简易照度计的设计

1、本本科科毕毕业业设设计计（论论文文）( 2015 届届 )题 目： 简易照度计的设计 专 业： 电子信息工程 班 级： 电工本一 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 副教授 完成日期： 2015 年 4 月 20 日 摘摘 要要在科技技术极速发展的现在，自然界所存在的一些物理特性，我们总能找到测量他们的方法，如温度、湿度、力度、速度或者声音甚至是光亮度，曾经的我们只能用手、耳朵、鼻子或者是眼睛这些器官去感受，去观察，去研究他们的规律以及生活中的功能，但这些方法总是笼统的，而现在，通过对应的传感器，我们就能将这些物理特性具体化，数据化，信息化，为我们的研究带来科学化的指导。就如照度计的诞生

2、，就能把看得到却摸不到的光数据化，让我们不再是用某个形容词去概括光的亮度，而是用数据更加形象化的体现。本设计采用光敏电阻作为光传感元件，依据光敏电阻特性：其阻值随着光照强度的变化而变化（入射光强度增大，电阻减小；入射光强度减小，电阻增大） ，结合光敏电阻的光照特性，简易的完成对光的大小测量。本设计电路结构简单，成本低，操作简单，能够简单的对光强度进行测量。关键词：关键词：传感器；光敏电阻；光强度；AbstractSpeed evelopment of technology in science now , some of the physical characteristics that ex

3、ist in nature , we can always find their way to measure , such as temperature , humidity , intensity , speed or sound even brightness, once we can only hands , ears, nose or eyes, these organs to feel, to observe, to study law and their life functions , but these methods are always vague , And now ,

4、 through the corresponding sensor , we will be able to these specific physical characteristics , data , information , guidance for us to bring scientific research . As the birth of illuminance meter , will be able to see but not touch -based optical data , so we are no longer an adjective used to su

5、mmarize the brightness of light , but with the data more figurative expression.The design uses a photosensitive resistance as the light sensor , based on a photosensitive resistance characteristics : its resistance with changes in light intensity changes ( incident light intensity increases, the res

6、istance decreases ; the incident light intensity decreases, the resistance increases ) , combined photoresistor illumination characteristics , light and easy to complete sizing . The design of the circuit structure is simple, low cost , simple operation, the light intensity can be easily measured.Ke

7、y words：corresponding sensor ；photoresistor；light intensity；目目 录录1 绪论.- 1 -1.1 前言.- 1 -1.2 照度计研究的意义及应用.- 1 -1.3 任务目标.- 1 -1.4 设计的主要工作.- 2 -1.5 本文的主要内容.- 2 -2 简易照度计的硬件设计.- 3 -2.1 中央处理器 STC89C52.- 3 -2.2 光线采集模块.- 4 -2.2.1 光敏电阻.- 4 -2.2.2 模数转换器 ADC0832 芯片.- 4 -2.3 显示模块.- 5 -3 简易照度计的软件设计.- 6 -3.1 主程序的设计

8、.- 6 -3.2 子程序设计.- 7 -3.2.1 ADC0832 芯片子程序.- 7 -3.2.2 数据显示处理子程序.- 8 -4 硬件检查、仿真调试、结果分析.- 9 -4.1 软件调试.- 9 -4.2 硬件检查.- 9 -4.3 结果分析.- 9 -4.3.1 “查表法”.- 9 -4.3.2 线性拟合法.- 10 -4.3.3 非线性分段拟合.- 10 -5 结 论.- 13 -致谢.- 14 -参考文献.- 15 -附录原理图.- 16 -附录元件清单.- 17 -附录 程序.- 18 -1 绪论绪论1.1 前言前言光存在于宇宙的各个角落，与人们的日常生活息息相关。从古至今，光

9、就存在于那里，看得见，而却摸不着，感觉得到，但却触摸不到。曾经的我们只能用眼睛去看，感受这它亮暗的的变化，从暗淡到刺眼，我们只能用生活中的感觉来体会它的大小，直到现在我们对它才有了数据化的研究，这代表着我们现在科学技术的进步，时代的进步。1.2 照度计研究的意义及应用照度计研究的意义及应用古往今来，人们日出而作，日落而息，光照无不时刻影响着人们的生活。充足的光照，可以为人们照亮周边的实物，为人们指引正确的道路，避免着危险的发生，为人们带来足够的视野，保护着人们远离危险。而过暗的光照，则会引起人们眼睛的疲劳，导致事故的诞生，各种危害的降临。因此，在一个合适的光强度下工作或者学习，则成为了人们生活

