【某光敏电阻特性测量系统的硬件电路设计案例8000字】

某光敏电阻特性测量系统的硬件电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8165某光敏电阻特性测量系统的硬件电路设计案例 190461.1系统整体设计方案 1199451.2测量电路的硬件设计 3209741.2.1电源模块 349481.2.2恒流源模块 473481.2.3阻值测量模块 5138371.2.4光照度测量模块 7120341.2.5485通讯模块 912351.2.6核心控制模块 10210591.3LED光源电路的硬件设计 121.1系统整体设计方案本课题将光敏电阻特性测量电路分成两部分进行设计，这两部分分别是光敏电阻测量电路和LED光源电路。图1.1中展示了测量电路按照功能被分为以下六个模块，分别是：电源模块、核心控制模块、恒流源模块、阻值测量模块、光照度测量模块以及485通讯模块。图1.1光敏电阻测量电路总体框图光敏电阻测量电路中电源模块主要由电源接口和低压差线性稳压芯片组成，其功能是要将输入的电压降压到所需电压值为电路板上各器件提供所需的供电电压及参考电压。核心控制模块主要由STM32F103RCT6单片机组成，接收上位机发来的命令并控制其他模块进行相应的测量工作并将处理后的结果发送到上位机进行显示也支持同学们自主编写程序下载到MCU中进行实验。恒流源模块主要由一个运放芯片LMC6062和一个模拟开关芯片TS5A9411组成，其功能是为光敏电阻提供一大一小两档恒定的工作电流并通过STM32单片机控制模拟开关实现两个电流档位之间的切换，这样只要测量光敏电阻两端的电压值就可以通过计算得到其阻值，而提供可选择的一大一小两种的工作电流则是为了可以根据不同的光照条件来选择工作电流的档位从而控制光敏电阻两端电压值变化范围，更有利于实现高精度的AD采样。阻值测量模块是利用STM32内部的12位ADC模块和片外24位高精度AD转换芯片ADS1271对光敏电阻两端的电压进行采样测量，其中片外高精度AD转换芯片通过SPI通讯将测量结果传给STM32。得到光敏电阻两端电压值后将测量的结果在MCU中进行处理，测量的结果除以恒流源提供的工作电流就可以得到光敏电阻的阻值。光照度测量模块主要由一个光照度传感器芯片BH1750组成，光照度测量芯片通过IIC通讯与STM32进行指令与测量数据的传输。这个模块的位置紧邻光敏电阻并且芯片上的入射窗与光敏电阻高度一致，确保其测量得到的光照度即为光敏电阻受到的光照度。485通讯模块主要由485收发器SP3485芯片和两个485接口组成，其中485收发器芯片用于进行单片机TTL电平与RS-485电平的转换以及利用使能信号控制485发送接收模式的切换，实现STM32与上位机的485总线通讯。LED光源电路主要由图1.2所示的两部分组成它们分别是电压电流转换模块和LED模块。其中电压电流转换模块主要由一个U/I转换芯片AD8591组成，其功能是将STM32的DAC模块输出电压转换为电流并作为LED灯的工作电流来控制LED灯的亮度；LED灯模块则由八盏不同颜色的LED组成，他们在STM32的控制下为光敏电阻提供不同颜色且亮度可调的光照。图1.2LED光源电路总体框图1.2测量电路的硬件设计1.2.1电源模块进行电源模块的设计时，首先进行的工作是通过查阅电路板上各个器件的数据手册来确定其正常工作的工作电压范围。首先，单片机芯片STM232F103RCT6的供电电压为1.0V~3.6V。恒流源模块中，运放LMC6062正常工作的电压范围为4.5V~5.5V，模拟开关芯片TS5A9411的工作电压范围为1.25V~5.5V。阻值测量模块中24位高精度AD转换芯片ADS1271的模拟电源电压为5V，数字电源电压范围为1.8V~3.3V，还需要1.5V电压作为参考电压。光照度测量模块中的BH1750光照度传感器芯片的工作电压范围为1.4V~3.6V。485通讯模块中的SP3485收发器芯片工作在3.3V电压下。综合考虑所有器件所需的工作电压范围，确定了电源模块需要输出3.3V和5V两种电压用于给电路板器件供电保证各个模块的正常工作，还需要输出一个电压为1.5V的基准源为恒流源模块和阻值测量模块提供参考电压。