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1、电子电路实验（三)设计总结报告设计选题一：数字式光照强度检测仪的设计实现院 (系) ：自动化学院班 级：*学 号：*学 生 姓 名：*指 导 教 师：*2011年5月摘要本实验中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。具体方法是将三路光敏电阻支路并联接入电路中，其中一路串接一固定电阻，另外两路分别串接电位器，利用光敏电阻值随光照强度变化的特性，使得电路的输出电压而变化。根据这一特性，结合光照强度和输出模拟电压之间的关系，分别对三路电压值进行采集得到某一光强度下对应的模拟电压，将模拟电压通过ADC0804模数转换器转换为数字电压，通过VC语言编程，将其集于单片机中，进行比较
2、以后通过两位数码管将最大值显示出来，相应地控制点亮对应的小数点以显示光强的方位。通过硬件的焊接、静态和动态调试和程序的编写和修改，作品最终很好地实现了实验任务和要求，在近似无光照时数码管显示为0，正常工作时能检测三个不同方位的光强并通过两位数码管将最大数值显示出来，而两个小数点的不同组合显示对应方位。 关键词：光照强度；检测仪；设计实现第1部分 课题的任务与要求1.1 设计选题设计选题一：数字式光照强度检测仪的设计实现1.2 任务及要求1.2.1 设计选题的任务结合单片机最小电路和光敏电阻电路共同设计一个基于单片机的数字式光照强度检测系统，用数码管显示光照强度。还可以设置多个不同方向的光敏电阻
3、，通过计算它们的光照强度运用比较器以确定当前的光照方向。(1)、实现单片机最小系统设计。(2)、焊接调试光敏电阻网络。(3)、焊接调试AD电路，标定光照强度基本单位。(4)、编写单片机程序，将获得的电信号转换成光照强度单位下的数值，并用数管显示。(5)、通过比较不同方向测得的光强数值判断光照方向，在数码管上显示其方向。1.2.2 设计选题的要求(1)、无光照时数码管显示为零。(2)、用数码管显示光照强度，误差范围为510LUX(以白天中午室内日光灯的光照强度为标准定义为100 LUX )。(3)、两个小数点具体显示光强方位(两个小数点分别单独亮和均不亮代表三个方位)。 第2部分 系统概述2.1
4、 光照传感器及敏感元件概述光照传感器是基于光电效应、将光信号转换为电信号的传感器，其敏感元件是光电器件。光照传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。主要有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池。2.1.1 光敏电阻器、光敏电阻原理光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；
5、入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。2、光敏电阻的应用光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。2.1.2 光敏二极管光敏二极管是一种将光能变换为电能的器件，它利用了半导体的光生伏特效应的原理。光敏二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低；缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路。2.2 设计方案的提出与论证2.2.1 设计方案一采用光敏电阻、二极管和55
6、5定时器构成多谐振荡电路，利用多谐振荡电路的两个暂稳态输出由此产生矩形波脉冲信号。而光敏电阻阻值会随着光照强度的变化而发生变化，进而使得多谐振荡电路的周期变化，其输出波形频率也随之改变。将其输出模拟信号波形输入到一个简易数字式频率计通过两位数码管显示出来，数字式频率计主要由时基电路、闸门电路计数器、锁存器、译码显示电路和逻辑控制电路组成。具体实现框图如下图2.1所示：光敏电阻阻值变化多谐振荡器电路周期变化 简易数字频率计时基电路闸门电路计数器锁存器译码显示器逻辑控制电路图2.1 设计方案一原理框图本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，通过光敏电阻值变化影响多谐振荡电路的周期而检测光
7、强，性能较稳定一些，灵敏度也较高，但是电路结构比较复杂，所用元器件种类较多，实现和调试工作会比较困难，造价也较高，虽然能满足稳定性和灵敏度的要求，但不宜采用。2.2.2 设计方案二本方案采用光电二极管，利用其产生的电流随光照增强的线性特性输出模拟采样电压，并联三条光敏二极管和电阻支路，将这三路电压通过选通器循环输入到模数转换器ADC0804将模拟信号转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给STC89C51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。具体框图如下图2.2所示： 89C51单片机光敏二极管接受光照输出电流变化采集电阻两端电压运算放大器两位数码管显示模数转
