【毕业学位论文】(Word原稿) 研究并开发能够计算物体透光率的电路系统-光信息科学与技术

1 摘 要 本课题研究并开发能够计算物体透光率的电路系统。透光率是物体的参数特性，当外界存在一定光照时，不同物体对光源的透过也将可能不同，例如玻璃、塑料膜、纸张等，这些物体是可见光下能够透光的物体。因此，我们将测量物体在白光下的透光率。另一方面，当同一物体对不同波长的光也具有不一样的透过率，例如我们认为是密致、不透光的物体，在 X 射线、 射线照射下将变得透明。考虑到光源的限制、电路与实验的易操作性，我们将在可见光的范围内研究物体的透光率，将研究长波与短波（红光、绿光、蓝光）的光源照射下物体的透光率。 为了完 成本测量电路系统，我们制作了一个简易暗箱，并在其中放置了自己制作电路板一以及电路板二，主要运用的元件有 片机、光敏三极管、以及 。电路板一上焊接了 源，有四种颜色的 源，分别为白光、红光、绿光、蓝光，光源可通过暗箱外的按钮加以控制。电路板二是光照的接收部件。其上，我们运用光敏三极管来探测光源的信号，将光信号转变为电信号；采用 片机实现了电压信号的数模转换的功能，最终将数值显示在数码管上。在完成测量电路后，我们对两种不同类型的塑料进行了测量，分别测量它们在白光、红光、绿光、蓝光下 的透光率，选择的外环境为白天和黑夜。得到的结论是： 塑料对于红光波长的光波其透过率最高，基本可以达到百分之九十九以上；其他波段的光则在不同的塑料材料中变化较大，且具有不确定性。 基于上述研究内容，本文首先介绍使用的重要元件，将介绍 片机的引脚配置与结构框图，光敏三极管的特性与原理；其后介绍本测量系统的硬件设计与安排，以及软件安排；最后将介绍利用本系统得到的测量结果 。 关键词 ： 光敏三极管 换器 2 目 录 1 前言 . 4 2 主要元器件 . 5 . 5 . 5 脚配置 . 8 构框图 . 9 内部模数转换器 . 10 . 11 光敏三极管 . 12 光敏三极管的结构和工作原理 . 12 光敏三极管的主要技术特性及参数 . 14 其他元器件介绍 . 17 运算放大器 . 17 四位共阳极数码管 . 17 3 系统硬件构成 . 18 设计原理图 . 18 电路模拟图与实物参照 . 19 光敏三极管电路 . 21 复位电路 . 22 晶振电路 . 22 四位数码管显示电路 . 23 4 系统软件构成 . 24 5 设计实物图 . 25 6 设计经验和总结 . 28 光照与电压关系（接受电路部分的测量效果） . 28 不同材料对不同波长的光透过率测量 . 29 致 谢 . 32 参 考 文 献 . 33 3 英文摘要 . 34 附录 A：单片机源程序 . 35 4 1 前言 本课题我们主要是通过制作一个集成 敏三极管等元器件的测量电路来实现对简易物体的光透过率的研究。 根据查阅相关的资料显示， 若材料对可见光各波长的吸收是相等的，光线通过 材料后，光谱组成无变化，白光仍是白光，只是减弱了它 的强度而已。如果材料对光谱内各波长的光吸收不等，有选择性，则由玻璃出来的光线必定改变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光能后，由代能级（ 高能级（ 迁（即从基态向激发态）。当两个能级的能量差（ g， h 为普照朗克常数， v 为频率）等于可见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。 小，吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深（显示的颜色为低波长段的颜色）；反之，能级差 大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。1 而 材料对光的透过性特性 与材料的很多自身因素有关，如颜色、厚度、成分结构等。提供照明的光源其波长的不同 也会导致所测物体的透光率存在一定的差异性。在制作光源时 为了其能提供稳定的光照强度，我们将光源部分电路和测量电路放置在暗箱里面进行操作。这样就很好地避免了外界环境的不稳定干扰。 光源电路由不同颜色的 列组成，利用两节五号电池直接驱动。通过暗箱外的控制按钮可以很好的设置其工作状态。而 作电流小能效高，工作稳定等特性 正适合 为我们提供较为理想的光源。 测量部分则通过利用光敏三极管的光照特性与 位数码管等半导体元器件来完成信号的接受、转换、处理、输出 ，来完成测量物体光透过率测量。电路中多使 用半导体元器件 完成，其核心部分是半导体器件。半导体器件分本征半导体和杂质半导体。由于其结构和制作的特殊性， 具有单向导电性、电流特性、伏安特性和电容效应 ，利用不同的组合和工艺则衍生出我们使用的不同电子元器件。 本文主要以爱特梅尔公司生产的 例，描述其功能及工作原理并结合光敏三极管来实现测量物体光透过率系统。此系统也可以应用于自动照明系统等多方面领域。 根据上述的设计构想，我们 将介绍 片机的引脚配置与结构框图 ，其中对我们电路中主要使用的部分如引脚、 换等做了较为详细的说明。然后再介绍 光敏三极管的特性与原理 ，通过相应的介绍使读者明白其工作方式及优点 ； 再次 介绍本测量系 5 统的硬件设计与安排 ，附录上不同的实物照可让读者更为清晰地知道电路的设计 ， 软件方面则主要通过对程序的 说明来配合硬件使用的 ；最后将介绍利用本系统得到的测量结果 。 2 主要元器件 况 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的 大部分部件： 存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为 微控制器 （ 是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 专用 处理器 发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 随着电子技术的迅速发展，大规模、超大规 模集成电路设计技术和制造工艺的进一步提高，国际上单片机的发展很快，其产品之多令人目不暇接，出现了很多高性能的新型单片机，以适应各个领域的不同需要。 司是目前著名的半导体公司之一。它率先将闪速存储器技术应用于单片机，并推出 列 片机。目前，又推出全新配置的精简指令集 (列单片机。该系列单片机型号多、性能强、效率高、执行速度快、程序可下载和可加密 。而 应了其高端产品市场。 品特性 高性能 、 低功耗的 8 位 处理器 先进的 构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32 个 8 位通用工作寄存器 全静态工作 6 工作于 16性能高达 16 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程 擦写寿命 : 10000 次 具有独立锁定位的可选 码区 通过片上 序实现系统内编程 真正的同时读写操作 512 字节的 写寿命 : 100000 次 1K 字节的片内 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 口 (与 准兼容 ) 符合 准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过 口实现对 丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 /计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器 具有独立振荡器的实时计数器 四通道 8 路 10 位 个单端通道 装的 7 个差分通道 2 个具有可编程增益（ 1x, 10x,或 200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行 可工作于主机 /从机模式的 行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 7 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的 荡器 片内 /片外中断源 6 种睡眠模式 :空闲模式、 声抑制模式、省电模式、掉电模式、 式以及扩展的 式 I/O 和封装 32 个可编程的 I/O 口 40 引脚 装 , 44 引脚 装 ,与 44 引脚 装 工作电压 : 速度等级 0 - 8 0 - 16 13V, 25C 时的功耗 正常 模式 : 1.1 空闲模式 : 掉电模式 : #,a=0; / 定义读取 |=0( 0=0); 0() a=0;/a+; /to 36 /; / 0= 0 0(); / /显示函数 0=0 i; 000; /光照的值的千位数 000/100; /光照的值的百位数 00/10; /光照的值的十位数 0; /光照的值的个位数 i=0;i250;i+) /为避免闪烁，延时显示时间 /显示千位