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文檔簡介

1、 課程設計題 目 光照強度傳感器的設計指導教師 張俊葉 學生姓名 趙利微 蓋夢雪 石蕊 學 號 專 業(yè) 電子信息工程技術 教學單位 物理與電子信息學院 二O一三年 五月 二十日光照強度傳感器的設計摘 要 本設計利用傳感器設計的基本方法,設計制作一個可以感知外界光照度變化的傳感器,以實現(xiàn)對光照度信號的測量。光電檢測方法具有精度高反應快非接觸等優(yōu)點而且可測參數(shù)多傳感器的結構簡單形式靈活多樣因此光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。本設計利用傳感器設計的基本方法,設計制作一個可以感知外界光照度變化的傳感器,以實現(xiàn)對光照度信號的測量。本題設計一個光照強度自動檢測、顯示、報警系統(tǒng),實現(xiàn)對外界不同條件下

2、光強的分檔指示和報警。使用光敏電阻光照強度的測量并進行顯示,采取單片機對光敏電阻輸出變化進行處理轉換成數(shù)字量再使用數(shù)碼管進行顯示。關鍵詞 光照強度; 光敏電阻; 光電傳感器一、緒論光敏電阻又稱光導管,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。光照強度傳感器是現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中經(jīng)常出現(xiàn)的一種基于光強變化的檢測器件,它可以檢測出其接收到的光強的變化,主要使用各種光電元件來將光信

3、號轉換成電信號,再經(jīng)信號取樣電路、放大電路和模數(shù)轉換電路處理,獲取表示光照度的數(shù)字信號,再進行處理。光電檢測方法具有精度高反應快非接觸等優(yōu)點而且可測參數(shù)多傳感器的結構簡單形式靈活多樣因此光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛光照強度自動檢測顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)可以自動檢測光照強度的強弱并顯示讓人們知道此時光照強度的強弱。人們可以設定光照強度的范圍,一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā)出警報通知或直接采取措施使光照強度在此范圍內。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,它可以完成從光強到電阻值的信號轉換,再把電阻值轉換為電信號就可以作為

4、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、 設計任務要求:設計一個光照強度自動檢測、顯示、(報警)系統(tǒng),實現(xiàn)對外界三種不同條件下光強的分檔指示和報警(弱、適宜、強)。通過采樣到的光照射強度選擇,在數(shù)碼管上顯示電壓的大小。(1)自己設計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算放大器構成的比較器完成,完成至少三種以上不同光照條件下顯示報警系統(tǒng)方案的論證和設計;(3)完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統(tǒng)電路方框圖、電路原理圖的設計;(4)完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個參數(shù)的計算(備注:1. 含各

5、種元件參數(shù)的計算過程或依據(jù)2. 選定最接近計算結果的元件規(guī)格);(5)設計結束后,進行仿真調試。(6)不斷檢測設計和實踐的相差情況(7)仿真調試方案(8)給出系統(tǒng)整機電路圖。(9)完成課程設計報告在這里,我們設計兩個方案,并選擇最佳方案進行設計分析。三、方案設計方案一:本次課題設計主要是為了實現(xiàn)光照強度的自動檢測與分檔顯示和報警。首先,必須設定分檔環(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室內日光燈R2=2.05k室內黑暗處R3=26.76 k其次,將光敏電阻電阻值與上述三種狀態(tài)下阻值進行比較,實現(xiàn)分檔顯示、報警、控制。表

6、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)開始進入檢測狀態(tài)。電路的結構、組成方塊圖:從電路原理圖看其實很簡單,右邊三個比較器部分電路完全相同。結構分析如下: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電阻分壓。3)比較電路。比較器的兩個比較端一個從光敏電阻一端引出,接入比較器負比較端,另一個從三個基準電阻分壓端引出,接入比較器正比較端。若光敏電阻比較端阻值大于基準電阻,則分壓也大于基準電阻,比較器輸出為負,反之

7、亦然。4)顯示報警電路。比較器輸出端通過限流電阻Rc接發(fā)光二極管,同時為防止比較器無法驅動發(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系:為了分析各部分單元電路之間的關系,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,計為RX(原理圖中用一個滑動變阻器代替)。這樣就把被測光信號轉化為電信號。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。光敏電阻和基準電阻分別分

8、壓接入比較器兩端(實際上是被測信號與基準信號比較)。由于另一分壓電阻相同,電阻大的分壓就多。比較結果反映在比較器的輸出端。采用了三個比較電路比較,就可以確定光敏電阻在四檔的哪一檔。3)信號表達,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。單元電路方案設計考慮:設計時須對整個系統(tǒng)進行全面綜合考慮。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,首先應將系統(tǒng)分為三個模塊,其中測量顯示電路重點設計分析如下:1) 電源部分:為了驅動比較器,電源電壓設置為362) 分壓電路:為了便

9、于分壓比較,另一分壓電阻Ra均設為相同值3) 比較電路:為了符合正常邏輯思維,應該設定光照越強,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比較端。光最強時,電阻最小,分壓最少,比較器負輸入端都小于正輸入端,比較器輸出都為正,三個發(fā)光管都亮。4) 為了實現(xiàn)光敏電阻精確連續(xù)分壓,仿真時用兩個滑動變阻器代替,一個粗調,一個細調。5) 顯示電路:為了驅動發(fā)光管,應設置上拉電阻Rb,為了保護發(fā)光管,應設置限流電阻Rc。個阻值計算見參數(shù)計算。6) 報警電路:應設置當光照過強時,使蜂鳴器響。將蜂鳴器并聯(lián)到Rc3和LED3兩端。僅當光照很強時,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

