基于Si光电池的照度计设计与调试
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图 2 方案二原理图
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武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书
2.3 方案三
方案三如图 3 所示，该电路是由两级放大器组成，第一级放大器 2 脚与 3 脚接的是电流源，然后在 1 脚与 2 脚间接一个电阻与电容，电阻 R1 的作用是将 电流源转换成电压的形式，电容 C2 的作用是对其电压进行滤波。然后将从电流 源转换成电压后接第二级运放的 5 脚，然后再利用运算放大器的虚短与虚断，可 以知道 6 脚的电位与 5 脚的相同。因此 R2，R3 之间就有一个回路到地端，又因 为 7 脚与 R2 的另一端相连，所以 7 脚的电压为 U5*R2/（R2+R3）当 R2 远大于 R3 时，7 脚的电压就是 6 脚的电压，也就是 5 脚的电压，即为电流源与 R1 电阻 的乘积。
3.3 74HC573
5
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74HC573为八位制3态非反转透明锁存器，具有高性能硅门 CMOS 器件。管 脚图如图6所示：
图6 74HC573 1脚三态允许控制端低电平有效 D0~D7为数据输入端 /Q0~/Q7为数据输出端
3.4 74LS138芯片
74LS138为3线—8线译码器，引脚图如图7所示： 工作原理： ①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2))和/(E3)）为低电平 时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在 Y0至 Y7对应的输出端以低电 平译出。比如：A2A1A0=110时，则 Y6输出端输出低电平信号。 ②利用 E1、E2和 E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级 联扩展成 32 线译码器。 ③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。 ④可用在8086的译码电路中，扩展内存。 引脚功能： A~C：地址输入端
测量值示数 33.6 78.6 127.3 156.1 198
误差差值 0.6 0.4 0.7 1.1 5
相对误差% 1.81 0.5 0.55 0.71 2.6
通过求相对误差的平均值，即为（1.81+0.5+0.55+0.71+2.6）/5，其结果为 1.23
说明其符合了测量误差的百分之 5 的要求。
器件功能包括多路复用模拟量输入、片上跟踪和保持功能、8 位模数转换和 8 位数模转换。最大转换速率取决于 I2C 总线的最高速率。其芯片图如图 5 所示：
图 5 PCF8591 引脚图 AIN0～AIN3：模拟信号输入端。 A0～A2：引脚地址端。 VDD、VSS：电源端。（2.5～6V） SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。 AGND：模拟信号地。 AOUT：D/A 转换输出端。 VREF：基准电源端。
解决了方案一存在的问题，但是方案二很容易收到运放芯片误差的影响，比如说
3
武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书
温度漂移，噪声等影响。方案三则是采用双运放的方式，一个方面解决了方案一 的存在内阻影响的问题，另一个方面又增加了电路的稳定性，解决了方案二的问 题。因此，选择方案三为实现方案比较合适。
3 实现方案
2 设计方案及比较
整体思路是将光电池的电流转换成电压，然后经过 ADC 转换，再通过 LED 数码管显示，最后对比照度计与 LED 数码管的数据，画出其关系曲线，拟合曲 线就可以实现照度计的设计。其的设计与调试都是基于 51 单片机以及硅光电池。
2.1 方案一
方案一采用的是硅光电池与电阻进行串联，然后测量电阻两端的电压，再经 过 PCF89C51 进行模数转换，再利用 51 单片机处理采样的数据，最后再经过 LED 数码管进行显示。
图8 测试电路的布线图
4 调试过程及结论
调试过程如下所示： （1） 首先是仿真出来其 AD 转换以及数码管能够正常使用。 （2） 然后搭建好实物图，首先按照开发板的原理图，照着实现方案的原理
图去接线，先把数码管点亮，让其能够显示 AD 转换的值，当没接光 电池时，其显示应该为 0。 （3） 再者就去搭建硅光电池的电流转换成电压的模块，也是按照实现方案 去接线。接完线后再调整开发板的滑动变阻器，让其 LED 数码管能 够按照不同光强去变化，并且有明显的变化数值。 （4） 让光强从 0 开始，逐渐往上增加，记录照度计与数码管显示的值，再 用电脑绘出其曲线，最后再在代码上拟合其曲线。其曲线图如图 9 所示。其中横轴为测量数据，纵轴为照度计的值。
图 1 方案一原理图
2.2 方案二
