光電技術(shù)基于Si光電池的照度計設(shè)計與調(diào)試課程設(shè)計報告

1、目錄1技術(shù)指標(biāo)12設(shè)計方案及其比較12.1方案一12. 2方案二22. 3方案三22.4方案比較33實現(xiàn)方案33. 1硬件部分33. 2軟件部分83. 3測試電路204調(diào)試過程及結(jié)論204.1調(diào)試過程的現(xiàn)象204.2調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題214. 3調(diào)試結(jié)論215心得體會216參考文獻(xiàn)22基于si光電池的照度計設(shè)計與調(diào)試1技術(shù)指標(biāo)（1）要求系統(tǒng)測量范圍為0-200ix,測量精度達(dá)到llx；（2）設(shè)計光電池輸出信號處理電路，要求可以控制處理后的電壓幅度；（3）設(shè)計照度計硬件電路系統(tǒng)，要求系統(tǒng)各個模塊能夠正常工作；（4）設(shè)計照度計軟件控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定；（5）給設(shè)計系統(tǒng)定標(biāo)，要求測量結(jié)果

2、誤差在1%以內(nèi)。2設(shè)計方案及其比較當(dāng)光電池的光敏面收到光照射吋，pn節(jié)耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場力的 作用下分別向n區(qū)和p區(qū)運動，在閉合的電路中產(chǎn)生光電流。首先將光電流經(jīng)過i/v變換 和電壓放人后形成直流電壓信號，其次通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將處理得到的直流電壓信號轉(zhuǎn)換 為數(shù)字電壓信號，再通過單片機處理后得到可以反應(yīng)光照度的數(shù)字信號，最后通過lcd 實吋顯示出來。照度計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1照度計系統(tǒng)框圖2.1方案一通過電阻轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行i/v轉(zhuǎn)換，如圖2,之后將電壓放大后的盲流電壓信號通過 由adc0809構(gòu)成的a/d轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字電壓信號，然后，通過單片機得到可以反應(yīng)光 照度的數(shù)字信

3、號，最后，通過led數(shù)碼管實時顯示出來。圖2電阻轉(zhuǎn)換模塊2.2方案二通過三極管構(gòu)建放大電路得到電壓信號進(jìn)行i/v轉(zhuǎn)換，如圖3,之后將電壓放大后的直流電壓信號通過由adc0809構(gòu)成的a/d轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字電壓信號，然后，通過單片機得到可以反應(yīng)光照度的數(shù)字信號，最后，通過led數(shù)碼管實時顯示出來。圖3三極管轉(zhuǎn)換模式2.3方案三通過集成運放芯片構(gòu)建放大電路得到電壓信號進(jìn)行i/v轉(zhuǎn)換，如圖4, z后將電壓放 大后的直流電壓信號通過由adc0809構(gòu)成的a/d轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字電壓信號，然后，通 過單片機得到可以反應(yīng)光照度的數(shù)字信號，最后，通過led數(shù)碼管實時顯示出來。圖4集成運放轉(zhuǎn)換模式2.4方案比較

4、三種方案各有優(yōu)缺點，方案一適合在電流較大的情況下使用，方案二適合在電流變換 范圍小的情況下使用，方案三適用范圍廣，但成本會提高很多。由于此次課程設(shè)計電路板 上已經(jīng)有運放芯片，故采取方案三。3實現(xiàn)方案3.1硬件部分系統(tǒng)的硬件由i/v變換模塊、光電池前置放大模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制模塊 以及數(shù)碼管顯示模塊組成，如圖5, proteus仿真圖如圖6所示。當(dāng)光電池的光敏面收到光照射吋，pn節(jié)耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場力的 作用下分別向n區(qū)和p區(qū)運動，在閉合的電路中產(chǎn)生光電流。因為光電流需要轉(zhuǎn)換為電壓 信號，才能通過數(shù)碼管顯示，所以需要進(jìn)行i/v變換。但是，所得的電壓值過小，不宜測 量，

