1、 模擬電子技術基礎課程設計報告題 目 室內環境亮度監控裝置設計授課教師 張秀梅 指導教師學生姓名 訾安琪、張娜、孫圓芳 學 號 200900802038、200900802041、200900802079 專 業 電子信息工程本科 教學單位 物理系 完成時間 2011年7月1日目 錄摘要.011 課程設計任務021.1功能要求022 整體方案設計022.1設計思路及框圖023 主要單元電路及其原理043.1光照采集模塊硬件電路043.2信號放大電路053.3 A/D轉換模塊硬件電路.063.4窗簾開關電路073.5自動斷電電路094 控制軟件設計104.1光照采集模塊軟件設計104.2 A/D

2、轉換模塊軟件設計105 整體設計方案115.5總電路圖.116 系統調試.116.1 光照采集模塊調試.116.2 A/D轉換模塊調試及問題.117 整體設計方案.127.1總硬件電路圖128 課程小結及心得.13參考文獻.14摘 要 為了讓室內居住、工作或者學習的人擁有一個更舒適的環境，我們根據課程設計要求設計了一個自動光控窗簾的系統，它能夠感應周圍環境的光照強度，當光照低于某一數值時窗簾會自動收起，等到光照又回到某一數值時窗簾又會自動地放下。本電路選用單片機AT89S51作為系統的核心控制器件，通過光電傳感器采集數據（光的強度）。因為該信號十分微弱，故電路采用雙三極管構成的放大電路以獲得合

3、適的電信號，并通過反饋電阻和濾波電容以獲得一個穩定的輸出電壓。由ADC0809將模擬信號轉換為數字信號，之后將信號送入感應電路中進行控制。感應電路產生的電壓輸入由兩片NE555組成的單穩態電路，由單穩態電路的特性，在輸入端輸入高低電平時輸出端會產生相應的低高電平，該電平可用于決定兩個與電源相連的三極管T1與T2的導通與截止，而三極管的導通與截止將最終決定電路中小電機的正轉與反轉，將小電機與窗簾相連就可以實現窗簾的自動打開和關閉。電路的自動斷電由單穩態電路的延時特性來完成。通過對相關電容和電阻的參數進行設置，就可以確定單穩態電路輸出的高電平時間，也就是小電機的轉動時間，從而實現自動切斷電源。【關

4、鍵詞】自動光控窗簾 ADC0809 NE555室內環境亮度監控裝置設計 自動光控窗簾1 課程設計任務1.1功能要求本課題設計的自動光控窗簾可以通過周圍環境的光照變化來控制電壓變化，從而控制直流電機的正轉和反轉。當周圍光照上升到某一數值時，電機開始正轉，數秒后停止。此時電機處于停止狀態。當周圍光照降低到某一數值時，電機開始反轉，數秒后停止。這一個來回的過程就達到了自動光控窗簾的效果了。2 整體設計方案2.1 設計思路及框圖 方案1選用硅光電池2CR21作為光線的感應電路4，硅光電池可以根據光線強度的不同產生與之相對應強弱的電信號。由于該信號十分微弱，故電路采用雙三極管構成的放大電路以獲得合適的電

5、信號，并通過反饋電阻和濾波電容以獲得一個穩定的輸出電壓。當光照強度改變時，硅光電池產生的電壓也會改變，由此構成了變化的輸入電壓信號。信號經ADC0809進行A/D轉換，將信號送入單片機89C51中，用來控制2個輸出端的電平高低，這2個輸出端與芯片L298N的輸入相連，用于控制電機的正反轉，這就實現了自動光控窗簾的效果了。系統硬件總體框圖如圖1所示：圖1 方案一 系統硬件電路設計方案2設計思路是由光敏電阻與一個電阻串聯構成分壓電路，當光照強度改變時，光敏電阻電阻值改變，電壓也會改變，數據采集使用的是一片CdS光敏電阻PGM2005，經過放大電路，模擬電路將光信號轉換成電壓信號。信號經ADC080

6、9進行A/D轉換，將信號送入兩片NE555中1，用來控制2個輸出端的電平高低，這2個輸出端與決定兩個與電源相連的三極管T1與T2的導通與截止，而三極管的導通與截止將最終決定電路中小電機的正轉與反轉，將小電機與窗簾相連就可以實現窗簾的自動打開和關閉。它的系統硬件總體框圖如圖2所示：總體框圖：圖2 方案二 系統硬件電路設計雖然方案一中，單片機89C51工作使用效率高，但是總的來說還是存在原件成本高且不易采集，再加上電路復雜，操作起來相對起來較麻煩等缺點。對比發現方案二則系統操作簡便，自動化程度高，相對比較完善，所以優先采用方案二。3 主要單元電路及其原理 就本系統來說，需要通過光敏電阻實時感應室外

