双面物体的平面特性识别系统的设计毕业论文.docx

双面物体平面特性识别系统的设计摘要随着科学技术的迅速发展，工业自动化进程不断加快，自动化机械不断取代手工、半手工半机械的生产加工过程。很多生产加工领域都要涉及到对双面物体的平面特性的研究区分，而相对于目前其它自动化识别的完备技术而言，对于很多机器零件等双面物体的正反面人工识别，其识别效率一直是提高产量、降低成本的关键。而相对于图像处理和一些物理方法的平面特性识别技术而言，其识别效率确实比较高，但是其硬件成本同样也很高。因此，高效率、低成本的平面特性识别系统是今后的主要研究方向。本课题以识别麻将牌的正反面为例，利用led点阵和光敏电阻点阵来识别麻将牌的正反面（当然还需要其它硬件的配合）。在这个识别系统中，led点阵向麻将牌的正反面发射光线，光线经反射被光敏电阻点阵接收，由于麻将牌的正反面的平面特性不同，光敏电阻点阵所接收到的反射光的强度也会不同，这样就引起光敏电阻的阻值不同，反映在电路中就是光敏电阻两端的电压不同。用adc0809采集电压信号，经a/d转换将电压信号变成数字信号，再将数字信号送入51单片机，单片机就根据事先实验取得的临界参数来判别麻将牌的正反面，通过驱动指示灯进行指示。本课题所设计的识别系统经过实验证明识别效率高、准确性好，而且系统成本低。有着很好的市场应用前景。关键字：平面特性、led点阵、光敏电阻、adc0809、51单片机the design on the recognition system about plane features of sided objectabstract:with the rapid development of science and technology, the process of industrial automation is accelerating .automated machinery constantly replaces the manual and semi-manual production of semi-mechanical process. many areas of production and processing should be involved the characteristics of distinction of right-sided object plane, but with respect to the completeness of the current other automatic identification technology, machine parts, etc. for many-sided positive and negative artificial object recognition, which has been identified to be the key to increase production efficiency and reduce costs . and with respect to the method of image processing and some physical characteristics of a plane recognition technology, its recognition efficiency is actually relatively high, but the hardware cost is also high. therefore, high efficiency, low cost plane feature recognition system is the main future research directions.taking the identification of positive and negative tiles of mahjong for example, i use led dot matrix and photoresistor to identify the identification of positive and negative tiles of mahjong (of course, with the other hardware needed). in this identification system, led dot matrix emit light to the positive side and negative side of mahjong, the reflected light is received by the photosensitive resistor matrix. as the