光照强度自动检测显示系统设计.doc

设计题目：光照强度自动检测显示系统设计

一、 题目的认识理解

本次设计题目是光照强度自动检测显示系统设计，既然是系统设计，我们可以将其分解为模块，把复杂问题简单化。
数据采集模块，可用光敏电阻将光照强度信号转换为电阻信号从而进行测量计算。
测量电路模块，设置分压电路和比较电路，将电阻信号转换为电压信号分档输出，用于显示和报警。
显示报警模块，用发光二极管进行显示，同时设置光照过强时蜂鸣器报警。

二、 设计任务要求：

设计一个光照强度自动检测、显示、（报警）系统，实现对外界三种不同条件下光强的分档指示和报警（弱、适宜、强）
1、方案的设计
根据题目选定光照强度自动检测所用的光电传感器类型；
1）自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的输出；
2）传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完成，完成至少三种以上不同光照条件下显示报警系统方案的论证和设计；
3）完成自然光光照强度自动检测显示报警系统电路方框图、电路原理图的设计；
4）完成自然光光照强度自动检测显示报警系统中核心芯片的选型、系统中各个参数的计算（备注：1. 含各种元件参数的计算过程或依据2. 选定最接近计算结果的元件规格）；
5）设计结束后，进行仿真调试。
2、仿真调试方案
利用：Multisim等软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性；
给出系统整机电路图（利用PROTEL软件做出原理图SCH文件和PCB文件）。
3、完成课程设计报告。

三、 设计所需基础知识及工具
1、基础知识
电路理论中电阻电路的分析、模拟电子线路中运算放大器、比较器、功率放大器等知识，数字电子线路中开关特性及数字信号等知识，传感器技术中的光电传感器原理及应用、测量电路等部分知识。
2、设计工具
电子电路EDA仿真软件：Multisim
电子线路设计软件：Altium Designer09
四、 方案设计及其论证（包含课题的功能与指标分析、电路的结构组成方框图、各部分单元电路间关系、单元电路方案设计考虑）
4.1、课题功能与指标分析：
本次课题设计主要是为了实现光照强度的自动检测与分档显示和报警。
首先，必须设定分档环境，可用三种环境状态分四档。
环境状态
光敏电阻电阻值
太阳光直射
R1=240Ω
室内日光灯
R2=1.5kΩ
黑衣物包裹
R3=150 kΩ
其次，将光敏电阻电阻值与上述三种状态下阻值进行比较，实现分档显示和报警。
档次
光敏电阻电阻值
显示状态
黑暗
RX>R3
三管都不亮
弱光
R2<RX<R3
一管亮
适宜
R1<RX<R2
两管亮
强光
RX<R1
三管都亮，蜂鸣器响
设计电路，应完成以上功能。

4.2、电路的结构、组成方块图：

从电路原理图看其实很简单，右边三个比较器部分电路完全相同。结构分析如下：
1）供电电源VCC=12V，给分压电路、比较器、发光管、蜂鸣器供电。
2）分压电路。包括光敏电阻分压和基准电阻分压。
3）比较电路。比较器的两个比较端一个从光敏电阻一端引出，接入比较器负比较端，另一个从三个基准电阻分压端引出，接入比较器正比较端。若光敏电阻比较端阻值大于基准电阻，则分压也大于基准电阻，比较器输出为负，反之亦然。
4）显示报警电路。比较器输出端通过限流电阻Rc接发光二极管，同时为防止比较器无法驱动发光管，输出端通过上拉电阻Rb接电源，以提供足够功率。最小基准电阻发光管并联蜂鸣器。

4.3、各部分单元电路间关系:
为了分析各部分单元电路之间的关系，我以信号流程做主轴，分析如下：
1）信号采集，光敏电阻处于被测环境感光，会有一感光阻值，计为RX（原理图中用两个滑动变阻器代替）。这样就把被测光信号转化为电信号。
2）信号测量，为了知道光敏电阻的阻值在所分的哪档之间，需要进行测量比较。分压电路和比较电路就是完成此功能。光敏电阻和基准电阻分别分压接入比较器两端（实际上是被测信号与基准信号比较）。由于另一分压电阻相同，电阻大的分压就多。比较结果反映在比较器的输出端。采用了三个比较电路比较，就可以确定光敏电阻在四档的哪一档。
3）信号表达，通过比较器出来的是电压信号，为了使人能直接感知，接上发光二级管。高电压即点亮发光二级管。

4.4、单元电路方案设计考虑：
设计时须对整个系统进行全面综合考虑。以完成课题功能要求为前提，尽量使电路简单清晰。按照前面分析，首先应将系统分为三个模块，其中测量显示电路重点设计分析如下：
1） 电源部分：为了驱动比较器，电源电压设置为12V
2） 分压电路：为了便于分压比较，另一分压电阻Ra均设为相同值
3） 比较电路：为了符合正常逻辑思维，应该设定光照越强，亮的发光管越多。所以才将光敏电阻分压端接入比较器负比较端。
光最强时，电阻最小，分压最少，比较器负输入端都小于正输入端，比较器输出都为正，三个发光管都亮。
4） 为了实现光敏电阻精确连续分压，仿真时用两个滑动变阻器代替，一个粗调，一个细调。
5） 显示电路：为了驱动发光管，应设置上拉电阻Rb，为了保护发光管，应设置限流电阻Rc。个阻值计算见参数计算。
6） 报警电路：应设置当光照过强时，使蜂鸣器响。将蜂鸣器并联到Rc3和LED3两端。仅当光照很强时，光敏电阻阻值才小于R3，蜂鸣器才响。其他状态，蜂鸣器都不响。
具体状态分析见仿真结果

五、 电路中各元器件选型和参数计算

元器件选型：
元器件
类别型号
直流电源
稳压直流电源 12V/1000MA
光敏电阻
5537
电阻
金属膜电阻
比较器
HA17339
发光二极管
SM210363,
蜂鸣器
无源1206分体5.5欧蜂鸣器

参数计算：（根据电路原理及实际市场计算选择）
电源：VCC=12V
基准电阻：用来分档，故应等于光敏电阻三种状态下阻值。
R1=240Ω R2=1.5 kΩ R3=150 kΩ
分压电阻Ra：为了使分压不至过大或过小影响精度，取R1和R3中间大小，Ra=5 kΩ
上拉电阻Rb：Rb提供驱动电流，不宜过大，取Rb=100Ω
限流电阻Rc：Rc=（比较器输出电压-发光管压降）/发光管额定电流
经计算Rc=（12-2）/5=2 kΩ,实际取 Rc=1 kΩ,留有一定余地，另外Rc3与LED3并联蜂鸣器，测得两端电压约为7V，故取Rc3=600Ω。

参考资料
[1] 王化祥.张淑英；传感器原理及应用.天津：天津大学出版社，2007.2.
[2]康华光；电子技术基础模拟部分.北京:高等教育出版社，2006.1.
六、 附件1：
整机电路原理图（附页1）

Protel原理图
七、 附件2：
仿真结果（如：测试数据、波形等）（附页2）

(a）黑暗状态

（b）弱光状态

（c）适宜状态

（d）强光状态（蜂鸣器响）

八、 附件3：
元器件清单及成本估算（附页3）
元器件
数量
价格
直流电源
1
19
光敏电阻
1
0.5
电阻
13
1.3
比较器
3
1.4（5个）
发光二极管
3
1.08
蜂鸣器
1
0.15
总计

23.43