光敏电阻检测系统的设计.docx

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光敏电阻检测系统的设计

标题

光敏电阻检测系统的设计

光敏电阻传感器检测系统的

摘要

该数字式光照强度检测仪以单片机和模数转换为技术核心，具体由单片机最小系统、下载通信模块、A/D模数转换模块、光照方向检测模块、输出选择模块和数码管显示模块组成。

在本系统的设计中，利用光敏电阻阻值随光强的变化特性来检测光强，采用单片机控制输出选择模块和数模转换芯片依次测量不同方向的光照强度，并通过编程处理数据进行光强的比较，最后通过数码管显示检测结果。

通过对电路的设计和软件调试，最终基本实现了基于单片机的数字式光照强度检测仪的整体功能，可显示最大光照强度及光强照射方向。

关键字：

光敏电阻，单片机，光照强度

ABSTRACT

Thedigitallightintensitydetectorwithmicrocontrollerandanalog-digitalconversionasacoretechnology,specificallybythemicrocomputersystem,downloadthecommunicationmodule,A/Danalog-digitalconversionmodule,lightdirectiondetectionmodule,theoutputselectionmoduleanddigitaldisplaymodulecomposition.Inthissystemdesign,useofphotosensitiveresistorcharacteristicswiththelightintensitytodetectchangesinlightintensity,theoutputselectcontrolofsingle-chipmoduleandseveralanalogconverterfollowedbymeasuringthelightintensityindifferentdirections,andhandlingdatathroughtheprogramintensitycomparition,thefinaltestresultsviadigitaldisplay.

Inshort,throughthecircuitdesignandtheactualalignment,finallyrealizingasinglechipbasedondigitallightintensitydetectoroftheoverallfunction,canshowamaximumlightintensityandlightintensityirradiationdirection.

Keywords:

photosensitiveresistance;MCG;lightintensity

第1章绪论

1.1课题的意义、目的和要求

1.1.1课题的意义

本系统是一个基于单片机的数字式光照检测仪，通过数码管显示光度，并且具有判断光照方位能力。

以89C51单片机为核心，控制A/D芯片采集数据，辅以数码管、比较器、数据选择器等器件，实现功能。

本系统采用光敏电阻采集光照强度信息。

光照强度直接反映在光敏电电阻阻值上，进而反映在光敏电阻两端的电压值上。

然后通过单片机控制A/D模数转换对电压信号进行采集,经换算后通过数码管显示光强强度。

判断光照方向时可采用两个位于不同方向的光敏电阻。

光照方向会导致他们两端的电压值不同，把两个电压值输入到比较器进行比较，单片机根据比较结果控制数据选择器选择光照较强的那一路的电压值给A/D进行数模转换。

用数码管的亮灭显示方向。

本设计适当地利用了光敏电阻的特性以及单片机的强大的运算控制功能，实现了光照强度的检测，并在数码管上显示。

设置了两个方向的光敏电阻，比较光照强度数值大小确定了当前光照方向。

本系统充分利用了现有资源，结构合理，性能稳定，成本低，满足题目要求。

加强对单片机的学习和认识，正确运用所学单片机的理论知识，将理论与实际相结合，单片机在我们的生活中得到越来越广泛的应用，单片机注定影响一个时代，只要存在计算机的地方就会有他的存在，学好单片机对今后的学习与工作有很多益处。

1.1.2课题的目的

采用光敏电阻为光传感器，利用光敏电阻的光照特性完成光强的检测。

具体方法是将三路光敏电阻支路并联接入电路中，其中一路串接一固定电阻，另外两路分别串接电位器，利用光敏电阻值随光照强度变化的特性，使得电路的输出电压而变化。

根据这一特性，结合光照强度和输出模拟电压之间的关系，分别对三路电压值进行采集得到某一光强度下对应的模拟电压，将模拟电压通过ADC0804模数转换器转换为数字电压，通过C语言编程，将其集于单片机中，进行比较以后通过两位数码管将最大值显示出来，相应地控制点亮对应的小数点以显示光照强度的方向。

从ADC0804的模拟量通道输入0－5V之间的模拟量，通过ADC0804转换成数字量送给单片机，经单片机处理后在数码管上以十进制形成显示出来，学习用单片机控制A/D模数转换。

