光强检测系统设计报告

电子设计自动化实训说明书

题 目： 光强检测系统设计 系 部： 信息与控制工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 学生姓名： 学 号：

指导教师： 戴曰章

2010年 12 月 9 日

目 录

1 引言 ................................................................ 1 2 设计任务及要求 ...................................................... 1 2.1 基本要求 ......................................................... 1 2.2 主要器件及功能 ................................................... 1 3 总体框图及原理 ...................................................... 2 4 电路原理 ............................................................ 3 4.1 电源电路 ......................................................... 3 4.2 最小系统电路 ..................................................... 3 4.3 显示电路 ......................................................... 5 4.4 检测电路 ......................................................... 6 4.5 数据传输电路 ..................................................... 7 4.6 A/D转换电路 ..................................................... 8 4.7 继电器控制电路 ................................................... 9 5 PCB版图设计 ........................................................ 11 6 实训总结 ........................................................... 12 参考文献 .............................................................. 13

1 引言

工农业生产中对光照强度的要求越来越高，为了更好的利用光照来提高生产，应精确的检测并控制光照的强度。本设计基于此目的，设计了简单的光强检测系统。

2 设计任务及要求

2.1 基本要求：

设计制作一套单片机光照强度控制系统，包括： （1）硬件原理图 （2）印制板PCB 图

2.2 主要器件及功能

3 总体框图及原理

图3.1 总体框图

设计原理：

本设计采用了STC89C52单片机组成光照控制系统，可以实现对光强的控制。光强传感器采用了光敏电阻, 对光照强度进行实时采样。通过A/D转换模块将采集到的模拟信号转换成数字信号，再通过串行编程模块将其传入到单片机进行处理。然后通过数码管显示，用继电器控制光照，以此达到对光照强度的控制。

4 电路原理

4.1 电源电路

图4.1 电源模块

电源模块原理：本电路将USB 电流作输入，通过滤波、稳压等将电流转换成稳定的电压给系统供电。

4.2 最小系统电路

图4.2 MCU最小系统

MCU 最小系统工作原理：

设计中选用STC89C52单片机，共有四个8位的I/O口, 外加12MHz 晶振提供时钟信号，采用上电复位模式，P2. 2口号和采样与处理器件MAX232CPE 通讯，直接输入12位数字量到89C52内进行处理，P2.0口输出控制信号与外接电源构成回路来控制固态继电器的输入信号，P0口与LCD 液晶显示模块连接，用于实时光照显示和控制。

4.3

显示电路

图4.3 数码管显示模块

数码管显示原理：

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；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。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。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，因此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。

① 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

② 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp" 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms ，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

4.4 检测电路

图4.4 光强转换模块

光强转换模块原理：光照通过R16光传感器将光照强弱转换成电信号并将其传输到A/D转换模块。

4.5

数据传输电路

图4.5 串行编程模块

串行编程模块原理：

实现串口通讯功能驱动与串口数据接收功能集成IC 这个max232cpe 的芯片必须

+5V电源才会工作。主要用在外围设备中主要起到与电脑或单片机这一块串口通讯。

4.6 A/D转换电路

图4.6 A/D转换模块

TLC1543简介：

TLC1543 是由TI 公司开发的开关电容式AD 转换器，该芯片具有如下的一些特点：10 位精度、11 通道、三种内建的自测模式、提供EOC （转换完成）信号等。该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。图1 是TLC1543 的引脚示意图，其中A0~A10 是11路输入，Vcc 和GND 分别是电源引脚，REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰。其余的引脚是TLC1543 与CPU 的接口，其中CS 为片选端，如不需选片，可直接接地。I/O Clock 是芯片的时钟端，Adress 是地址选择端，Data Out 是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU 的三个I/O 端即可。EOC 用于指示一次AD 转换已完成，CPU 可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入CPU 的中断引脚，一旦数据转换完成，向CPU 提出中断请求；此外，也可将该引脚接入一个普通的I/O 引脚，CPU 通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU 向TLC1543发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可。

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，采样速率一般取 f s 2. 5f 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。

4.7

继电器控制电路

图4.7 继电器模块

继电器模块驱动原理：

当STC89C52单片机的P3.5引脚输出低电平时，三极管T5饱和导通，+5V电源见到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。当STC89C52单片机P3.5引脚输出高电平时，三极管T5截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动

势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管的保护作用。

5 PCB版图设计

图5.1 PCB版图设计

6 实训总结

通过这次实习, 我们熟练掌握了常用的电工工具的使用方法和注意事项，使我们对电子工艺的理论有了更深入的了解. 我们熟悉了从设计电路，仿真，制板，焊接，调试电路的技巧, 工作原理与组成元件的作用等. 这些知识不仅仅是在课堂上有效, 对以后的学习也同样有很重要的意义. 而且在日常生活中也有着非常现实的意义. 同时还培养了我们的团队合作精神. 我们明白了, 在团队里面. 光靠一个人的力量是远远不够的. 只有大家齐心协力、共同合作才能够又快又好地完成任务.

这次的实习对自己的动手能力是一个很大的锻炼. 我们平时都只注重理论方面的学习, 而往往忽略了实践的重要性. 俗话说:实践是检验真理的唯一标准. 没有足够的动手能力, 很难在未来的科研尤其是实验研究中有所成就. 在实习中, 我们锻炼了自己的动手能力, 掌握了操作技巧, 提高了自己动手解决问题的能力. 比如电路板的制作就是一个不小的挑战，稍不留神就会在过塑的时候出错，电路图印在板上不完全。但我们在面对困难的时候没有退却，经过5次重复实验最后还是较好的完成了任务.

两周的实习很短暂, 但却给我们以后的道路指出一条明路, 那就是思考着做事, 事半功倍, 更重要的是, 做事的心态, 也可以得到磨练, 可以改变很多不良的习惯, 例如：在电工实习过程中, 起初效率低. 为什么呢? 那是因为在开始的时候大家并没有进行明确的分工. 三个人中只有一个人在做, 另外两个人更像是与实验无关的局外人. 而且在开工前, 也没有统一意见, 彼此缺少应有的默契. 而通过不断的磨合, 心与心的交流以及对操作的逐渐熟练, 使我们学到了这种经验。

参考文献

[1] 刘西社, 刘建平, 吴宝宁等 闪光有效光强测定

仪研究应用光学, 1996;

[2] 李红滨等新型数字逻辑器件第 1 版, 西安电子科技大学出版社, 1992

[3] 马宗龙, 吕亚林. 光频率转换器 220的原理与TSL 应用. 集成电路应用, 1996

[4] 李广弟. 单片机基础. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1994

[5] 马胜前. 用8031 实现高精度变闸门测频. 电子测量技术, 1997

[6] 彭介华. 电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社，1997

[7] 郑家龙，王小海，章安元. 集成电子技术基础教程. 北京：高等教育出版社，2002