武漢理工大學(xué)光電技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書基于Si光電池的照度計(jì)調(diào)試與設(shè)計(jì)1.技術(shù)指標(biāo) 利用硅光電池對(duì)光的靈敏性，設(shè)計(jì)出一個(gè)照度計(jì)。要求系統(tǒng)測(cè)量范圍為0-200lx，測(cè)量精度達(dá)到1lx，設(shè)計(jì)光電池輸出信號(hào)處理電路，要求可以控制處理后的電壓幅度,設(shè)計(jì)照度計(jì)硬件電路系統(tǒng)，要求系統(tǒng)各個(gè)模塊能夠正常工作,設(shè)計(jì)照度計(jì)軟件控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定,給設(shè)計(jì)系統(tǒng)定標(biāo)，要求測(cè)量結(jié)果誤差在1%以內(nèi)。 2.設(shè)計(jì)方案及其比較 根據(jù)設(shè)計(jì)原理，硅光電池受光的影響產(chǎn)生電流，經(jīng)過并聯(lián)采樣電阻產(chǎn)生電壓信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)入放大器的同相放大端進(jìn)行放大。經(jīng)過放大后產(chǎn)生伏級(jí)的電壓輸出信號(hào)，即電平輸出信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，然后經(jīng)過單片機(jī)處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。最后通過LCD實(shí)時(shí)顯示出來。圖1 照度計(jì)系統(tǒng)框圖對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)，核心控制芯片只能處理數(shù)字信號(hào)，所以必須把處理法得到的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字電壓信號(hào)，以便系統(tǒng)的控制和處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響了測(cè)量系統(tǒng)的精度，該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的是國家半導(dǎo)體生產(chǎn)的ADC0809。其管腳裝封圖如下： 圖2 ADC0809管腳圖各腳功能如下：D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入 端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 根據(jù)光電轉(zhuǎn)換前置放大的三種電路，可以設(shè)計(jì)三種方案，它們分別是方案一：電阻轉(zhuǎn)換模式，方案二：三極管轉(zhuǎn)換模式，方案三：集成運(yùn)放轉(zhuǎn)換模式。2.1 方案一 本方案的光電前置放大模塊采用電阻轉(zhuǎn)換模式 ，其電路圖如下：圖3 電阻轉(zhuǎn)換電路2.2 方案二 本方案的光電前置放大模塊采用三極管轉(zhuǎn)換模式，其電路圖如下：圖4 三極管轉(zhuǎn)換電路2.3 方案三 本方案的光電前置放大模塊采用三極管轉(zhuǎn)換模式，其電路圖如下：圖5 集成運(yùn)放轉(zhuǎn)換電路2.4 方案比較 三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們的不同之處在于光電信號(hào)處理模塊。純電阻電路適合在電流較大的情況下使用，三極管電路適合在電流變化范圍較小的情況下使用，集成運(yùn)放芯片適用范圍廣，但成本會(huì)提高很多。要從系統(tǒng)信號(hào)的實(shí)際要求和成本運(yùn)算等各個(gè)方面考慮來選擇適合I/V轉(zhuǎn)換電路。 3.實(shí)現(xiàn)方案 選擇方案二為實(shí)現(xiàn)方案。所要設(shè)計(jì)的照度計(jì)電路電流變化范圍小，所以方案二的三極管電路和方案三的集成運(yùn)放芯片比較合適。二考慮到成本問題，應(yīng)選用方案二為實(shí)現(xiàn)電路。圖6 電路仿真圖4.調(diào)試過程及結(jié)論4.1 電路連線根據(jù)設(shè)計(jì)仿真圖進(jìn)行搭線，搞清楚實(shí)驗(yàn)開發(fā)板各個(gè)模塊的內(nèi)容以及接線柱的連接問題。圖7 實(shí)際電路圖連線完成后，用相關(guān)軟件將之前寫好的程序?qū)氲?1芯片中，然后可以進(jìn)行粗略的調(diào)試。首先觀察LCD顯示板有無示數(shù)顯示，然后用手機(jī)強(qiáng)光照射硅光電池，看看示數(shù)有何變化。4.2 調(diào)試過程中的數(shù)據(jù)記錄及處理 將硅光電池置于合適的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，觀察LCD示數(shù)的顯示。