光照强度检测仪的主体是光敏电阻，光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。

它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。

在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

光敏电阻的特性是光照变化时其电阻值随着变化，所以可以通过电阻值的变化得出光照强度的变化，而电阻值的变化可以反映在电阻两端的电压值的变化情况上，这样可以设计一个简单的电路，该电路由光敏电阻分压并可以将光敏电阻两端的电压信号作为输入信号输入单片机，然后进行数模转换，将输入单片机的电压模拟信号转换成数字信号，再由单片机处理转换出来的数字信号。

然后由数码显示管显示出光照强度结果并判断光照方向。

1.1.3课题的要求

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式光照强度检测系统，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，通过比较它们的光强数值以判断光照方位。

技术要求：

（1）对光照强度实施实时采集，光照强度的测量范围为：

2~600LX，精度±0.2%；

（2）用数码管显示光照强度；

（3）可以设置多个不同方向的光敏电阻，通过比较它们的光强数值以判断光照方位；

（4）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数字式光照强度检测仪的发展前景及趋势

本课题通常与仪器测量的光束强度，是专门针对一个电路测量光强度关联到一个时间信号的光强度。

其中有一个光通过介质传递光束强度是在现有条件中的指示广泛的应用。

光照强度的分析与使用这些计划的检测电路通常比较熟悉。

通常情况下，光强度检测用感光元素，是产生一个电压信号，然后放大并转换成由模拟到数字（A/D）转换为数字信号的能力。

该A/D转换器生成一个变量引入到一个微处理器电平信号，其中，信号电平进行比较参考信号，以便与预定相关的职权收集信号“读”的样本。

目前，仍然有必要制定一个系统，使光强度检测的有效使用，而又能准确有效地转换设备系统的应用。

随着红外技术的推广，红外满方的检测仪器将朝着快速、便携、低成本、低功耗以及自动化的方向发展。

（1）快速性要求检测的时间短，能迅速得到检测结果，以适应检测。

（2）便携，体积小，能够在离线、现场后在线环境下，实现准确，无损检测。

（3）低成本，价格便宜，是普通老百姓买得起，用得起。

（4）低功耗，易于操作，检测人员不需要对仪器进行复杂的调整，只需启动几个按钮就可以进行检测。

1.3本课题主要研究的内容

如何构架光敏电阻网络检测到关照强度及其方向，将光敏电阻两端的模拟信号转换成数字信号及通过单片机处理使得检测结果用数码管显示。

各模块的设计和组件，软件的编程和调试则是重点。

（1）结合单片机最小电路和光敏电阻电路设计一个基于单片机的数字式光照强度检测系统；

（2）单片机最小系统及光敏电阻网络的设计；

（3）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，并用数码管显示。

第2章系统概述

2.1系统方案的选择与论证

2.1.1设计方案一

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2.1所示。

图2.1设计方案一原理图

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。

实验中不采用本方案。

2.1.2设计方案二

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2.2所示。

图2.2设计方案二原理图

本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，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。

2.1.3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：

图2.3设计方案三原理图

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。

2.1.4方案综合比较和选择

通过以上三种方案的设计，方案一采用光敏二极管作为光照传感器，线性度好，响应速度快，但是需要额外添加运放环节，对系统稳定性和误差都会带来不利影响，另外限于元器件的供应，本实验中不采用。

方案二采用光敏电阻作为光照传感器，稳定性和灵敏度虽然都能满足设计选题的要求，但是电路结构过于复杂，实现和调试都比较困难，在实验中也不采用：

而方案三采用光敏电阻作为光照传感器，进行模拟电压采样，通过ADC数模转换器将模拟信号转换为数字信号传送到51单片机中，进而控制两位数码管显示具体数值和方位，简单可行，成本造价低，故在实验中采用本方案。