光敏电阻测量电路的电源模块主要由电源插口和低压差线性稳压芯片组成。首先220V交流电通过一个AC/DC适配器转换为一个大于6V小于15V的直流输入电压，输入电压通过一个VH3.96的两针电源插口接入电路，它的1脚为输入电压，2脚接地，1脚处还设置了一个红色LED灯作为电源指示灯，当连接电源时指示灯亮起提示电路板已供电。接下来输入电压要通过低压差线性稳压芯片来得到电路板上器件所需的供电电压5V、3.3V及参考电压1.5V。本电路中选用了德州仪器（TexasInstruments）公司生产的LM1117低压差稳压器件（LDO），LM1117有输出电压可调的版本也有五种输出固定电压的型号，其固定的输出电压分别是1.8V、1.5V、1.85V、3.3V和5V[13]，本电路中所需供电电压为3.3V和5V，使用的是输出固定电压的LM1117IMP-5.0和LM1117IMP-3.3，还选用德州仪器公司生产的REF3025低压差稳压器，其具有尺寸小、功耗低、精度高、输出稳定等优点在本电路中用于输出1.5V作为参考电压。首先将输入电压先降压得到5V电压输出，为恒流源模块中的运放、阻值测量模块中的高精度AD转换芯片以及光源电路供电,再将5V降压得到3.3V电压输出，为STM32单片机、恒流源模块中的模拟开关、阻值测量模块中的高精度AD转换芯片、光照度传感器芯片以及485收发器芯片进行供电。为保证输出电压稳定，电压输出端需要经过一个旁路电容接地。接下来3.3V电压经过REF3025降为1.5V电压作为恒流源模块和阻值测量模块中高精度AD转换芯片的基准源。电源模块的原理图如图1.3所示。图1.3光敏电阻测量电路电源模块原理图1.2.2恒流源模块恒流源作为一种为负载提供稳定工作电流的电源设计广泛地应用在现代计量测试、LED照明、医疗器械等领域中。比较典型的恒流源电路中由晶体三极管搭建的镜像恒流源电路结构简单但精度较低且功耗较大，场效应管恒流源电路克服了晶体三极管镜像恒流源电路的缺点功耗较小的同时可以得到较稳定的输出电流。但三极管和场效应管都是受温度影响较大的器件，集成运放恒流源电路就克服了两者的这一缺点，集成运放的参数受温度影响小它具有较高的输出精度和稳定性，并且使用的元器件也较为普遍易于获得电路的搭建和调试都较为方便但它很难输出大电流更适合用于需要较小电流的场合[14-18]。本电路中的恒流源模块主要由运放芯片LMC6062和模拟开关芯片TS5A9411组成。光敏电阻的一端连接到恒流源的输出另一端接地，恒定电流作为光敏电阻的工作电流，只需要通过AD采样得到光敏电阻两端的电压值再将得到的电压值除以恒流源给光敏电阻的工作电流就可以更加方便准确的测得光敏电阻的阻值[19]。LMC6062芯片中有两路运算放大器，1脚2脚和3脚分别是运放A的输出端、反相输入端和同相输入端，5脚6脚和7脚分别是运放B的反相输入端、同相输入端和输出端。本设计中，运放A的正相输入端经R6接地，反相输入端经与R6相同阻值的R4接地，并通过R2连接到输出端，利用运放A正向输入端和反相输入端“虚短虚断”的性质将正向输入端的电压信号VREF转换为输出端的电流信号。运放B的正向输入端与运放A的输出端之间连接模拟开关可通过其选择接入恒流源电路的基准电阻R3或R5，运放B的反相输入端直接与其输出端相连，输出端通过与R2相同阻值的R8连接到运放A的正向输入端来构成电压跟随器利用其高输入阻抗的性质起到了隔离作用保证了恒流源的稳定性，构成一种非反转型的双运放恒流源电路。此恒流源电路输出电流IO的计算公式如下：（2-1）式中VREF=1.5V,RREF为反相输入端经虚拟开关所连接的基准电阻。本恒流源电路中运放LMC6062的2脚反向输入端通过模拟开关连接至不同阻值的电阻R3和R5，通过改变反向输入端所接基准电阻的阻值大小来改变恒流源的输出电流。