記錄下數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)進(jìn)行比較。表1 照度計(jì)原始數(shù)據(jù)記錄表標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)實(shí)驗(yàn)照度計(jì)32lx36lx38lx40lx44lx45lx50lx51lx55lx58lx62lx64lx68lx68lx72lx71lx78lx77lx4.3 調(diào)試過程中遇到的問題1）LCD顯示屏第四個(gè)數(shù)字不顯示，不發(fā)光。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，該數(shù)字對(duì)應(yīng)的引腳接線松動(dòng)，重新插緊后，數(shù)碼管顯示出數(shù)字。2）LCD顯示的數(shù)字過大，數(shù)量級(jí)達(dá)到103，通過調(diào)試電阻，將數(shù)值降到適當(dāng)范圍內(nèi)。3）設(shè)計(jì)的照度計(jì)顯示的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)有較大范圍的誤差。對(duì)程序進(jìn)行修改，從而降低了誤差。4.4 結(jié)論 此次調(diào)試過程中遇到了很多問題，通過各種排查將誤差降到最小，使自己設(shè)計(jì)的照度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)盡量接近。但是最后的出的數(shù)據(jù)仍然出現(xiàn)了問題，當(dāng)光照強(qiáng)度在90lx范圍內(nèi)時(shí)，實(shí)驗(yàn)照度計(jì)顯示的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)基本吻合。但當(dāng)光照強(qiáng)度超過了90lx,實(shí)驗(yàn)照度計(jì)便飽和了。5.心得體會(huì) 從最開始的初定題目，到最后程序的完成，歷經(jīng)兩周的時(shí)間。在這期間，遇到了各種問題，各種困難，程序運(yùn)行錯(cuò)誤，無法實(shí)現(xiàn)功能的挫敗和絕望感，解決問題后的欣喜和滿足感，各種感受記憶猶新。 之所以選擇基于硅光電池照度計(jì)這一課題，主要是因?yàn)橛X得比較這個(gè)題目比較新穎。其原理也比較容易理解，硅光電池受光的影響產(chǎn)生電流，經(jīng)過并聯(lián)采樣電阻產(chǎn)生電壓信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)入放大器的同相放大端進(jìn)行放大。經(jīng)過放大后產(chǎn)生伏級(jí)的電壓輸出信號(hào)，即電平輸出信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，然后經(jīng)過單片機(jī)處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。最后通過LCD實(shí)時(shí)顯示出來。這次課程設(shè)計(jì)總體上對(duì)我來說并不那么簡單，首先是距離學(xué)習(xí)光電技術(shù)實(shí)在是過的時(shí)間太久了，很多知識(shí)都忘記的差不多了，并且期間穿插有必修課的考試。一邊準(zhǔn)備考試，一邊準(zhǔn)備課設(shè)確實(shí)讓課設(shè)在時(shí)間上打了折扣。考試結(jié)束后便全力投入到課設(shè)當(dāng)中了，最終也做出了成品。比起以往的實(shí)驗(yàn)，這次課設(shè)可謂提高了一個(gè)新的層次，它包含了各個(gè)方面的技術(shù)，基本上調(diào)用了自己所有的知識(shí)儲(chǔ)備。設(shè)計(jì)到C+，單片機(jī)，模電數(shù)電以及光電技術(shù)等我們所學(xué)的所有專業(yè)課程。首先是要進(jìn)行電路仿真，先用proteus做好電路圖，然后再用keil編寫程序?qū)⒊绦驅(qū)氲?1芯片中。過程并沒有那么順利，現(xiàn)實(shí)總比想象殘酷許多。一開始是LCD不顯示示數(shù)，然后再是示數(shù)沒有變化。通過很長一段時(shí)間的調(diào)試，才終于將仿真做好，并進(jìn)行答辯。其次就是真槍實(shí)彈的實(shí)物操作了。按照電路圖將電路連接好后，再導(dǎo)入程序。發(fā)現(xiàn)電路并沒有想仿真圖一樣顯示，與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)有著很大的出入。通過不斷的電路修改以及程序修改，照度計(jì)終于完成！ 由于時(shí)間問題和自身編程能力限制，最后做出的照度計(jì)并不令我十分滿意，當(dāng)光照強(qiáng)度超過100lx時(shí)，我的照度計(jì)就飽和了。但這次課設(shè)確實(shí)讓我收獲了很多，所學(xué)的理論知識(shí)也及時(shí)得到鞏固。6.參考文獻(xiàn)1馬德駿等.C語言程序設(shè)計(jì)（第2版）.