10、必不可少的要求。在人们的日常生活中，为了保护人们身体的健康，很多室内的公共场所都有对亮度的要求，学校教室、医院病房、工厂办公室等等，国家制定着一系列对这些地方的光强度要求。室内光强度指标俨然已经成为了建筑设计时必不可少的一项考虑因素。除了公共场所意外，光强度还能被用于摄影的需求，舞台的布置，好的摄影艺术就是光与影的结合。既然光照的大小都有了规定，测量光照的工具如照度计也就成了不可缺少的一样东西。指标伴随着好坏，因此，对于照度计来说，此项技术不可能停滞不前，更准确的读数，更方便的操作必定成为它开发研究的重点。总而言之，好的照度计为我们带来更精确的数据，也为人们生活提供更优质的保障，给人们的身体健

11、康带来更好的服务。因此，对于照度计的研究，有着极其重要的意义。1.3 任务目标任务目标针对日常对工作现场光照度测量的要求，设计制作一个能够测量现场光照度的装置。本系统主要是利用光敏电阻的光敏特性，通过模电转换采集对应的数据，结合单片机的数据处理，最终在数码管上显示对应光照强度的数值。1.4 设计的主要工作设计的主要工作本系统主要是通过单片机的控制光敏电阻读取来达到测量光照强度的目的，为了实现这个功能做出以下设计：（1）了解光敏电阻对于光照的变化，并依此选择可以利用的范围,要求测量范围是 10Lux1000Lux。（2）根据所要求的测量范围设计正确的显示系统，达到显示功能，要求三位半显示，先是最

12、大读书 1999。（3）依据要求的采样率，在设计的程序中加入刷新目的，达到时时检测，要求取样率为 2.0 次/秒。1.5 本文的主要内容本文的主要内容 本文对所设计的系统进行的介绍和总结，具体安排如下： 第 1 章 绪论，主要介绍本系统的背景，研究的意义以及主要工作内容； 第 2 章 本设计的硬件部分，对此模块进行描述； 第 3 章 本设计的软件部分，对软件程序进行阐述； 第 4 章 本设计的系统调试和硬件检查，以及最终结果分析； 第 5 章 本次设计的总结，说明自己的感想； 最后就是致谢以及参考文献和附录2 简易照度计的硬件设计简易照度计的硬件设计本设计是依据光敏电阻的特性（入射光强，电阻小

13、；入射光弱，电阻大）采集它所在电路中电压随光线变化而产生的变化，通过 ADC0832 采集所得到的电压数值并将之传送给单片机 STC98C52,经由单片机 STC89C52 对数据进行处理，并且将处理后的数值显示在四位数码管上。此系统涉及的语言是 C 语言。本设计主要功能的实现通过几个功能模块构成：单片机控制处理器STC89C52、信号采集模块（包括光敏电阻以及 ADC0832） 、显示模块（四位数码管） 、电源模块。本系统设计的框图如 2-1 图所示。单片机控制处理器光敏电阻ADC0832四位数码管显示图 2-1 简易照度计系统框图2.1 中央处理器中央处理器 STC89C52一般单片机的最

14、小系统就是由一个复位电路和外接一个时钟电路构成。STC89C52 的最小系统如下图 2-2 所示。图 2-2 STC89C52 最小系统2.2 光线采集模块光线采集模块本系统利用光敏电阻的特性对光强度进行采集，再利用模数转换器ADC0832 对采集的数据进行转换。因此，可以将此模块分为两部分来阐述。2.2.1 光敏电阻光敏电阻光敏电阻作为光敏传感器的一种，是可以将光信号转换为电信号的元件。光敏电阻的工作原理是内光点效应，它是利用光电效应制作的一类特殊电阻，它的阻值会随着光照强度的变化而变化：光照强度强，电阻变小；光照强度弱，电阻大。在没有光照的情况下，光敏电阻的阻值很高，一般在 1M 以上；在

15、有光照的情况下，当光子的能量大于半导体材料的导通能量，则半导体材料中的电子吸收一个光子的能量变为导体，光照强度越大，则进入的光子数量越多，因此半导体材料中的电子变成可导体的数量越多，带电能力越强，即光敏电阻的阻值越来越小。而光照消失后，因为光子激发的空穴又会逐渐复合，光敏电阻也恢复不可导状态，阻值急剧增大。光电特性就是在光敏电阻两极电压不变的情况下，测量光照强度与电阻及电流的关系。下面图 2-3 就是光电特性曲线图。图 2-3 光电特性曲线图光敏电阻在室温和全暗条件下测的的稳定电阻值被称为暗电阻，此时的电流被称为暗电流。同样光敏电阻在室温和一定光照条件下测的的稳定电阻值被称为亮电阻，此时的电流

