自動感應(yīng)環(huán)境光的調(diào)光控制器

1、等級:課 程 設(shè) 計課程名稱測控電路課題名稱自動感應(yīng)環(huán)境光的調(diào)光控制器專 業(yè)測控技術(shù)與儀器班 級測控1301學(xué) 號201301200124姓 名鐘杰指導(dǎo)老師徐謙，李亞，黃峰，余曉霏2016年6月20日電氣信息學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱自動感應(yīng)環(huán)境光的調(diào)光控制器姓 名鐘杰專業(yè)測控技術(shù)與儀器班級1301學(xué)號24指導(dǎo)老師黃峰課程設(shè)計時間2016年6月20日-2016年6月26日（17周）教研室意見意見： 同意開課 審核人：汪超、林國漢一、任務(wù)及要求1）設(shè)計一個環(huán)境光亮度檢測電路，并根據(jù)環(huán)境亮度進行臺燈光照強度的自動調(diào)節(jié)；2）采用多只LED指示亮度等級，環(huán)境亮度達到最高時，自動關(guān)閉； 3）拓展部分：具

2、有LED數(shù)碼顯示亮度等級功能；4）安裝、調(diào)試電路，記錄調(diào)零、測試的數(shù)據(jù)，進行測試、分析；設(shè)計要求：1）設(shè)計以測量顯示部分電路為主；2）進行系統(tǒng)的方案設(shè)計；3）要繪制原理框圖，繪制原理電路4）要有必要的計算及元件選擇說明5）如果采用單片機，必需繪制軟件流程圖6）寫出課程設(shè)計報告。報告中應(yīng)包括原理框圖、參數(shù)曲線分析、操作方法、測控流程等，調(diào)試過程中遇到的問題，改進方法和總結(jié)體會。7）答辯二、進度安排周一：集中布置課程設(shè)計任務(wù)和相關(guān)事宜，查資料確定系統(tǒng)總體方案。周二周三：完成硬件電路設(shè)計周四周五：設(shè)計報告撰寫。周五進行答辯和設(shè)計結(jié)果檢查。三、參考資料1.測控電路（第2版），張國雄，機械工業(yè)出版社.2

3、006。2.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第2版），童詩白，高等教育出版社.1988。3.傳感器原理及應(yīng)用（第2版），王化祥，天津大學(xué)出版社.1999。4.中國傳感器網(wǎng)站 目 錄第1章 設(shè)計任務(wù)與要求11.1設(shè)計任務(wù)11.2設(shè)計要求1第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計22.1總體電路設(shè)計22.2設(shè)計方案22.3 光敏電阻22.3.1 光敏電阻介紹22.3.2基本特性及其主要參數(shù)3第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計63.1 LM324運算放大器63.1.1 LM324簡介63.1.2 主放大器設(shè)計63.2 單片機最小系統(tǒng)電路73.3 光電檢測電路83.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊83.5 硬件電路原理圖9第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計104.1 pr

4、otues 軟件介紹104.2 Keil C51簡介104.3 程序設(shè)計總方案10第5章 系統(tǒng)調(diào)試及仿真115.1 軟件調(diào)試115.2 系統(tǒng)仿真11第6章 總結(jié)13附錄A 源程序清單14第1章 設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計任務(wù)1）設(shè)計一個環(huán)境光亮度檢測電路，并根據(jù)環(huán)境亮度進行臺燈光照強度的自動調(diào)節(jié)；2）采用多只LED指示亮度等級，環(huán)境亮度達到最高時，自動關(guān)閉； 3）拓展部分：具有LED數(shù)碼顯示亮度等級功能；4）安裝、調(diào)試電路，記錄調(diào)零、測試的數(shù)據(jù)，進行測試、分析。1.2設(shè)計要求1）設(shè)計以測量顯示部分電路為主；2）進行系統(tǒng)的方案設(shè)計；3）要繪制原理框圖，繪制原理電路4）要有必要的計算及元件選擇說明5

