1、传感器综合设计实训(论文)说明书题 目： 光敏电阻检测光照亮度 院 （系）： 力学与光电物理学院 专 业： 应用物理学 姓 名： 江运 学 号： 2014305066 指导教师： 李洋 2012 年 6 月 20 号桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 1 页 共 2 页1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
2、度等级，用蜂鸣器来做报警电路。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；单片机桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 2 页 共 2 页2Abstracts This design is entitled to the photoresistor to meas
3、ure 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 and the light inten
4、sity 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 circuit design principles
5、 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 use of them. AD of
6、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 resistance; MCU桂林电子科技
7、大学训（论文）报告用纸 第 1 页 共 1 页1目 录引言 11.系统概述 .11.1 设计要求 11.2 方案设计 .21.2.1 方案说明 .21.2.2 方案论证 .22.硬件电路设计与分析 .32.1 单片机最小系统 .32.2 光敏电阻的主要特性及参数 .52.3 光敏电阻接入电路图 .62.4 数码管显示电路 .72.5 报警电路 .73.软件设计 .83.1 主程序 .83.2 安装调试及测量数据分析 .93.3 出现的问题与解决的方法 .94.实训的心得体会 .10致谢 11参考文献 12附录 13桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 1 页 共 13 页1引言光照强度自动检
8、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示值，就能简单的显示出不同的光强了。1 系统
9、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. 含各种元件参数的计算过程或依据 2. 选定最接近计算
10、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）完成课程设计报告桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 2 页 共 13 页21.2 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，LE
11、D2 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。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、
12、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：桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 3 页 共 13 页3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
13、器的输出电压分别为（ 5V，0V） ；光照适宜时 Vref1V2 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
14、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
15、，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。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/
16、C 时 钟 的 新 一 代 宏 晶 芯 片 加 密 性 强 ，解 密 难 度 高 。桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 4 页 共 13 页4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。如下图：EA/VPP31XATL119 XATL218RESET9RD P3.717 WR P3.616INT0 P3.212
17、INT1 P3.313T0 P3.414 T1 P3.515P1.0(T2)1 P1.1(T2EX)2P1.23 P1.34P1.45 P1.5(MOS)6P1.6(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) 28
18、PSEN 29ALE/PROG30(TXD)P3.1 11(RXD)P3.0 10VCC40GND20U18051Y112MHzC130PFC230PFR010KVCCS2 ResetVCC+C3AD0123456789101112spl1l2l3123J2CON3光光光光光光光图 2 主控电路图宽电压：5.53.3V，2.23.6V（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
19、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：035MHz，相当于普通 8051：0420MHz桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 5 页 共 13 页5图 3 单片机内部接入2.2 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
20、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桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 6 页 共 13 页6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
21、 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
22、的场合。 2.3 光敏电阻接入电路图32184U2ALM358VCCR1510KD4PHOTOR1710KR141KVCCR164.7KR191KC447pAD0光光光光光VCCR1810K图 4 光敏电阻接入电路桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 7 页 共 13 页72.4 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桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 8 页 共 13 页83 软件设计软 件 设 计 上 ， 根 据 功 能 分 了 几 个 模 块 编 程 。 模 块 主 要 有 ： 主 程 序 模 块 、检 测 光 度