different characteristics between the plane of positive and negative tiles, the photosensitive resistor matrix of the received reflected light intensity will be different, thus causing different photosensitive resistor. using adc0809 to collect voltage signal, the voltage signal collected was translated into a digital signal through the a / d conversion, then put the digital signal into 51scm. scm determine positive and negative of mahjong under the critical parameters acquired from prior experiments, the result is indicated by driving lights.from the show of experiments, the identification system designed has high efficiency, good accuracy, and low system cost. it also has good market prospects.keywords: plane features、led dot matrix、photoresistor、adc0809、51scm1绪论1.1选题的背景如今的生产生活过程中我们经常要对物体的平面特性加以研究区分，现代社会中，由于科学技术日新月异，制造业中大量自动化装备代替了传统的手工业，流水线作业、自动化生产可以说已成为业也必然会成为现在及将来的发张趋势。不管是在机器零件的加工生产车间，还是在对产品的组装加工生产过程中的某个或几个的加工程序中，我们经常需要区分物体的正反面，在生产、自造、加工过程中，对于很多零件的组装，我们要分清零件的正面是哪一个面、反面是哪一个面，只有按正反面的规定将零件统一放置才能组装出合格并且高质量的产品。举两个例子来说，对于滑冰鞋，在目前的滑冰鞋生产过程中，滑冰鞋的轮子需要和轮子内的轴承配套组装才能够做成一个整体，由于在组装过程中有区分轴承正面和反面的必要，现在采用的方法是半机械、半人工的半自动化组装，先用人力分辨轴承的正面和反面，然后全部把轴承的正面向上放置，再利用专门的机械设备来进行组装。可想而知，采用的这种生产方式除了需要大量的人力投入，还需要更多的场地，更多的设备，而且即使如此，尚不能保证生产的效率，这肯定是和现代化的生产要求，成本控制要求相违背的。又如自动麻将机在洗牌的过程中必然要识别每张牌的正反面，然后加以整理来完成本应由人操作的过程。1.2 选题的意义为了区分物体的正反面，目前对物体的平面的特性识别的方法多采用图像处理和物理法识别技术。对于图像处理技术，其主要是用图像处理软件与摄像头结合来对识别对象的一些特性进行分析、分类，过程大体过程为图像获取、图像处理。图像处理技术对所识别对象的平面特性识别可能会比较全面，但是其采用的设备的成本比较高，每提高一个识别精度等级，其设备投入成本会有很大的提升，而且识别过程的时间较长，不适用于快速化的生产应用。除此之外，在像工厂这样的复杂环境中，干扰因素很多，更可能会对图像处理造成干扰，引起结果较大的误差。对于一些物理法的识别技术，要么识别过程缓慢，效率低下，要么成本较高，很少有兼顾成本和效率的物理法识别技术。一个很实在的例子就是目前市场所卖的自动洗牌麻将桌，其所采用的原理大多是利用永磁铁的同种磁极会相互排斥、异种磁极会相互吸引的特性来将麻将牌的正反面识别开来。但是我们还得必须考虑生产成本问题，对于一些特别制做的麻将牌和自动洗牌麻将机，因为使用了很多的永久磁铁再加上特殊的材料，所以他们的生产成本就几乎被相对的推高很多。本课题采用led的光学特性来识别物体的正反面（以对麻将牌的正反面的识别为例），方法较为简单、成本低、识别效率较高，具有很高的现实意义和应用前景。1.3主要研究内容本课题设计的物体正反面识别装置的识别对象是麻将牌，其侧重利用麻将牌的正反面具有不同平整度、不同颜色等物理性对光具有不同反射的特性，辅以光敏电阻来间接检测所接受的反射光的强度。由于麻将牌正反面的反射的光的强度不同，因此光敏电阻的阻值就会随不同光强度而不同，利用adc0809采集光敏电阻两端的电压值，进行ad转换，再使用51单片机对数字信号处理计算，通过驱动红、绿两个发光二级管的点亮判断物体的正反面。