必要时还应考虑热对流措施;I/O驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件;时钟产生器（如:晶振或钟振）要尽量靠近用到该时钟的器件;在每个集成电路的电源输入脚和地之间,需加一个去耦电容（一般采用高频性能好的独石电容）;电路板空间较密时,也可在几个集成电路周围加一个钽电容.继电器线圈处要加放电二极管（1N4148即可）；布局要求要均衡,疏密有序,不能头重脚轻或一头沉.需要特别注意,在

22、放置元器件时,一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元器件之间的相对位置,以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时,应该在保证上面原则能够体现的前提下,适当修改器件的摆放,使之整齐美观,如同样的器件要摆放整齐、方向一致,不能摆得“错落有致”.，这个关系到板子整体形象。布线布线是整个PCB设计中最重要的工序这将直接影响着PCB板的性能好坏在PCB的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分:首先是布通，这时PCB设计时的最基本的要求如果线路都没布通，搞得到处是飞线,那将是一块不合格的板子，可以说还没入门其次是电器性能的满足这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准这是在布通之后,

23、认真调整布线,使其能达到最佳的电器性能接着是美观假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的,那就算你的电器性能怎么好,在别人眼里还是垃圾一块.这样给测试和维修带来极大的不便布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法这些都要在保证电器性能图5.4.5PCB布线图网络和DRC检查和结构检查在确定电路原理图设计无误的前提下,将所生成的PCB网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查（NETCHECK）,并根据输出文件结果及时对设计进行修正,以保证布线连接关系的正确性;网络检查正确通过后,对PCB设计进行DRC检查,并根据输出文件结果及时对设

24、计进行修正,以保证PCB布线的电气性能.最后需进一步对PCB的机械安装结构进行检查和确认。Protel设计.弄:统设计规则检査PCB文件曰期时间Documentsx-PCB1.PCB8-Jul-201814:48:24处理规则：规则冲突：。短路约束（允许=不允许）（在板上）,（在板上处理规则：规则冲衮：Q中断网络约束（在扳上)处理规则：规则冲突：。清除约東(Gap=10mil)（在板上）,（在扳上)处理规则：规则冲夹：。宽度约束(Min=10mil)(MaK=10mil)(优先=10mil)（在扳上处理规则：规则沖突：Q孔大小约束(Min=lmil)(MaK=100mil)(在扳上)冲衮发现：己用时间:00:00:00图5.5.1DCR检查DRC检查后所做调整：多边形覆铜处理时加框轨迹宽度至lOmil,串口DB9通过减小焊盘孔径至100mil来实现。多边形覆铜覆铜分为两部分Toplayer层和bottomlayer层，网络尺寸