1、專業課程設計報告光敏電阻檢測系統設計學生姓名學號教學院系專業年級2018年7月目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1章緒論1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 課題的意義和目的1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 發展前景及趨勢1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第2章方案設計2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 本設計

2、實現的目標2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 方案及框圖2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第3章主要元器件選型3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 單片機3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 3.2MAX2324 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.3IC405143.4ADC08045 HYPERLINK l bookmark24 o C

3、urrent Document 第4章系統硬件設計6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 單片機最小系統和通信模塊的設計6單片機最小系統的設計6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 下載通信模塊的設計7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 光敏電阻網絡的設計7輸出選擇電路的設計8 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document A/D模數轉換電路的設計9 HYPERLINK l bookmark34 o Curren

4、t Document 數碼管顯示電路的設計10 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 本章小節10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第5章PCB設計12 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 結論16附錄錯誤！未定義書簽。 第1章緒論課題的意義和目的在日常生活，農業，工業，航空航天等方面我們需要對光源的強度和方向做到很準確的檢測和定位，這樣不僅可以對其進行精確的可行性的防護也可以做到對其進行精確的有意義的引導。普通的光強檢測系統只能對光源的大小強度進行

5、顯示和分析不能做到對方向的精確定位。這樣我們就需要一個既能檢測大小又能判斷來源的一個系統。光敏單組檢測系統就是一個基于單片機的數字式光照檢測儀，通過數碼管顯示光度，并且具有判斷光照方位能力。以單片機為核心，通過數據采集，輔以數碼管、比較器、數據選擇器等器件，實現功能。系統中采用光敏電阻采集光照強度信息，光照強度直接反映在光敏電電阻阻值上，進而反映在光敏電阻兩端的電壓值上。然后通過單片機控制A/D模數轉換對電壓信號進行采集,經換算后通過數碼管顯示光強強度。判斷光照方向時可采用兩個位于不同方向的光敏電阻。光照方向會導致他們兩端的電壓值不同，把兩個電壓值輸入到比較器進行比較，單片機根據比較結果控制數

6、據選擇器選擇光照較強的那一路的電壓值給A/D進行數模轉換，用數碼管的亮滅顯示方向。進而實現了對光大小和方向的檢測。發展前景及趨勢本課題通常與儀器測量的光束強度，是專門針對一個電路測量光強度關聯到一個時間信號的光強度。其中有一個光通過介質傳遞光束強度是在現有條件中的指示廣泛的應用。光照強度的分析與使用這些計劃的檢測電路通常比較熟悉。目前，仍然有必要制定一個系統，使光強度檢測的有效使用，而又能準確有效地轉換設備系統的應用。（1）快速性要求檢測的時間短，能迅速得到檢測結果，以適應檢測。（2）便攜，體積小，能夠在離線、現場后在線環境下，實現準確，無損檢測。（3）低成本，價格便宜，是普通老百姓買得起，用

7、得起。（4）低功耗，易于操作，檢測人員不需要對儀器進行復雜的調整，只需啟動幾個按鈕就可以進行檢測。第2章方案設計本設計實現的目標本設計中適當地利用了光敏電阻的特性以及單片機的強大的運算控制功能，實現了光照強度的檢測，并在數碼管上顯示。設置了兩個方向的光敏電阻，比較光照強度數值大小確定了當前光照方向。系統中充分利用了現有資源，結構合理，性能穩定，成本低，滿足題目要求。而光敏電阻的特性是光照變化時其電阻值隨著變化所以可以通過電阻值的變化得出光照強度的變化，而電阻值的變化可以反映在電阻兩端的電壓值的變化情況上，這樣可以設計一個簡單的電路，該電路由光敏電阻分壓并可以將光敏電阻兩端的電壓信號作為輸入信號

