基于单片机的光照度传感器设计毕业设计.docx
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基于单片机的光照度传感器设计毕业设计
编号：
审定成绩：
重庆邮电大学
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于单片机的光照度传感器设计
学院名称：
通信与信息工程学院
学生姓名：
***
专业：
通信工程
班级：
学号：
指导教师：
***
答辩组负责人：
填表时间：
年月
重庆邮电大学教务处制
摘要
在科学技术迅猛发展的现代，作为信息获得的一种重要途径——传感器技术得到广泛的应用，其在各个行业中发挥着不可替代的作用，同时对传感器的要求与要求显著提高。
传感器技术对于一个国家的科学发展水平有着重大的决定性作用。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
传感器可以方便的将检测到的模拟信号转化为便于运算处理的数字信号，在现在社会中得到了广泛的运用。
本设计采用光敏电阻为光传感器，光敏电阻阻值随光照强度的变化而变化（入射光强，电阻减小；入射光弱，电阻增大），利用光敏电阻的光照特性完成光强的检测。
该设计可分为三部分：
即光照检测部分、信号处理部分、光强显示部分。
具体方法是将光敏电阻与一定值电阻串联接入电路，光照强度的变化会引起光敏电阻阻值的变化，从而影响电路电流及电压值的分布，将模拟电压通过ADC0804模数转换器转换为数字电压，通过VC语言编程，将其集于单片机AT89C51中进行处理，并将其通过液晶屏显示出来。
本设计电路结构简单，成本相对较低，通过对光敏电阻阻值的变化的运算处理，从而检测不同的光照强度，实用性较强。
【关键词】光照强度传感器A/D转换单片机
ABSTRACT
Withthescienceandtechnologydevelopingrapidlytoday,asameansofobtaininginformation——thesensortechnologygottheremarkableprogress,itsfieldapplicationisgettingmoreandmorewide.Also,itsstandardhasbeinghigherandhigheranditsdemandhasbeingmoreandmoreurgent.Thesensortechnologyhasbecomeoneoftheimportantmarksofthenationalscienceandtechnologydevelopmentlevel.Therefore,itisveryimportanttounderstandandgraspthebasicstructureofallkindsofsensors.Sensorscaneasilytransformtheanalogsignalstodigitalsignalswhichisfacilitatecomputinganditshasawiderangeofapplicationinsociety.
Theprojectusephotoconductiveresistanceasasensoroflightintensity,thetoleranceofthephotoconductiveresistancechangeswhenthelightintensitychanges（theincidentlightstrong,resistancedecreased;theincidentlightweak,resistanceincreased）.Theprojectcanbedividedintothreeparts:
testingpart,processingpartanddisplayingpart.Theconcretemethodsistakingaphotoconductiveresistanceandacertainvalueresistorinaseriesaccesscircuit,thetoleranceofthephotoconductiveresistancechangeswhenthelightintensitychangesthenthevoltagechanges.WeusetheADC0832totransformtheanalogsignalstodigitalsignalsandusingAT89C51toprocessingthedatathroughprogrammingwithVisualC,thendisplaytheresultthroughLCDscreen.Thedesignhasasimplecircuitstructure,relativelylowcostandwecaneasilyknowthechangeofthlightintensitythroughthechangeofthetoleranceofthephotoconductiveresistance.
【Keywords】LightintensitySensorA/DconversionMicrocontroller
前言……………………………………………………………………………………1
第一章传感器相关知识介绍……………………………………………………………2
第一节传感器概述……………………………………………………………………2
第二节光敏传感器……………………………………………………………………3
第三节传感器的发展…………………………………………………………………6
第二章整体框架设计…………………………………………………………….7
第一节硬件框架设计………………………………………………………………7
