数字光强度检测模块设计要点.docx

西华大学课程设计说明书 1 前言 1.1 设计选题 设计选题一：数字光强度检测模块设计 1.2 任务及要求 1.2.1  设计选题的任务 结合单片机最小电路和光敏电阻电路共同设计一个基于单片机的数字光强度检测系统， 用数码管显示光照强度。还可以设置多个不同方向的光敏电阻，通过计算它们的光照强度运 用比较器以确定当前的光照方向。 实现单片机最小系统设计。 焊接调试光敏电阻网络。 焊接调试 AD 电路，标定光照强度基本单位。 编写单片机程序，将获得的电信号转换成光照强度单位下的数值，并用数管显示。 通过比较不同方向测得的光强数值判断光照方向，在数码管上显示其方向。 1.2.2  设计选题的要求 无光照时数码管显示为零。 用数码管显示光照强度，误差范围为 5~10LUX(以白天中午室内日光灯的光照强度 为标准定义为 100 LUX )。 两个小数点具体显示光强方位(两个小数点分别单独亮和均不亮代表三个方位)。 第  1 页 简易数字频率计光敏电阻阻 简易数字频率计 光敏电阻阻值 变化 多谐振荡器电路 周期变化 时基 电路 闸门 电路 计数 器 锁存 器 译码 显示 器 逻辑控制电路 西华大学课程设计说明书 2 总体方案设计 2.1 设计方案的提出与论证 2.1.1  设计方案一 采用光敏电阻、二极管和 555 定时器构成多谐振荡电路，利用多谐振荡电路的两个暂稳 态输出由 此 产 生 矩 形 波 脉 冲 信 号 。而光敏电阻阻值会随着光照强度的变化而发生变化，进 而使得多谐振荡电路的周期变化，其输出波形频率也随之改变。将其输出模拟信号波形输入 到一个简易数字式频率计通过两位数码管显示出来，数字式频率计主要由时基电路、闸门电 路计数器、锁存器、译码显示电路和逻辑控制电路组成。具体实现框图如下图 2.1 所示： 图 2.1 设计方案一原理框图 第  2 页 光敏二极管接 受 光敏二极管接 受光照 两位数码 管显示 89C51 单片机 采集电阻两端 电压 输出电流 变化 运算放大 器 模数转换 ADC 西华大学课程设计说明书 本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，通过光敏电阻值变化影响多谐 振荡电路的周期而检测光强，性能较稳定一些，灵敏度也较高，但是电路结构比较复杂，所 用元器件种类较多，实现和调试工作会比较困难，造价也较高，虽然能满足稳定性和灵敏度 的要求，但不宜采用。 2.1.2  设计方案二 本方案采用光电二极管，利用其产生的电流随光照增强的线性特性输出模拟采样电压， 并联三条光敏二极管和电阻支路，将这三路电压通过选通器循环输入到模数转换器 ADC0804 将模拟信号转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给 STC89C51 单片机，通过比较 后得出最大值，将最大值输出并利用两位数码管显示出来。具体框图如下图 2.2 所示： 图 2.2 设计方案二原理框图 对于本方案，采用线性好，响应速度快的光敏二极管作为光照传感器，故电路响应速度 快，灵敏度高。缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路将采样电压进一 步放大，而加入运放环节会由于运放的零漂和易受温度影响使得电路稳定性降低，误差增大。 另外限于实验元器件的供给，实验中也不采用本方案。 2.1.3  设计方案三 采用三路光敏电阻支路并联检测光照强度，通过每一路可以得到一个模拟采样电压，将 这三路电压通过 CD4051 单 8 通道数 字 控 制 模 拟 电 子 开 关 循环输入到模数转换器 ADC0804 将模拟信号转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给 STC89C51 单片机，通过比较 后得出最大值，将最大值输出并利用两位数码管显示出来。对于光强的方位，则通过控制两 位数码管的两个小数点的关断与否来显示出来，具体是两个小数点分别单独亮时对应两个方 位，而两个小数点均不亮时对应另外一个方位。至此，可以将光照的强度以及光照的方位通 第  3 页 光敏电阻采集 模 光敏电阻采集 模拟电压 输出选择 模块 两位数码 管显示 模数转换器 ADC 89C51 单片机 通信模块 西华大学课程设计说明书 过两位数码管显示出来，完成了本设计选题的任务及要求。具体框图如下图 2.3 所示： 控 制 信 号 图 2.3 设计方案三原理框图 本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，STC89C51 单片机作为主控制 器。性能稳定，抗干扰能力强，不易受外界环境温度等因素影响，灵敏度也较高，但是由于 光照传感器采用光敏电阻且为三条支路并联采集模拟电压信号，会存在一定的误差。总体上 来说，本方案电路结构简单、所用元器件供给充足、成本造价低、性能稳定且误差范围也在 设计选题的要求之内，能在简单低成本的基础上很好的完成设计选题的任务，故实验中采用 本方案。