【正文】 導 4 體的數量就越多，導電能力就越好，即光敏電阻的阻值就越小。光照消失后，由光子激發(fā)的空穴對逐漸復合，光敏電阻便恢復其不可導的狀態(tài)，阻值急劇增大。 光電特性是指在光敏電阻兩級電壓固定不變時，光照度與電阻 及電流間的關系。光電特性曲線如圖 所示： 圖 光敏電阻特性曲線 四、 光敏傳感器的應用 光敏傳感器阻值隨著光照強度的變化而變化，因此光照強度這一比較抽象而難以測量的物理量可以通過光敏傳感器進行簡單有效的測量，因此感光特性，在現代社會中有著廣泛的應用。 例如光開關是最簡單的一個例子了，其原理是利用感光元件，對光線進行只收，將光信號轉換成電流信號，通過電路的放大，變成電壓開關電平信號，利用此原 理制成的聲光控開關在人們的日常生活中屢見不鮮，其主要工作原理如圖 所示 ： 5 圖 聲光控開關原理框圖 聲控電路它是用聲音控制電路的設備，其作用是把送入的聲波轉換為電信號，從而用這種信號去控制所需要的電器設備。常用的電路有：小信號放大電路、聲波控制電路等。而常用的聲控電路使用的是聲波控制電路為主要的聲控電路部分。 光控電路它是用外來的光源來控制電路的設備。其作用是把外來送入的光源轉換電信號，從而用這種信號去控制所需要的電器設備。常用的電路有：發(fā)光器件電路、光敏器件電路和光電顯示器件電路。而常用的光控電路使用的 光敏器件電路為主要的光控電路部分。 除此之外，光開關還廣泛用于自動化控制，如火焰探測器，民用的光控照明燈電路等。光電傳感器應用的實例很多，還如照相機的 CCD 傳感器、基于光敏傳感器的照度計，光敏電阻的一些應用。 第三節(jié) 傳感器的發(fā)展 傳感器的發(fā)展對各行業(yè)有著巨大的推動與促進作用，在科技為主導的現代社會顯得尤為重要。 傳感器的運用范圍很廣，因此所涉及到的知識也很廣，與各個學科領域的發(fā)展都有密切的關系。另外近年來， IT 行業(yè)的飛速發(fā)展，使得傳感器的技術要求越來越高，工業(yè)自動化的程度也越來越高，傳感器也逐漸發(fā)揮出越來越大的作用。 由此可見，傳感器的發(fā)展主要朝著以下幾個方向進行： 高精度 傳感器的精度直接影響著測控的精度，因此要提高測控精度，必須先提高傳感器的精度。例如醫(yī)學上對疾病的檢測，軍事上對于火箭發(fā)動機燃燒室的壓力測量等都要聲音信號 MIC 電子開關 與非門控制電路 光敏電阻 整流電路 延時電路 6 求相當高的精度，若精度達不到相應的要求，會產生難以估量的后果。因此為滿足測量的需要，必須要研制出相應的高精度的傳感器。 小型化 很多場合要對傳 感器的大小尺寸有嚴格的要求，其尺寸要盡可能的小才能達到要求。在醫(yī)學中測量血壓與血小板含量的測量，以及物理學中對于風洞壓力的測量等 等均要求其尺寸要盡可能的小。為了適應這一要求，壓阻傳感器應運而生，使壓力傳感器在小型化方面取得重大進展。 數字化 傳感器的最終目的是實現信號的數字化，便于運算處理，因此數字化顯得尤為重要，數字化傳感器可直接與計算機相聯，對于外界信息進行數字化的運算處理。 4. 智能化 智能化是傳感器發(fā)展的必然趨勢，它不僅可以達到檢測信息的功能，并可對信息進行有效的運算處理，是傳感器發(fā)展史上的一次質的飛越，使實現人功智能成為了可能，在宇宙航天、醫(yī)學等方面 發(fā)揮了重要的作用 。 傳感器的研究與發(fā)展已成為各個行業(yè)發(fā)展前進的先驅動力學科，各國對其重視程度日益增加 。 第二章 相關芯片知識介紹 第一節(jié) 整體框架設計 本設計主要實現了對光照強度的檢測功能，其功能模塊主要包括以下三個：光照強度檢測模塊、信息處理模塊和顯示模塊。其整體設計思路如下圖 所 示： 3 圖 整體設計框圖 光敏電阻 AD轉換 信號處理 LED顯示 7 電源電路 的主要作用是為整個電路的工作運行提供能源，使電路可以正常運行。一般人們日常生活用到的電路有：半波整流、全波整流和橋式整流電路等。 本設計采用 USB 供電，可降低設計的難度以及增加其實用性。 光控電路它是用外來的光源來控制電路的設備。其作用是把外來送入的光源轉換電信號，從而用這種信號去控制所需要的電器設備。常用的電路有：發(fā)光器件電路、光敏器件電路和光電顯示器件電路。而常用的光控電路使用的光敏器件電路為主要的光控電路部分。 光敏電阻用來感應入射光的強度變化，將光敏電阻與一定值電阻串聯接入電路，當外界光照強度發(fā)生變化時引起光敏電阻值的變化，從而影響其與定值電阻的分壓情況，因此電路中各點的電壓值就會發(fā)生變化，用 AD 轉化芯片檢測電路中電壓的變化從而可推測出入射光強度的變化。 A/D 轉換電路用來進行模擬信 號向數字信號的轉換，便于數據的運算處理，可選用的芯片范圍較廣，本設計選用 ADC0832 芯片作為 A/D 轉換芯片，此模塊將測量到的信號進行 A/D 轉換后將結果輸出到下一模塊進行處理。 信號處理模塊的作用是對于 A/D 轉換模塊輸出的數據進行運算處理，并將結果顯示于 LCD 液晶屏上，本設計采用 AT89C51 作為中央處理芯片，其電路設計簡便實用。 LCD 顯示模塊是將整個設計的檢測結果顯示出來，讓人們可以直觀的看到光照強度的變化情況。 