第二节芯片型号选择………………………………………………………………8
第三章A/D转换原理与实现…………………………………………………………11
第一节A/D转换工作原理…………………………………………………………14
第二节ADC0832芯片简介………………………………………………………17
第四章硬件电路与程序设计…………………………………………………………21
第一节复位电路模块设计………………………………………………………21
第二节时钟电路模块设计………………………………………………………22
第三节A/D转换模块设计………………………………………………………25
第四节LCD显示模块设计………………………………………………………27
第五章硬件仿真实验…………………………………………………………………30
结论…………………………………………………………………………………31
致谢…………………………………………………………………………………32
参考文献…………………………………………………………………………………33
附录…………………………………………………………………………………34
一、英文原文……………………………………………………………………………34
二、英文翻译……………………………………………………………………………39
三、硬件电路图…………………………………………………………………………43
四、源程序………………………………………………………………………………44
前言
人们通过感觉器获官得各种信息，然而对于自然规律和各种学科产业的研究开发，人们自身的器就力不能及了，因此传感器应运而生，主要就是为了解决这些人们自身器官所解决不了的问题的。
首先要准确可靠的获取信息才能对其进行运算处理，传感器就可以方便的解决这一问题。
现代化生产在一定程度上来说是建立在传感器的基础上的，没有传感器便不能及时监控工作生产中的各项参数，于是便不能及时了解各个生产线的工作状态，更不能及时处理相关的应急情况，因此传感器在现在社会生活中扮演着不可或缺的重要角色。
传感器的重要作用不仅表现在生产生活方面，在各个基础学科的研究方面，也起着重要的作用。
对于许多新兴的领域的学科研究：
比如在对上远距离宏观宇宙的观察，微观上对粒子世界的研究；对于千万年前天体运行演化的研究，以及对及时事件的瞬间反应。
除此之外，传感器技术对于物质认识的深化，能源开拓等新技术有着重要的引导作用，为这类产业的发展提供了技术上的可能性。
人类的直接感观是没有办法取得这类信息的，如果没有相应的传感器技术，那么对于此领域的研究将不再可能。
许多学科研究的困难之处就在于难于有效的获取相应的信息，传感器的出现便解决了这和问题，打开了许多基础学科研究的大门。
因此，传感器技术的不断创新会为一些其他领域的发展打开一记扇新的大门。
由此不难发现，传感器技术的发展对于经济社会，基础学科的发展有着很大的推动作用，是各行业不可缺少的最基本部分。
由此可见，传感器技术对于当今科技飞速发展而言，具有着不可替代的作用。
第一章传感器相关介绍
第一节传感器概述
一、传感器的定义
传感器是现实生活中的力、光、电、声音、温度等模拟量转换为数字量的一种媒介；也可以理解为传感器是接收日常生活中的力、光、电、声音、温度等模拟量，经过相应的运算处理，按照一定的规律，将其转换为可参处理运算等要求数字信号的一种器件。
它是自动检测与控制中的核心部分，其功能不可替代。
二、传感器的特性
传感器的输入与输出的关系，称为传感器的特性，一般情况下包括静态与动态两种。
顾名思义，静态特性是指传感器的输入与时间无关，即指传感器的输入输出量是在被测量量处于稳定状态下进行的。
与之相反，输入随着时间不断变化的特性称之为动态特性，它可以拟就传感器的输入与输出的实时变化关系。
一般来说，可以用微分方程式来描述这种关系，当微分方程中只有零阶方程不为零时，便可得到其静态特性，因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。
除此之外，使用条件、使用环境、使用要求等也可作为传感器的特性描述。
三、传感器的组成
一般来说，传感器主要由敏感元件，传感元件和其他辅助元件构成。
组成一个完整的传感器系统还包括信号调节与转换电路、辅助电源等部分，如图1.1所示
图1.1传感器的组成
敏感元件：
直接接触被测量量的器件，并可以将外界的模拟量按照一定规律进行转换。
转换元件：
负责接收敏感元件的输出，并将其转换成相应的电路参数。
转换电路：
将转换元件输出的电路参数进行运算处理，转换成数字量输出。
第二节光敏传感器
一、光照强度相关知识
光照强度:
是指光照的强弱,它以单位面积上所能接受可见光的能量来量度。
简称为照度，单位为勒克斯（Lux或Lx）。
被光线均匀照射的物体，在1平方米上得到的光通量是1流明时，此时的照度是1勒克斯。
流明为光通量的单位。
二、光敏传感器的定义
光敏传感器是指可将光信号转换为电信号的一类元件的总称，其第三波长在可见光波长区间内，包括红外线波长和紫外线波长，通过检测光照强度的不同从而输出不同的电信号，从而达到光信号与电信号之间的转化。
光敏传感器种类繁多，目前应该比较广泛的包括：
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管等。
三、光敏电阻的结构与原理
光敏电阻器的工作原理是内光电效应，它是利用光电效应制作而成的一类特殊电阻，其阻值随入射光的强度变化而变化：
入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻的符号如图1.2所示。
图1.2光敏电阻符号
在无光的情况下，光敏电阻的阻值很高一般在1MΩ以上；有光线射入时，当光子能量大于其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便成为导体，光照强度越大，则进入的光子的数量越多，于是半导体中的电子变为可导体的数量就越多，导电能力就越好，即光敏电阻的阻值就越小。