红色灯亮表示麻将牌的反面，绿色灯亮表示麻将牌的正面。1.4论文章节安排2系统综述2.1总体方案 本课题中，首先通过led阵列向被检测物发射光线，被识别物的表面会将光线反射回去，此时与led阵列同处一个面板的光敏原件将反射光信号接收下来，信号再经过滤波/数值处理，单片机将所接收值与标准值对比、判断，在通过指示灯来表明物体的正反面。其工作过程如图2.1：图2.1 系统工作示意框图2.2检测过程 该课题中我是将led阵列与光敏元件相结合，其示意图如图2.2所示，考虑到外界环境中的光源会对检测过程产生影响，可以在面板和光敏元件的周围加黑色屏蔽。图2.2 led阵列和光敏电阻阵列示意图运用led的光敏特性识别物体的正反面是在不接触物体的情况下实现的，led光源发射照射光线在一定距离内照射在物体表面上，通过光敏元件对反射光强度的不同来对物体的正反面的表面特性加以区别，从而识别物体的正反面。其检测原理图如下图2.3：图2.3光电探测原理3 平面特性识别的光学原理3.1 红外光简介3.1.1红外线概述太阳光即白光是由各种颜色的光复合而成的，对于这一点，我想现在几乎没有人会去怀疑，这个结论最早来自于牛顿。在1672年，他利用分光棱镜将太阳光解离成各种单色光，例如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。在1800年，英国科学家f. w. 赫胥尔在从热的角度来对各种颜色的光进行研究时，他在无意中发现一个很奇怪的现象，当把温度计放到红光带外面但紧靠红光带的区域时，这支温度计显示的温度读数和其他颜色的光的温度读数相比明显高出许多。为了避免偶然因素、保证结论的准确性，他又反反复复的做了许多组实验，结果都显示出那个热量读数很高的温度较高区域，总是不出意外地停留于光带的边缘位置，这个位置就在红光所处光带的外面。这样他得出结论，即太阳发出的辐射中不仅包含可见光，而且还包含有一种肉眼不可辨的“热线”，这种肉眼不可辨的“热线”的位置停留在红色光所处位置的外围区域，被称之为红外线。这种红外线，又被人们称之为红外辐射，我们说的波长0.781000m的电磁波通常指的就是它。其中波长为0.78 1.5m 的部分称为近红外，波长为1.5 10m的部分称为中红外，波长为101000m的部分称为远红外线。而波长为2.0 1000m的部分，也称为热红外线。具体可参见图3.1：图3.1 光谱分布图事实上太阳光线中含有很多的人眼看不见的光线，红外线只是许多人眼看不见的光线中最为突出的一种，它也是我们所处的周围环境中存在的一种最被熟知的电磁波辐射，在电磁波连续频谱中，位于无线电波与可见光之间的区域就是它所处的位置。红外线辐射是，基于，无论何种物体，其在正常环境中都会自然而然的产生分子和原子杂乱无章的运动，也就是运动的毫无规则而言，这种运动会导致物体永不停息的向外辐射出明显的热红外能量，红外线辐射就是基于这样的原理越由分子和原子带来的这种无规则运动愈是剧烈，其所辐射出来的能量就越多;反过来说，其所辐射出来的的能量就越少。4所用主要元件介绍4.1单片机89c514.1.1 89c51单片机简介首先89c51是一种8位的微处理器，通常被我们简单的称之为单片机。其特点是能够将不同的程序写入、擦出，只要程序的大小在单片机的内存范围之内，具有很高的重复使用性，而且能够满足现在编程的多样性要求。51单片机在工作的时候只需要较低的电压，并且工作时的性能很优秀。值得一提的是单片机内部的只读存储器具有可以擦洗的特性，能够进行将近100次左右的反复的擦洗与写入。这种器件的制造过程利用的是被称之为atmel的存储器加工制造技术，这种技术生产的储存器具有密度高、不容易丢失程序的特点，不但能够与mcs-51指令集（指的是工业标准）兼容，而且还能与51的引脚兼容。采用atmel技术的89c51是一种具有高效性能的微控制器，这是因为在其单独芯片里不仅包含了8位cpu（这种cpu能实现多种功能），而且包含了具有闪烁特点的存储器。89c51还有一种简易版本，89c2051指的就是这个版本。单片机为许多嵌入式控制系统提供的解决方案不仅具有很高的灵活性而且价格低廉，能够节省很多的设备成本。小体积、高性能的单片机也有很多其他称呼，例如“嵌入式微控制器”、“微控制器”、“单片微型计算机”等等。单片机一词的最早来源是出自于英文短语“single chip microcomputer”,也可以简称scm。由于单片机的控制功能随着scm在体系结构和技术上的改进升级而得到不断地拓展，现在使用“嵌入式微控制器”已经不能再简简单单的来表达它的内涵了。随着“mcu”(micro controller unit)的流行开来，国际上已渐渐使用来它来进行替代，这样它就成为最终的统一名词，而这个名词更是单片机学术界所公认的。