16、被称为亮电流。光敏电阻各型号间因为暗电阻和亮电阻的不同，其灵敏度也就各有差异，主要是，暗电阻越大，亮电阻越小，这样的光敏电阻的灵敏度越高。本次设计结合以上理论和实验室实际情况选择 GL5516 型号光敏电阻作为光敏传感器。2.2.2 模数转换器模数转换器 ADC0832 芯片芯片 本设计利用光敏电阻特性使电路中分配在光敏电阻两端的电压随着光照变化而变化，而后利用 ADC0832 的端口 CH0 采集这变化的电压，通过 ADC0832芯片本身的特点将变化的电压转化为具体数值。 由于设计思路一开始将光照的范围设定在 0-255 之间，因此，选择ADC0832 芯片刚好符合设计的要求。 ADC083

17、2 芯片具有 8 位辨率、双通道 A/D 转换，输入输出电平与TTL/CMOS 相兼容等特点。2.2.2.1 接口说明 本设计中，只需要对光敏电阻电路中电阻一端的电压进行采集，因此，芯片 ADC0832 只需要 1 个通道用来采集信号，即 2 脚。芯片 ADC0832 的 1 脚、5 脚、6 脚、7 脚分别接着单片机的 P1.0、P3.3、P3.4、P3.2 端口。ADC0832 芯片接口图如 2-4 所示。图 2-4 ADC0832 芯片接口图2.2.2.2 电源引脚ADC0832 芯片的供电电压是 05V 之间，芯片的转换时间仅为32us。ADC0832 芯片未工作时，CS 口保持高电平，

18、即 1 脚的电压处于高电平，此时芯片功能禁用；ADC0832 芯片工作时，CS 口保持低电平，即 1 脚保持低电平，芯片此时工作。2.3 显示模块显示模块本系统的目的是对光线强度进行数值测量，因此，在经过数据采集处理之后，显示部分的好坏极为重要。一般来说，显示模块可选择的器件可为数码管和液晶两种，首先是七段数码管，它的优点是价格便宜，购买简单，而且在过去学习过程中，接触的最多；第二液晶显示，功能多，显示效果好，但相对价格较高，而且还未使用过。综上所述结合设计具体要求，选择四位的数码管较为方便快捷，价格也相对便宜，替换方便，作为设计一部分，也对它比较熟悉。选用 4 位 7 段数码管作为显示工具，

19、P0 口作为段选，P3 口的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7 作为位选端口。其具体接线图如图 2-5 所示。图位 2-5 四数码管接图线3 简易照度计的软件设计简易照度计的软件设计STC89C52RC 单片机是可以用汇编编程也可以是用 C 语言编程。汇编语言效率高，对硬件的可操控性强，体积小，但不易维护，可移植性差。而 C 语言效率较低，硬件可操控性差，目标代码体积大，但容易维护，可移植性强，并且可读性高于汇编，更容易理解。因此，本次设计采用 C 语言进行编程。3.1 主程序的设计主程序的设计主程序如下：main()uchar t;while(1)dat_g=get_0832_ch0()

20、; /dat_g=218;/显示for(t=0;tLSB） for(i=0;i8;i+) CLK=1; _nop_();_nop_(); CLK=0; _nop_();_nop_(); dat1=dat1MSB） for(i=0;i8;i+) dat2=dat2|(uchar)(DO)LSB 和 LSB-MSB 读取的结果相同，返回读取值，否则返回 0 return (dat1=dat2) ? dat1:0;本程序是根据 ADC0832 的工作原理编写的 C 语言程序，此程序的效果是：首先给予 CS 使能端低电平并一直保持到 A/D 转换结束；当 CS 处于低电平时，芯片的转换工作正式开始，此

21、时处理器就会向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端的输入通道功能选择数据信号；第 1 个下降沿到来之前，就得将 DI 设置为高电平，即 DI=1；在第 2 个和第 3 个脉冲下降沿之前，则利用 DI=0/1，选择通道 CH0 作为输入端。然后，在第 3 个脉冲下降沿之后，DI 端输入电压不再起到输入作用，而数据输出 DO 端则还是根据 DO/DI 端开始数据的读取功能。从第 4 个脉冲下降开始，数据输出 DO 端就转换输出最高位DATA7,而后每一个脉冲下降数据输出 DO 端就输出下一位数据，直至第 11 个脉冲下降输出最低位 DATA0，从第 4 个到第 11