光照消失后，由光子激发的空穴对逐渐复合，光敏电阻便恢复其不可导的状态，阻值急剧增大。
光电特性是指在光敏电阻两级电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系。
光电特性曲线如图1.3所示：
图1.3光敏电阻特性曲线
四、光敏传感器的应用
光敏传感器阻值随着光照强度的变化而变化，因此光照强度这一比较抽象而难以测量的物理量可以通过光敏传感器进行简单有效的测量，因此感光特性，在现代社会中有着广泛的应用。
例如光开关是最简单的一个例子了，其原理是利用感光元件，对光线进行只收，将光信号转换成电流信号，通过电路的放大，变成电压开关电平信号，利用此原理制成的声光控开关在人们的日常生活中屡见不鲜，其主要工作原理如图1.4所示：
图1.4声光控开关原理框图
声控电路它是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。
常用的电路有：
小信号放大电路、声波控制电路等。
而常用的声控电路使用的是声波控制电路为主要的声控电路部分。
光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。
其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。
常用的电路有：
发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。
而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。
除此之外，光开关还广泛用于自动化控制，如火焰探测器，民用的光控照明灯电路等。
光电传感器应用的实例很多，还如照相机的CCD传感器、基于光敏传感器的照度计，光敏电阻的一些应用。
第三节传感器的发展
传感器的发展对各行业有着巨大的推动与促进作用，在科技为主导的现代社会显得尤为重要。
传感器的运用范围很广，因此所涉及到的知识也很广，与各个学科领域的发展都有密切的关系。
另外近年来，IT行业的飞速发展，使得传感器的技术要求越来越高，工业自动化的程度也越来越高，传感器也逐渐发挥出越来越大的作用。
由此可见，传感器的发展主要朝着以下几个方向进行：
1、高精度
传感器的精度直接影响着测控的精度，因此要提高测控精度，必须先提高传感器的精度。
例如医学上对疾病的检测，军事上对于火箭发动机燃烧室的压力测量等都要求相当高的精度，若精度达不到相应的要求，会产生难以估量的后果。
因此为满足测量的需要，必须要研制出相应的高精度的传感器。
2、小型化
很多场合要对传感器的大小尺寸有严格的要求，其尺寸要尽可能的小才能达到要求。
在医学中测量血压与血小板含量的测量，以及物理学中对于风洞压力的测量等等均要求其尺寸要尽可能的小。
为了适应这一要求，压阻传感器应运而生，使压力传感器在小型化方面取得重大进展。
3、数字化
传感器的最终目的是实现信号的数字化，便于运算处理，因此数字化显得尤为重要，数字化传感器可直接与计算机相联，对于外界信息进行数字化的运算处理。
4.智能化
智能化是传感器发展的必然趋势，它不仅可以达到检测信息的功能，并可对信息进行有效的运算处理，是传感器发展史上的一次质的飞越，使实现人功智能成为了可能，在宇宙航天、医学等方面发挥了重要的作用。
传感器的研究与发展已成为各个行业发展前进的先驱动力学科，各国对其重视程度日益增加。
第二章相关芯片知识介绍
第一节整体框架设计
本设计主要实现了对光照强度的检测功能，其功能模块主要包括以下三个：
光照强度检测模块、信息处理模块和显示模块。
其整体设计思路如下图2.1所示：
3
图2.1整体设计框图
电源电路的主要作用是为整个电路的工作运行提供能源，使电路可以正常运行。
一般人们日常生活用到的电路有：
半波整流、全波整流和桥式整流电路等。
本设计采用USB供电，可降低设计的难度以及增加其实用性。
光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。
其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。
常用的电路有：
发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。
而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。
光敏电阻用来感应入射光的强度变化，将光敏电阻与一定值电阻串联接入电路，当外界光照强度发生变化时引起光敏电阻值的变化，从而影响其与定值电阻的分压情况，因此电路中各点的电压值就会发生变化，用AD转化芯片检测电路中电压的变化从而可推测出入射光强度的变化。
A/D转换电路用来进行模拟信号向数字信号的转换，便于数据的运算处理，可选用的芯片范围较广，本设计选用ADC0832芯片作为A/D转换芯片，此模块将测量到的信号进行A/D转换后将结果输出到下一模块进行处理。
信号处理模块的作用是对于A/D转换模块输出的数据进行运算处理，并将结果显示于LCD液晶屏上，本设计采用AT89C51作为中央处理芯片，其电路设计简便实用。
LCD显示模块是将整个设计的检测结果显示出来，让人们可以直观的看到光照强度的变化情况。
第二节芯片型号选择
一、AT89C51芯片
MCS-51系列单片机是8位增强型，拥有完善的外部并行总线和多级识别功能的串行通讯接口，使功能单元SFR控制模式和适应特点的处理系统和指令系统更加规范。
此类单片机主要由几下几种类型：
如8051、8031、80C51等。
51单片机具有使用灵活、易于开发、而且体积小、抗干扰能力强等特点，本设计出于对实用性和经济性的考虑选择AT89C51作为中央处理器。