5、）如果采用單片機，必需繪制軟件流程圖6）寫出課程設(shè)計報告。報告中應(yīng)包括原理框圖、參數(shù)曲線分析、操作方法、測控流程等，調(diào)試過程中遇到的問題，改進方法和總結(jié)體會。7）答辯第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1總體電路設(shè)計本次課程設(shè)計課題是自動感應(yīng)環(huán)境光的調(diào)光控制器。此課題要求以臺燈控制器為對象，完成硬件系統(tǒng)和軟件程序的設(shè)計，實現(xiàn)以光線強弱方式來控制臺燈的亮滅功能，屬于軟硬件相結(jié)合的題目。其中硬件電路部分主要包括以下幾個部分：單片機最小系統(tǒng)、臺燈控制電路部分、光電檢測電路部分；軟件部分主要包括二個電子軟件Protues、Keil-C51軟件和路燈控制、光電檢測兩個程序模塊。工作原理如圖2-1所示。臺燈控制外部光

6、線強度單片機光電檢測圖2-1 工作原理圖2.2設(shè)計方案硬件電路設(shè)計由6個部分組成;LM324放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路。2.3 光敏電阻 光敏電阻介紹光敏電阻又稱光導(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動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱

7、，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達110M歐,在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）m的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設(shè)計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計大為簡化。通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時，半導(dǎo)體片（光敏

8、層）就激發(fā)出電子空穴對，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。 基本特性及其主要參數(shù)1.暗電阻、亮電阻光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，或暗阻。此時流過的電流稱為暗電流。例如MG4121型光敏電阻暗阻大于等于0.1M。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時流過的電流稱為亮電流。MG4121型光敏電阻亮阻小于等于1K。亮電流與暗電流之差稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。2

9、.伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性。由圖2-2可知，光敏電阻伏安特性近似直線，而且沒有飽和現(xiàn)象。受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。圖2-2 伏安特性曲線3.光電特性光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱為光電特性。如圖2-3所示，光敏電阻的光電特性呈非線性。因此不適合做檢測元件，這是光敏電阻的缺點之一，在自動控制中它常用做開關(guān)式光電傳感器。圖2-3 光電特性4.光譜特性對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如圖2-4所

10、示。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域，因此在選用光敏電阻時應(yīng)當把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。圖2-4 光譜特性5.頻率特性當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。圖2.-5給出相對靈敏度Kr，與光強變化頻率f之間的關(guān)系曲線，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。但多數(shù)光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應(yīng)的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。圖2-5 頻率特性6.溫度特性光敏電阻和其他半導(dǎo)體器

11、件一樣，受溫度影響較大，當溫度升高時，它的暗電阻會下降。溫度的變化對光譜特性也有很大影響。圖2-6是硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，有時為了提高靈敏度，或為了能接受遠紅外光而采取降溫措施。圖2-6 溫度特性曲線第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 LM324運算放大器 LM324簡介LM324芯片是價格便宜的模擬電路中常用的帶差動輸入功能的四運算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V-32V或+16V。其特點可歸納如下：（1）短跑保護輸出（2）真差動輸入級(3)可單電源工作：3V-32V(4)低偏置電流：最大100nA（LM324

12、A）(5)每封裝含四個運算放大器(6)具有內(nèi)部補償?shù)墓δ?7)共模范圍擴展到負電源(8)行業(yè)標準的引腳排列(9)輸入端具有靜電保護功能。由于LM324芯片四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 主放大器設(shè)計眾多需要檢瀏的微弱光信號通常都是通過各種傳感器來進行非電量的轉(zhuǎn)換，從而使檢測對象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測對象本身為微弱量，同時受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，但后續(xù)電路一般為AD轉(zhuǎn)換電路，所需電壓幅值一般為2V

13、。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應(yīng)用主放大電路。其典型放大電路如圖3-1所示。圖3-1 典型放大電路 該主放大器的放大倍數(shù)為A=lR2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作，設(shè)計時需要設(shè)定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有：3.2 單片機最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)是單片機系統(tǒng)的核心，其他的外圍電路都是在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。單片機最小系統(tǒng)是由單片機、復(fù)位電路、時鐘電路、電源和地端組成，一般情況下，單片機系統(tǒng)采用外接石英晶體與內(nèi)部運放組成時鐘振蕩器作為系統(tǒng)時鐘源，而在多機系統(tǒng)中，單片機只作為一個功能模塊使用，為節(jié)省硬件和統(tǒng)一系