22、 个下降沿输出就构成了 dat1，即 1 个字节的数据输出完成。同样，从第 12 个下降沿开始输出反向字节，即从第 12 个下降沿输出 DATD0,同正向直至第 19 个脉冲输出 DATD7，构成反向输出 1 个字节，即 dat2。最终，通过比较 dat1 与 dat2 结果完成一个完整的 A/D转换。3.2.2 数据显示处理子程序数据显示处理子程序显示作为本次设计的最后一步，显得格外的重要。本次设计采用 4 位共阳数码管，通过控制单片机引脚来讲结果数据显示。其中，通过引脚 P2.7-P2.4 控制四位数码管的位，通过引脚 P0.7-P0.0 控制数码管具体的段。下面是对显示数据具体处理的子程

23、序：void disp_dat(uchar dat) uchar i,temp=0 x7f;l_dat0=0;l_dat1=dat/100;l_dat2=dat%100/10;l_dat3=dat%10;for(i=0;i1|0 x80;P0=0 xff;4 硬件检查、仿真调试、结果硬件检查、仿真调试、结果分析分析4.1 软件调试软件调试软件调试部分主要就是在电路设计和程序设计完成后，现在软件上模拟运行测试整个系统能否达到实验的目的。经过测试，通过调节软件中灯光元件的亮度，在数码管上会显示相应的数值 0-255 之间变化。按照设计的程序原理，这是符合程序所达到的功能。4.2 硬件检查硬件检查本

24、次设计硬件部分较为简单，三大模块相互之间的关系比较清楚，焊接时注意各个引脚对应的点，不要造成虚焊，而且此次连线多采用插针连线，只要在插线时注意引脚编号及对应串口即可。当然，有利也有弊，由于多数连线使用插针，插线两端可能损坏后不易被发现。设计实际使用中发现的一些问题：（1）在实物刚做出来，连接电源时，数码管全暗，但电源显示灯亮着，经过一遍遍对硬件进行检查，在单片机最小系统中损坏导致，替换一个晶振就解决问题。（2）测量时，电源总是通过电脑得到，因此，局限了测量的范围，达不到实用的效果。因此，在本系统中外加一个外接移动电源。实物图如图 4-1 所示。图 4-1 可移动电源实物图4.3 结果结果分析分

25、析本次设计以光敏电阻为传感器，通过采集电压的方法，得到数据，因此显示的数据属于非线性的数据，所以，对于最终测量结果的分析，有以下几种方法：4.3.1 “查表法查表法”本设计中，显示的数值范围是 0255，因此通过以一个显示数值对应一个标准光强度的形式，制订了一张光强度对应数值表。如图 4-2 所示。图 4-2 测量数值比对表从图中可看出，当测量的数值在 100 以下时，标准光度计数值接近 0，在测量数值 100150 范围内，光照数值的精确度还在可控制范围内，误差在3Lux，然而在测量数值 150 以上，光照强度的精确率就很低了， “1”个变化点的误差就十分的严重，其误差超过了 10Lux 甚

26、至是 100Lux，因此通过“查表法”只能很粗略的判断光照强度的范围，这种处理数据的方式被放弃。4.3.2 线性拟合法线性拟合法本次设计可测量数值变化集中在 100255 之间，因此，对它们采用曲线拟合，首先，尝试使用线性拟合。利用 excel 软件对测试数据进行拟合曲线处理，得到如下图 4-3 所示的拟合线性图。图 4-3 数据拟合线性图 通过此线性拟合方式得到的线性公式，很明显无法体现整体数据趋势，存在着很大的误差值，也代表着这个变化不是线性变化，因此，这种拟合方式被放弃。4.3.3 非线性分段拟合非线性分段拟合通过以上两种方法，可以发现，本次设计的试验数据可以看作是多个变化的集合，是由多

