测控电路课程设计 光照强度测量显示电路

三：设计内容：
第一部分
传感器与差分电路的设计：
应用光敏三极管组成的传感器进行实时采样，并将采样的信号送入差分电路， 经过信号放大送入减法运算放大电路，经过信号调整，送入 ADC 转换器中，将模 拟信号转换为数字信号，送入单片机，对数据进行处理，从而使实时采样的值在 数码管显示电路中即时显示出来。
图 1 由光敏三极管组成的传感器电路
使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实
现通道功能的选择。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及
企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用 ADC0832 可是使我们了解
A/D 转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。
图 5 A/D 转换器
引脚功能说明： CS-：片选使能，低电平 CH0：模拟输入通道 0 CH1：模拟输入通道 1 GND：0 电位 VCC：电源输入 DI：数据信号输入，选择通道控制 DO：数据信号输出，转换数据输出 CLK：芯片时钟输入 二、模数转换的过程： 模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对 这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，
则
。先定 Rb=1K，由上式可得 Ra=49.5K，取其标称值
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51K。另外，R3，R4 一般不超过 1/2 的 Rb。这里，取值为 510，用于保护运放输 入级。 三、单片机对 ADC0832 的控制原理：
正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、 DO、DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双 向的，所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。（见图 3） 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS 使能端置于低电平并 且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯 片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的 数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。 在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能。
那么，人们居住的室内对照度的卫生学要求是如何呢？照度是在卫生学中一 项十分重要的指标。光是指能引起人眼睛光亮感觉的电磁辐射，当光线进入眼睛 后可产生的知觉称为视觉。人们所见的光是指可见光，其波长范围在 380～760nm （纳米）之间。
采光可分为自然采光和人工光源两大类。自然采光是指室内和地区的天然照 度，有直接的日光照散射光和周围物体的反射光，常用采光系数和自然照度表示。 而采光系数是指采光口的有效面积与室内地面面积之比。一般住宅的采光系数在 1/5～1/15 之间，居住面积比在 1/8～1/10 之间（窗面积/室内地面面积）。自然 照度系数是用于评价自然光的照度水平。它是反映室内的和同时从室外来的光照 射关系。也反映出当地光气候（自然光能源和气候的阳光照度指标的总和）。
作为单通道模拟信号输入时 ADC0832 的输入电压是 0~5V 且 8 位分辨率时 的电压精度为 19.53mV。如果作为由 IN+与 IN-输入的输入时，可是将电压值设 定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行 IN+ 与 IN-的输入时，如果 IN-的电压大于 IN+的电压则转换后的数据结果始终为 00H。 四、ADC0832 芯片接口程序的编写：
主要内容 （参数）
参考期刊、文献等资料设计光照强度测量显示电路，包括以下内容： （1）选择合适的传感器和放大电路；（2）设计 A/D 转换电路；（3）设计
单片机程序；（4）设计数码管显示电路； 根据以上内容要求来设计电路图并具体分析电路图的特性。
任务要求 （进度）
第 1-2 天 ： 确定课程设计题目，查阅相关技术资料； 第 3-6 天 ： 确定设计内容及方案，并按照确定的方案设计单元电路，
图 6 逐次比较型 A/D 转换器框图
逐次逼近 ADC 包括 n 位逐次比较型 A/D 转换器如图 6 所示。它由控制逻辑电 路、时序产生器、移位寄存器、D/A 转换器及电压比较器组成。
Ra=Rc，R5=R7，R6=R8,所以两级差模总增益可以推导为：
通常第一级的增益比较高，第二级的增益为 1 至 2 倍。这里，第一级选择为 100 倍，第二级选择为 1 倍。取 R5=R6=R7=R8=10K。
对各单元电路进行功能分析； 第 7-8 天 ： 进一步修正方案并画出电路图； 第 9-10 天 ： 撰写课程设计报告，将各部分内容完整地呈现在报告中，
并对本次课程设计进行总结。
主要参考 资料
[1] 张国雄. 《测控电路》. 机械工业出版社. 2011 [2] 陈磊.单片机控制数字光强检测计的设计[J].大学物理实验.2009.4. [4] 孙圣和，王廷云，徐影..光纤测量与传感技术[M].哈尔滨工业大学出版 社.2007