5、故需要電壓放大模塊將其放大為直流電壓信號。其次，數(shù)碼管顯示的是數(shù)字信號，所 以，需要將放大得到的直流電壓信號進(jìn)過a/d轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號。最后，通過 單片機處理后得到可以反應(yīng)光照度的數(shù)字信號，并通過數(shù)碼管實吋顯示岀來。圖5系統(tǒng)屯路圖圖6總電路圖1光電池和電壓放大及i/v轉(zhuǎn)換模塊本系統(tǒng)選用的硅光電池光譜響應(yīng)波長-般為0.4-1.1微米，峰值響應(yīng)波長為0.9微米， 其特性曲線如圖7所示。在不同光照下，硅光電池有不同的電信號輸出，且二者之間具有 單值對應(yīng)關(guān)系，因此，可以通過檢測其輸出電信號并根據(jù)其輸出特性關(guān)系，得到對應(yīng)的光 照度信息，以達(dá)到光照度檢測的目的。圖7硅光電池光譜響應(yīng)特性曲線該模塊

6、使用lm358運算放大芯片實現(xiàn)，如圖8所示，該芯片引腳如圖9所示，可以實現(xiàn)i/v變換，即將光電流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，并且進(jìn)行放大。out1 1iin 1(.) 2iin1 3ignd 4vcc0vt2in2 (>in2圖9 lm358引腳圖2 a/d轉(zhuǎn)換模塊該模塊由pcf8591芯片實現(xiàn)，如圖10所示，該芯片引腳如圖ii所示，可以實現(xiàn)a/d 轉(zhuǎn)換，將直流電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號。pcf8591各引腳功能如下：aino、ainl、ain2、ain3：模擬信號輸入端；ao、al、a2：引腳地址端;vdd、vss：電源端；sda、scl： i2c總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線；osc：外部時鐘輸入

7、端，內(nèi)部時鐘輸出端；ext：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時ext接地；agnd：模擬信號地；aout： d/a轉(zhuǎn)換輸出端；vref：基準(zhǔn)電源端；圖10 a/d轉(zhuǎn)換模塊ainoain1ain2ain3aoala2vsspcf8591叵evddaoutvrepagndextoscsclsda圖11 pcf8591引腳圖3單片機控制模塊rotngin>®podtaio po vah pojyate poarara poposfaw p0j&ac6 pottxtaizresr aleid1.1a.esm,7/wz1 -zz- t32dr>ez.vmb 22tac z

8、jta11 2. vac 2stag zfifau zw該模塊由89c51芯片實現(xiàn)，如圖12所示，89c51引腳圖如圖13所示。該模塊通過 芯片內(nèi)部的程序控制驅(qū)動pcf8591芯片并采集模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，對采集后的數(shù)字信 號進(jìn)行處理，控制數(shù)碼管顯示系統(tǒng)檢測得到的照度值。圖12單片機系統(tǒng)p1.01pl. 12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78reset9(p3. 0) rxd10(p3 1) txd11(p3. 2)int012(p3. 3)int113(p3.4) t0 14(p3. 5) t1 15(p3. 6)w 16(p3. 7)r5 17xl1 18xl2

9、19gnd 2089c51圖13 89c51引腳圖4數(shù)碼管顯示系統(tǒng)及鎖存器該模塊由芯片74hc573和數(shù)碼管實現(xiàn)，如圖14, 74hc573引腳圖如圖15所示。數(shù)碼管段選使用573鎖存器，因為單片機引腳直接驅(qū)動功率不太夠。3.2軟件部分程序部分代碼如下:1 main.c0e1 u201 vcc1d 2191q2d 3182q3d 4173q4d 5164q5d 6155q6d 146q7d8137q8d 9128qgnd 1011le圖 15 74hc573/ " " " " " " " " " &quo

10、t; " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "f*普中科技*實驗名:ad顯示試驗*實驗說明:使用數(shù)碼管顯示ad讀取到電位器的電壓值*連接方式:見連接圖 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7

11、 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7*/#include<reg5 l.h>#includehi2c.hn/定義使用的io/#define gpio_dig posbit lsa=p2a2;sbit lsb=p2a3;sbit lsc=p2a4;sbit le=p2a2;/-定義pcf8591的讀寫地址-/#define writeaddr 0x90 寫地址#define readaddr 0x91 讀地址-定義全局變量-unsigned char code dig_code17=ox3f,0x06,0x5b,0x4f,0