8、换ADC图2.2 设计方案二原理框图对于本方案，采用线性好，响应速度快的光敏二极管作为光照传感器，故电路响应速度快，灵敏度高。缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路将采样电压进一步放大，而加入运放环节会由于运放的零漂和易受温度影响使得电路稳定性降低，误差增大。另外限于实验元器件的供给，实验中也不采用本方案。2.2.3 设计方案三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CD4051单8通道数字控制模拟电子开关循环输入到模数转换器ADC0804将模拟信号转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给STC89C51单片机，通过比较后得出
9、最大值，将最大值输出并利用两位数码管显示出来。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显示出来，完成了本设计选题的任务及要求。具体框图如下图2.3所示：控制信号89C51单片机光敏电阻采集模拟电压输出选择模块模数转换器ADC通信模块两位数码管显示图2.3 设计方案三原理框图本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，STC89C51单片机作为主控制器。性能稳定，抗干扰能力强，不易受外界环境温度等因素影响，灵敏度也较高，但是由于光照
10、传感器采用光敏电阻且为三条支路并联采集模拟电压信号，会存在一定的误差。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。2.2.4 方案综合比较和选择通过以上三种方案的设计，方案一采用光敏电阻作为光照传感器，稳定性和灵敏度虽然都能满足设计选题的要求，但是电路结构过于复杂，实现和调试都比较困难，在实验中不采用；方案二采用光敏二极管作为光照传感器，线性度好，响应速度快，但是需要额外添加运放环节，对系统稳定性和误差都会带来不利影响，另外限于元器件的供应，本实验中也不采用：而方案
11、三采用光敏电阻作为光照传感器，进行模拟电压采样，通过ADC数模转换器将模拟信号转换为数字信号传送到51单片机中，进而控制两位数码管显示具体数值和方位，简单可行，成本造价低，故在实验中采用本方案。第3部分 单元电路设计与分析3.1 光照强度检测电路的设计对于最终采用的方案三，其光照强度检测电路如下图3.1所示：图3.1 设计方案光强检测电路如上图所示，采用三路光敏电阻支路并联，其中一路串联固定电阻，而另外两组分别串联一个电位器，均接在VCC和GND之间，采样电压为三个光敏电阻两端所加电压U1、U2、U3，对于这三路电压值比较后把最大值输送给ADC0804转化为数字信号，通过数码管显示出来。其中两
12、个电位器的作用是在后期的调试过程中，使得在外界给予三个方向的光敏电阻同样强度的光照时，通过调节电位器使得数码管显示光强数值相同。对于与两个采样电位器和采样固定电阻的选取，由数字式万用电表对光敏电阻在无光照和正常光照时进行测量，对应阻值在2.1k欧姆11.2k欧姆之间变化，故固定电阻R1选取5k欧姆左右，综合实验室的电阻元器件供给，本实验中选取4.7k欧姆；两个电位器则选择0-20k欧姆规格的灵敏电位器。3.2 电压输出选择电路设计输出选择模块采用CD4051芯片如下图3.2所示：图3.2 设计方案输出模块CD4051芯片电路结构图CD4051相当于一个单刀八掷开关，控制X0-X7八个通道的开通
13、和关断，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。本设计方案中将三路模拟采样电压U1U3分别接到X0-X2上，由单片机程序控制ABC管脚进行循环采样，进而控制采样电压的输出，通过X输出端传送给数模转换器ADC0804芯片。3.3 数模转换模块电路设计本方案中采用ADC0804芯片进行数模转换，其电路结构图如下图3.3所示。ADC0804模数转换器是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻
14、辑接口电路。图3.3 设计方案一数模转换模块电路结构图在实验方案中，将CD4051循环输出的模拟电压接到ADC0804的6管脚输入，通过它转换为数值信号，通过八个管脚DB0DB7通过通信模块传送给单片机，对单片机进行编程进而控制两位数码管的显示。其外接电阻的阻值已经标注在电路结构图中。对于ADC0804其接口时序及接口信号图如下图3.4所示：图3.4 设计方案ADC0804接口时序及接口信号图3.4 单片机最小系统的设计电路图3.5 设计方案单片机最小系统电路结构图STC89C51功能强大、速度快、寿命长、价格低，目前在市场上已经是主流，其外型有40个引脚，双列直插DIP-40。STC89C5
15、1可以完成ISP在线编程功能，而AT89C51则不能。将AT89C51中的程序直接烧录到STC89C51中后，STC89C51就可以代替AT89C51直接工作（一般都不需要做任何改动即可正常工作）。因此本实验中采用STC89C51单片机作为主控制器，其电路结构如上图3.5所示。对于电路中注意单片机要使用P0端口，必须外加上拉电阻，本实验方案中采用10K欧姆排阻。电路中P10P17管脚分别接到模数转换电路ADC0804电路的DB0DB7管脚。另外其对应的通信系统电路图如下图3.6所示：图3.6 设计方案通信模块电路结构图3.5 数码管显示电路的设计用一个两位数码管来具体显示光照强度的数值，两位数码管的两个小数点对应显示光强方位，主要由编程控制。数码管电路结构图具体如下图3.7所示：图3.7 设计方案数码管显示电
