光照亮度傳感器設(shè)計(jì).doc

德州學(xué)院 2011屆 電子信息工程技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題 目 光照強(qiáng)度傳感器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師 張俊葉 學(xué)生姓名 趙利微 蓋夢雪 石蕊 學(xué) 號 201110805034 201110805024 201110805045 專 業(yè) 電子信息工程技術(shù) 教學(xué)單位 物理與電子信息學(xué)院 二O一三年 五月 二十日12光照強(qiáng)度傳感器的設(shè)計(jì)摘 要 本設(shè)計(jì)利用傳感器設(shè)計(jì)的基本方法，設(shè)計(jì)制作一個(gè)可以感知外界光照度變化的傳感器，以實(shí)現(xiàn)對光照度信號的測量。光電檢測方法具有精度高反應(yīng)快非接觸等優(yōu)點(diǎn)而且可測參數(shù)多傳感器的結(jié)構(gòu)簡單形式靈活多樣因此光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。本設(shè)計(jì)利用傳感器設(shè)計(jì)的基本方法，設(shè)計(jì)制作一個(gè)可以感知外界光照度變化的傳感器，以實(shí)現(xiàn)對光照度信號的測量。本題設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度自動檢測、顯示、報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對外界不同條件下光強(qiáng)的分檔指示和報(bào)警。使用光敏電阻光照強(qiáng)度的測量并進(jìn)行顯示，采取單片機(jī)對光敏電阻輸出變化進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再使用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。關(guān)鍵詞 光照強(qiáng)度； 光敏電阻； 光電傳感器一、緒論光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運(yùn)動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光照強(qiáng)度傳感器是現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中經(jīng)常出現(xiàn)的一種基于光強(qiáng)變化的檢測器件，它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化，主要使用各種光電元件來將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)信號取樣電路、放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，獲取表示光照度的數(shù)字信號，再進(jìn)行處理。光電檢測方法具有精度高反應(yīng)快非接觸等優(yōu)點(diǎn)而且可測參數(shù)多傳感器的結(jié)構(gòu)簡單形式靈活多樣因此光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛光照強(qiáng)度自動檢測顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動檢測光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱并顯示讓人們知道此時(shí)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱。人們可以設(shè)定光照強(qiáng)度的范圍，一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)通知或直接采取措施使光照強(qiáng)度在此范圍內(nèi)。人們可以通過看此裝置的顯示了解現(xiàn)在的光照狀態(tài)，做合理的光照調(diào)節(jié)。對于光照檢測部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測元件，它可以完成從光強(qiáng)到電阻值的信號轉(zhuǎn)換，再把電阻值轉(zhuǎn)換為電信號就可以作為系統(tǒng)的輸入信號。對輸入信號處理后，就可以用來顯示了。二、 設(shè)計(jì)任務(wù)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度自動檢測、顯示、（報(bào)警）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對外界三種不同條件下光強(qiáng)的分檔指示和報(bào)警（弱、適宜、強(qiáng)）。通過采樣到的光照射強(qiáng)度選擇，在數(shù)碼管上顯示電壓的大小。（1）自己設(shè)計(jì)至少三種以上不同光照條件，測定不同光照條件下光電傳感器的輸出；（2）傳感器測量電路采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器完成，完成至少三種以上不同光照條件下顯示報(bào)警系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計(jì)；（3）完成自然光光照強(qiáng)度自動檢測顯示報(bào)警系統(tǒng)電路方框圖、電路原理圖的設(shè)計(jì)；（4）完成自然光光照強(qiáng)度自動檢測顯示報(bào)警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的計(jì)算（備注：1. 