12、x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c、d、e、f 的顯示碼uchar code table =0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,ox 77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71；unsigned char displaydata8;用來存放要顯示的8位數(shù)的值-聲明全局函數(shù)-void digdisplayo; /動態(tài)顯示函數(shù)void pcf8591 sendbyte(unsigned ch

13、ar channel); unsigned char pcf8591 readbyte();void pcf8591 daconversion(unsigned char value);void digdisplayo;長延時函數(shù)void delay(uchar z)uchar xy for(xhzxvpx;) for(yh5pyvo;y;)； 一詵醫(yī)臂& 詵醫(yī)臂淫黑 詵郵 > 詵郵 圧-main-円醫(yī)迸-出-出亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<

14、亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<亠<

15、void main。unsigned h adnumn uim bl&aq-s 八 in 二 imerr floai vb-ue- uchar da(210kwh=e(l)hmel+八ifuimel%15)pcos591 sendbyte(o)八 dac?三 mel%15j n pcf8591readbyo()詵 2 八一-0-顯示電位器電壓-/pcf8591 sendbyte(o);發(fā)送電位器轉(zhuǎn)換命令if(timel=150)time 1=0;/adnum = pcf8591readbyte()*2;/ 將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀走adnum 二(date0+datel+date2+date3+d

16、ate4+date5+date6+date7+date8+date9)/10.;-我們8591每讀取到一個1就表示5/256v,所以要知道電壓值就乘以0.01953-/ value = adnum * 0.01953/1.3; 轉(zhuǎn)為電壓值adnum = value * 1000;保留兩位小數(shù)n 二 adnum;/n=n*500./255;/n=123;bl=n/1000;b 二 n% 1000/100;s=n/10%10;g=n%10;le=1;po=oxfe;pl =tableb 1 ;delay(10);po=oxfd;p 1 =tableb ;delay(l 0);po=oxfb;p 1

17、 =tables ;delay( 10);p0=0xf7;p 1 =tableg ;delay(10);/ *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1

18、* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* f*函數(shù)名:pcf8591sendbyte*函數(shù)功能:寫入一個控制命令*輸入:channel （轉(zhuǎn)換通道）*輸出:無彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳*/void pcf8591 sendbyte(unsigned char channel)i2c_start();i2c_sendbyte(writeaddr, 1); 發(fā)送寫器件地址i2c_sendbyte(0x40|ch

19、annel, 0); 發(fā)送控制寄存器i2c_stop();/ *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *

20、1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1*函數(shù)名*函數(shù)功能*輸 入*輸 出:pcf8591readbyte:讀取一個轉(zhuǎn)換值:無:dat彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳*/unsigned char pcf8591 readbyte()unsigned char dat;i2c_start();i2c_sendbyte(readaddr, 1);/ 發(fā)送讀器件地址dat=i2c_readbyte();讀取數(shù)據(jù)i2c_stop();結(jié)束總線re

21、turn dat;函數(shù)名:pcf8591 daconversion*函數(shù)功能：pcf8591的輸出端輸出模擬量:value （轉(zhuǎn)換的數(shù)值）void pcf8591 daconversion(unsigned char value)i2c_start();i2c_sendbyte(writeaddr, 1);/ 發(fā)送寫器件地址 i2c_sendbyte(0x40, 1); 開啟da寫到控制寄存器 i2c_sendbyte(value, 0);發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)值i2c_stop();函數(shù)名函數(shù)功能:使用數(shù)碼管顯示void digdisplayounsigned char i;unsigned int j

22、;for(i=0;i<8;i+)switch(i)/位選，選擇點亮的數(shù)碼管，case(o):lsa=o;lsb=o;lsc=o; break;/顯示第 0 位case(l):lsa=1;lsb=o;lsc=o; break;/顯示第 1 位case(2):lsa=o;lsb=1;lsc=o; break;/顯示第 2 位case(3):lsa=1;lsb=1;lsc=o; break;/顯示第 3 位case(4):lsa=o;lsb=o;lsc=1; break;/顯示第 4 位case(5):lsa=1;lsb=o;lsc=1; break;/顯示第 5 位case(6):lsa=o