8、輸入單片機，然后進行數模轉換，將輸入單片機的電壓模擬信號轉換成數字信號，再由單片機處理轉換出來的數字信號。然后由數碼顯示管顯示出光照強度結果并判斷光照方向。方案及框圖采用三路光敏電阻支路并聯檢測光照強度，通過每一路可以得到一個模擬采樣電壓，將這三路電壓通過模數轉換器轉換為數字信號，將數字信號通過通信模塊輸送給單片機，通過比較后得出最大值，將最大值輸出并利用兩位數碼管顯示出來。圖2.2設計方案原理圖對于光強的方位，則通過控制兩位數碼管的兩個小數點的關斷與否來顯示出來，具體是兩個小數點分別單獨亮時對應兩個方位，而兩個小數點均不亮時對應另外一個方位。至此，可以將光照的強度以及光照的方位通過兩位數碼管

9、顯示出來。第3章元器件選型單片機單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。單片機誕生于1971年，經歷了SCM、MCU、ScO三大階段。20世紀80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機。MCS-51系列單片機無論是片內RAM容量，I/O口功能

10、，系統擴展方面都有了很大的提高。我國單片機起步較晚，我國使用最多的是Intel公司的MCS-51系列單片機及其增強型、拓展型的衍生機型，MCS-51是最早進入我國的單片機主流品種之一，在我國得到廣泛應用，直到現在仍為單片機主流系列在一塊芯片上集成CPU、數據存儲器、程序存儲器、輸入輸出和定時/計數器等部件的一臺小型計算機，它體積小、結構緊湊、功耗低，嵌入到某應用系統中，主要完成信號控制功能，又稱“嵌入式微控制器”。本設計采用89C51單片機，89C51單片機引腳圖如圖3.1所示。U1XTAL1XTAL2RSTidd士士士PSENALEEAFO.O/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2P0.3

11、/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15PI.0PI.1PI.2PI.3PI.4PI.5PI.6P1.7P3.0RXDP3.1JTXDP3.2JINTTP3.3J1NT?P3.4.TUP3.5JT1P3.6AWP3.7W圖3.189C51單片機引腳圖MAX232下載通信模塊選用MAX232芯片MAX232是MAXIM公司專門為PC視RS-232標準串口設計的電平轉換電路。該芯片與TTL/COMS電平兼容，片內有2個發送器，2個接收器，且使用

12、+5V單電源供電，使用非常方便。串口通信的概念非常簡單，串口按位(bit)發送和接收字節。盡管比按字節(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發送數據的同時用另一根線接收數據。它很簡單并且能夠實現遠距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態時，規定設備線總長不得超過20米，并且任意兩個設備間的長度不得超過2米；而對于串口而言，長度可達1200米。典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。+5VINPUTC31EC1+副TD41S口一VOLTAGEDOUBLR3.3IC4051TTbiCMOSJINPUTS1+1WTO-10Vv-C2-VOLTAGEINmERTER+唧400k:*TI

13、.in.，+5V、血T1outT2n6_-10V譽4岸圖引腳圖HL-CMOSJOUTPUTS1用curRIIn5kJS-IORS-232OUTPUTSRS-232INPUTS個CMOS開關單元三部分組成,I種組合可用于選擇8路通道;IC4051由邏輯電平轉換電路、8選1譯碼電路和8其中A、B、C是3位二進制地址輸入端，3位二進制的丿丄15INH是地址輸入禁止端，其為高電平時，地址輸入端無效，即無通道被選通。A、B、C及INH的輸入電平與TTL兼容。邏輯電平轉換電路的主要作用是把地址輸入端A、B、C和地址輸入禁止端INH輸入的TTL邏輯電平轉換成CMOS電平，使開關單元能用TTL電平控制。8選1

14、地址譯碼電路的主要作用是把來自邏輯電平轉換電路的地址輸入信號轉換成相應的開關單元選通信號，并把相應開關單元接通。圖3.3IC4051引腳圖ADC0804ADC0804是單片集成A/D轉換器。ADC0804是一款8位、單通道、低價格A/D轉換器，主要特點是：模數轉換時間大約lOOus；方便TTL或CMOS標準接口；可以滿足差分電壓輸入；具有參考電壓輸入端；內含時鐘發生器；單電源工作時（05）V輸入電壓范圍是05V；不需要調零等等。ADC0804是一款早期的AD轉換器，而且因其價格低廉而在要求不高的場合得到廣泛應用。CS匸I卻RD匸219麗匚318CLKI匸4ADC17円邛匚Q闘416旳匚61?7