科學(xué)出版社, 2009.2吳友宇.模擬電子電路. 科學(xué)出版社, 2005.3伍時(shí)和.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 清華大學(xué)出版社, 2005.4楊應(yīng)平.光電技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.7.附錄 導(dǎo)入芯片程序代碼： #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit lcden=P21; sbit lcdrs=P20; sbit lcdrw=P22; sbit adwr=P37; / sbit adcs=P30; /oe =gnd sbit eoc=P23; uchar code table=the illustion is; uchar code table1=lx; uint num,a,d,qian,bai,shi,ge,num1; uint illusion,temp; void init(void); /初始化函數(shù) void delay(uint a); /延時(shí)函數(shù) void write_com(uchar com); /寫指令函數(shù) void write_data(uchar date); /寫數(shù)據(jù)函數(shù) void display(uint d); /顯示函數(shù) void main() void init(); /初始化 EA=1; /開總中斷 ET0=1; /開定時(shí)器中斷 TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器 lcden=0; /*對(duì)1602液晶的模式進(jìn)行設(shè)置*/ write_com(0x38); /設(shè)置16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口 write_com(0x0c); /設(shè)置開顯示，不顯示光標(biāo) write_com(0x06); /寫一個(gè)字符后地址指針加一 write_com(0x01); n(0x07); /顯示清零，數(shù)據(jù)指針清零 while(1) /*開始不斷掃描P1引腳是否有信號(hào)，并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和顯示*/ if(P1!=0) delay(10); If(P1!=0)/防止誤判 adwr=0; delay(5); adwr=1; delay(5); adwr=0; while(1); for(a=10;a0;a-) temp=illusion*4; temp=1000; display(temp);/顯示照度 ; ; /*初始化程序*/ void init(void) TMOD=0x01; /定時(shí)器0工作于計(jì)數(shù)方式1 TH0=(65536-5000)/256; TL0=(65536-5000)%256; /定時(shí)時(shí)間為50ms num=0; / adcs=0; / sign=0; / temp=0; write_com(0x80); /*延時(shí)函數(shù)每次延時(shí)50ms*/ void delay(uint a) Uint b,c; for(b=a;b0;b-) for(c=110;c0;c-); /*定時(shí)器中斷函數(shù)*/ void to_time() interrupt 1 TH0=(65536-5000)/256; /中斷函數(shù)里重新賦初值 TL0=(65536-5000)%256; num+; If(num=20) /每20*50ms計(jì)算一次，并且將速度顯示 num=0; /標(biāo)志位 Illusion=P1; /*寫指令函數(shù)*/ void write_com(uchar com) lcdrs=0; / lcdrw=0; P0=com; / delay(5); lcden=1; delay(20); lcden=0; /*寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/ void write_data(uchar date) Lcdrs=1; / delay(5); / Lcdrw=0; P0=date; / delay(5); lcden=1; delay(20); lcden=0; /*顯示函數(shù)*/ void display(uint illusion) qian=illusion/1000; bai=illusion%1000/100; shi=illusion%100/10; ge=illusion%10; /速度范圍為0至9999. for(num1=0;num120;num1+) /顯示前面一段字符 write_data(tablenum1); delay(20); ; write_com(0x80+0x41); /顯示光照強(qiáng)度 write_data(0x30+qian); wr