含各種元件參數(shù)的計(jì)算過程或依據(jù)2. 選定最接近計(jì)算結(jié)果的元件規(guī)格）；（5）設(shè)計(jì)結(jié)束后，進(jìn)行仿真調(diào)試。（6）不斷檢測設(shè)計(jì)和實(shí)踐的相差情況（7）仿真調(diào)試方案（8）給出系統(tǒng)整機(jī)電路圖。（9）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告在這里，我們設(shè)計(jì)兩個(gè)方案，并選擇最佳方案進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。三、方案設(shè)計(jì)方案一：本次課題設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的自動檢測與分檔顯示和報(bào)警。首先，必須設(shè)定分檔環(huán)境，可用三種環(huán)境狀態(tài)分四檔。表3-1-1 不同光照條件下光敏電阻阻值環(huán)境狀態(tài)光敏電阻電阻值太陽光直射R1=230室內(nèi)日光燈R2=2.05k室內(nèi)黑暗處R3=26.76 k其次，將光敏電阻電阻值與上述三種狀態(tài)下阻值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)分檔顯示、報(bào)警、控制。表3-1-2 不同光照條件下的顯示狀態(tài)檔次控制狀態(tài)顯示狀態(tài)弱光電燈亮一管亮適宜不亮兩管亮強(qiáng)光不亮三管都亮，蜂鳴器響其中有LED始終是燈亮，表示系統(tǒng)開始進(jìn)入檢測狀態(tài)。電路的結(jié)構(gòu)、組成方塊圖：從電路原理圖看其實(shí)很簡單，右邊三個(gè)比較器部分電路完全相同。結(jié)構(gòu)分析如下：1）供電電源VCC=36V和VCC=12V，給分壓電路、比較器、發(fā)光管、蜂鳴器供電，日光燈。2）分壓電路。包括光敏電阻分壓和基準(zhǔn)電阻分壓。3）比較電路。比較器的兩個(gè)比較端一個(gè)從光敏電阻一端引出，接入比較器負(fù)比較端，另一個(gè)從三個(gè)基準(zhǔn)電阻分壓端引出，接入比較器正比較端。若光敏電阻比較端阻值大于基準(zhǔn)電阻，則分壓也大于基準(zhǔn)電阻，比較器輸出為負(fù)，反之亦然。4）顯示報(bào)警電路。比較器輸出端通過限流電阻Rc接發(fā)光二極管，同時(shí)為防止比較器無法驅(qū)動發(fā)光管，輸出端通過上拉電阻Rb接電源，以提供足夠功率。最小基準(zhǔn)電阻發(fā)光管并聯(lián)蜂鳴器。5）控制電路，門電路連接暗光顯示端，通過非門輸出電壓繼電器閉合，打開日光燈。3、各部分單元電路間關(guān)系:為了分析各部分單元電路之間的關(guān)系，我以信號流程做主軸，分析如下：1）信號采集，光敏電阻處于被測環(huán)境感光，會有一感光阻值，計(jì)為RX（原理圖中用一個(gè)滑動變阻器代替）。這樣就把被測光信號轉(zhuǎn)化為電信號。2）信號測量，為了知道光敏電阻的阻值在所分的哪檔之間，需要進(jìn)行測量比較。分壓電路和比較電路就是完成此功能。光敏電阻和基準(zhǔn)電阻分別分壓接入比較器兩端（實(shí)際上是被測信號與基準(zhǔn)信號比較）。由于另一分壓電阻相同，電阻大的分壓就多。比較結(jié)果反映在比較器的輸出端。采用了三個(gè)比較電路比較，就可以確定光敏電阻在四檔的哪一檔。3）信號表達(dá)，通過比較器出來的是電壓信號，為了使人能直接感知，接上發(fā)光二級管。高電壓即點(diǎn)亮發(fā)光二級管。4）信號控制，通過比較器出來的是電壓信號在暗光下系統(tǒng)自動打開日光燈。單元電路方案設(shè)計(jì)考慮：設(shè)計(jì)時(shí)須對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面綜合考慮。以完成課題功能要求為前提，盡量使電路簡單清晰。按照前面分析，首先應(yīng)將系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，其中測量顯示電路重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析如下：1） 電源部分：為了驅(qū)動比較器，電源電壓設(shè)置為362） 分壓電路：為了便于分壓比較，另一分壓電阻Ra均設(shè)為相同值3） 比較電路：為了符合正常邏輯思維，應(yīng)該設(shè)定光照越強(qiáng)，亮的發(fā)光管越多。所以才將光敏電阻分壓端接入比較器負(fù)比較端。光最強(qiáng)時(shí)，電阻最小，分壓最少，比較器負(fù)輸入端都小于正輸入端，比較器輸出都為正，三個(gè)發(fā)光管都亮。4） 為了實(shí)現(xiàn)光敏電阻精確連續(xù)分壓，仿真時(shí)用兩個(gè)滑動變阻器代替，一個(gè)粗調(diào)，一個(gè)細(xì)調(diào)。5） 顯示電路：為了驅(qū)動發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置上拉電阻Rb，為了保護(hù)發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置限流電阻Rc。個(gè)阻值計(jì)算見參數(shù)計(jì)算。6） 報(bào)警電路：應(yīng)設(shè)置當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)，使蜂鳴器響。