光控闪烁灯课设

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1、课设题目: 光控闪烁安全警告灯姓 名: 罗永胜学 院: 机电工程学院专 业: 09测控技术与仪器指导老师: 曹青松 周继慧目录一 传感器课程设计任务书3二 引言52.1 光控闪烁警告灯的介绍52.2 光控闪烁灯的设计要求52.3 如何实现光控闪烁警告灯5三 元件简介53.1 单片机简介53.1.1 单片机概述53.1.2 应用分类63.1.3 单片机组成部分及介绍73.2 光敏电阻73.2.1 光敏电阻的组成73.2.2 光敏电阻作用73.2.3 光敏电阻主要特性与参数73.2.4 工作原理83.3 三极管简介83.3.1 三极管工作原理93.3.2 三极管的开关特性10四 实验过程及分析10

2、4.1 仿真时出现的问题及分析114.2 连接实物图出现的问题及分析11五 心得体会11六 附录126.1 实物图126.2 程序设计13七 参考文献13一传感器课程设计任务书一 总要求能够独立进行小型检测模块系统方案的设计及论证，选择合理的传感器、设计必要的接口电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。二 总任务针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。三 设计题目请根据各自任务填写四 设计内容请根据各自任务填写五 设计进度或计划(1)准备及查阅资料 一天(2)方案设

3、计及论证（总体方案） 二天(3)硬件电路设计、画图（PROTEL） 三天(4)实验室调试及结果分析 二天(5)整理报告及准备答辩 二天六 设计说明书包括的主要内容1封面2目录3设计任务书4正文（可按下列内容撰写、仅供参考）（1）序言可包括系统工作原理的介绍等。（2）方案设计及论证可按模块进行方案设计与论证； 各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等。（3）实验或系统调试可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等。（4）心得体会（5）主要参考文献另：说明书的撰写格式应符合一定的要求，可参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范进行。七、考核方法考核可根据学生平时学习态度（含出勤率）20%、设计完

4、成情况（样机）40%、图纸及说明书质量（含答辩）40%确定。二 引言2.1 光控闪烁警告灯的介绍光控闪烁灯应用在生活的各个角落使用非常广泛。既可以为危险地段、物品或施工时提供警示作用，还可以做为装饰安装在建筑物的表面美化夜景。可以说光控闪烁灯对我们生活的影响是非常重大的。2.2 光控闪烁灯的设计要求白天发光二极管熄灭但蜂鸣器报警，发光二极管晚上闪烁。2.3 如何实现光控闪烁警告灯此次设计的是光控闪烁安全警告灯，主要是利用单片机功能和光敏电阻的特性实现发光二极管白天灭晚上闪烁以及白天时候实现蜂鸣器报警的功能。通过判断P20口是否产生脉冲，来控制发光二极管和蜂鸣器。在白天时候，由于光敏电阻受光照作

5、用阻值降低，驱动晶体管导通。蜂鸣器工作，发出报警声，而P20为高电平通过单片机控制实现发光二极管熄灭。在夜晚的时候，光敏电阻阻值升高达到几十兆欧姆甚至更高，此时由于光敏电阻阻值太高使电路断开无法驱动三极管导通，P2默认为高电平，通过单片机程序控制使发光二极管闪烁。外部电路P20=1?程序开始蜂鸣器断开闪烁灯闪烁Y蜂鸣器响，闪烁灯断开N图一 光控闪烁警告灯流程图三 元件简介3.1 单片机简介单片机是一种集成电路芯片，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、

6、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微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。3.1.1 单片机概述单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）， 常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了

7、便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。 由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到目前基于

8、8031的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。 汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。3.1.2 应用分类单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据目前发展情况，从不同

9、角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。通用型/专用型是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。总线型/非总线型是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机

10、称为非总线型单片机。工控型/家电型是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格、外围器件和外设接口集成度高。 显然上述分类并不是惟一的和严格的。例如80C51类单片机既是通用型又是总线型还可以作工控用。 3.1.3 单片机组成部分及介绍微型计算机主要由如下几个部分组成：微处理器或称中央处理单元(CPU)、内部存贮器(简称内存)、输入输出接口(简称接口)及系统总线。 （1）CPU是一个复杂的电子逻辑元件，它包含了早期计算机中的运算器、控制器及其他功能，能进行算术、逻辑及控制操作。 （2） 内存顾名思义，所谓内存就是指

11、微型计算机内部的存贮器。（3）所谓总线就是用来传送信息的一组通信线。系统总线将构成微型机的各个部件连接到一起，实现了微型机内部各部件间的信息交换。微型计算机采用三总线结构（AB：地址总线；DB数据总线；CB控制总线）。（4）接口微型计算机广泛地应用于各个部门和领域，所连接的外部设备是各式各样的。它们不仅要求不同的电平、电流，而且要求不同速率，有时还要考虑是模拟信号，还是数字信号。3.2 光敏电阻光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作

12、漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。3.2.1 光敏电阻的组成光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强、电阻减小、入射光弱、电阻增大。3.2.2 光敏电阻作用光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0

13、.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源使设计大为简化。3.2.3 光敏电阻主要特性与参数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