方案二如图 2 所示，方案二是先将硅光电池的电流转换成电压，然后再经过 LM358 设计而形成的一个电压跟随器。首先是电流源经过电阻 R1 转换成电压， 然后将电阻下端的一端与运算放大器的 3 脚相连，然后 1 脚与 3 脚相连。通过运 算放大器的原理，虚断与虚短，可以知道 1 脚与 3 脚的电位是相同的。然后将其 1 脚的电位发送给 PCF89C51，经过 51 单片机处理后在 LED 数码管显示就可以 实现了。
5 心得体会
在设计电路时，发现许多问题，当时没有找到开发板的原理图，然后就自己 一步一步去摸索开发板各个芯片的引脚的连接方式，用万用表蜂鸣档一个一个端 口去试探，一个一个去记录。后来翻阅了老师给的资料，终于找到了这个开发板 的原理图。
但是在调试中又遇到一些新的问题，比如说发现电脑找不到开发板的串口， 这就会造成了烧不了程序，后来我上网查阅了许多资料，发现都不能解决问题。 突然急中生智，可以用自己的开发板烧录程序，再换到调试的开发板就可以了。 解决问题的关键还是在于要多思考。
目录
1 技术指标 ................................................................. 1 2 设计方案及比较 ........................................................... 1
2.1 方案一 ................................................................ 1 2.2 方案二 ............................................................... 2 2.3 方案三 ............................................................... 2 2.4 方案比较 .............................................................. 3 3 实现方案 .................................................................. 4 3.1 实现方案原理图 ........................................................ 4 3.2 PCF89C51 .............................................................. 4 3.3 74HC573 .............................................................. 5 3.4 74LS138 芯片 ......................................................... 6 3.5 测试电路的布线图 ..................................................... 7 4 调试过程及结论 ............................................................ 8 5 心得体会 .................................................................. 9 6 参考文献 ................................................................. 10 7 附录 ..................................................................... 10
3.1 实现方案原理图
实现方案原理图如图 4 所示，其实现过程如下： 首先是经过方案三的电流转换成电压后，然后经过 PCF89C51 数模转换，接 着 PCF89C51 把数据传入到 51 单片机中，然后在 51 单片机中配置了上拉电阻给 P0 端口，使其能输出一个高电平，再让其接一个锁存器 74HC573，用来驱动 LED 数码管动态段选显示。然后在数码管位选上，又利用了 74LS138 译码器来控制， 通过编程相应的 AD 驱动程序以及 LED 显示程序，最终可以得到如下图的仿真 结果。
组装好电路以后也会遇到许多问题，发现问题并不可怕，时都要根据现有的 条件和情况，在最初理论设计的基础上做出修改，以满足设计指标。
遇到问题要善于用学过的知识寻找解决的办法，比如说在一开始校正照度计 时，LED 数码管显示示数很不稳定，很抖，分析可知，有几个原因，一个方面可 能是数码管 LED 接触不良，另一个可能是因为显示电压已经到了10−3V，运放输 出的电压可能一直在小范围内浮动，这里可以——多次取值求平均后再显示到数 码管 LED，或者间隔一段时间再更新 LED 的值，或者设定一个值，只有当数码管 要显示的前后两个值差值大于这个数才更新显示。
250
200
y = 0.0036x2 + 0.4692x - 3.0416 R² = 0.9993
150
100
50
系列1 多项式 (系列1)
0 0
-50
50
100
150
200
图 9 拟合曲线图 调试测量数据如表 1 所示：
表 1 测量数据表