模拟开关芯片TS5A9411的1脚连接到STM32单片机的IO口PA8，通过单片机发送的SW电平信号控制模拟开关导通的方向，当SW信号为高电平时，模拟开关的5脚COM脚与6脚NO脚接通，运放的反相输入端接阻值为10kΩ的较小基准电阻R3，输出较大电流；当SW为低电平时，模拟开关的5脚COM脚与7脚NC脚接通，运放的反相输入端接阻值为1MΩ的较大基准电阻R5，输出较小的电流[20]。这种设计主要是为了便于对光敏电阻两端的电压进行AD采样，在测量阻值较大的暗电阻时，选取较小的工作电流，而在测量较小的亮电阻时则选取较大的工作电流，这样可以把光敏电阻两端电压值的变化控制在一个较小的范围内，更容易实现高精度的AD采样。恒流源模块的原理图如图1.4所示。图1.4光敏电阻测量电路恒流源模块原理图1.2.3阻值测量模块本电路的阻值测量模块通过对VOUT进行AD采样得到光敏电阻电压值，然后将得到的电压值除以恒流源提供给光敏电阻的工作电流即可得到光敏电阻阻值。首先光敏电阻的电压VOUT通过仪表放大器芯片AD623进行放大，然后进入由双路运放芯片OPA2188AID构成的缓冲器，运放的输出端连接到AD对经过放大和缓冲的VOUT进行采样。图1.5是VOUT放大缓冲电路连接示意图。图1.5阻值测量模块电压放大部分原理图在本模块的设计中我们可以通过两种方式对光敏电阻两端电压进行AD采样，一种方法是利用STM32单片机内部的ADC模块进行采样，这种方式STM32直接得到采样结果，可直接对采样结果进行处理得到光敏电阻阻值并通过485串口发送到上位机，测量更加简单快捷。这种测量方案将STM32单片机内部12位ADC模块中的通道0也就是14脚连接到OPA2188AID的7脚即运放B的输出端，对经过放大和缓冲的VOUT进行采样，单片机的ADC通道0引脚连接示意图如图1.6所示。图1.6STM32单片机中ADC模块的电路连接示意图另一种方法是利用高精度AD转换芯片对光敏电阻两端的电压进行测量。本设计中选用的是德州仪器公司生产的ADS1271高精度24位AD转换芯片，它具有高精度低噪声高速率等优点，提供了三种可供选择的操作模式：高速度模式、高分辨率模式和低功耗模式，具有可选择的SPI或帧同步串行接口便于与MCU或DSP进行通讯，芯片的所有配置和模式选择操作都直接由引脚进行控制，无需对寄存器进行操作。采样结果需要通过SPI传输给单片机再由单片机对结果进行处理后通过485串口发送到上位机，相比于利用STM32片内的12位ADC模块的方法，这种方法具有更高的测量精度。高精度AD转换芯片ADS1271的电路连接如图1.7所示。1脚为芯片的正极模拟输入端，连接到OPA2188AID的1脚即运放A的输出端即经过放大和缓冲的VOUT。芯片的2脚为负极模拟输入端，它与芯片的3脚一起连接到电路板的数字地。4脚为芯片的数字电源输入它连接到5V电源并将5V电源经过并联的0.1uF和10uF电容接地来避免芯片中电流的变化对电源线产生影响的情况。芯片的5脚为模式选择脚，它连接到STM32单片机的IO端口，通过在程序中配置IO口的输出来进行ADS1271芯片工作模式的选择，IO口输出高电平时，芯片工作在低功耗模式；IO口输出低电平时，芯片工作在高速度模式；IO口浮空时，芯片工作在高分辨率模式。6脚控制芯片的通讯方式，当6脚连接高电平时，芯片采用帧同步串行通讯；当6脚连接低电平时，芯片使用SPI进行通讯，由于本设计中ADS1271的通讯对象是STM32单片机，所以选择将6脚接地使其保持低电平，使芯片工作在使用SPI进行通讯的模式。8脚为数字输入端，将其连接到STM32单片机的SPI-MOSI端口；9脚为数字输出端，输出模数转换的结果，将9脚连接到STM32单片机的SPI-MISO端口，通过SPI这一通讯方式将转换结果发送至单片机进行数据处理和运算来得到光敏电阻的阻值。在SPI通讯的模式下，10脚为DRDY信号，当芯片完成一次数模转换时DRDY信号变为低电平，提示可以开始进行检测结果的传输。11脚为SPI时钟信号输入端连接到单片机SPI模块的SCLK时钟引脚为主机STM32和从机ADS1271的SPI通讯提供同步时钟信号，12脚为芯片的主时钟信号输入端，连接到27MHz时钟信号。13脚为数字电源输入脚，连接3.3V电源同时也将3.3V电源经电容接地。14脚为芯片的数字地、15为参考电压负极输入端，将二者一起与电路板上的数字地相连。