自动感应环境光的调光控制器

1、-作者xxxx-日期xxxx自动感应环境光的调光控制器【精品文档】等级:课 程 设 计课程名称测控电路课题名称自动感应环境光的调光控制器专 业测控技术与仪器班 级测控1301学 号201301200124姓 名钟杰指导老师徐谦，李亚，黄峰，余晓霏2016年6月20日电气信息学院课程设计任务书课题名称自动感应环境光的调光控制器姓 名钟杰专业测控技术与仪器班级1301学号24指导老师黄峰课程设计时间2016年6月20日-2016年6月26日（17周）教研室意见意见： 同意开课 审核人：汪超、林国汉一、任务及要求1）设计一个环境光亮度检测电路，并根据环境亮度进行台灯光照强度的自动调节；2）采用多只L

2、ED指示亮度等级，环境亮度达到最高时，自动关闭； 3）拓展部分：具有LED数码显示亮度等级功能；4）安装、调试电路，记录调零、测试的数据，进行测试、分析；设计要求：1）设计以测量显示部分电路为主；2）进行系统的方案设计；3）要绘制原理框图，绘制原理电路4）要有必要的计算及元件选择说明5）如果采用单片机，必需绘制软件流程图6）写出课程设计报告。报告中应包括原理框图、参数曲线分析、操作方法、测控流程等，调试过程中遇到的问题，改进方法和总结体会。7）答辩二、进度安排周一：集中布置课程设计任务和相关事宜，查资料确定系统总体方案。周二周三：完成硬件电路设计周四周五：设计报告撰写。周五进行答辩和设计结果检

3、查。三、参考资料1.测控电路（第2版），张国雄，机械工业出版社.2006。2.模拟电子技术基础（第2版），童诗白，高等教育出版社.1988。3.传感器原理及应用（第2版），王化祥，天津大学出版社.1999。4.中国传感器网站 【精品文档】目 录第1章 设计任务与要求11.1设计任务11.2设计要求1第2章 系统方案设计22.1总体电路设计2设计方案22.3 光敏电阻22.3.1 光敏电阻介绍22.3.2基本特性及其主要参数3第3章 系统硬件电路设计63.1 LM324运算放大器63.1.1 LM324简介63.1.2 主放大器设计63.2 单片机最小系统电路73.3 光电检测电路83.4 A/

4、D转换模块83.5 硬件电路原理图9第4章 系统软件设计104.1 protues 软件介绍104.2 Keil C51简介104.3 程序设计总方案10第5章 系统调试及仿真115.1 软件调试115.2 系统仿真11第6章 总结13附录A 源程序清单14第1章 设计任务与要求1）设计一个环境光亮度检测电路，并根据环境亮度进行台灯光照强度的自动调节；2）采用多只LED指示亮度等级，环境亮度达到最高时，自动关闭； 3）拓展部分：具有LED数码显示亮度等级功能；4）安装、调试电路，记录调零、测试的数据，进行测试、分析。1）设计以测量显示部分电路为主；2）进行系统的方案设计；3）要绘制原理框图，绘

5、制原理电路4）要有必要的计算及元件选择说明5）如果采用单片机，必需绘制软件流程图6）写出课程设计报告。报告中应包括原理框图、参数曲线分析、操作方法、测控流程等，调试过程中遇到的问题，改进方法和总结体会。7）答辩第2章 系统方案设计2.1总体电路设计本次课程设计课题是自动感应环境光的调光控制器。此课题要求以台灯控制器为对象，完成硬件系统和软件程序的设计，实现以光线强弱方式来控制台灯的亮灭功能，属于软硬件相结合的题目。其中硬件电路部分主要包括以下几个部分：单片机最小系统、台灯控制电路部分、光电检测电路部分；软件部分主要包括二个电子软件Protues、Keil-C51软件和路灯控制、光电检测两个程序

6、模块。工作原理如图2-1所示。台灯控制外部光线强度单片机光电检测图2-1 工作原理图硬件电路设计由6个部分组成;LM324放大电路，A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路。2.3 光敏电阻 光敏电阻介绍光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器

7、；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它

8、受到光的照射时，半导体片（光敏层）就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。 基本特性及其主要参数1.暗电阻、亮电阻光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG4121型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG4121型光敏电阻亮阻小于等于1K。亮电流与暗电流之差称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大