7、環境的光的照度，經過A/D轉換器轉換為數字信號，送入特定單元，從而控制電機的正反轉，最終實現窗簾的自動光控效果。硬件電路主要由主機電路、光照采集電路和控制執行電路組成。3.1 光照采集模塊硬件電路由光敏電阻阻值的改變來實現輸入電壓的變化。本課題中采集光照數據使用的是一片CdS光敏電阻PGM2005。工作原理：光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在黑暗環境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子空穴對了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值

8、下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發產生的電子空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現光電轉換。a、工作電路圖：圖 3 光敏電阻工作電路圖b、設計原理：由光敏電阻和一個普通電阻串聯構成分壓電路，當周圍環境的光照強度改變時光敏電阻阻值改變，從而改變了輸入電壓。3.2 信號放大電路由于光敏電阻PGM2005輸出的是一個十分微弱的信號，為了使后續電路能夠對光強信號進行處理，因此需要加入信號放大電路2。圖4為信號放大電路。該電路是由電阻R9 R10 R11 R12,三極管T3,T4

9、和電容C5 C6構成，電路中采用了雙三極管構成的放大電路，這樣就可以使得電路的放大倍數比單管放大電路放大倍數增大倍，從而就可以得到更適合的信號。R10和R11為放大電路的集電極偏置電阻，C5和C6為放大電路的濾波電容。R9為放大電路的反饋電阻。其功能是保證放大電路有一個穩定的靜態工作點和穩定的輸出電壓。圖4 信號放大器電路圖3.3 A/D轉換模塊硬件電路將光敏電阻與普通電阻分壓進來的電壓轉換成所需要的數字信號。課題中將模擬信號轉換為數字信號使用的是ADC08091。 ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，內部結構如圖5所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹

10、型A/D轉換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。圖5 ADC0809內部電路及管腳圖a、 電路圖：ADC0809工作電路圖如圖6所示：圖6 ADC0809工作電路圖b、 設計原理：將采集的電壓信號送入芯片ADC0809中，由芯片內部對數據進行鎖存、譯碼、轉換、比較等步驟，從而得到所需要的信號。3.4 窗簾開關電路窗簾開閉電路主要是利用NE555組成的單穩態電路構成的。NE555定時器組成的單穩態電路的輸出電壓會隨著觸發輸入端輸入的電壓不同而不同：當輸入的電壓為高電平時，輸出為低電平，而當輸入為低電平時輸出為高電平。此電路就是根據單穩態觸發器這一特性對電路進行控制的。此電路中電路的通電與

11、截止是由一只NPN型和一只PNP型三極管完成的，兩個單穩態電路的輸出電壓輸出到兩只三極管的基極上，而根據基極電壓和集電極電壓以及發射極電壓的大小關系不同，三極管也會做出相應的導通或者截止的變化，從而最終決定了電路的導通或者斷電。圖7 NPN型三極管本設計中窗簾自動開閉電路包含兩個部分，一部分是窗簾在光線較暗時自動打開電路，如圖8所示。另一部分是自動閉合電路如圖9所示。圖8 窗簾自動打開電路圖9 窗簾自動閉合電路窗簾自動打開電路的工作原理為：當光線較暗時，硅光電池產生的電信號較微弱，經過兩級放大電路之后產生的電壓依然較小，故此時輸出電壓Vi可視為低電平。由單穩態電路的特性可知：當輸入為低電平時，

12、NE555的輸出端Q端將會輸出一段時間的高電平，該高電平可以使圖8中的三極管T1導通一段時間，三極管導通時+12V的電源電壓加在小電機上，可使其正轉一段時間從而將窗簾打開。而硅光電池產生的低電平對9自動閉合電路卻不會產生影響，因為硅光電池產生的低電平經過一個比較器后才輸入U2，比較器的功能如下圖所示：圖10 LM107比較器當輸入電壓ViVr時，Vi1=-12V 即為低電平。當輸入電壓ViVr時，Vi1=+12V 即為高電平。當Vi為低電平時，ViVr則Vi1=+12V.為高電平，即單穩態電路U2的輸入為高電平。由NE555的特性可知，此時U2的輸出端Q輸出為低電平，三極管T2依然截止。也就是