23、 模 块 ， 比 较 光 亮 度 模 块 。3.1 主程序NO NOYES YES图 7 主 程 序 的 流 程 框 图开始光强度检测检测所得电压进行AD 转换AD 转换值小于 40AD 转换值小于70绿色 LED 亮，光强度弱黄色 LED 亮，光强度适中红色 LED 亮，光强度强，蜂鸣器报警结束桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 9 页 共 13 页9应 用 Keil 进 行 软 件 仿 真 开 发 的 主 要 步 骤 为 ： 编 写 源 程 序 并 保 存 建 立工 程 并 添 加 源 文 件 设 置 工 程 编 译 /汇 编 、 连 接 ， 产 生 目 标 文 件 程 序 调试 。
24、成 功 编 译 /汇 编 、 连 接 后 ， 选 择 菜 单 Debug-Start/Stop Debug Session(或 按 Ctrl+F5 键 )进 入 程 序 调 试 状 态 ， Keil 提 供 对 程 序 的 模 拟 调 试功 能 ， 内 建 一 个 功 能 强 大 的 仿 真 CPU 以 模 拟 执 行 程 序 。 Keil 能 以 单 步 执 行(按 F11 或 选 择 Debug-Step)、 过 程 单 步 执 行 (按 F10 或 选 择 Debug-Step Over)。 如 果 发 现 程 序 有 错 ， 可 采 用 在 线 汇 编 功 能 对 程 序 进 行 在
25、线 修 改(Debug-Inline Assambly)， 不 必 执 行 先 退 出 调 试 环 境 、 修 改 源 程 序 、 对工 程 重 新 进 行 编 译 /汇 编 和 连 接 、 然 后 再 次 进 入 调 试 状 态 的 步 骤 。 对 于 一 些必 须 满 足 一 定 条 件 (如 按 键 被 按 下 等 )才 能 被 执 行 的 、 难 以 用 单 步 执 行 方 式进 行 调 试 的 程 序 行 ， 可 采 用 断 点 设 置 的 方 法 处 理 (Debug-Insert/Remove Breakpoint 或 Debug-Breakpoints等 )。3.2 安装调试及
26、测量数据分析3.2.1 通 电 、 用 万 用 表 根 据 电 路 图 仔 细 检 查 各 线 路 连 接 是 否 正 常 。3.2.2 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 。3.2.3 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 ，
27、一 会 儿 低 。3.2.4 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 。3.3 出现的问题与解决的方法3.3.1 调 试 单 片 机 的 串 口 时 ， 发 现 不 能 正 常 的 下 程 序 。 我 想 可 能 是 单 片 机坏 了 借 了 一 块 学 习 板 测 试 了 一 下 单 片 机 芯 片 ， 发 现 可 以 正 常 下 载 。 这 说 明 很可 能 是 我 单 片 机 的 引 脚 可 能 出 现 焊 接 问 题 。 有 可 能 哪 个 引 脚 虚 焊 或 假 焊 了 。我 仔 细
28、 查 看 了 电 路 图 于 是 我 将 电 路 板 重 新 加 焊 一 遍 。 终 于 可 以 正 常 下 载 了 。3.3.2 开 始 写 的 测 试 程 序 输 出 的 数 据 误 差 很 大 。 我 想 可 能 是 光 敏 二 极 管这 一 模 块 出 现 了 问 题 ， 于 是 不 断 的 排 查 和 检 测 。 最 终 还 是 被 我 弄 好 了 。3.3.4 尽 可 能 的 让 电 路 板 做 到 很 完 美 ， 调 节 好 各 级 的 电 阻 让 实 验 结 果 精 确 。刚 开 始 报 警 声 音 很 小 。 这 也 是 要 检 测 和 排 查 修 改 的 范 围 。3.3.
29、5 测量仪器：示波器;直流稳压电源 ;万用表。桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 10 页 共 13 页104 实训的心得体会我认为设计此装置可以让我们得到适宜的光照，便于调节。可以用于大棚蔬菜的培养，路灯的控制，汽车的在夜间行驶时突遇强光照射司机的眼睛等问题。当汽车行驶时，光照很强照在司机的眼睛上时，光敏电阻可在到达司机眼睛之前感受到光照增强此时可将报警装置改为一个自动放下虑光板，可以保护眼睛同时可以避免交通事故的发生。此装置用于路灯的控制，因为冬夏的日照不同，此装置可根据亮度的不同控制路灯，这样一来可以节省资源同时可以在最需要的时候开启路灯。通过本次课程设计，我对传感器、电路系统设计有
30、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，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
31、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。桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 11 页 共 13 页11致谢在此，我特别要感谢我的指导老师。王守华、李秀东、童有为、胡机秀老师他们学识渊博，专业精通，对事业怀着深厚的感情；他诲人不倦，与同学们保持着良好的沟通并经常给予科学的指导和热心的勉励。就本设计而言，从提纲、草拟、修改到最后定稿，老师都给予了一而再、再而三的精心指导，每个环节都凝结老师努力的付出和辛劳的汗水。毋庸讳言，老师的道德文章将成为我人生的座标和里程碑。 开始
32、老师指导我们课题方案设计，在选题以及研究设计方法上给予的悉心指导，使我尽快理清思路，通过请教老师以及查找资料使我较快的完成了对软件的编程及调试和顺利完成了论文写作。整个实训内容都是在老师悉心指导下完成的，老师严谨的治学作风、求实的工作态度使我受益匪浅，更重要的是从老师身上学到了对待任何事情的那种精益求精和一丝不苟的精神和态度，特别是在王守华老师的身上我学到了一种思维的扩展。在本次实训中，我遇到了很多难题，然而这些难题让我不断的学习，在困难中进步，本次实训同学们帮了我很多忙，通过同学之间的相互帮助，我更加顺利地完成了本次实训，在此感谢我的同学朋友们！我要感谢学校给我们提供实训的机会我要感谢学校给
33、我们提供实训的机会，感谢指导教师对我的教导，我还要感谢给予我很多关心和帮助的同学们，你们对我的关爱让我深深感受到了生活的美好，谢谢你们一直以来给予我的理解、鼓励和支持，你们是我不断取得进步的永恒动力。桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 12 页 共 13 页12参考文献 1王贤勇,赵传申，单片机原理与接口技术M.北京:清华大学出版社, 2010 2杨拴科，模拟电子技术基础J.北京：高等教育出版社，2010 3李元庆，电路基础 M.广东:华南理工大学出版社, 2007 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, 2002 5蒋延彪.单片机原理及应用M.重庆:重庆大学出版社, 2003 6胡汉才.单片机原理及系统设计M.北京:清华大学出版社, 2002 7丁镇生.传感器及传感技术应用M.北京:电子工业出版社,2000.桂林电子科技大学训（论文）报告用纸 第 13 页 共 13 页13附录：图 8 总原理图图 9 PCB 图
