1、新型传感器 课程设计论文 研究课题 传感器原理及应用 论文题目 光敏传感器测量光强度 学 部 机电与信息工程学部 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 2015 年 5 月 20 日 二号黑体加粗居中号）光敏传感器测量光照强度设计摘 要；本设计题目是光敏电阻测量光照强度，用光照的强弱来改变光敏电阻的阻值大小，从而使输出电压值改变，通过测量输出电压值的大小就可以间接的测量光照的强度了。本设计有光照强度报警控制系统和光照强度等级显示电路以及光照亮度的显示。本设计采用了 STC 单片机为主控制电路，用数码管显示光照强度值，用绿、黄、红 LED 来显示光照亮度等级，用蜂鸣器来
2、做报警电路。本设计电路各个部分电路的设计原理及功能都能实现，要求对各种基本的电子元器件，电阻、电容、二极管、三极管等熟悉，掌握 Proteus 仿真软件的运用、Protel 99 SE 工具软件等绘图软件，并加以运用。用单片机内部的 AD转换实现模拟转化为数字量，通过编程控制各个外围电路并实现其功能。本设计具有有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等特点。关键词：光照强度；光敏电阻；单片机 Design of illumination intensity for photosensitive sensorAbstracts ：This design is entitled to the ph
3、otoresistor to measure light intensity, the strength of the light to change the photosensitive resistor size, so that the output voltage changes, by measuring the size of the output voltage value can be indirectly measuring the light intensity. The design of the light intensity alarm control system
4、and the light intensity level display circuit and illumination brightness of the display. This design uses the STC microcontroller-based control circuit, digital display light intensity, light green, yellow, red LED display brightness levels, to do with buzzer alarm circuit. The design of the circui
5、t design principles and functions of various parts of the circuit can achieve, requiring a variety of basic electronic components, resistors, capacitors, diodes, transistors and other familiar and master the use of Proteus simulation software Protel 99 SE software tools such as mapping software and
6、use of them. AD of the internal microcontroller to convert analog into digital, programmed to control the various peripheral circuits and to achieve its function. The design of the circuit is simple, compact, low cost, superior performance characteristics.Key words：Light intensity; photosensitive re
7、sistance; MCU引言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。该设计可分为三部分：即光照检测部分、信号处理部分、光强显示部分。还可加上报警部分。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。对于显示部分可利用数码管来显示，不同的光强对应于不同数码管显
8、示值，就能简单的显示出不同的光强了。1 系统概述1.1 设计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
9、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（6）仿真调试方案（7）给出系统整机电路图。（8）完成课程设计报告1.2 方案设计1.2.1 方案说明(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：在室外太阳光强照射下、室内适宜光照下、室内昏暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为=15.6k欧。(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，LE
10、D3 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。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 信号处理电路图 1 原理框图1.2.2 方案论证(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
11、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 Vref1Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时 Vref1V2 Vref2， 两个比较器
12、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）
13、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
14、，BJT2 被导通，报警电路也被导通，蜂鸣器报警。2 硬件电路设计与分析2.1 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
15、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。如下图：EA/VPP31XATL119 XATL218RESET9RD P3.717 WR P3.616INT0 P3.212 INT1 P3.313T0 P3.414 T1 P3.515P1.0(T2)1 P1.1(T2EX)2P1.23 P1.34P1.45 P1.5(MOS)6P1.6(
16、MISO)7 P1.7(SCK)8P0.0( AD0) 39P0.1( AD1) 38P0.2( AD2) 37P0.3( AD3) 36P0.4( AD4) 35P0.5( AD5) 34P0.6( AD6) 33P0.7( AD7) 32P2.0( A8) 21P2.1( A9) 22P2.2(A10) 23P2.3(A11) 24P2.4(A12) 25P2.5(A13) 26P2.6(A14) 27P2.7(A15) 28PSEN 29ALE/PROG30(TXD)P3.1 11(RXD)P3.0 10VCC40GND20U18051Y112MHzC130PFC230PFR010KVC
17、CS2 ResetVCC+C3AD0123456789101112spl1l2l3123J2CON3光光光光光光光图 2 主控电路图2.2 光敏电阻的主要特性及参数1)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。2)光敏电阻的伏安特性测量图 1 光敏电阻伏安特性测试电路（1）按原理图 1 连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及
18、转接盒插在九孔板中，电源由 DH-VC3 直流恒压源提供。（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压 U 为+2V 、+ 4V、+6V 、+8V、+10V 时 5 个光电流数据，即 ,同时算出此时光KIRph0.1敏电阻的阻值 。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行 56phRIU次不同光强实验数据测量。（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。46.8 315.7 1099 2688.9 5436.72 0.056 0.203 0.404 0.614 0.8104 0.113 0.412 0.830 1.25
19、1 1.6436 0.174 0.621 1.245 1.874 2.4578 0.232 0.831 1.670 2.505 3.28110 0.290 1.040 2.088 3.139 4.103光 强 （ lx)UR(V)U(V)光 敏 电 阻 伏 安 特 性 曲 线0123452 4 6 8 10U(V)I(mA)46.8Lx317.5Lx1099Lx2688.9Lx6436.7Lx由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。2.3 光敏电阻接入电路图32184U2ALM358VCCR1510KD4PHOTOR1710K
20、R141KVCCR164.7KR191KC447pAD0光光光光光VCCR1810K图 4 光敏电阻接入电路2.4 数码管显示电路图 5 数码管电路2.5 报警电路采用有源蜂鸣器作为报警器件。图 6 光报警电路和光显示电路3.1 安装调试及测量数据分析3.1.1 通 电 、 用 万 用 表 根 据 电 路 图 仔 细 检 查 各 线 路 连 接 是 否 正 常 。3.1.2 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 。3.1.3 可 以 正
21、 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 。3.1.4 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 。3 实训的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
22、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，如设计过程中缺乏规范化，标准化，仿真软件不熟悉等。刚开始的的时候，Protel 完全不会，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。参考文献 1李科杰，现代传感技术 2王雪文 张志勇，传感器原理及应用3李元庆，电路基础 M.广东:华南理工大学出版社, 4戴梅鄂,史嘉权.微型计算机技术及应用M.北京:清华大学出版社,5蒋延彪.单片机原理及应用M.重庆:重庆大学出版社, 6胡汉才.单片机原理及系统设计M.北京:清华大学出版社, 7丁镇生.传感器及传感技术应用M.北京:电子工业出版社,.