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照度计示数 33 79 128 155 193
3.2 PCF89C51
图 4 实现方案原理图
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PCF8591 是单片、单电源低功耗 8 位 CMOS 数据采集器件，具有 4 个模拟 输入、一个输出和一个串行 I2C 总线接口。3 个地址引脚 A0、A1 和 A2 用于编 程硬件地址，允许将最多 8 个器件连接至 I2C 总线而不需要额外硬件。器件地址、 控制和数据通道通过两线双向 I2C 总线传输。
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STA（G1）：选通端 /STB（/G2A）、/STC（/G2B）：选通端（低电平有效） /Y0~/Y7：输出端（低电平有效） VCC：电源正 GND：地
图7 74LS138
3.5 测试电路的布线图
测试电源自文库的布线图如图8所示：
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基于 Si 光电池的照度计设计与调试
1 技术指标
（1） 要求系统测量范围为 0-200lx，测量精度达到 1lx； （2） 设计光电池输出信号处理电路，要求可以控制处理后的电压幅度； （3） 设计照度计硬件电路系统，要求系统各个模块能够正常工作； （4） 设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定； （5） 给设计系统定标，要求测量结果误差在 1%以内。
原理图如图 1 所示，在 Proteus 平台进行仿真，电流源为 20μA，然后经过电 阻进行分压，从图中可以看出其电阻两端的电压为 2V，当光照度发生变化时， 其电流源的电流也发生相应的变化，因此电阻两端的电压也发生变化，最终经过 PCF89C51 进行模数转换并在 LED 上显示。
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然后再经过 PCF89C51 数模转换，利用 51 单片机处理数据，最终在 LED 数 码管显示。
2.4 方案比较
图 3 方案三原理图
方案一只是一个电流源与电阻的串联，优点是电路简单实现容易，缺点是由
于硅光电池的电压很小，电流也很小，用电阻来实现，如果收到 AD 转换的内阻
的影响，就会及其影响其的精度。方案二是在方案一的基础上增加了电压跟随器，
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2.3 方案三
方案三如图 3 所示，该电路是由两级放大器组成，第一级放大器 2 脚与 3 脚接的是电流源，然后在 1 脚与 2 脚间接一个电阻与电容，电阻 R1 的作用是将 电流源转换成电压的形式，电容 C2 的作用是对其电压进行滤波。然后将从电流 源转换成电压后接第二级运放的 5 脚，然后再利用运算放大器的虚短与虚断，可 以知道 6 脚的电位与 5 脚的相同。因此 R2，R3 之间就有一个回路到地端，又因 为 7 脚与 R2 的另一端相连，所以 7 脚的电压为 U5*R2/（R2+R3）当 R2 远大于 R3 时，7 脚的电压就是 6 脚的电压，也就是 5 脚的电压，即为电流源与 R1 电阻 的乘积。
3.3 74HC573
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74HC573为八位制3态非反转透明锁存器，具有高性能硅门 CMOS 器件。管 脚图如图6所示：
图6 74HC573 1脚三态允许控制端低电平有效 D0~D7为数据输入端 /Q0~/Q7为数据输出端
3.4 74LS138芯片
74LS138为3线—8线译码器，引脚图如图7所示： 工作原理： ①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2))和/(E3)）为低电平 时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在 Y0至 Y7对应的输出端以低电 平译出。比如：A2A1A0=110时，则 Y6输出端输出低电平信号。 ②利用 E1、E2和 E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级 联扩展成 32 线译码器。 ③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。 ④可用在8086的译码电路中，扩展内存。 引脚功能： A~C：地址输入端
测量值示数 33.6 78.6 127.3 156.1 198
误差差值 0.6 0.4 0.7 1.1 5
相对误差% 1.81 0.5 0.55 0.71 2.6
通过求相对误差的平均值，即为（1.81+0.5+0.55+0.71+2.6）/5，其结果为 1.23
说明其符合了测量误差的百分之 5 的要求。
器件功能包括多路复用模拟量输入、片上跟踪和保持功能、8 位模数转换和 8 位数模转换。最大转换速率取决于 I2C 总线的最高速率。其芯片图如图 5 所示：