为了利于国际间的学术交流，中文中“单片机”这个词应该和“mcu”这个英文缩写相对应起来解释。由于“单片机”这个词在国内已经被广泛使用，大家已经约定俗成了，延续以前的使用习惯继续使用也是情理之中的。4.1.2 89c51单片机的基本组成一个微处理器的各个组成部分集成在一小片芯片上。每一片单片机囊括一下几个重要组成部分： a) 微处理器（8位的cpu）一个。b) 规格为128b/256b的数据存储器（片内ram）。用于存放用来读或写的各种数据、复杂及简单运算的各种中间结果以及最终结果、想要显示的各种数据等等。c) 规格为4kb/8kb的程序存储器（片内rom）。其用途是用来存放程序和一些数据，甚至是一些表格。对于像8031与80c31这样的比较特别的单片机，其内部是没有程序存储器的。d) 中断控制系统（5个中断源）。e) 4个并行i/o口（8位，接口p0-p3）。任何一个接口不但可以作为输入，而且可以作为输出。f) 1个串行i/o口，这种i/o口为全双工uart（uatr全名为通用异步接收发送器）。想要实现单片机与计算机以及单片机与单片机相互之间的各种串行通信，就需要借助这个串行i/o口。g) 2个定时器/计数器。如果想要对外部的事件来进行计数的话，我们可以都将定时器/计数器设置为计数模式；如果我们需要定时的话，也可以将定时器/计数器设置为定时模式，并且能够依据定时或者是计数的结果来采用计算机进行实时控制。h) 时钟产生电路和振荡器（片内）。但使用过程中需要外接微调电容以及石英晶体。振荡频率最高只能被允许设定为12mhz。通过内部数据总线，上面所列的51单片机的各个组成部分就被相互连接起来。图4.1展示的内部结构框图简单明了的说明了89c51系列单片机的内部结构图4.1 51单片机的内部结构框图4.1.3 89c51单片机管脚的解释说明我们根据图4.2 来对51单片机的各个管脚进行解释说明，详细如下：图4.2 89c51单片机引脚图vcc：单片机工作时的供电电压接入口，51单片机的工作电压一般为。 gnd：接地，本质是接一个低电位。像这个课题设计的系统采用干电池供电，这个接地点就可以接到干电池组的负极。 p0口：p0口为双向i/o口（8位），p0口的每个引脚能吸收8ttl门电流。所谓高阻输入就是指p1口的引脚第一次写1，当被定义成地址或数据的第八位的时候，p0就可以用在数据存储器（指外部程序）。在进行as编程的时候，p0 口作为输入口以输入原码；在进行as校验时，p0输出原码，由于p0口在89c51单片机的内部没有接上拉电阻，因此p0口外部有必要接上拉电阻以拉高电势，上拉电阻的阻值视具体情况而定。 p1口：p1口也为双向i/o口（8位），其在89c51单片机内部包含有上拉电阻，因此在作为输出口时，外部不需要接上拉电阻。位于p1口的缓冲器能接收或者输出4ttl门电流。p1口引脚写1后，内部就将其上拉为高，这时可以作为输入，在外部将p1口下拉成低电平的时候，那么它就会作为电流输出口。在进行as的编程以及校验的时候，接收第八位地址就可以使用p1口。 p2口：p2口同为双向i/o口（8位），同样的，其在单片机内部也有上拉电阻，在作为输出口的时候，也没有必要外接上拉电阻。位于p2口的缓冲器能接收或者输出4ttl门电流。p2口引脚写1后，内部就将其上拉为高，这时可以作为输入，在外部将p2口下拉成低电平的时候，那么它就会作为电流输出口。当进行外部数据存储器（16位地址）或者是外部程序存储器的存入和取出时，就可以采用p2口。这时高八位的输出地址就可以通过p2口输出。在给出地址“1”时，由于p2口可以利用其内部的上拉电阻优势，当读写外部的地址存储器（8位）时，这时特殊功能寄存器所包含的的内容就可以通过p2口来进行输出。p2口在进行as的校验和编程的时候，其可以接收控制信号和地址信号（高八位）。 p3口：p3口同样也是双向i/o口（8位），同样的，其在单片机内部也有上拉电阻，在作为输出口的时候，也没有必要外接上拉电阻。位于p3口的缓冲器能接收或者输出4ttl门电流。p3口引脚写1后，内部就将其上拉为高，这时可以作为输入，在外部将p3口下拉成低电平的时候，那么它就会作为电流输出口。 p3口还具有和p0p2口不同的特点，51单片机的一些特殊功能口就可以使用p3口，如表4.1所示： 表4.1 p3口的引脚功能引脚口功能p3.0 rxd串行输入口p3.1 txd串行输出口p3.2 /int0外部中断0p3.3 /int1外部中断1p3.4 t0记时器0外部输入p3.5 t1记时器1外部输入p3.6 /wr外部数据存储器写选通p3.7 /rd外部数据存储器读选通rst：作为复位时的输入口。当器件被振荡器进行复位的时候， rst引脚的高电平时间要保持至少两个机器周期。 ale/prog：当对外部存储器进行访问的时候，地址锁存允许的输出电平这时候用来对地址的低位字节进行锁存。