9、，这样光敏电阻的灵敏度就高。在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。由图2-2可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。 图2-2 伏安特性曲线光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图2-3所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适合做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。 图2-3 光电特性对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图2-4所示

10、。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。图2-4 光谱特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。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相同。图2.-5给出相对灵敏度Kr，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。 图2-5 频率特性光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，

11、当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。图2-6是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施。 图2-6 温度特性曲线第3章 系统硬件电路设计3.1 LM324运算放大器 LM324简介LM324芯片是价格便宜的模拟电路中常用的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。其特点可归纳如下：（1）短跑保护输出（2）真差动输入级(3)可单电源工作：3V-32V(4)低偏置电流：最大100nA（LM324A）(5)每封装含四个

12、运算放大器(6)具有内部补偿的功能(7)共模范围扩展到负电源(8)行业标准的引脚排列(9)输入端具有静电保护功能。由于LM324芯片四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 主放大器设计众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为AD转换电路，所需电压幅值一般为2V。然而，即使是这样，而

13、输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如图3-1所示。图3-1 典型放大电路 该主放大器的放大倍数为A=lR2/R3，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。即有：3.2 单片机最小系统电路单片机最小系统是单片机系统的核心，其他的外围电路都是在最小系统的基础上实现的。单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路、电源和地端组成，一般情况下，单片机系统采用外接石英晶体与内部运放组成时钟振荡器作为系统时钟源，而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块使用，为节省硬件和统一系统的时钟信号，常采用外

14、时钟源。单片机最小系统是单片机控制电路的核心。在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集到光信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。单片机控制电路相关的电路原理图如图3-2所示：图3-2 电路原理图3.3 光电检测电路在设计中使用光敏电阻作为光传感器件对外界光线进行检测，主要是利用了光敏电阻在光线的作用下其阻值往往变小的这种光导效应现象，也有基于光敏二极管、光敏三极管等光电检测元件的相关电路，如下图所示是光电检测电路将检测到的信号以高低电平的形式传送给单片机，从而完成整个光电检测的过程。图3-3 光电检测电路图3.4 A

15、/D转换模块现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速

16、度快，因而在实际中广泛使用。 图3-4 A/D转换模块图3.5 硬件电路原理图经过长时间的设计，仿真，才得出了本次毕业设计的硬件电路部分。通过前面的分析，我们可以发现本次设计课题的硬件电路部可分为以下四个组成部分：单片机控制电路部分、路灯控制电路部分、光电检测与执行电路部分和两位一体的数码显示电路电路部分。将前面介绍的电路加以分析和组合，就可以得到整个硬件电路部分的相关原理图，现将硬件原理图如图3-5所示。 图3-5 硬件原理图第4章 系统软件设计4.1 protues 软件介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件13。它不仅具有其它EDA

17、工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 4.2 keil C51简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统14，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到K

18、eil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。4.3 程序设计总方案根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图4-1所示。开始初始化调用A/D转换子程序调用显示子程序结束 图4-1 流程图第5章 系统调试及仿真5.1 软件调试软件程序设计对单片机的I/O接口的控制，智能光控台灯主要通过光控电路对光的感应以达到输出端口的控制，在黑暗时光控部分输出高电平，通过单片机内部程序的控制以光控输出高电平为准，给输出端口定义低电平，台灯是以低电平有效，当单

19、片机输出端达到低电平时台灯亮。5.2 系统仿真系统的硬件及软件都已经调试完成，然后利用protues进行系统仿真。在仿真中，利用光敏电阻模拟天黑天亮，用滑动变阻器来调整光亮的强度。仿真图如图5-1所示。图5-1 光照强度强仿真图然后，调整光敏电阻阻值，使之达到天黑的效果。此时，单片机控制台灯亮，仿真效果图如图5-2所示。图5-2 光照强度弱仿真图第6章 总结在这次难得的测控电路课程设计中我锻炼了自己的思考能力和动手能力，通过设计电路的过程，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在方案设计和芯片的选择过程上，培养了我综合应用单片机的能力，对单片机各个管脚的功能也有了进一步的认识。还锻炼了我个人动手查阅资料的能力、动手能力，发现问题、解决问题的能力。并且熟练掌握了有关器件的性能及测试方法。附录A 源程序清单#include<reg51.h>#include<delay.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit CLK=P13; /时钟信号sbit ST=P12; /启动信