本设计采用 AT89C51 单片机组成光照强度测量显示系统，可以实现对光强的 测量和显示。光强传感器采用光敏三极管，对光照强度进行实时采样。设计传感 器放大电路，将太阳的强弱转变为电信号，并将强度值显示出来。 将光敏三极 管接入电路，受光照度不同时光敏三极管的集电极电流发生相应的变化，将采集 的信号接入运算放大电路，再输入到 ADC 转换器，将模拟信号转换成数字信号输 入单片机中，通过数码显示器显示出在不同光照强度下电路电压的变化值。光敏 三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感 的 PN 结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一 种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。
应用光敏三极管组成的传感器进行实时采样，并将采样的信号送入差分电 路，经过信号放大送入减法运算放大电路，经过信号调整，送入 ADC 转换器中， 将模拟信号转换为数字信号，送入单片机，对数据进行处理，从而使实时采样的 值在数码管显示电路中即时显示出来。
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当具有光敏特性的 PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基 极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不 同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的 光电流放大作用，即很高的灵敏度。
审查意见 系（教研室）主任签字：
年 月日
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引言
照度与人们的生活有着密切的关系。充足的光照，可防止人们免遭意外事故 的发生。反之，过暗的光线可引起人体疲劳的程度远远超过眼睛的本身。因此， 不适或较差的照明条件是造成事故和疲劳的主要原因之一。现有统计资料表明， 在所有职业劳动的事故中约有 30%是直接或间接因光线不足所造成的。对体育场 （馆）的光照要求是非常严格的，光照过强或过暗都会影响比赛的效果。
P0 口接排阻：P0 口开漏结构，使用时一般接排阻拉高电平。
图 4 数码管显示电路
第三部分
设计任务：
将调整后的模拟信号转化为数字信号，以送入单片机进行处理。
设计目的：
通过本实验，熟悉 A/D 转换的原理以及单片机与 A/D 转换芯片的联调，熟悉 逐次比较型 A/D 转换的方法和过程。
设计原因：
送入单片机的信号必须是数字信号，单片机是对二进制代码进行处理的，所 以我们必须对实时采样的模拟信号进行 A/D 转换处理，只有这样信号才能被计算 机识别，进而对数据进行处理，从而在数码管上即时显示出当前的光照强度的值。
由于 ADC0832 的数据转换时间仅为 32μS，所以 A/D 转换的数据采样频率可 以很快，从而也保证的某些场合对 A/D转换数据实时性的要求。数据读取程序以 子程序调用的形式出现，方便了程序的移植。
第四部分
总体方案设计：
本设计采用光敏三极管作为主要感应元件，设计以 AT89C51 单片机为核心， 实时采样、数据处理和即时显示为关键点的光强测量系统。制作光强测量系统可 以实现实时测量的功能，具有稳定、使用、方便、快捷、可靠性高的特点，解决 光强测量的技术问题，有广泛的应用前景。
设计开始先查阅资料，如元器件资料，方案选择等，可以使用单片机方案， 也可以使用模拟电路方案，设计显示电路时注意按照国标显示，并有相应的手动 校正电路。其中运用到了许多基本知识，如：电路理论中电阻电路的分析、模拟 电子线路中运算放大器、比较器、功率放大器等知识，数字电子线路中开关特性 及数字信号等知识，传感器技术中的光电传感器原理及应用、测量电路等部分知 识。
表 1：
如表 1 所示，当此 2 位数据为“1”、“0”时，只对 CH0 进行单通道转换。 当 2 位数据为“1”、“1”时，只对 CH1 进行单通道转换。当 2 位数据为“0”、 “0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当 2 位
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数据为“0”、“1”时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进 行输入。
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采样速率一般取 f s 2.5 f max 。通常采样脉冲的宽度 t w 是很短的，故采样 输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所 得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。 量化是将连续幅度的 抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量 化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的， 则量化噪声均方值与 量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成 二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用 一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的， 且所用时 间又是保持时间的一部分。
设计电路：
AD 转换：
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一、ADC0832 引脚功能介绍