光照亮度传感器课程设计14#111.doc

德州学院 2011届 电子信息工程技术专业 毕业设计

课程设计

题 目 光照强度传感器的设计
指导教师 张俊叶
学生姓名 赵利微 盖梦雪 石蕊
学 号 201110805034 201110805024 201110805045
专 业 电子信息工程技术
教学单位 物理与电子信息学院

二O一三年 五月 二十日

12

光照强度传感器的设计
摘 要 本设计利用传感器设计的基本方法，设计制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。光电检测方法具有精度高反应快非接触等优点而且可测参数多传感器的结构简单形式灵活多样因此光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本设计利用传感器设计的基本方法，设计制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。本题设计一个光照强度自动检测、显示、报警系统，实现对外界不同条件下光强的分档指示和报警。使用光敏电阻光照强度的测量并进行显示，采取单片机对光敏电阻输出变化进行处理转换成数字量再使用数码管进行显示。
关键词 光照强度； 光敏电阻； 光电传感器
一、绪论
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 
光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的检测器件，它可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信号转换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光照度的数字信号，再进行处理。光电检测方法具有精度高反应快非接触等优点而且可测参数多传感器的结构简单形式灵活多样因此光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛
光照强度自动检测显示系统，该系统可以自动检测光照强度的强弱并显示让人们知道此时光照强度的强弱。人们可以设定光照强度的范围，一旦超出此范围该系统可以发出警报通知或直接采取措施使光照强度在此范围内。人们可以通过看此装置的显示了解现在的光照状态，做合理的光照调节。对于光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件，它可以完成从光强到电阻值的信号转换，再把电阻值转换为电信号就可以作为系统的输入信号。对输入信号处理后，就可以用来显示了。
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）。通过采样到的光照射强度选择，在数码管上显示电压的大小。
（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。
（6）不断检测设计和实践的相差情况
（7）仿真调试方案
（8）给出系统整机电路图。
（9）完成课程设计报告
在这里，我们设计两个方案，并选择最佳方案进行设计分析。
三、方案设计
方案一：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。
表3-1-1 不同光照条件下光敏电阻阻值
环境状态
光敏电阻电阻值
太阳光直射
R1=230Ω
室内日光灯
R2=2.05kΩ
室内黑暗处
R3=26.76 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、报警、控制。
表3-1-2 不同光照条件下的显示状态
档次
控制状态
显示状态
弱光
电灯亮
一管亮
适宜
不亮
两管亮
强光
不亮
三管都亮，蜂鸣器响
其中有LED始终是灯亮，表示系统开始进入检测状态。
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=36V和VCC=12V，给分压电路、比较器、发光管、蜂鸣器供电，日光灯。
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。
5）控制电路，门电路连接暗光显示端，通过非门输出电压继电器闭合，打开日光灯。
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（原理图中用一个滑动变阻器代替）。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）信号控制，通过比较器出来的是电压信号在暗光下系统自动打开日光灯。
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36
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
表3-1-3 元器件类别型号
元器件
类别型号
直流电源
稳压直流电源 36V/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
或非门
74HC02D_2V
继电器
200nA 0mA
日光灯
12V__10W
直流电源
12V（日光灯电源）
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。
R=230Ω R=2.05kΩ R=226.76 KΩ
分压电阻R3、4、5：为了使分压不至过大或过小影响精度，分别取R3=100;R4=200;R5=200.
相对电压是：VR4=28.08v（400*36/500）; VR4v=(36*200/500);
上拉电阻R 8、9：R提供驱动电流，不宜过大，取R=5Ω
限流电阻R1、2、11：R=（比较器输出电压-发光管压降）/发光管额定电流
经计算根据发光二极管1.66v、0.05MA,实际取 R=100kΩ,留有一定余地，另外R6与LED3串联表示系统进出检测状态，为了保证（1.66v、0.05MA）故取R6=6kΩ。

图3-1 方案二电路图

方案二：

1设计思路
(1)传感器选择：选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。
(2)电阻测试：在太阳光直射、室内日光灯、室内黑暗处三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为<=320欧、1.4--3.6k欧、>=15.6k欧。

表3-2-1 不同光照条件下光敏电阻阻值
环境状态
光敏电阻电阻值
太阳光直射
R1=230Ω
室内日光灯
R2=2.05kΩ
室内黑暗处
R3=26.76 kΩ

