光敏电阻检测系统设计.docx
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光敏电阻检测系统设计
专业课程设计报告
光敏电阻检测系统设计
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2018年7月
目录
第1章绪论1
1.1课题的意义和目的1
1.2发展前景及趋势1
第2章方案设计2
2.1本设计实现的目标2
2.2方案及框图2
第3章主要元器件选型3
3.1单片机3
3.2MAX2324
3.3IC40514
3.4ADC08045
第4章系统硬件设计6
4.1单片机最小系统和通信模块的设计6
4.1.1单片机最小系统的设计6
4.1.2下载通信模块的设计7
4.2光敏电阻网络的设计7
4.3输出选择电路的设计8
4.4A/D模数转换电路的设计9
4.5数码管显示电路的设计10
4.6本章小节10
第5章PCB设计12
结论17
附录18
第1章绪论
1.1课题的意义和目的
在日常生活，农业，工业，航空航天等方面我们需要对光源的强度和方向做到很准确的检测和定位，这样不仅可以对其进行精确的可行性的防护也可以做到对其进行精确的有意义的引导。
普通的光强检测系统只能对光源的大小强度进行显示和分析不能做到对方向的精确定位。
这样我们就需要一个既能检测大小又能判断来源的一个系统。
光敏单组检测系统就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。
以单片机为核心，通过数据采集，辅以数码管、比较器、数据选择器等器件，实现功能。
系统中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。
进而实现了对光大小和方向的检测。
1.2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。
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。
（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。
第2章方案设计
2.1本设计实现的目标
本设计中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。
系统中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。
而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。
2.2方案及框图
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，将这三路电压通过模数转换器转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给单片机，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。
图2.2设计方案原理图
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。
第3章元器件选型
3.1单片机
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
3.2MAX232
下载通信模块选用MAX232芯片。
MAX232是MAXIM公司专门为PC视RS-232标准串口设计的电平转换电路。
该芯片与TTL／COMS电平兼容，片内有2个发送器，2个接收器，且使用+5V单电源供电，使用非常方便。
串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。
尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。
它很简单并且能够实现远距离通信。
比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。
典型地，串口用于ASCII码字符的传输。
图3.2MAX232引脚图
3.3IC4051
IC4051由逻辑电平转换电路、8选1译码电路和8个CMOS开关单元三部分组成，其中A、B、C是3位二进制地址输入端，3位二进制的八种组合可用于选择8路通道；INH是地址输入禁止端，其为高电平时，地址输入端无效，即无通道被选通。
A、B、C及INH的输入电平与TTL兼容。
逻辑电平转换电路的主要作用是把地址输入端A、B、C和地址输入禁止端INH输入的TTL逻辑电平转换成CMOS电平，使开关单元能用TTL电平控制。
8选1地址译码电路的主要作用是把来自逻辑电平转换电路的地址输入信号转换成相应的开关单元选通信号，并把相应开关单元接通。
图3.3IC4051引脚图
3.4ADC0804
ADC0804是单片集成A/D转换器。
ADC0804是一款8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：
模数转换时间大约100us；方便TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0～5）V输入电压范围是0～5V；不需要调零等等。
ADC0804是一款早期的AD转换器，而且因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。
图3.4ADC0804引脚图
元器件表见附录C。
第4章系统硬件设计
4.1单片机最小系统和通信模块的设计
4.1.1单片机最小系统的设计
单片机的主要功能是负责整个系统的控制，不承担复杂的数据处理任务，因此在设计本系统时选用STC89C51。
其中，时钟电路为在引脚XTALl和XTAL2跨接晶振和两个补偿电容构成自激振荡器，结构中Y1、C1、C2，根据情况本设计中选择12MHz的晶振，补偿电容选择30pF左右的瓷片电容；复位电路则采用手动按键复位两种方式实现，其结构如图中R0、C3和S1，通过按键将电阻R0与VCC接通即可实现复位；P0口外接上拉电阻，其结构如图中3.1，采用10K的排阻以提供给I/O口合适的电流。
下图为一个51单片机的最小系统电路图。
图4.1单片机最小系统电路图
4.1.2下载通信模块的设计
现从MAX232芯片中两路发送接收中任选一路作为接口，其发送接收的引脚一一对应。
本系统中使T2IN接单片机的发送端TXD，同时R2OUT接单片机的RXD端，C1+、C1-脚和C2+、C2-脚接104瓷片电容，其接口电路如图4.2所示。
图4.2通信模块的电路图
4.2光敏电阻网络的设计
光敏电阻器件是光信号转换类传感器,它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。
光敏电阻不只局限于对光的探测,它还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可,因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。
本课题主要用于光敏电阻的光照特性等的研究。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器：
对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