15、14ACfiDd!3Yiifrj匚912IJCND匸10H二I加t底g)二icmZJDBo(LS)l)Z7IDB1ZD甌ZU帕二I呱二IDBn二1Mb也闕)圖3.4ADC0804引腳圖元器件表見附錄C。第4章系統硬件設計單片機最小系統和通信模塊的設計單片機最小系統的設計單片機的主要功能是負責整個系統的控制，不承擔復雜的數據處理任務，因此在設計本系統時選用STC89C51。其中，時鐘電路為在引腳XTAL1和XTAL2跨接晶振和兩個補償電容構成自激振蕩器，結構中Yl、Cl、C2，根據情況本設計中選擇12MHz的晶振，補償電容選擇30pF左右的瓷片電容；復位電路則采用手動按鍵復位兩種方式實現，其結構

16、如圖中RO、C3和S1,通過按鍵將電阻R0與VCC接通即可實現復位;P0口外接上拉電阻,其結構如圖中3.1，采用10K的排阻以提供給I/O口合適的電流。下圖為一個51單片機的最小系統電路圖。下載通信模塊的設計現從MAX232芯片中兩路發送接收中任選一路作為接口，其發送接收的引腳一對應。本系統中使T2IN接單片機的發送端TXD,同時R20UT接單片機的RXD端，C1+、C1-腳和C2+、C2-腳接104瓷片電容，其接口電路如圖4.2所示。圖4.2通信模塊的電路圖光敏電阻網絡的設計光敏電阻器件是光信號轉換類傳感器,它的敏感波長在可見光波長附近,包括紅外線波長和紫外線波長。光敏電阻不只局限于對光的探

17、測,它還可以作為探測元件組成其他傳感器,對許多非電量進行檢測,只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可,因而在工業自動控制及智能機器人中得到廣泛應用。本課題主要用于光敏電阻的光照特性等的研究。根據光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農業生產中。可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統，如

18、光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數器，煙霧報警器，光電跟蹤系統等方面。光敏電阻工作原理構成光敏電阻的材料有金屬硫化物、硒化物以及蹄化物等半導體。半導體的導電能力取決于自身載流子的多少。當光透過透明窗照射到梳狀電極上時，若光子能量hf大于半導體的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴。電子一空穴對的不斷增加，則使半異體的正向電阻迅速變小。光照越強，產生的電子一空穴對越多，其電阻下降越快。入射光消失，電子一空穴對因電極性相反而逐漸復

19、合，電阻隨之逐漸恢復原值。光敏電阻的入射光強，電阻減??；入射光弱，電阻增大。該器件一般可用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。本電路制作中，將光敏電阻分別串聯2K電阻和10K滑動變阻器，再接通電源，調試過程中，還需將三個光敏電阻進行校準，使得在同一光強下從光敏電阻一端的電壓值盡量保持一致。光敏電阻網絡電路如圖4.3。v圖5.1.1STC89C51圖5.1.2ADC0804圖5.1.3IC4051圖5.1.4MAX232PCB元件庫附加封裝如下：圖5.1.5DIP10圖5.1.6DO-92APCB結構設計根據已經確定的電路板尺寸和各項機械定位,在PCB設計環境下繪制PCB

20、板面,并按定位要求放置所需的接插件、按鍵/開關、螺絲孔、裝配孔等等.并充分考慮和確定布線區域和非布線區域（如螺絲孔周圍多大范圍屬于非布線區域）。Mechanical層5000milx5380mil，KeepOutlayer層5020milx4740mil。PCB布局在板子上放器件，這時如果前面講到的準備工作都做好的話,就可以在原理圖上生成網絡表（Design-CreateNetlist）,之后在PCB圖上導入網絡表（Design-LoadNets）.然后就可以對器件布局了。一般布局按如下原則進行：按電氣性能合理分區,一般分為:數字電路區（即怕干擾、又產生干擾）、模擬電路區（怕干擾）、功率驅動區