14、統(tǒng)的時鐘信號，常采用外時鐘源。單片機最小系統(tǒng)是單片機控制電路的核心。在整個系統(tǒng)中，單片機控制電路是整個系統(tǒng)的核心，負責對光電檢測電路采集到光信號進行處理和加工，并按照之前設(shè)定好的指令進行執(zhí)行、運算，并將結(jié)果傳送給相應(yīng)的執(zhí)行電路。單片機控制電路相關(guān)的電路原理圖如圖3-2所示：圖3-2 電路原理圖3.3 光電檢測電路在設(shè)計中使用光敏電阻作為光傳感器件對外界光線進行檢測，主要是利用了光敏電阻在光線的作用下其阻值往往變小的這種光導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象，也有基于光敏二極管、光敏三極管等光電檢測元件的相關(guān)電路，如下圖所示是光電檢測電路將檢測到的信號以高低電平的形式傳送給單片機，從而完成整個光電檢測的過程。圖3-3 光

15、電檢測電路圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊現(xiàn)實世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換器是單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種A/D芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜等優(yōu)點。與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它們通常具有8路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送到單片機進行分析和顯示。一個n位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器只需要比較n次，轉(zhuǎn)換時間只取決于位數(shù)和時鐘周期，逐次逼

16、近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，因而在實際中廣泛使用。圖3-4 A/D轉(zhuǎn)換模塊圖3.5 硬件電路原理圖經(jīng)過長時間的設(shè)計，仿真，才得出了本次畢業(yè)設(shè)計的硬件電路部分。通過前面的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計課題的硬件電路部可分為以下四個組成部分：單片機控制電路部分、路燈控制電路部分、光電檢測與執(zhí)行電路部分和兩位一體的數(shù)碼顯示電路電路部分。將前面介紹的電路加以分析和組合，就可以得到整個硬件電路部分的相關(guān)原理圖，現(xiàn)將硬件原理圖如圖3-5所示。圖3-5 硬件原理圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 protues 軟件介紹Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件13。它

17、不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。 4.2 keil C51簡介Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)14，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編

18、代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。4.3 程序設(shè)計總方案根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個程序模塊構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件的主程序，如圖4-1所示。開始初始化調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯示子程序結(jié)束 圖4-1 流程圖第5章 系統(tǒng)調(diào)試及仿真5.1 軟件調(diào)試軟件程序設(shè)計對單片機的I/O接口的控制，智能光控臺燈主要通過光控電路對光的感應(yīng)以達到輸出端口的控制，在黑暗時光控部分輸出高電平，通過單片機內(nèi)部程序的控制以光控輸出高電平為準，給輸出端口定義低電平，臺燈是

19、以低電平有效，當單片機輸出端達到低電平時臺燈亮。5.2 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的硬件及軟件都已經(jīng)調(diào)試完成，然后利用protues進行系統(tǒng)仿真。在仿真中，利用光敏電阻模擬天黑天亮，用滑動變阻器來調(diào)整光亮的強度。仿真圖如圖5-1所示。圖5-1 光照強度強仿真圖然后，調(diào)整光敏電阻阻值，使之達到天黑的效果。此時，單片機控制臺燈亮，仿真效果圖如圖5-2所示。圖5-2 光照強度弱仿真圖第6章 總結(jié)在這次難得的測控電路課程設(shè)計中我鍛煉了自己的思考能力和動手能力，通過設(shè)計電路的過程，加強了我思考問題的完整性和實際生活聯(lián)系的可行性。在方案設(shè)計和芯片的選擇過程上，培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用單片機的能力，對單片機各個管腳的功能也有了進一步的認識。還鍛煉了我個人動手查閱資料的能力、動手能力，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。并且熟練掌握了有關(guān)器件的性能及測試方法。附錄A 源程序清單#include<reg51.h>#include<delay.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit CLK=P13; /時鐘信號sbit ST=P12; /啟動