红外光敏电阻器：
主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。
锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
可见光光敏电阻器：
包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。
主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
光敏电阻工作原理
构成光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物以及蹄化物等半导体。
半导体的导电能力取决于自身载流子的多少。
当光透过透明窗照射到梳状电极上时，若光子能量hf大于半导体的禁带宽度，则价带中的电子吸收能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴。
电子一空穴对的不断增加，则使半异体的正向电阻迅速变小。
光照越强，产生的电子一空穴对越多，其电阻下降越快。
入射光消失，电子一空穴对因电极性相反而逐渐复合，电阻随之逐渐恢复原值。
光敏电阻的入射光强，电阻减小；入射光弱，电阻增大。
该器件一般可用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
本电路制作中，将光敏电阻分别串联2K电阻和10K滑动变阻器，再接通电源，调试过程中，还需将三个光敏电阻进行校准，使得在同一光强下从光敏电阻一端的电压值尽量保持一致。
光敏电阻网络电路如图4.3。
图4.3光敏电阻网络电路
4.3输出选择电路的设计
输出选择电路可用数据选择器来实现。
数据选择器的逻辑功能是在地址选择信号的控制下，从多路数据中选择一路数据作为输出信号。
本设计中采用芯片IC4051作为主要芯片。
该器件为8选1的数据选择器，其中A、B、C管脚分别接单片机的P0.7、P0.6和P0.5以实现对地址的选择，如当ABC为001时，X4端的信号作为输出信号送至X端，其具体结构和电路接法见图4.4。
图4.4输出选择模块
4.4A/D模数转换电路的设计
A/D转换器就是模拟/数字转换器是将输入的模拟信号转换成为数字信号。
本实验中利用模数转换将模拟电压值转换为离散的数字量再送入单片机进行数据处理。
制作中选用芯片ADC0804为8位CMOS逐次比较型模数转换器。
该芯片工作电源电压为5V，它的转换分辨率为8位256级，即表现为输入电压分辨率为0.02V；也就是说输入电压每增加0.02V，转换输出的数据才加1，经计算可知在误差允许的范围之内，故方案可行。
ADC0804是8位全MOS中速A/D转换器、它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。
单通道输入,转换时间大约为100us。
CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。
当CS=0和RD=0时可以读取数据结果。
电路设计中，用单片机的P0.4、P0.3和P0.2分别控制芯片的使能端和读写控制端，电压模拟量经电阻R5送给6管脚，11-18管脚对应连接单片机的P2口，即可将数字量读出。
另外管脚4和19外接大小为10K的电阻R4，管脚4与地之间接电容C8，大小为200pF，计算可得片内时钟为450KHz左右，具体电路如图4.5。
图4.5A/D模数转换电路图
4.5数码管显示电路的设计
数码管显示电路采用两位共阳数码管DPUBULE-CC，其中由单片机的P0.1和P0.0作为位选口，输出低电平时数码管被选中；P1口作为段选，输出低电平时相应的段被点亮。
数码管的驱动选用三极管NPN，电阻R9和R10选取1K的阻值大小，以提供合适的电流使三极管导通。
数码管显示原理：
按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字。
根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
下图为数码管显示电路。
图4.6数码管显示电路
完整电路图见附录A。
4.6本章小结
本章从这五个方面对系统各个功能模块的内容与工作方式做了介绍，是本论文主要介绍的内容。
经查阅相关资料确定了本文所需要设计的单片机的类型—AT89C51。
根据实际情况与技术要求，结合已确定的系统结构框图对各部分进行设计，包括单片机最小系统、光敏电阻网络、A/D模数转换、数码管显示电路以及输出选择电路，并对每一部分都进行了较详细的叙述。
第5章PCB设计
1.前期准备
在进行PCB设计之前,首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库.元件库可以用软件自带的库,但一般情况下很难找到合适的,最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库.原则上先做PCB的元件库,再做SCH的元件库.PCB的元件库要求较高,它直接影响板子的安装;SCH的元件库要求相对比较松,只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系。
SCH元件库附加芯片如下：
STC89C51，ADC0804,MAX232,CD4051
图5.1.1STC89C51图5.1.2ADC0804
图5.1.3IC4051图5.1.4MAX232
PCB元件库附加封装如下：
图5.1.5DIP10图5.1.6DO-92A图5.1.7SMG10
2.PCB结构设计
根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位,在PCB设计环境下绘制PCB板面,并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等.并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。
Mechanical层5000milx5380mil，KeepOutlayer层5020milx4740mil。
3.PCB布局
在板子上放器件，这时如果前面讲到的准备工作都做好的话,就可以在原理图上生成网络表（Design->CreateNetlist）,之后在PCB图上导入网络表（Design->LoadNets）.然后就可以对器件布局了。
一般布局按如下原则进行：
①．按电气性能合理分区,一般分为:
数字电路区（即怕干扰、又产生干扰）、模拟电路区（怕干扰）、功率驱动区（干扰源）;
②．完成同一功能的电路,应尽量靠近放置,并调整各元器件以保证连线最为简洁;同时,调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁;
③．对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度;发热元件应与温度敏感元件分开放置,必要时还应考虑热对流措施;
④．I/O驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件;
⑤．时钟产生器（如:
晶振或钟振）要尽量靠近用到该时钟的器件;
⑥．在每个集成电路的电源输入脚和地之间,需加一个去耦电容（一般采用高频性能好的独石电容）;电路板空间较密时,也可在几个集成电路周围加一个钽电容.