10、。具體狀態(tài)分析見仿真結果表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)計算:(根據(jù)電路原理及實際市場計算選擇)電源:VCC=12V基準電阻:用來分檔,故應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

11、是:VR4=28.08v(400*36/500); VR4v=(36*200/500);上拉電阻R 8、9:R提供驅動電流,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)計算根據(jù)發(fā)光二極管1.66v、0.05MA,實際取 R=100k,留有一定余地,另外R6與LED3串聯(lián)表示系統(tǒng)進出檢測狀態(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設計思路(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、室內日光燈、室內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。

12、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室內日光燈R2=2.05k室內黑暗處R3=26.76 k(3)方案原理圖:系統(tǒng)功能描述:考慮到系統(tǒng)的實用價值,確定了光照適宜時的光敏電阻值的范圍為1.4-3.6k歐,當光照過強時,LED1點亮,蜂鳴器報警;光照適宜時,LED2點亮;黑暗時,LED3點亮,蜂鳴器也報警。即光照不適宜時就會報警,所以該系統(tǒng)不但可以完成光強的顯示、報警,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點亮,蜂鳴器報警室內日光燈LED2點亮室內黑暗處LED3點亮,蜂鳴器報警原理框圖如下:

13、數(shù)碼管顯示電路報警電路光敏電阻光敏電阻信號轉換電路信號處理電路 2設計內容(1)光照強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效應的一種光電器件,無光照時, 光敏電阻值(暗電阻)很大, 電路中電流(暗電流)很小; 當受到光照時,半導體材料電導率增加,電阻減小。其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種,它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬;體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強和壽命長等特點。所以選擇光敏電阻采集光照信號,并把不同的光照強度轉化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉化為不同的電壓值,電路如原理圖所示。于是

14、,就把對光照信號的處理轉化為對電壓信號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、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉換為三個電壓值V1,V2,V3作為比較器的輸入電壓;兩個比較器設置兩個參考電壓Vref1,Vref2。工作過程分析如下:光照較強時V1 Vref1Vref2,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V,0V);光照適宜時Vref1V2 Vref2, 兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V,0); 光照黑暗時V3 Vref2 Vref1 兩個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)字信號的轉換,顯示部分就變得容易

15、了。(3)光強顯示部分采用數(shù)碼管管顯示不同的光強狀態(tài)。由于比較器的驅動能力有限,所以在輸出端加一個上拉電阻提高其驅動能力。電路連接如原理圖所示,分析如下:當光照較強時,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V,0V),LED1點亮;光照適宜時, 兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V,0),LED2被點亮; 光照黑暗時,兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V,5V),LED2、LED3被點亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來了。(4)光報警部分采用有源蜂鳴器作為報警器件。電路連接如原理圖所示,用兩個NPN型BJT三極管的導通來控制報警電路的導通,三極管的導通又受發(fā)光二極管導通與否的控制,發(fā)光二極管的導通受光照的控制。所

16、以光強就可以控制報警器了,設計方案采用了當光照較強或較暗時報警。工作過程分析如下:當光照較強時,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V,0V),LED1點亮,三極管BJT1被導通,報警電路被導通,蜂鳴器報警;光照適宜時, 兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V,0),LED2被點亮,三極管BJT1截止,報警電路也截止; 光照黑暗時,兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V,5V),LED2、LED3被點亮,BJT2被導通,報警電路也被導通,蜂鳴器報警。方案選擇:在仿真實驗中,當繼電器掉電日光燈就會立即熄滅,與設計要求不符且方案一無法用具體數(shù)值顯示光照強度,所以我們選擇方案二繼續(xù)進行設計。四、 硬件電路設計與分

17、析 1單片機最小系統(tǒng)STC12C5A08S2簡介:新一代宏晶芯片具有1個時鐘/機器周期,高速、高可靠,2路PWM,8路10位高速A/D轉換,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號可省復位電路,36-44個I/O內部R/C時鐘的新一代宏晶芯片加密性強,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置的。當中央處理器CPU正在處理某件事的時候外界發(fā)生了緊急事件,要求CPU暫停當前的工作,轉而去處理這個緊急事件。時鐘電路。由于頻率較大時,三角波、正弦波、方波等波中每一點延時時間為幾微秒,故延時時間還要加上指令時間即可得到指定頻率的波形

18、,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) 增加第二復位功能腳(高可靠復位,可調整復位門檻電壓,頻率12MHz時,無需此功能)增加外部掉電檢測電路,可在掉電時,及時將數(shù)存進EEPROM,正常工作時無需操作EEP 低功耗設計:空閑模式,HOLTEK芯片解密,(可由任意一個中斷喚醒) 低功耗設計:掉電模式(可由外部中斷喚醒),可支持上升沿和遠程喚醒 工作頻率:035MHz,相當于普通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,當有光照射時,流過

19、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,當沒有光照射的時候,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的電阻值(暗電阻)與受光照射時的電阻值(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。(5)光敏電阻的光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關。硫化鉛光敏電阻在較

20、寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度,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,應把光敏電阻的材料和光源的種 類結合起來考慮,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,因為任何光敏電阻都受額定功率、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,可能導致光敏電阻永久性損壞。(7)當光敏電阻受到脈沖光照射時,光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(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)光敏電阻的時延都比較大,所以,它不能用在要求快速響應的場合。2 光敏電阻

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