在进行as编程的时候，编程脉冲通过这个引脚输入。当高电平时，正脉冲信号从ale端口输出，而且频率周期不变，这个频率是振荡器频率的1/6。也正因为如此，要达到向外输出脉冲或者是定时的目的，就可以采用它。但是必须注意的一点就是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：程序存储器（外部）选通信号。当程序存储器（外部）进行取指的时候，/psen有效会在一个机器周期内出现两次。但是在对数据存储器（外部）进行访问的时候，/psen信号将不可能出现两次有效。 /ea/vpp：如果/ea一直处于低电平，无论程序存储器（内部）是否存在，那么在这个时间段内程序存储器（外部 0000h-ffffh）就会被使用。当/ea端口一直处于高电平的时候，此间内部程序存储器。xtal1：反向振荡放大器输入口（注：也可作为内部时钟工作电路的输入口）。 xtal2：反向振荡器的输出。反向当放大器的输入和输出口分别采用xtal1和xtal2引脚的时候，这种反向放大器可以通过配置成单片机片内部的振荡器。通常采用的是石晶振荡或者是陶瓷振荡。如果要用外部的时钟源来驱动系统中的元器件，就不应该接xtal2引脚。外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入到内部时钟信号，只需要保证脉冲的高电平和低电平能够满足要求，不需要对外部时钟信号的脉宽做出定性要求。 4.2 adc0809简介4.2.1概述 adc0809是a/d转换器，产自美国的半导体公司，采用cmos（complementary metal oxide semiconductor即互补金属氧化物半导体）工艺，特点是采用8个通道，8位逐次逼近。它的内部含有一个多路开关（8通道），它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片4.2.2主要特性 为了简单明了的说明adc0809的主要特性，现利用表4.2进行说明表4.2 adc0809主要特性编号主要特性18路输入通道，8位ad转换器，即分辨率为8位。2具有转换起停控制端。3转换时间为100s(时钟为640khz时)，130s（时钟为500khz时）4单个5v电源供电5模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。6工作温度范围为-4085摄氏度7低功耗，约15mw。4.2.3 adc0809内部结构adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图4.3所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位锁存和三态门、逐次逼近寄存器（sar）等组成。图4.3 adc0809内部结构图示4.2.4 adc0809引脚功能adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图4.4所示。下面用表4.3说明各引脚功能。 图4.4 adc0809引脚图表4.3 adc0809各引脚功能图引脚功能in0in78路模拟量输入端，输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。d0d78位数字量输出端。a/b/c3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ale地址锁存允许信号，输入，高电平有效。sta/d转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动a/d转换）。eoca/d转换结束信号，输出，当a/d转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。oe数据输出允许信号，输入，高电平有效。当a/d转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。clk时钟输入信号线。因adc0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500khz。ref（+）基准电压。vcc电源，单一5v。gnd接地端口。4.2.5 a/d转换原理 对于a/d转换的过程，其实质就是通过取样、保持和量化、编码几个过程把模拟信号转换成为数字格式。其过程可分为大致两个部分：采样与保持和量化与编程.在取样与保持阶段：采样与保持的过程在这个阶段一般是同时完成的，采样-保持电路的原理可以用图5.2来进行说明，该电路一个输入放大器a1、一个电子开关s、一个保持电容ch以及一个输出放大器a2。