图 5 PCF8591 引脚图 AIN0～AIN3：模拟信号输入端。 A0～A2：引脚地址端。 VDD、VSS：电源端。（2.5～6V） SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。 AGND：模拟信号地。 AOUT：D/A 转换输出端。 VREF：基准电源端。
解决了方案一存在的问题，但是方案二很容易收到运放芯片误差的影响，比如说
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武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书
温度漂移，噪声等影响。方案三则是采用双运放的方式，一个方面解决了方案一 的存在内阻影响的问题，另一个方面又增加了电路的稳定性，解决了方案二的问 题。因此，选择方案三为实现方案比较合适。
3 实现方案
2 设计方案及比较
整体思路是将光电池的电流转换成电压，然后经过 ADC 转换，再通过 LED 数码管显示，最后对比照度计与 LED 数码管的数据，画出其关系曲线，拟合曲 线就可以实现照度计的设计。其的设计与调试都是基于 51 单片机以及硅光电池。
2.1 方案一
方案一采用的是硅光电池与电阻进行串联，然后测量电阻两端的电压，再经 过 PCF89C51 进行模数转换，再利用 51 单片机处理采样的数据，最后再经过 LED 数码管进行显示。
图8 测试电路的布线图
4 调试过程及结论
调试过程如下所示： （1） 首先是仿真出来其 AD 转换以及数码管能够正常使用。 （2） 然后搭建好实物图，首先按照开发板的原理图，照着实现方案的原理
图去接线，先把数码管点亮，让其能够显示 AD 转换的值，当没接光 电池时，其显示应该为 0。 （3） 再者就去搭建硅光电池的电流转换成电压的模块，也是按照实现方案 去接线。接完线后再调整开发板的滑动变阻器，让其 LED 数码管能 够按照不同光强去变化，并且有明显的变化数值。 （4） 让光强从 0 开始，逐渐往上增加，记录照度计与数码管显示的值，再 用电脑绘出其曲线，最后再在代码上拟合其曲线。其曲线图如图 9 所示。其中横轴为测量数据，纵轴为照度计的值。
图 1 方案一原理图
2.2 方案二
方案二如图 2 所示，方案二是先将硅光电池的电流转换成电压，然后再经过 LM358 设计而形成的一个电压跟随器。首先是电流源经过电阻 R1 转换成电压， 然后将电阻下端的一端与运算放大器的 3 脚相连，然后 1 脚与 3 脚相连。通过运 算放大器的原理，虚断与虚短，可以知道 1 脚与 3 脚的电位是相同的。然后将其 1 脚的电位发送给 PCF89C51，经过 51 单片机处理后在 LED 数码管显示就可以 实现了。
5 心得体会
在设计电路时，发现许多问题，当时没有找到开发板的原理图，然后就自己 一步一步去摸索开发板各个芯片的引脚的连接方式，用万用表蜂鸣档一个一个端 口去试探，一个一个去记录。后来翻阅了老师给的资料，终于找到了这个开发板 的原理图。
但是在调试中又遇到一些新的问题，比如说发现电脑找不到开发板的串口， 这就会造成了烧不了程序，后来我上网查阅了许多资料，发现都不能解决问题。 突然急中生智，可以用自己的开发板烧录程序，再换到调试的开发板就可以了。 解决问题的关键还是在于要多思考。
目录
1 技术指标 ................................................................. 1 2 设计方案及比较 ........................................................... 1
2.1 方案一 ................................................................ 1 2.2 方案二 ............................................................... 2 2.3 方案三 ............................................................... 2 2.4 方案比较 .............................................................. 3 3 实现方案 .................................................................. 4 3.1 实现方案原理图 ........................................................ 4 3.2 PCF89C51 .............................................................. 4 3.3 74HC573 .............................................................. 5 3.4 74LS138 芯片 ......................................................... 