16脚为参考电压正极输入端，连接电源模块中REF3025输出的1.5V，作为芯片进行AD转换的参考电压[21]。图1.7高精度AD转换芯片ADS1271的电路连接示意图这两种对光敏电阻电压进行AD采样的方案分别被用于光敏电阻的亮暗电阻测量以及时间响应特性的测量中，在测量亮暗电阻时选择利用高精度AD转换芯片ADS1271进行采样的方案以获得更加准确的结果，在测量时间响应特性时选择利用STM32片内ADC模块进行采样的方案来提高测量的效率。1.2.4光照度测量模块本电路中的光照度测量模块选用了罗姆半导体集团（ROHMSemiconductor）生产的数字型光强度传感器集成芯片BH1750FVI，它具有光源依赖性弱、光强测量范围大、测量稳定、受红外线影响小等优点，此芯片通过IIC总线通讯实现与STM32单片机之间控制指令与测量数据的传输。芯片的内部结构如图1.8所示。光照传感器芯片主要由以下几个模块组成[22]：（1）感光模块：光敏二极管PD在环境光照射下输出光电流;（2）电流电压转换模块：集成运放AMP将光敏二极管电流转换为电压信号；（3）模数转换模块：ADC获取16位测量数据；（4）时钟模块：320kHz震荡器OSC为芯片提供内部逻辑时钟；（5）数据寄存及IIC通讯模块。图1.8BH1750芯片结构框图[22]本电路直接通过光敏电阻旁设置的BH1750光照度传感器芯片来测得光敏电阻所受到的光照度。光照度测量模块的电路连接方式如图1.9所示，光照度测量芯片BH1750的1脚VCC是电源接口，连接到电路板3.3V电源，2脚是ADDR引脚，用于控制芯片与主机（STM32单片机）通讯时的地址，当2脚接低电平时，芯片在与主机的IIC通讯中地址码为1011100，当2脚接低电平时，芯片的地址码为0100011，本电路中只应用到一个BH1750芯片，将2脚经10kΩ上拉电阻R2连接到3.3V，此时地址码为1011100[23]。3脚GND为芯片接地端口将其连接到电路板的地线。4脚SDA为芯片进行IIC通讯的数据线，连接到STM32单片机IIC模块的数据线来进行控制指令和测量数据的传输。5脚DVI为IIC总线的参考电压终端也是异步重置终端，在芯片VCC端口供电后必须有大于1微秒的重置时间来保证ADDR、SDA、SCL引脚的稳定，重置时间内DVI要保持低电平[22]。本电路中5脚通过1kΩ上拉电阻R1连接到3并通过1uF电容C2接地，VCC供电后DVI保持低电平直至电容C2完成充电过程，由此得到大于1微秒的重置时间。芯片的6脚SCL是芯片进行IIC通讯时的时钟线，连接到STM32单片机IIC模块的时钟线，由单片机为IIC通讯提供时钟信号。图1.9光照度测量模块电路连接示意图1.2.5485通讯模块本电路中的485通讯模块主要由485收发器芯片SP3485和两个XH1.54两针接口组成。SP3485是埃科萨半导体公司（EXAR）生产的3.3V低功率半双工收发器，它符合RS-485和RS-422串行协议的电气规格。芯片的结构如图1.10所示，其主要由接收器模块和发送器模块组成。图1.10SP3485收发器芯片内部结构示意图芯片的1脚RO为接收器输出引脚，将其连接到单片机USART串口的接收端将从485总线上接收到的RS-485电平信号转换为单片机USART串口的TTL电平信号，4脚DI为发送器输入引脚，将其连接到单片机USART串口的发送端将由单片机USART串口发送的TTL电平信号转换为RS-485电平信号在485总线上进行传输。2脚RE为接收器使能引脚，该引脚为低电平有效，当2脚接收到低电平时485收发器工作在接收模式，3脚DE为发送器使能引脚,该引脚为高电平有效，当3脚接收到高电平时485收发器工作在发送模式。本设计中将2脚与3脚一起连接到STM32单片机的IO口，通过单片机IO口输出控制485收发器工作在接收状态或发送状态。5脚GND为芯片接地的引脚将其与电路板上地线连接。6脚7脚分别为485通讯中的AB线，485发送模式下，A线为发送器同相输出端B线为发送器反向输出端；485发送模式下，AB线为接收器输入端。