其中 av1 * av2 = 1，有这个要求是因为一旦s闭合，电路就会立即进入取样阶段，电容器就会充电，只有 av1 * av2 = 1，输出才会等于输入；当s断开的时候，由于来自a2的输入阻抗比较大而且开关理想，我们可以认为ch是没有放电回路的，这样输出电压保持不变。图4.5 取样-保持电路图采样-保持对模拟信号进行的抽样是以均匀间隔进行的，而且在每个抽样运算后，抽样值在足够的时间内保持恒定，这有利于保证a/d 转换器精确转换输出值。在量化与编码阶段：量化所用的方法，通常有舍尾取整法和四舍五入法两种，其过程是先取顶量化单位，量化单位取值越小，量化误差的绝对值就越小，这里就不对其具体过程做详细介绍了。将量化后的结果用二进制码表示叫做编码。4.2.6 a/d转换的技术指标a/d转换的技术指标主要从分辨率和转换时间两方面来看。a)分辨率。分辨率顾名思义就是a/d转换器对输入信号的分辨能力，理论上，n位a/d转换器的分辨精度为满量程的1/2n 。也就是说，在给定参考电压时，输出的位数越多，量化的单位就会越小，分辨率也就会越高。adc0809是8位的，a/d转换器所能分辨的最小电压输入信号为19.53mv。b)转换时间。按其工作原理，a/d转换器可以分为双积分型、逐次逼近型和并联比较型。这三种型号的特点分别是：双积分型的转换速度慢，但是其抗干扰能力强；逐次比较型转换速度适中，为us级；并联比较型转换速度快，可达ns级，但抗干扰能力较弱。adc0809是逐次比较型的，当时钟为640khz时，adc0809的转换时间为100s；当时钟为500khz时，adc0809的转换时间为130s。4.3 光敏电阻4.3.1光敏电阻的工作原理 光敏电阻又常常被人们称之为光导管，通常用硫化镉作为其制作材料，另外还有一些光敏电阻采用硒、硫化铋以及硫化铅等材料。这些制作所使用的材料在光（特定波长）的照射下，它的阻值会迅速的减小。这种特性的产生原因在于光照产生的都会参与到这些光敏材料的导电，加之电场作用，载流子会作漂移运动，其结果就是电子向电源的正极聚集，空穴向电源的负极聚集，这样就造成了光敏电阻器阻值自然而然的的迅速下降。入射光强，电阻就相应减小；入射光弱，电阻就相应增大。入射光一旦消失，光子激发产生的电子空穴对就会复合，那么光敏电阻的阻值自然就会恢复到初始状态。如果用光线照射光敏电阻时，光敏电阻阻值就会降低，这时将电压加到光敏电阻两端的金属电极，便有电流通过光敏电阻，而且电流会随着光照强度的增加而相应变大，这样就实现了光电转换。光敏电阻的一个优点就是没有极性，可以把它当作一个电阻器件，在实际使用的时候对于两端所加电压没有限制，既可以是直流电压，也可以是交流电压。 4.3.2 光敏电阻的结构正常情况下，为了能够吸收更多的光能，薄片结构成为光敏电阻器制作的主流选择。前面已经说过，当光照射到光敏电阻上时，电子空穴对就会在半导体片的光敏层内被激发出来，参与导电，这样的话电路中电流就会相应增强。为了增加光敏电阻的灵敏度，梳状图案就成为光敏电阻电极的常用选择，这种梳状图案是由金或铟等金属在一定的掩膜下蒸镀到光电导薄膜上形成的。我们常见的光敏电阻器结构如图4.5所示。图4.5光敏电阻实物图（左）与结构图（右）4.3.3 光敏电阻参数特性根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。光敏电阻的主要参数如表4.5所示。参数参数特性光电流/亮电阻光敏电阻器在一定的外加电压下，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。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。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。其主要受光敏电阻制作材料、制作工艺等方面影响。光谱响应光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。光照特性随着光照强度增加，光敏电阻阻值开始迅速下降。若进一步增大光强，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。伏安特性曲线伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件，简单的来说，其伏安特性就是光电流随外加电压的增大而增大。温度系数光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。额定功率额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。4.3.5 光敏电阻用途 性质决定用途，光敏电阻对光的敏感性使得其在光控制、光测量以及光电转换等领域得到广泛的应用。