AT89C51具有4K字节的Flash闪存以及128字节的RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路等主要结构构成。
其内部结构框图如图2.2所示：
图2.2AT89C51的内部结构框图
外形及引脚排列如图2.3所示：
图2.3AT89C51封装格式
二、LCD1602芯片
1602是一种可以用来显示字符数字等的点阵液晶，它主要由若干个点阵字符组成，基中每个点阵可以显示一个字符。
一般1602字符型液晶显示器实物如图2.4所示：
图2.41602字符型液晶显示器实物图
1602LCD的接口主要分为14脚（无背光）和16脚（带背光），基中各引脚功能说明如表2.1所示:
表2.1引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光电源
8
D1
数据
16
BLK
背光接地
读写操作时序如图2.5和2.6所示：
图2.5读操作时序
图2.6写操作时序
第三章A/D转换原理与实现
第一节A/D转换工作原理
模拟信号的数字化需要三个步骤：
抽样、量化和编码。
抽样是指每隔一定的时间对时间上连续的模拟信号进行数据采集，用采集到的离散值代替原连续数据。
量化是指用有限个幅度值代替原来连续变化的幅度值，把采集到的离散数据规一量化。
编码则是将采集到的离散量按照一定的规律，用二进制数字表示。
A/D转换器的原理有直接转换法和间接转换法两大类。
直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。
它具有高速度，高效率和高精确度等特点。
直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。
并行比较型工作原理如图3.1所示：
图3.1并行比较弄A/D转换器工作原理
并行比较型A/D转换器有如下特点：
优点：
转换速度很快，故又称高速A/D转换器。
含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。
缺点：
电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需２n-1个电压比较器和2n-1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。
且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。
因此，这种转换器适用于高速，精度较低的场合。
间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。
具有速度低，精度高，搞干扰等特点。
单次积分型和双积分型等都属于间接A/D转换器。
逐次逼近型A/D转换器的工原理如图3.2所示：
图3.2逐次逼近型A/D转换器工原理
第二节ADC0832芯片简介
ADC0832芯片具有以下特点：
8位分辨率；
双通道A/D转换；
输入输出电平和TTL/CMOS具有较好的兼容性；
一般功耗仅为15mW；
8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
芯片顶视图如图3.3所示：
图3.3ADC0832芯片顶视图
芯片接口说明：
CS_片选信号，低电平有效。
CH0模拟输入通道0。
CH1模拟输入通道1。
GND接地。
DI信号输入，选择控制。
DO信号输出，转换输出。
CLK时钟输入端。
Vcc/REF电源。
ADC0832与单片机的接口电路如图3.4所示：
图3.4ADC0832接口电路
单片机对ADC0832的控制原理：
一般情况下，ADC0832通过四条数据线与单片机相联，如上图所示，由于DO与DI不同进与单片机进行通信，固可接到同一管脚上。
ADC0832未工作时，使能端CS接高电平，芯片被禁用；当需要芯片开始工作时，将CS拉低，并使其一直保持低电平状态至芯片工作结束。
与此同时，CLK端接收时钟信号，芯片在时钟信号与指令的控制下进行A/D的采集与转换工作。
各端口的主要功能项见表3.1。
表3.1ADC0832各端口功能介绍
详细的时序说明请见图3.5所示。
图3.5ADC0832时序
ADC0832的数据读取程序流程如下所示：
第四章硬件电路与程序设计
第一节复位电路模块设计
一、复位电路介绍
为了确保微机系统中的电路稳定可靠的工作，复位电路是其必不可少的一部分，它的主要功能就是上电复位。
一般微型电路正常工作时，需要供电电源为5V±5%，即为4.75～5.25V。
由于微机电路都是时序数字电路，因此需要稳定的时钟信号，在电源上电时，在只有当VCC超过4.75V且低于5.25V，以及晶振稳定工作的情况下，复位信号才会被撤除，微机电路才能开始正常工作。
单片机在开始启动时都需要复位，从而使CPU及整个系统各部件处于确定的初始状态中，并从初态开始工作。
89系列的单片机，复位信号是从RST端输入到芯片内部的施密特触发器中。
当系统正常工作，且振荡器稳定后，此时如果RST引脚上有一个高电平输入，并维持2个机器周期以上时，则CPU就便将系统复位。
一般单片机系统的复位方式有两种：
手动按钮复位方式和上电复位方式。
1、手动按钮复位
手动按钮复位是指人为在复位输入端RST上加入一个高电平。
一般采用的方法是在RST和正电源Vcc之间，接一个按钮，当人为地按下按钮时，此时Vcc的电平就会直接加到RST端。
无论如何人的动作再快，也会使按钮保持达十毫秒，所以，完全可以满足复位的时间要求。
2、上电复位
由于单片机RST端的内部有一个下拉电阻，从而可以选用
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