將蜂鳴器并聯(lián)到Rc3和LED3兩端。僅當(dāng)光照很強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值才小于R3，蜂鳴器才響。其他狀態(tài)，蜂鳴器都不響。具體狀態(tài)分析見仿真結(jié)果表3-1-3 元器件類別型號元器件類別型號直流電源穩(wěn)壓直流電源 36V/1000MA光敏電阻5537電阻金屬膜電阻比較器HA17339發(fā)光二極管SM210363,蜂鳴器無源1206分體5.5歐蜂鳴器或非門74HC02D_2V繼電器200nA 0mA日光燈12V_10W直流電源12V（日光燈電源）參數(shù)計(jì)算：（根據(jù)電路原理及實(shí)際市場計(jì)算選擇）電源：VCC=12V基準(zhǔn)電阻：用來分檔，故應(yīng)等于光敏電阻三種狀態(tài)下阻值。 R=230 R=2.05k R=226.76 K分壓電阻R3、4、5：為了使分壓不至過大或過小影響精度，分別取R3=100;R4=200;R5=200. 相對電壓是：VR4=28.08v（400*36/500）; VR4v=(36*200/500);上拉電阻R 8、9：R提供驅(qū)動電流，不宜過大，取R=5限流電阻R1、2、11：R=（比較器輸出電壓-發(fā)光管壓降）/發(fā)光管額定電流 經(jīng)計(jì)算根據(jù)發(fā)光二極管1.66v、0.05MA,實(shí)際取 R=100k,留有一定余地，另外R6與LED3串聯(lián)表示系統(tǒng)進(jìn)出檢測狀態(tài)，為了保證（1.66v、0.05MA）故取R6=6k。圖3-1 方案二電路圖方案二： 1設(shè)計(jì)思路(1)傳感器選擇：選用光敏電阻作為采集光照信號的傳感器。(2)電阻測試：在太陽光直射、室內(nèi)日光燈、室內(nèi)黑暗處三種光照條件下分別測的光敏電阻的阻值為=15.6k歐。表3-2-1 不同光照條件下光敏電阻阻值環(huán)境狀態(tài)光敏電阻電阻值太陽光直射R1=230室內(nèi)日光燈R2=2.05k室內(nèi)黑暗處R3=26.76 k(3)方案原理圖：系統(tǒng)功能描述：考慮到系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值,確定了光照適宜時(shí)的光敏電阻值的范圍為1.4-3.6k歐，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)，LED1點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)，LED2點(diǎn)亮；黑暗時(shí)，LED3點(diǎn)亮，蜂鳴器也報(bào)警。即光照不適宜時(shí)就會報(bào)警，所以該系統(tǒng)不但可以完成光強(qiáng)的顯示、報(bào)警，而且可以判斷光照是否適宜。表3-2-2 不同光照條件下的顯示狀態(tài)環(huán)境狀態(tài)顯示狀態(tài)太陽光直射LED1點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警室內(nèi)日光燈LED2點(diǎn)亮室內(nèi)黑暗處LED3點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警原理框圖如下：數(shù)碼管顯示電路報(bào)警電路光敏電阻光敏電阻信號轉(zhuǎn)換電路信號處理電路 2設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)光照強(qiáng)度的信號采集部分采用光敏電阻作為信號采集器件。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無光照時(shí), 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很??； 當(dāng)受到光照時(shí)，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬；體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等特點(diǎn)。所以選擇光敏電阻采集光照信號，并把不同的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，電路如原理圖所示。于是，就把對光照信號的處理轉(zhuǎn)化為對電壓信號V的處理。(2)信號處理部分：采用集成電壓比較器LM358N作為信號處理的核心元件，電路連接如原理圖所示。光強(qiáng)、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三個(gè)電壓值V1，V2，V3作為比較器的輸入電壓；兩個(gè)比較器設(shè)置兩個(gè)參考電壓Vref1，Vref2。工作過程分析如下：光照較強(qiáng)時(shí)V1 Vref1Vref2，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時(shí)Vref1V2 Vref2， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0）； 光照黑暗時(shí)V3 Vref2 Vref1 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V）。這樣就完成了從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,顯示部分就變得容易了。(3)光強(qiáng)顯示部分采用數(shù)碼管管顯示不同的光強(qiáng)狀態(tài)。