21、（干擾源）;完成同一功能的電路,應盡量靠近放置,并調整各元器件以保證連線最為簡潔;同時,調整各功能塊間的相對位置使功能塊間的連線最簡潔;.對于質量大的元器件應考慮安裝位置和安裝強度；發熱元件應與溫度敏感元件分開放置,必要時還應考慮熱對流措施;I/O驅動器件盡量靠近印刷板的邊、靠近引出接插件;時鐘產生器（如:晶振或鐘振）要盡量靠近用到該時鐘的器件;在每個集成電路的電源輸入腳和地之間,需加一個去耦電容（一般采用高頻性能好的獨石電容）;電路板空間較密時,也可在幾個集成電路周圍加一個鉭電容.繼電器線圈處要加放電二極管（1N4148即可）；布局要求要均衡,疏密有序,不能頭重腳輕或一頭沉.需要特別注意,在

22、放置元器件時,一定要考慮元器件的實際尺寸大?。ㄋ济娣e和高度）、元器件之間的相對位置,以保證電路板的電氣性能和生產安裝的可行性和便利性同時,應該在保證上面原則能夠體現的前提下,適當修改器件的擺放,使之整齊美觀,如同樣的器件要擺放整齊、方向一致,不能擺得“錯落有致”.，這個關系到板子整體形象。布線布線是整個PCB設計中最重要的工序這將直接影響著PCB板的性能好壞在PCB的設計過程中，布線一般有這么三種境界的劃分:首先是布通，這時PCB設計時的最基本的要求如果線路都沒布通，搞得到處是飛線,那將是一塊不合格的板子，可以說還沒入門其次是電器性能的滿足這是衡量一塊印刷電路板是否合格的標準這是在布通之后,

23、認真調整布線,使其能達到最佳的電器性能接著是美觀假如你的布線布通了，也沒有什么影響電器性能的地方，但是一眼看過去雜亂無章的，加上五彩繽紛、花花綠綠的,那就算你的電器性能怎么好,在別人眼里還是垃圾一塊.這樣給測試和維修帶來極大的不便布線要整齊劃一，不能縱橫交錯毫無章法這些都要在保證電器性能圖5.4.5PCB布線圖網絡和DRC檢查和結構檢查在確定電路原理圖設計無誤的前提下,將所生成的PCB網絡文件與原理圖網絡文件進行物理連接關系的網絡檢查（NETCHECK）,并根據輸出文件結果及時對設計進行修正,以保證布線連接關系的正確性;網絡檢查正確通過后,對PCB設計進行DRC檢查,并根據輸出文件結果及時對設

24、計進行修正,以保證PCB布線的電氣性能.最后需進一步對PCB的機械安裝結構進行檢查和確認。Protel設計.弄:統設計規則檢査PCB文件曰期時間Documentsx-PCB1.PCB8-Jul-201814:48:24處理規則：規則沖突：。短路約束（允許=不允許）（在板上）,（在板上處理規則：規則沖袞：Q中斷網絡約束（在扳上)處理規則：規則沖突：。清除約東(Gap=10mil)（在板上）,（在扳上)處理規則：規則沖夾：。寬度約束(Min=10mil)(MaK=10mil)(優先=10mil)（在扳上處理規則：規則沖突：Q孔大小約束(Min=lmil)(MaK=100mil)(在扳上)沖袞發現：己用時間:00:00:00圖5.5.1DCR檢查DRC檢查后所做調整：多邊形覆銅處理時加框軌跡寬度至lOmil,串口DB9通過減小焊盤孔徑至100mil來實現。多邊形覆銅覆銅分為兩部分Toplayer層和bottomlayer層，網絡尺寸