⑦．继电器线圈处要加放电二极管（1N4148即可）;
⑧．布局要求要均衡,疏密有序,不能头重脚轻或一头沉.
需要特别注意,在放置元器件时,一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元器件之间的相对位置,以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时,应该在保证上面原则能够体现的前提下,适当修改器件的摆放,使之整齐美观,如同样的器件要摆放整齐、方向一致,不能摆得“错落有致”.，这个关系到板子整体形象。
4.布线
布线是整个PCB设计中最重要的工序.这将直接影响着PCB板的性能好坏.在PCB的设计过程中,布线一般有这么三种境界的划分:
首先是布通,这时PCB设计时的最基本的要求.如果线路都没布通,搞得到处是飞线,那将是一块不合格的板子,可以说还没入门.其次是电器性能的满足.这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准.这是在布通之后,认真调整布线,使其能达到最佳的电器性能.接着是美观.假如你的布线布通了,也没有什么影响电器性能的地方,但是一眼看过去杂乱无章的,加上五彩缤纷、花花绿绿的,那就算你的电器性能怎么好,在别人眼里还是垃圾一块.这样给测试和维修带来极大的不便.布线要整齐划一,不能纵横交错毫无章法.这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现,否则就是舍本逐末。
布线如下图。
图5.4.5PCB布线图
5.网络和DRC检查和结构检查
在确定电路原理图设计无误的前提下,将所生成的PCB网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查（NETCHECK）,并根据输出文件结果及时对设计进行修正,以保证布线连接关系的正确性;网络检查正确通过后,对PCB设计进行DRC检查,并根据输出文件结果及时对设计进行修正,以保证PCB布线的电气性能.最后需进一步对PCB的机械安装结构进行检查和确认。
图5.5.1DCR检查
DRC检查后所做调整：
多边形覆铜处理时加框轨迹宽度至10mil，串口DB9通过减小焊盘孔径至100mil来实现。
6.多边形覆铜
覆铜分为两部分Toplayer层和bottomlayer层，网络尺寸20mil，轨迹宽度10mil，阴影风格45度开口。
执行之后结果如下
图5.6.1PCBToplayer层
图5.6.2PCBbottomlayer层
PCB3D效果图见附录B。
结论
硬件系统关系到所要设计的电子产品好怀，如系统抗干扰性等，所以要合理的安排尽量减少干扰提高性能。
单片机是很容易受干扰的控制器，当采用外部晶振时，应尽量让其靠近单片机减少对其干扰，防止程序乱飞现象。
同时还可以采用隔离等方式减少干扰，硬件系统设计的好坏很大部分来源于经验，所以要养成动手的好习惯。
光敏电阻作为光照传感器，在精度要求不是很高的场合下，可以用于光照检测电路的设计，并实现对光照的检测、控制和调节。
本设计最终实现所采用的方案易于扩展和调试，完成了设计要求。
但是有误差，精度不高，并且系统的可靠性还有待进一步提高。
PCB电路设计绘制时要注意布局，布线以及轨迹宽度和焊盘大小等主要的几个步骤，最后要进行DRC检查一般的错误主要有轨迹宽度和焊盘孔径的限制，按要求更改即可。
对PCB板进行覆铜处理要正确选中所布层合理的利用Keepoutlayer层的线框，自动布线时回出现电源消失的情况，需要手动布线原则上红线可以与蓝线相交同色不能相交。
通过学习Protel软件掌握了Sch原理图的绘制，元件库的制作，以及封装处理，PCB元件库的制作，PCB电路图的制作。
整个学习过程在PCB电路图的检查和Sch原理图的绘制上有一定的难度。
附录APCB3D图
附录B元件表:
元器件名称
数量
STC89C51
1
ADC0804
1
IC4051
1
MAX232
1
两位共阳数码管
1
串口
1
开关
1
按键
1
12M晶振
1
发光二极管
1
三极管8550
2
电容（104）
4
电容（30pF）
2
电容（10uF）
1
电阻（10K）
5
电阻（1K）
2
电阻（2K）
1
光敏电阻
3
排阻（10k）
1
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