13、說當光線較暗時只有T1導通使電機正轉打開窗簾。窗簾的自動閉合由電路9來完成。其工作原理為：當光線較強時硅光電池產生較強的電信號。經過兩級放大電路的放大之后可以輸出一個較高的電壓Vi，即為高電平。由單穩態電路的特性可知，U1的輸入端為高電平時，其輸出端Q為低電平，三極管T1截止，則+12V電源不起作用。而此時在U2輸入端的高電平Vi經過一個比較器后，輸出Vi1成為低電平，則由單穩態電路的特性，U2的輸出端Q為高電平。在此高電平的作用下T2導通，則在-12V的電源電壓下，電機反轉，從而將窗簾關閉。3.5 自動斷電電路此電路的自動斷電主要根據單穩態電路的延時特性來完成。由NE555構成的單穩態觸發器

14、1的工作波形如下圖所示：ttViVo圖11 單穩態電路輸入輸出波形圖由其輸入與輸出的波形可知：當輸入端輸入一個低電平脈沖后，其輸出端可以輸出一段高電平脈沖。也就是三極管導通的時間，即小電機的轉動時間，其高電平脈沖寬度t=RCln3=1.1RC 由于這種單穩態電路產生的脈沖寬度可以從幾個微秒到幾分鐘，而且具有較高的精度，可以達到0.1%可以根據窗戶的高度以及電機的轉速來計算出窗戶完全打開或關閉所需要的時間，再根據式t=RCln3=1.1RC來設置相應的電容和電阻的參數，就可以設置電機轉動的時間，從而實現當窗簾接觸到窗戶邊沿時電路自動切斷電源。4 控制軟件設計4.1 光照采集模塊軟件設計a、功能：

15、用光敏電阻和一個普通電阻構成分壓電路，當光照強度改變時光敏電阻阻值改變，電壓改變，從而改變輸入電壓的大小。b、流程圖：圖11 光照采集流程圖4.2 A/D轉換模塊軟件設計a、功能：電壓輸入信號送入芯片ADC0809后進行轉換，將采集信號轉換成所需的信號1。b、流程圖：圖12 A/D轉換流程圖5 電源電路設計電源電路的設計方法是采用直接從交流電網供電。通過變壓器電路，整流電路，濾波電路和穩壓電路將電網中的220V交流電轉換成12V的直流電壓。電路中變壓器采用常規的鐵芯變壓器，由于電路中采用了+12V和-12V的雙電源，變壓器中間需要加抽頭；整流電路采用二極管橋式整流電路；C1-C6完成濾波功能。

16、由于電路采用了+12V和-12V雙電源，因此穩壓電路采用兩個三端穩壓集成電路來分別實現輸出+12V和-12V電壓5。6 系統調試6.1 光照采集模塊調試調試方法：改變光照強度，測分壓電阻上的電壓是否變化，并記錄光照最強時的電壓值和光照最弱時的電壓值，用于芯片ADC0809的轉換。6.2 A/D轉換模塊調試及問題調試方法：連接A/D電路，用8個發光二極管連接芯片ADC0809的8個輸出端，用于觀察A/D轉換后的信號輸出情況。經查閱資料發現ADC0809的晶振工作頻率為600kHz，最大頻率為1.28MHz，而單片機89C51ALE端口輸出的頻率為2MHz，大于ADC0809的最大頻率，所以兩者無

17、法同時正常工作，因此我們在ADC0809ALE端口和89C51ALE端口之間加上一個CD4013，進行4分頻，從而將89C51的工作頻率與ADC0809的工作頻率保持相近，這樣兩者就能夠同時正常工作了。7 整體設計方案7.1總硬件電路圖8課程小結及心得在這個課程設計中我們了解到了本課程設計的核心原件NA555的原理和使用，以及三極管的相關性質及應用。經過ADC0809進行A/D轉換等一系列的控制，得到了許多意想不到的收獲。剛開始覺得有些無所適從，這種茫然持續了很長時間，后來我們前往圖書館尋找資料，并借閱了部分書籍，同時上午搜尋了需要的材料，下載了Multisim.V.仿真軟件，在multisim10仿真環境下，學習畫仿真電路圖。隨著我多方翻看資料，與人討論，在老師的指點下思路才開始漸漸明晰，從而一步步完成。雖然實驗的成果未必有多完美，但卻見證了我們的努力，我們從中也學到了不少東西，將理論知識與實踐緊密的結合了起來，加深了知識的掌握程度。當然，另一方面，我們也看到了自己在課程設計中所體現出來的不足：知識面的狹窄，實踐經驗的匱乏，都是我的設計與實驗中必須努