【《某光照度测量系统的总体方案设计案例》2800字】

某光照度测量系统的总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16418某光照度测量系统的总体方案设计案例 1152171.1系统的总体设计 16661.2硬件的选型 216131.2.1感器的器件选择 287981.2.2A/D转换器件的选择 31601.1.2A/D转换电路的设计 758041.1.3显示模块的设计 71.1系统的总体设计在本文中，对整个系统做一个分析如图2-2首先对光源进行信号采集，通过传感器获得微弱的电信号。如果传感器测得的电压信号比较小，的电流和电压都比较低，故加入放大电路，对输出电信号进行放大。在0.000lx-2000lx范围产生的电流范围太大,所以将照度的范围划分成四个区间,微处理器控制模拟开关CD4051来实现不同范围区间之间的转换。把信号从模拟量转化为数字量，并且把数字量传输给单片机，这就需要单片机控制电路，需要单片机进行控制。最后显示电路显示光照度数值。图3-1系统总体流程1.2硬件的选型在整个电路中，硬件十分重要，不同的元器件会有不同的接线方式，会对电路的影响很大，所以先通过分析选定各个型号，为电路设计打好基础。再对硬件电路进行设计。1.2.1感器的器件选择在整个测量系统中最重要的就是传感器的选择，光传感器的作用就是将光信号转化为电信号，是光照度测量系统做重要的部件之一[16]。在光电转化的传感器中大概有光电池，光敏二极管还有集成的光照芯片[17]。光敏电阻有可以承受较大的工作电流，灵敏度高，使用便利和测量区间更广的优点。但是光敏电阻响应的时间久、频率特性比较差、当强光作用时效果不好、容易受外界温度影响、在开关当中应用广泛，据此并不宜作为本系统的测量元件光敏二极管的输出信号小、对温度的变化更加敏感[18]集成芯片的成本较高，同时测量范围较小。硅光电池探测器的使用寿命更长，测量范围大，使用方便，经济适用，在实际使用过程中硅光电池慢慢走向主导位置，开始成为光照度测量使用频繁的传感器之一。使用陶瓷封装，暗电流较小。感光面积变大，传感器发出的光电流也会变大。图3-2硅光电池考虑到本系统主要针对可见光进行测量，同时硅光电池具备更线性的特点，在各个方面表表现最为均衡[19]，与其他传感器对比更加有优势，本次测量系统使用硅光电池作为本次设计的传感器。1.2.2A/D转换器件的选择本次设计使用ADC0809作为A/D转换器件。逐次逼近类型集成度很高，分辨率高，线性度好，成本低转换效率很快，产生噪音比较低，在1~100μs以内，抗干扰能力强。8位分辨率，用于快速变化信号输入测量和检测等领域非常适合。ADC0809内部有八个输入通道，并且可以同时接入信号。。ADC0809内部结构如图3-3。图3-3ADC0809内部结构图优点是在电路上不用放大，滤波等整理电路，只需要调整输出输出信号进行转换就可以获得很好的分辨率。斩波稳定性主要减少噪音和输入电压对运算放大电路的影响，将输入信号和输入方波耦合，调成高频，理想条件下可以消除直流失调并且消除低频噪音。其中adc0809含有28个引脚，如图3-4所示。各引脚功能如下。IN0～IN7：8路模拟信号的输入端口。2-1～2-8：8位数字数字信号的输出端口。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入，挑选8路模拟输入其中一路输入。ALE：地址锁存启用的信号，当作输入高电平时作用。START：启动脉冲的输入端，有正脉冲输入时，就会启动。上升沿复位，下降沿启动。脉冲宽度不低于100ms。EOC：是一个输出速出转换结束的信号的端口，结束时输出高电平。其余时间为低电平。OE：当输出高电平时表示数据可以被允许输出。只有在转换结束的时候，在OE端输个高电平三态门打开输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，一般为＋5V。GND：接地端。图3-4ADC0809的各个引脚1.2.3模拟开关的选择CD4051的简介本次设计选用CD4051微处理器作为模拟开关，来进行照度范围的区分。由于光照度在0.0001lx~2000lx之间，信号跨越幅度比较大，为了方便测量，使小电流面面对大的负载，大电流面对较小的反馈电阻，如此便不超过A/D的量程，大电阻和小电阻的切换由CD4051来实现。输入端有三个，分别是ABC，和一个禁止输入端(1NH),当这个输入端为1时，所有输入输出端截至，当这个输入端为0时，ABC选取一个对应的通道，来对应不同的反馈电电阻[20]。不同的输入量，通过定义不同的输入通道，就可以实现匹配反馈电阻和自动切换量程[20]。CD4051的引脚如图3-5，引脚功能见表3-1.图3-5CD4051引脚图表1.1CD4051引脚功能引脚号符号功能124512131415IN/OUT输入/输出端91011ABC地址端3OUT/IN公共输入/输出端6INH禁止端7VEE负电压端8VSS数字信号接地端16VDD电源1.2.4微处理器的选择在本次设计中，A/D转换电路精确度要求比较高，需要选用较高处理速度的微处理器，在经济方面考虑，高性能微处理器性价比很低，AT89C52是一个电压低，性能高，应用最为广泛的单片机之一。爱特梅尔公司采用新技术生产的先进器件,所以本次设计选用AT89C52作为本次设计的微处理器。AT89C52由复位电路和时钟电路构成。其中RAM为8kb，可编程的输入输出口有32个，还有三个16字节的计数器和8个中断，1个可编程端口。P0含有8位I/O接口,复用的地址总线口和外部拓展会用到数据总线，或者用于普通I/O口，八个TTL都可以通过一个输入输出口控[21]。P0口的作用是芯片进行编程和校验时对的数据进行输入或者输出。P1口内部有8位的通用型I/O端口，P1端口内部含有上拉电阻。P2端口和P3端口与P1端口内部结构大致相同，可以用作数据和外设的控制。AT89C52有两种编程方式，一是以常规的方法编程二是在线进行编程。1.3硬件电路系统的设计1.1.1电流转化电压电路由于硅光电池产生的电流比较小，并且容易受到外部信号的影响，无法直接进行分析和加工，这样会影响光照度检测系统对的正常工作，我们为了得到更加准确的信号，所以把低噪声的运放接在硅光二极管之后，它的作用就是对硅光二极管输出的电流信号转换成电压信号，并且进行放大。只有放大之后的信号可以被单片机处理和分析。利用运算放大电路对硅光二极管的输出电流放大。这样电流转化为电压的方式具有保持良好的线性度优势。图3-6电流电压转化电路图中，RL为硅光电池的负载，也上图中运放的输入阻抗ZI，假设运放开环增益为ZI因为开环增益大，ZI也就大约为零，也就是R1.1.2A/D转换电路的设计放大电路会将所有的信号进行放大，包括电路中的噪声，所以需要对噪声进行抑制。通常采用软件抑制和硬件抑制的方式对模拟信号进行滤波处理。经过滤波之后的信号准确，相对误差更理想。模拟信号经过放大和滤波，本质还是模拟信号并不能被单片机识别分析，需要进行模拟-数字信号的转化。处理A/D转换电路时，需要考虑很多因素，比如精度，输入信号的范围，还有数据位数等。ADC0809模块的八个输出端分别和单片机的八个P0口连接，ALE口于P1.3连接。OE端口接到P1.6。EOC接到单片机P2.4。时钟端口接到P1.4。启动端口于P1.5连接。1.1.3显示模块的设计