27、段变化组合而成，因此，就可以尝试多段拟合处理数据。由图 4-2 可知，在 100150 之间的变化属于误差较小的数值，而在整体的变化趋势上，接近线性变化，因此，先将这一段用线性处理的方式分段。如图4-4 分段处理（a）所示图 4-4 分段处理（a）此时可以看出拟合的数值 R 与“1”接近，根据 excel 拟合规则，当 R 越接近 1 时，说明拟合度越高，曲线的公式越接近真是数值，因此，这部分数据误差较小，可保留使用公式。接下来要对 150200 这段数据进行分段处理，先观察图可得到数据趋势接近指数函数，因此采用指数函数拟合，如下图 4-5 分段处理（b）所示。图 4-5 分段处理（b）从图中

28、可以看出，所得到的公式拟合度较高，即 R 很接近“1” ，所以，在此段数据中，公式的可靠性较高，可以选择使用此公式。下面还剩下一段数据未处理，同样，对它进行拟合处理。如图 4-6 分段处理（c） 。图 4-6 分段处理（c） 此段函数的拟合度也相对较高，但是，可以看出数值在 230 之后变化的曲线与拟合的曲线存在着明显的偏差，说明在读数 230 之后，公式的准确性出现了严重的偏差，不再适用，但是在 201230 这一段，公式依旧可靠，准确性较高。综上所述，当采用拟合曲线分段处理的形式下，对数据进行了多段处理：当数值处在 099 时，判定它为 0；当数值处于 100150 时，选择公式Y=1.2

29、358X-123.43；当数值处于 151200 时，选择公式 Y=0.2923*e0.0365x；当数值处于 201230 时，选择公式 Y = 0.0005*e0.0676x。第三种方法对比之前两种，计算产生的误差较小，比较符合实际测量情况，因此，测量时选择第三种方法作为数据处理方法。以上处理数据的方法也适合直接在程序中使用，在编写程序时，可采用判断方式，分别将公式代入其中，直接计算最终数值。5 结结 论论本次实验，作为大学最后一次的毕业设计，确实让我对于电子这一门知识有了更深的认识。通过这次试验，曾经在课堂中学习过的单片机知识完整的应用到了实际，通过实践，更清晰的了解了曾经学过的一些知识

30、点。当然通过本次独立的实验，我在单片机只是反面掌握的欠缺也完完整整的暴露了出来，对于电路的设计以及程序编写的经验不足，对于后续问题产生时解决的不明智等等。实践出真知，实践也是检验真理的最好办法，通过亲自动手，完完整整投入一个实验中，收获的远远不只是表面。照度计作为目前市场上的一款测量光强度的产品，它的实际应用非常的广泛。这也证明了当前社会科学技术发展，带来的科技产品的普及和应用，也证明着现代文明日益发展的今天，人们对于生活健康的关注。良好的光线不仅仅带来眼部的健康，也是能够愉悦人们的心情。本次设计虽然硬件比较的简单，但是由于光敏电阻存在着它自己的光敏特性，我很难将其简单归纳为直线变化的存在，因

31、此，我只能做到在某一阶段时，测量数值与真是数值在幅度变化上相符合。再加上编程能力有限，最终的实验结果，只能简易的测量出光线强度变化的幅度。致谢致谢本次试验是在老师的指导建议下完成，十分的感谢。自从选了这个课题，我一直担忧的就是如何处理光敏电阻这种非线性元件，幸好指导老师从一开始就给了我如何处理的方法。还要感谢管理器件器材的老师不厌其烦的为我开门，此次设计因为元件清单提交较晚，很多元件都是从零散的从器材老师那领取来的。还要感谢帮我修改电路，帮我解决程序问题的同学，单单靠我自己的知识，还没有考虑到这么全面。从选择了这个课题到成品的诞生历经三个月，电路图的修修改改，硬件的焊接的失误，软件程序编写的烦

32、恼，在这段时间里，大学所学得到了合理的应用，也让我对自己有了更多的了解。当然，还有对身边同学的更加熟悉，是他们帮助了我解决困扰我好几天的问题，是他们给了我很好的灵感和建议。最后，作为大学生涯最后一次实验总结，由衷的感谢我们电子信息专业的老师们，感谢你们为我们提供了良好的教育和培养。附录附录 元件清单元件清单名称规格数量电阻10K2电容10uF1晶振12MHZ1电阻1K5电阻2208电容30pF2显示7seg-CA41A/D 转换器ADC08321检测灯Led1光敏电阻GL55161三极管S90124单片机STC89C521附附 程序程序主程序：#includestc12c5a60s2.h#includeadc0832.h# define uchar unsigned char# define uint unsigned intuchar l_dat4=0,0,0,0; /数码管显示的光敏 AD 值uchar code LED11=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90,0 xbf/0,1,2,3,4,5,6,7