14、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。光敏电阻的主要参数是：一 光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。二 暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。 三 灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对

15、变化值。 四 光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。 五 光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。 六 伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。 七 温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较

16、高，而在高温下的灵敏度则较低。 八 额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。3.2.4 工作原理光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体 及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的

17、电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。3.3 三极管简介半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能

18、相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。三极管工作状态有三种，放大、饱和、截止。其中又以放大状态最为复杂，主要用于小信号的放大领域。常用的三极管放大电路形式有：共发射极放大电路，共集电极放大电路，共基极放大电路三种。其中共集电路用于电流放大（功率放大），共基电路用于高频放大，共射电路用于低频放大。3.3.1 三极管工作原理晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最

19、多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。 当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使

20、发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得

21、到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：1=Ic/Ib 式中：1-称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为：= Ic/Ib。式中-称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。3.3.2 三极管开关特性三极管的开关特性就是当基极发射极之间电压超过某个电压值时（对于NPN硅管通常是0.6V），三级管集电极与发射极直接导通；当基极电压发射极之间电压小于临界值电压时，则集

22、电极与发射极之间断开这就是三极管的开关特性。四 实验过程及分析4.1 仿真时出现的问题及分析在用protues对下图的光控闪烁警告灯电路进行仿真时，始终不能得到满意的结果。不管比较器LM358输出的是高电平还是低电平，与其相连接的I/O口P20的电压始终保持不变。因此不能对发光二极管进行有效的控制。我于是将P20接口与一电阻相连然后直接接地，发现不管程序中对P20接口赋值为1还是0，其始终为高电平。所以我觉得这次仿真中出现的问题可能就是与这类似，在protues中，单片机I/O接口与外接电路相连就想当于是给其外接了个相当于电阻的负载。因此比较器与P20相连时，不管其输出是高电平还是低电平的，P

23、20电压不变。图二4.2 调试实物图出现的问题及分析刚刚接好实物，进行调试的时候一点结果都没有。因此不断的进行排查，首先将单片机的外围电路的错误一一排除，但还是不能调试出理想的结果蜂鸣器不管在白天还是晚上始终是响着的，同时发光二极管不能进行闪烁。我开始怀疑我的程序是不是出现了问题。我将那程序输入到我的单片机实验开发板中，发现也不能实现闪烁。Protues仿真再一次欺骗了我。通过KEIL软件上的警告提示查阅C语言编程，发现给D1赋值为0可以表示为：!D1。我将程序中D1=0用!D1代替，果然最后结果证明问题就出现在那给D1的赋值方式上。五 心得体会这次课设我最想做的是关于家电类的传感器设计，但选

24、题有点晚都被其他同学捷足先登了。由于最近在学习单片机，于是就选了光控闪烁报警灯。通过查阅资料我决定利用光敏电阻的开关特性在有光或无光时产生一个脉冲控制P20口，通过P20口是否为高电平来控制发光二极管的闪烁。首先想到的是通过比较器产生高低电平。利用光敏电阻受光照后电阻值的变化必然改变其两端的电压值与标定的电压值进行比较。无光照时产生低电平，有光照时产生高电平。确定方案后于是画电路图进行仿真，但在仿真时始终产生不出理想的结果。比较器不与单片机连接时能够通过改变光敏电阻值产生高低电平，但是与单片机 图三连接后始终只能产生低电平。于是我更换了一方案，将光敏电阻接在三极管基级，当光照时，光敏电阻阻值比

25、较小三极管导通，无光照则三极管不导通（图一）。但这种方案需要在强光下，光敏电阻很小时才能使R10两端电压变成单片机需要的高电平，需要通过提高电源电压来提高它的灵敏范围。通过这次课设让我对KEIL软件与protues软件更加熟悉，能够独立的处理一些问题，更重要的是学会了如何去查阅资料、处理问题的方法以及对待出现的问题时如何调整好自己的心态。出现了问题，首先自己得尽量使自己心态放平和，不能着急。越是着急就越难发现问题出现的原因。我在刚刚开始调试的时候，单片机始终不能工作，仔细检查电路和接线始终没发现什么问题。看着同学都差不多了，我那着急的有点慌神了。后来老涂说你的晶振接了没有，一检查还真没有接晶振

26、。一下子有给了我希望，虽然后来还是没能出现自己理想的结果，但还是给我很大的感触。出现了问题一定的冷静，越是着急越是做无用功。也许问题的原因是很简单的就像我忘了接晶振，但是因为心态失衡，这简简单单的问题你就是发现不了。六 附录6.1 实物图6.2 程序设计#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit D1=P20;sbit D2=P21;void delay(uint z);void main()while(1)if(!D1)D2=1;P1=0xff;elseD2=0;P1=0x00;delay(50);P1=Oxffdelay(50);void delay(uint z)uint x,y;for(x=100;x0;x-)for(y=z;y0;y-);七 参考文献1 谭浩强.C程序设计教程J.清华大学出版社，2007.7.2 张毅坤，陈善久，裘雪红,等.单片微型计算机原理及应用J.西安电阻科技大学出版社，1998.8.3 秦曾煌.电工学J.高等教育出版社，2004.7.