将6脚经10kΩ上拉电阻R14连接到3.3V电源，7脚经10kΩ下拉电阻R12连接到地线，A线和B线之间通过双向TVS二极管和120Ω电阻连接起到电路保护作用[24]。485通讯模块的电路连接如图1.11所示。图1.11485通讯模块电路连接示意图1.2.6核心控制模块单片机的电路连接是本电路硬件设计的核心部分，整个电路的工作通过单片机进行控制。本电路中选用的是意法半导体公司研发的STM32F103RCT6芯片作为核心控制芯片，电路中主要使用到了芯片中的如下几个模块：首先是DAC模块，它被用于输出可控制的电压值来实现对光源亮度的控制；然后是ADC模块，它被用于光敏电阻电压测量；接下来是用于实现单片机与其他器件通讯的三个模块：单片机的USART模块连接到485收发器用于实现电路板与上位机之间的485总线通讯、SPI模块连接到高精度AD转换芯片ADS1271，它被用于实现单片机从ADS1271获取AD转换结果、IIC模块连接到光照度测量芯片BH1750，它被用于实现单片机与BH1750之间控制指令的发送和测量结果数据的接收；另外单片机中IO端口用来输出控制信号控制电路板上其他器件工作或接受其他器件的信号；此外还使用到了定时器模块，它被用于实现程序中的延时函数和对接受命令是否正确的校验[25]。核心控制模块的电路连接如图1.11所示。图1.10核心控制模块电路连接示意图进行核心控制模块STM32单片机电路连接的步骤如下:第一步：配置单片机的最小工作系统。最小工作系统只使用单片机工作必备的元件，是最基本的工作单元，其中包括单片机芯片、电源、时钟、复位电路和调试接口。根据芯片数据手册中的芯片参数进行器件的选取和电路的连接。单片机电源连接电源模块输出的3.3V，将电源线和地线之间用电容连接以保持电源的稳定性。单片机时钟是连接8MHz晶振作为外部时钟源，复位电路是将STM32芯片的复位引脚NRST经上拉电阻连接到3.3V电源并经电容接地，就实现了每次给电路板供电时STM32的NRST引脚就接收到低电平进行一次MCU的复位。调试接口使用SW-DP串行调试接口，通过四针接口连接下载器进行程序的下载与调试[26]。第二步：配置USART通信接口。STM32F103RCT6单片机有3个USART接口，本电路中使用USART1实现电路板与单片机之间通讯，通过将U1-RX和U1-TX引脚连接到485收发器实现485总线通讯，通过编程实现USART及其时钟的使能。第三步：配置SPI通信接口。本电路中使用到STM32单片机SPI接口中的SPI2，分别将引脚SPI2-MOSI和SPI2-MISO连接到AD转换芯片ADS1271的数字输入端DIN和数字输出端DOUT来读取AD转换芯片的测量结果数据。第四步：配置IIC通信接口。本电路中使用到STM32单片机IIC接口中的IIC2，将其数据线I2C2-SDA和时钟线I2C2-SCL分别于光照的测量芯片的IIC数据线SDA时钟线SCL相连进行控制指令和测量结果数据的传输。第五步：配置DAC模块：本电路中使用到单片机DAC模块的通道1，将电压输出引脚DAC1连接到光源板接口的10脚进而连接到光源板上的AD8591芯片脚3电压正向输入端来控制LED光源的亮度。第六步：配置ADC模块：本电路中使用到单片机ADC模块中ADC3的通道0，将ADC0引脚连接至连接到OPA2188AID的7脚对经过放大和缓冲的光敏电阻电压VOUT进行采样。第五步：配置IO端口。本电路中使用IO端口进行控制的器件和信号如下：测试小灯D3，将其正极经上拉电阻连接到3.3V电源，负极连接到单片机的IO口PC15控制其亮灭，便于在程序调试过程中提示程序运行的状态、将模拟开关TS5A9411的1脚连接到单片机IO口PA8，由其输出模拟开关控制信号SW、将SP3485的2脚3脚一起连接到单片机IO口PA11由PA11发出485收发模式控制信号RS485RE、将芯片ADS1271的5脚连接到单片机IO口PC8得到ADS1271模式选择信号MODE、将单片机IO口PB12连接到芯片ADS1271的10脚接收其DRDY信号判断何时完成一次采样可以开始进行数据传输、将单片机IO口PA2、PA3、PA