对紫外线敏感的光敏电阻（紫外光敏电阻器），主要用来探测紫外线。对红外线敏感的光敏电阻（红外光敏电阻器）广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。对可见光敏感的光敏电阻主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。5 前期实验与部分参数的确定5.1前期实验在搭建系统之前，为了选取led点阵和光敏电阻点阵与麻将牌之间合适的垂直距离，我搭建了一个很小的点阵模块，如图5.1所示，其中圆形的代表红外二极管，六边形代表光敏电阻。图5.1led与光敏电阻的微模块上图中每个二极管的工作电流都是20ma，在这种情况下给这个小模块加上黑色屏蔽层（防止外界光线的影响），点亮四个二极管，麻将牌位于这个小模块的正下方，测到如表5.1所示的数据：（麻将牌的正面指带有刻纹花色的那面，间隔柱就是将电路板隔开的带螺纹铜质柱，这里用的每节长为4.3cm。）表5.1几种情况下的光敏电阻阻值麻将牌与图5.1所示的微模块之间的垂直距离光敏电阻阻值（k）麻将牌正面向上麻将牌反面向上一节间隔柱31.5245.49两节间隔柱42.2860.78三节间隔柱67.1474.56从上表中的数据可以看到在两节间隔柱的距离下，麻将牌正反面所对应的光敏电阻的阻值的差值最大，最有利于区分麻将牌的正反面。为了将麻将牌的面尽可能的覆盖，我采用了图5.2所示的点阵布局，这个布局在电路板上的面积大于麻将牌的正（反）面的面积。图5.2led与光敏电阻点阵其中用了30个二极管，20个光敏电阻，每5个光敏电阻并联成一组，之所以采用并联方式是为了放大麻将牌正反面所对应的光敏电阻的阻值差距。每个红色发光二极管的工作电流设置为20ma，为了避免周围光线对光敏电阻阻值的影响，同样在进行麻将牌的正反面的实验时，要在外部加黑色屏蔽层。将led点阵正下方的区域划分为如图5.2所示的6个块，每个块就是麻将牌的放置位置。图5.3led点阵正下方区域的划分将led点阵点亮，测量麻将牌放置在不同位置时，麻将牌正反面所对应的4组光敏电阻阻值，得表5.2。表5.2 不同位置时麻将牌正反面对应的光敏电阻阻值麻将牌放置情况（光敏电阻）各通道的电阻（）1234正面向上位置123456反面向上位置123456从表5.2中的数据可以看出，无论麻将牌放置在什么位置，如果正面向上放置，4通道的光敏电阻阻值总会有一组的阻值低于10k，如果反面向上4通道的光敏电阻阻值没有低于10k的。adc0809为八位a/d转换器，其精度为输入为05v时，分辨率为其中： a/d转换器的满量程值 adc的二进制位数量化误差为我在每组光敏电阻上串联一个20k的电阻，如图5.4所示，into0into3为四个电压信号采集点，如果用临界的10k光敏电阻阻值来识别麻将牌的正反面，那么电压信号采集点的临界电压为：则当4路电压信号中一旦有高于设定的临界电压值u，就说明是麻将牌的正面。反之如果4路电压信号全部小于设定的临界电压值u，这说明为麻将牌的反面。将这个电压信号转换为二进制数表示的数字信号，则这个临界二进制数所表示的数的大小为： 在编写程序时，取d=170。图5.4光敏电阻点阵6 硬件电路6.1 电源模块本来可以用实验室中的直流电源供电器或者我们平时给电子产品充电所用的直流充电器来给系统供电，但是考虑到携带的方便性、避免必须在有电的地方的制约，在本课题中我就采用了四节干电池为led点阵供电，又采用lm7805获得5v稳压源为51单片机、adc7805、光敏电阻点阵供电，电路如图6.1所示： 图6.1电源模块其中如图所示，我把1位置标记为5v的vcc，把2位置标记为gnd，以作为后面的单片机、0809芯片的供电点和接地点。6.2点阵模块 点阵模块a：led点阵。我所用的发光二级管的规格为直径3mm的红色发光二极管，共用了30个，3个串联组成一组，预设二极管的工作电流20ma,则其对应的硬件电路图如6.3所示：图6.2 led点阵 点阵模块b：光敏电阻点阵。共用了20个光敏电阻，5个串联成一组，电路图6.4所示：其中into0into3为四通道的电压信号采集点。图6.3 光敏电阻点阵 对于图5.3中四个20k电阻的选取，其根据来自前期的数据测量，前期我只搭建了led与光敏电阻的点阵，进行麻将牌在不同位置时每组光敏电阻的电阻值在电路图中，为了避免将光敏电阻点阵和led点阵画在一块造成混乱，故将两个点阵模块分开来画，实际示意图如图6.4所示：图6.4两种点阵的实际排列示意图其中原点代表发光二极管，六边形代表光敏电阻。实际形势如图6.5所示：6.3 adc0809与51单片机的接口 本题中adc0809与51单片机的接口选用中断接口方式，51单片机提供adc0809的时钟信号（adc0809无片内时钟），adc0809内部设有地址锁存器，通道地址由单片机的p1口和接地点相组合，然后再与与adc0809的a b c 相连。