由于比較器的驅(qū)動能力有限，所以在輸出端加一個(gè)上拉電阻提高其驅(qū)動能力。電路連接如原理圖所示，分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮；光照適宜時(shí)， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點(diǎn)亮； 光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點(diǎn)亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來了。（4）光報(bào)警部分采用有源蜂鳴器作為報(bào)警器件。電路連接如原理圖所示，用兩個(gè)NPN型BJT三極管的導(dǎo)通來控制報(bào)警電路的導(dǎo)通，三極管的導(dǎo)通又受發(fā)光二極管導(dǎo)通與否的控制，發(fā)光二極管的導(dǎo)通受光照的控制。所以光強(qiáng)就可以控制報(bào)警器了，設(shè)計(jì)方案采用了當(dāng)光照較強(qiáng)或較暗時(shí)報(bào)警。工作過程分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮，三極管BJT1被導(dǎo)通，報(bào)警電路被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點(diǎn)亮，三極管BJT1截止，報(bào)警電路也截止； 光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點(diǎn)亮，BJT2被導(dǎo)通，報(bào)警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。方案選擇：在仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)繼電器掉電日光燈就會立即熄滅，與設(shè)計(jì)要求不符且方案一無法用具體數(shù)值顯示光照強(qiáng)度，所以我們選擇方案二繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。四、 硬件電路設(shè)計(jì)與分析 1單片機(jī)最小系統(tǒng)STC12C5A08S2簡介：新一代宏晶芯片具有1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，25萬次/秒1T 8051帶總線,無法解密,管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52,有全球唯一ID號可省復(fù)位電路,36-44個(gè)I/O內(nèi)部R/C時(shí)鐘的新一代宏晶芯片加密性強(qiáng)，解密難度高。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器CPU正在處理某件事的時(shí)候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊急事件。時(shí)鐘電路。由于頻率較大時(shí)，三角波、正弦波、方波等波中每一點(diǎn)延時(shí)時(shí)間為幾微秒，故延時(shí)時(shí)間還要加上指令時(shí)間即可得到指定頻率的波形，該電路用24MHz晶振。如圖4-1-1：圖4-1-1寬電壓：5.53.3V，2.23.6V（STC12LE5A60S2系列） 增加第二復(fù)位功能腳（高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門檻電壓，頻率12MHz時(shí)，無需此功能）增加外部掉電檢測電路,可在掉電時(shí),及時(shí)將數(shù)存進(jìn)EEPROM,正常工作時(shí)無需操作EEP 低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一個(gè)中斷喚醒） 低功耗設(shè)計(jì)：掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持上升沿和遠(yuǎn)程喚醒 工作頻率：035MHz，相當(dāng)于普通8051：0420MHz圖 4-1-2 光敏電阻的主要特性及參數(shù)（1）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。 （2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時(shí)候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。 （3）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受光照射時(shí)的電阻值（亮電阻）的相對變化值。（4）在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。（5）光敏電阻的光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種 類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。（6）光敏電阻的伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。（7）當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏，電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合