2.2系统工作原理

设计中采用光敏电阻为光传感器，利用光敏电阻的光照特性完成光强的检测。

具体方法是将三路光敏电阻支路并联接入电路中，其中一路串接一固定电阻，另外两路分别串接电位器，利用光敏电阻值随光照强度变化的特性，使得电路的输出电压而变化。

根据这一特性，结合光照强度和输出模拟电压之间的关系，分别对三路电压值进行采集得到某一光强度下对应的模拟电压，将模拟电压通过ADC0804模数转换器转换为数字电压，通过C语言编程，将其集于单片机中，进行比较以后通过两位数码管将最大值显示出来，相应地控制点亮对应的小数点以显示光强的方位。

2.3本章小结

本章主要讲述了系统方案的选择与论证并对系统进行了概述，通过对不同方案的选择了解整个系统的工作流程，根据实际情况与技术要求，画出了系统结构框图，并拟定了系统总体设计方案，也对系统工作原理作了简要概述。

第3章系统硬件设计

3.1单片机的选择

3.1.1单片机定义及特点

在一块芯片上集成CPU、数据存储器、程序存储器、输入输出和定时/计数器等部件的一台小型计算机，它体积小、结构紧凑、功耗低，嵌入到某应用系统中，主要完成信号控制功能，又称“嵌入式微控制器”。

本设计采用89C51单片机，89C51单片机引脚图如图3.1所示。

图3.189C51单片机引脚图

89C51单片机各个引脚介绍：

输入输出引脚：

（1）P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

（2）P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

（3）P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

（4）P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

其它的控制或复用引脚：

XTAL1/XTAL2：

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。

晶振的频率最高可以达到33MHz。

电容取30pF±10pF。

单片机程序指令的执行是以振荡器的振荡来驱动的。

在MCS-51架构中，每12个振荡器周期组成一个指令周期（或称机器周期）。

单片机执行指令的时间是以指令周期为单位的。

不同指令的执行时间可能是不同的，一条指令的执行时间最短为一个指令周期。

因此，单片机所接的振荡器频率越高，它执行指令的速度就越快

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

3.1.2单片机发展历史及应用

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、ScO三大阶段。

20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。

MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。

我国单片机起步较晚，我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机及其增强型、拓展型的衍生机型，MCS-51是最早进入我国的单片机主流品种之一，在我国得到广泛应用，直到现在仍为单片机主流系列。

当今社会，应用单片机的产品已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的足迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。

单片机的应用从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法，从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。

这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。

这标志着一种全新概念的建立。

常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上。

增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能也就越强大。

从单片机的发展历程看，未来单片机技术将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、外围电路内装化及片内储存器容量增加的方向发展。

3.2单片机最小系统和通信模块的设计

3.2.1单片机最小系统的设计

单片机最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路。

复位电路：

由电容串联电阻构成,结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位，一般教科书推荐C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。

所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。

所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。

也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。

所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。

在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。

所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。

在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。

当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。

随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小，根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。

晶振电路:

典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作）单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。

单片机的时钟信号通常有两种产生方式：

内部时钟方式和外部时钟方式，内部时钟方式在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。

晶振的取值范围一般为0~24MHz，常用的晶振频率有6MHz、12MHz、11.0592MHz、24MHz等。

一些新型的单片机还可以选择更高的频率。

外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。

外部时钟方式则是在单片机XTAL1引脚上外接一个稳定的时钟信号源，它一般适用于多片单片机同时工作的情况，使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步。

时序是单片机在执行指令时CPU发出的控制信号在时间上的先后顺序。

AT89C51单片机的时序概念有4个，可用定时单位来说明，包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期

振荡周期：

是片内振荡电路或片外为单片机提供的脉冲信号的周期。

时序中1个振荡周期定义为1个节拍，用P表示。

时钟周期：

振荡脉冲送入内部时钟电路，由时钟电路对其二分频后输出的时钟脉冲周期称为时钟周期。

时钟周期为振荡周期的2倍。

时序中1个时钟周期定义为1个状态，用S表示。

每个状态包括2个节拍，用P1、P2表示。

机器周期：

机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。

一条指令的执行需要一个或几个机器周期。

一个机器周期固定的由6个状态S1~S6组成。

指令周期：

执行一条指令所需要的时间称为指令周期。

一般用指令执行所需机器周期数表示。

AT89C51单片机多数指令的执行需要1个或2个机器周期，只有乘除两条指令的执行需要4个机器周期。

了解了以上几个时序的概念后，我们就可以很