通道地址为0000h0007h。对应关系如表6.1所示：表6.1adc0809输入通道地址地址码通道选择abc000in0100in1010in2110in3001in4101in5011in6111in7由于adc0809无片内时钟，时钟信号时可由单片机的ale信号经d触发器二分频后获得。ale引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6.该题目中单片机时钟频率采用6mhz，则ale输出的频率是1mhz，二分频后为500hz，符合adc0809对频率的要求。由于adc0809内部没有地址锁存器，所以通道地址有p0口的低3位直接与adc0809的a,b,c相连。通道基本地址为0000h0007h。控制信号：将p2.7作为片选信号，在启动a/d转换时。由单片机的写信号和p2.7控制adc的地址锁存和启动转换。由于ale和start连在一起，因此adc0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和p2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为oe信号用一打开三态输出锁存器。adc0809与51单片机的接口电路如图所示：本课题所搭建的系统中的a/d转换模块电路图如图6.6所示，其中int0、into1、into2、into3为四通道数据采集口（四通道是由光敏电阻点阵的四行并联排列决定的，后面将会详细说明），输入05v的电压模拟量，这四个数据采集通道分别采用adc0809的26、27、28和1管脚。8位数字量的d0d7输出端接到51单片机的p2口，a/d转换启动信号输入管脚st接到adc0809的地址锁存管脚ale与单片机的一管脚，a/d转换结束信号管脚eoc接到51单片机的2管脚，数据输出允许信号输入口oe接到51单片机的2管脚，时钟信号口clk接51单片机的4管脚，地址线a、b、c分别接51单片机的5、6管脚和接地， verf分别接+5v和地。图6.6 adc0809与51单片机的接口电路图5.4触发端、振荡源和复位电路 触发端在该系统中指的是当系统上电工作时，按下开关s指示麻将牌正反面的指示灯点亮，再按一下s，指示灯熄灭，增加了系统的操作性。单片机振荡电路的振荡周期和时钟电路的时钟周期决定了cpu的时序。复位电路的复位方式为上电外部复位，复位电路就是让系统回到初始状态。如图6.7所示：（从左到右依次为触发端电路、振荡源电路和复位电路）图6.7触发端、振荡源和复位电路7软件设计7.1 系统框图 硬件电路和软件相结合起来实现整个系统的目标功能，完成硬件后，相应的软件结构和功能也就基本明确下来了。该系统中的软件大致可分为三块，一是数据采集模块，用来采集四个通道的数据;二是模数转换模块，将采集到的数据进行模数转换，把采集到的电压信号转换为数字信号并送入到单片机中；三是判断模块，单片机进行数据处理判断麻将牌的正反面。如果是正面，通过p1.7口驱动绿色发光二极管点亮，如果是反面，通过p1.6口驱动红色发光二级管点亮。三个模块相互协调、配合实现系统的软件功能，可以说是硬件系统的血液和神经网络。 系统的工作过程如下4.2 软件设计流程图 开始是ad-data0170否 是ad-data1170否是ad-data2170否是ad-data3170否红色发光二极管点亮绿色发光二级管点亮结束4.3 数据采集和ad转换的程序 /*ad转换函数*/void ad()adda=0; /选择通道in0addb=0; /选择通道in0st=0;delay(1);st=1; /上升沿锁存器记住地址。delay(1);st=0; /下降沿开始模数转换while(0=eoc); /等地数模转换完成oe=1;/启动单片机读取8位转换结果ad_data0=p2;/将读取结果存在该数组内oe=0;/关闭单片机读adda=1; /选择通道in1addb=0; /选择通道in1st=0;delay(1);st=1; /上升沿锁存器记住地址。delay(1);st=0; /下降沿开始模数转换while(0=eoc); /等地数模转换完成oe=1;/启动单片机读取8位转换结果ad_data1=p2;/将读取结果存在该数组内oe=0;/关闭单片机读取adda=0; /选择通道in2addb=1; /选择通道in2st=0;delay(1);st=1; /上升沿锁存器记住地址。delay(1);st=0; /下降沿开始模数转换while(0=eoc); /等地数模转换完成oe=1;/启动单片机读取8位转换结果ad_data2=p2;/将读取结果存在该数组内oe=0;/关闭单片机读取a