单片机控制系统光敏检测模块.doc

摘要一电路组成（1）光敏电路模块（2）电机驱动模块（3）温度电路模块（4）显示电路模块（5）电源电路模块二程序设计三系统功能描述（1）光敏检测部分（2）温度检测部分（3）电机驱动部分（4）显示部分摘 要本系统以HT46F49E单片机为核心器件。其主要模块有单片机控制系统，光敏检测模块，电机驱动模块，温度检测模块，电源模块。利用光敏二极管检测光照强度的变化，利用光敏检测模块将电阻变化转化为电压变化，并将电压变化的信号送单片机，单片机通过电机驱动模块控制着电机的正反转实现窗帘的来回移动，并辅以温度检测模块来检测室温，构成一个多功能自动窗帘控制系统。其中,光敏控制模块由光敏二极管和NE555定时器构成，电机驱动模块采用DS2003实现电机的驱动，而温度检测模块采用DS18B20来构成，电源模块实现给整个系统供+5V的电源。经过程序编制，制作电路板和调试，基本达到了我们所期望的系统功能。 关键词：单片机（HT46F49E）、光敏二极管、NE555、DS2003、DS18B20、稳压7805 一电路组成（1）光敏检测模块 1）光敏二极管的构成及原理：光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是相似的。下图是光敏二极管的结构图。在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。 光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如图所示。当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1 * 10-8 - 1X10 -9A(称为暗电流)，此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对O这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。在芯片CA3140中，由光敏二极管经一个电阻为10千欧的电阻连到引脚2，电源经1兆欧的电阻连道引脚3，经引脚6输出连到NE555定时器的引脚2端。 2）555定时器的构成和原理555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 555内部结构及其电路符号在芯片NE555定时器中，通过引脚3、引脚6、引脚7输出高低电平接到单片机，由单片机控制。（2）电机驱动模块 DS2003是著名的SGS公司的产品，比较常见的是16脚MULTIWATT封装的DS2003，内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，VSS电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，但经过我们的实验，Vs电压应该比VSS电压高，否则有时会出现失控现象。下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。 该芯片的核心是H桥电路，H桥式电机驱动电路主要包括4个三极管。通过对角线上的一对三极管的导通情况，电流会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。电机顺时针转动： 电机逆时针转动： 本系统通过光敏检测模块将光信号转化为电平信号输入单片机，单片机通过程序控制实现两个I/O端口在特定时间段向DS2003的IN1,IN2输出高低电平，进而实现对电机的控制。（3）温度检测器模块温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，DS18B20装置适用于人民的日常生活和工、农业生产用于温度测量。由半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。DS18B20的性能特点：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625,内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限，内含寄生电源。 DS18B20内部结构主要由4部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，配制寄存器。DS18B20的管脚排列如图2所示。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，他可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28h）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRCx8x5x41）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.062 5/LSB形式表达.（4）电源模块由于我们在整个电路系统中用到+5V的电压，所以我们用三端稳压块lm7805芯片来制作+5V的电源模块。电路原理图如下： 7805是我们最常用到的稳压芯片了，它的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,它的输出电压恰好为+5v，刚好是51系列单片机运行所需的电压，我们所用的是lm7805,下面我们简单的介绍一下它的3个引脚以及用它来构成的稳压电路的资料。 其中引脚1接整流器输出的正电压，引脚2为公共地(也就是负极)，引脚3就是我们需要的+5V输出电压了。我们考虑到实际的应用环境及用户的接受认可程度，我们用下面的固定式三端稳压器输出电压可调电路来实现+5V的输出。但是在我们制作的过程中用直流+9V来代替输入端的整流器输入。 上图中R1用220，R2用680的这个是用来调节输出电压的。输出电压公式UoUxx(1+R2/R1)，此稳压电路可在512V稳压范围内实现输出电压连续可调节。此三端集成稳压集成电路lm7805最大输入电压为35V，输入输出差需保持2V以上，这样该电路中因为稳压器的直流输入电压是正14V，故该稳压电路的最大输出电压为正12V。此电路的精度一般可达到0.04以上，用lm7805就能满足一般需求了.二程序设计程序流程为： 利用单片机的PB0做光敏检测模块的输入口,PB1做为温度检测模块的输入口，PC为LCD控制端，PA为LCD数据端， PB2-PB5做电机驱动模块的输出口。 当清晨是阳光较强，此时光敏二极管呈现低电阻，相当于接入单片机为低电平，可以通过程序在PB0口输出控制步进电机正转，来关闭窗帘。当窗帘拉合到位后， 滑动触头开关S1被接通，使PB2变为低电平，单片机输出停止，电动机M停转。 当傍晚时光线比较弱，此时光敏电阻呈现高电阻，相当于接入单片机为高电平，可以通过程序在PB0口输出负相脉冲控制步进电机反转，来打开窗帘。当窗帘拉合到位后， 滑动触头开关S2被接通，使PB2变为低电平，单片机输出停止，电动机M停转。 程序流程图如下图所示：三系统方案根据我们的课题要求，设计由光敏检测，电机驱动，温度检测，电源模块等几大部分构成。（1）光敏检测方案利用光敏二极管检测光照强度的变化，利用模拟电路将电阻变化转化为电压变化，将微小的电压变化用CA3140转化为单片机可以识别的高低电平。（2）电机驱动方案 我们采用DS2003芯片。DS2003是著名的SGS公司的产品，比较常见的是15脚MULTIWATT封装的DS2003，内部包含4通道逻辑驱动电路,可驱动额定电压4.5V到36V不等的电机。（3）温度检测方案 我们选用了由半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,经过我们测试，DS18B20对温度反应灵敏，符合我们项目的要求。 （4）显示方案 采用二极管指示当前系统的工作模式为打开或关闭，使得系统可以达到方便操作。系统总体框图如图1所示： 四 项目的特色与创新之处（1）将外部环境的光线变化作为控制电机自动调节窗帘开闭的信号，实现了窗帘的控制自动化。（2）将各种现代家居所必需的防煤气泄漏功能集中到我们的多功能电动窗帘控制系统中，提高了产品