6 3.5 测试电路的布线图 ..................................................... 7 4 调试过程及结论 ............................................................ 8 5 心得体会 .................................................................. 9 6 参考文献 ................................................................. 10 7 附录 ..................................................................... 10
3.1 实现方案原理图
实现方案原理图如图 4 所示，其实现过程如下： 首先是经过方案三的电流转换成电压后，然后经过 PCF89C51 数模转换，接 着 PCF89C51 把数据传入到 51 单片机中，然后在 51 单片机中配置了上拉电阻给 P0 端口，使其能输出一个高电平，再让其接一个锁存器 74HC573，用来驱动 LED 数码管动态段选显示。然后在数码管位选上，又利用了 74LS138 译码器来控制， 通过编程相应的 AD 驱动程序以及 LED 显示程序，最终可以得到如下图的仿真 结果。
组装好电路以后也会遇到许多问题，发现问题并不可怕，时都要根据现有的 条件和情况，在最初理论设计的基础上做出修改，以满足设计指标。
遇到问题要善于用学过的知识寻找解决的办法，比如说在一开始校正照度计 时，LED 数码管显示示数很不稳定，很抖，分析可知，有几个原因，一个方面可 能是数码管 LED 接触不良，另一个可能是因为显示电压已经到了10−3V，运放输 出的电压可能一直在小范围内浮动，这里可以——多次取值求平均后再显示到数 码管 LED，或者间隔一段时间再更新 LED 的值，或者设定一个值，只有当数码管 要显示的前后两个值差值大于这个数才更新显示。
250
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y = 0.0036x2 + 0.4692x - 3.0416 R² = 0.9993
150
100
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系列1 多项式 (系列1)
0 0
-50
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图 9 拟合曲线图 调试测量数据如表 1 所示：
表 1 测量数据表
8
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照度计示数 33 79 128 155 193
3.2 PCF89C51
图 4 实现方案原理图
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PCF8591 是单片、单电源低功耗 8 位 CMOS 数据采集器件，具有 4 个模拟 输入、一个输出和一个串行 I2C 总线接口。3 个地址引脚 A0、A1 和 A2 用于编 程硬件地址，允许将最多 8 个器件连接至 I2C 总线而不需要额外硬件。器件地址、 控制和数据通道通过两线双向 I2C 总线传输。
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STA（G1）：选通端 /STB（/G2A）、/STC（/G2B）：选通端（低电平有效） /Y0~/Y7：输出端（低电平有效） VCC：电源正 GND：地
图7 74LS138
3.5 测试电路的布线图
测试电源自文库的布线图如图8所示：
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基于 Si 光电池的照度计设计与调试
1 技术指标
（1） 要求系统测量范围为 0-200lx，测量精度达到 1lx； （2） 设计光电池输出信号处理电路，要求可以控制处理后的电压幅度； （3） 设计照度计硬件电路系统，要求系统各个模块能够正常工作； （4） 设计照度计软件控制系统，要求系统整体工作稳定； （5） 给设计系统定标，要求测量结果误差在 1%以内。
原理图如图 1 所示，在 Proteus 平台进行仿真，电流源为 20μA，然后经过电 阻进行分压，从图中可以看出其电阻两端的电压为 2V，当光照度发生变化时， 其电流源的电流也发生相应的变化，因此电阻两端的电压也发生变化，最终经过 PCF89C51 进行模数转换并在 LED 上显示。
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武汉理工大学《光电技术》课程设计说明书
然后再经过 PCF89C51 数模转换，利用 51 单片机处理数据，最终在 LED 数 码管显示。
2.4 方案比较
图 3 方案三原理图
方案一只是一个电流源与电阻的串联，优点是电路简单实现容易，缺点是由
于硅光电池的电压很小，电流也很小，用电阻来实现，如果收到 AD 转换的内阻
的影响，就会及其影响其的精度。方案二是在方案一的基础上增加了电压跟随器，