(3)方案原理图：系统功能描述：考虑到系统的实用价值,确定了光照适宜时的光敏电阻值的范围为1.4--3.6k欧，当光照过强时，LED1点亮，蜂鸣器报警；光照适宜时，LED2点亮；黑暗时，LED3点亮，蜂鸣器也报警。即光照不适宜时就会报警，所以该系统不但可以完成光强的显示、报警，而且可以判断光照是否适宜。
表3-2-2 不同光照条件下的显示状态
环境状态
显示状态
太阳光直射
LED1点亮，蜂鸣器报警
室内日光灯
LED2点亮
室内黑暗处
LED3点亮，蜂鸣器报警
原理框图如下：
数码管显示电路
报警电路
光敏电阻
光敏电阻
信号转换电路
信号处理电路

2设计内容
(1)光照强度的信号采集部分
采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小； 当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。
(2)信号处理部分：
采用集成电压比较器LM358N作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。光强、适宜、黑暗三种光照状态转换为三个电压值V1，V2，V3作为比较器的输入电压；两个比较器设置两个参考电压Vref1，Vref2。工作过程分析如下：光照较强时V1> Vref1>Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时Vref1>V2> Vref2， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0）； 光照黑暗时V3< Vref2 < Vref1 两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V）。这样就完成了从模拟信号到数字信号的转换,显示部分就变得容易了。
(3)光强显示部分
采用数码管管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，所以在输出端加一个上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮。这样三种状态就显示出来了。
（4）光报警部分
采用有源蜂鸣器作为报警器件。电路连接如原理图所示，用两个NPN型BJT三极管的导通来控制报警电路的导通，三极管的导通又受发光二极管导通与否的控制，发光二极管的导通受光照的控制。所以光强就可以控制报警器了，设计方案采用了当光照较强或较暗时报警。工作过程分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮，三极管BJT1被导通，报警电路被导通，蜂鸣器报警；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮，三极管BJT1截止，报警电路也截止； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮，BJT2被导通，报警电路也被导通，蜂鸣器报警。
方案选择：在仿真实验中，当继电器掉电日光灯就会立即熄灭，与设计要求不符且方案一无法用具体数值显示光照强度，所以我们选择方案二继续进行设计。

四、 硬件电路设计与分析
1单片机最小系统
STC12C5A08S2简介：
新一代宏晶芯片具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D转换，25万次/秒1T 8051带总线,无法解密,管脚直接兼容传统89C52,有全球唯一ID号可省复位电路,36-44个I/O内部R/C时钟的新一代宏晶芯片加密性强，解密难度高。
中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。时钟电路。由于频率较大时，三角波、正弦波、方波等波中每一点延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形，该电路用24MHz晶振。如图4-1-1：

图4-1-1
●宽电压：5.5～3.3V，2.2～3.6V（STC12LE5A60S2系列）
●增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能）
●增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP
●低功耗设计：空闲模式,HOLTEK芯片解密，（可由任意一个中断唤醒）
●低功耗设计：掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持上升沿和远程唤醒
●工作频率：0～35MHz，相当于普通8051：0～420MHz

图 4-1-2
光敏电阻的主要特性及参数
（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。
（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。
（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。
（4）在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。
（5）光敏电阻的光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种
类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
（6）光敏电阻的伏安特性
在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。
（7）当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，
电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。
2 光敏电阻接入电路图

图4-2 光敏电阻接入电路
3数码管显示电路

图4-3
4报警电路
采用有源蜂鸣器作为报警器件。

图4-4
5安装调试及测量数据分析
通电、用万用表根据电路图仔细检查各线路连接是否正常。
先是调试单片机部分，DA和运算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483软件通过串口下程序。看是否可以正常下程序。
可以正常下程序时，给51单片机下一个让所有I/0口一会儿输入0，延时，再输出1，以此类推。用万用表测量各I/O口得电压是不是一会儿高，一会儿低。
在单片机报警器和LM358芯片，给单片机下测试程序，通过看数码管输出是否正常。
给单片机下一个完整的程序，分别按下按键，看对应的光照亮度。得到的值是否正常。
五、心得体会 
通过本次课程设计，我对传感器、电路系统设计有了更深的的理解也加强了我的实际动手能力。也第一次这么近距离的了解自动化的含义，了解传感器。接触到我们以后需要使用和进一步了解的程序。不管是电路理论，还是实际应用，经过此次设计后我的能力都有了不少提升。同时在本次课程设计时，也暴露了自己的不少毛病。刚开始的的时候，仿真软件不熟悉但经过两天的摸索，也逐步上手了。通过这几天的努力奋斗，最终做出电路原理图，心里有一种莫名的成就感。在这次课程设计中，我也有很多不足，做事太急。方案的设计没有能实现很多的功能，知识面狭隘，学过的知识遗忘了。我会努力将基础打牢，争取在下一次的课程设计中有新颖的想法，做的东西功能更为全面。平常我们上课学习理论知识有时觉得挺容易的，但一旦自己真正动手设计，才发现自己有很多不足。只有实践才能提高自己的能力，因此我希望有更多类似课程设计。