23、;lsb=1;lsc=1; break;/顯示第 6 位case(7):lsa= 1 ;lsb= 1 ;lsc= 1; break;/顯示第 7 位 gpio_dig=displaydatai;/ 發(fā)送段碼j=5oo;掃描間隔時間設(shè)定while(j);gpio_dig=oxoo; 消隱2 i2c.c#includehi2c.hn/ *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *

24、1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1*函數(shù)名*函數(shù)功能*輸 入*輸 出:delay lus():延時:無:無 彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳*/void i2c_de

25、layl0us()uchar a, b;for(b=l; b>0; b)for(a=2; a>0; a);/ *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1*

26、 *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* 函數(shù)名：i2c_start()*函數(shù)功能：起始信號：在i2c_scl時鐘信號在高電平期間i2c.sda信號產(chǎn)生一個下降沿*輸入:無*輸出:無*備注:起始之后i2c_sda和i2c_scl都為0彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳void i2c_start()i2c_sda = 1;i2c_delayl0us();i2c_scl = 1;i2c_delayl0u

27、s();/建立時間是 i2c_sda 保持時間4.7usi2c_sda = 0;i2c_delay 10us();/ 保持時間是4usi2c_scl = 0;i2c_delayl0us();*函數(shù)名:i2c_stop()*函數(shù)功能:終止信號：在i2c.scl時鐘信號高電平期間i2c.sda信號產(chǎn)生一個上升沿:結(jié)束之后保持i2c_sda和i2c_scl都為1；表示總線空閑void i2c_stop()i2c_sda = 0;i2c_delayl0us();i2c_scl = 1;i2c_delayl0us();/建立時間大于 4.7usi2c_sda = 1;i2c_delayl0us();/

28、*1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1*

29、*1* *1*函數(shù)名:i2csendbyte(uchar num)函數(shù)功能:通過i2c發(fā)送一個字節(jié)。在i2c_scl時鐘信號高電平期間,*保持發(fā)送信號i2c.sda保持穩(wěn)定:num ,ack：0或1。發(fā)送成功返回1,發(fā)送失敗返回0:發(fā)送完一個字節(jié)i2c_scl=0,需要應(yīng)答則應(yīng)答設(shè)置為1,否則為彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳*/uchar i2c_sendbyte(uchar dat, uchar ack)uchar a = 0,b = 0;/最大255, 個機器周期為l

30、us,最大延時255us。for(a=0; a<8; a+)要發(fā)送8位，從最高位開始i2c.sda = dat » 7; 起始信號之后i2c_scl=0,所以可以直接改變i2c_sda信 號dat = dat« 1;i2c_delayl0us();i2c_scl = 1;i2c_delay 10us();/ 建立時間 >4.7usi2c_scl = 0;i2c_delayl0us();/時間大于 4usi2c_sda = 1;i2c_delayl0us();i2c_scl = 1;while(i2c_sda && (ack = 1)/等待應(yīng)答，也

31、就是等待從設(shè)備把i2c.sda拉低b+;if(b > 200)如果超過200us沒有應(yīng)答發(fā)送失敗，或者為非應(yīng)答，表示接收結(jié)束i2c.scl = 0;i2c_delayl0us();return 0;i2c_scl = 0;i2c_delayl0us();return 1;/ *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1*

32、 *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* 函數(shù)名：i2creadbyte()*函數(shù)功能：使用i2c讀取一個字節(jié):無:dat:接收完一個字節(jié)i2c_scl=0彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳彳*/uchar i2c_readb

33、yte()uchar a = o,dat = 0;i2c.sda = 1;起始和發(fā)送一個字節(jié)之后i2c.scl都是0i2c_delayl0us();for(a=0; a<8; a卄)接收8個字節(jié)i2c_scl = 1;i2c_delayl0us();dat «= 1;dat |= i2c_sda;i2c_delayl0us();i2c_scl = 0;i2c_delayl0us();return dat;3 i2c.h#ifndef_i2c_h_#define _i2c_h_# include<reg5 l.h>重定義關(guān)鍵詞-/#ifndef uchar#define uchar unsigned char#endif# ifndef uint#define uint unsigned int #endif-定義使用的10 口-/sbit i2c_scl = p2a1;sbit i2c_sda = p2a0;-聲明全局變量-/void i2c_delayl0u