第 二 節(jié) 芯片型號選擇 一、 AT89C51 芯片 MCS51 系列單片機是 8 位增強型，擁有完善的外部并行總線和多級識別功能的串行通訊接口，使功能單元 SFR 控制模式和適應特點的處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)更加規(guī)范。 此類單片機主要由幾下幾種類型 ：如 805 803 80C51 等 。 51 單片機具有使用靈活、易于開發(fā)、而且體積小、抗干擾能力強等特點，本設計出于對實用性和經濟性的考慮選擇 AT89C51 作為中央處理器。 8 AT89C51 具有 4K 字節(jié)的 Flash 閃存以及 128 字節(jié)的 RAM， 32 個 I/O 口線，兩個16 位定時 /計數器， 兩級中斷結構， 一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路等主要結構 構成 。其內部結構框圖如圖 所示： 圖 AT89C51 的內部結構框圖 外形及引腳排列如圖 所示： 圖 AT89C51 封裝格式 二、 LCD1602 芯片 1602 是一種可以用來顯示字符數字等的點陣液晶，它主要由若干個點陣字符組成，基中每個點陣可以顯示一個字符。 一般 1602 字符型液晶顯示器實物如圖 所示： 9 圖 1602 字符型液晶顯示器實物圖 1602LCD 的接口主要分為 14 腳（無背光）和 16 腳（帶背光） ， 基中各引腳功能 說明如表 所示 : 表 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數據 2 VDD 電源正極 10 D3 數據 3 VL 偏壓 11 D4 數據 4 RS 數據 /命令選擇 12 D5 數據 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數據 6 E 使能 14 D7 數據 10 7 D0 數據 15 BLA 背光電源 8 D1 數據 16 BLK 背光 接地 讀寫操作時序如圖 和 所示： 圖 讀操作時序 圖 寫操作時序 11 第三章 A/D 轉換原理與實現 第一節(jié) A/D轉換工作原理 模擬 信號的數字化需要三個步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指每隔一定的時間對時間上連續(xù)的模擬信號進行數據采集，用采集到的離散值代替原連續(xù)數據。量化是指用有限個幅度值代替原來連續(xù)變化的幅度值，把采集到的離散數據規(guī)一量化。編碼則是將采集到的離散量按照一定的規(guī)律，用 二進制數字 表示 。 A/D 轉換器 的原理 有直接轉換法和間接轉換法兩大類。直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較，從而直接將模擬量轉換成數字量。 它具有高速度，高效率和高精確度等特點。 直接 A/D 轉換器有計數型、逐次比較型、并行比較型等。 并行比較型工作原理如圖 所示： 圖 并行比較弄 A/D 轉換器工作原理 R － + C5 － + C6 － + C4 － + C3 － + C2 － + C1 － + C0 1D C 1 1D C 1 1D C 1 1D C 1 1D C 1 1D C 1 1D C 1 amp。 amp。 amp。 amp。 amp。 amp。 UR E F ui d2 d1 d0 R /2 R R R R R R CP 電壓比較器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 寄存器 編碼器 15U13REF 15U11REF 15U9REF 15U7REF 15U5REF 15U3REF 15U1REF 12 并行比較型 A/D 轉換器有如下特點： 優(yōu)點：轉換速度很快，故又稱高速 A/D 轉換器。含有寄存器的 A/D 轉換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保持電路。 缺點：電路復雜，對于一個 n 位二進制輸出的并行比較型 A/D 轉換器，需２ n 1個電壓比較器和 2n 1 個觸發(fā)器，編碼電路也隨 n 的增大變得相當復雜。且轉換精度還受分壓網絡和電壓比較器靈敏度的限制。 因此，這種轉換器適用于高速， 精度較低的場合。 間接法是將取樣后的模擬信號先轉換成中間變量時間 t或頻率 f, 然后再將 t或f 轉換成數字量。 具有速度低，精度高，搞干擾等特點。單次積分型和 雙積分型等 都屬于間接 A/D 轉換器 。逐次逼近型 A/D 轉換器 的工原理如 圖 所示 ： 圖 逐次逼近型 A/D 轉換器 工原理 第二節(jié) ADC0832 芯片簡介 ADC0832 芯片 具有以下特點： 8 位分辨率； 雙通道 A/D 轉換； 輸入輸出電平 和 TTL/CMOS 具有較好的兼容性 ； 一般功耗僅為 15mW； 8P、 14P— DIP（雙列直插）、 PICC 多種封裝； 取樣 — 保持 n 位 D A C 控制邏輯 + + C 時鐘源 Q n 1 Q n 2 Q n 3 … Q 2 Q 1 Q 0 逐位逼近寄存器 （ S A R ） 輸出寄存器 轉換控 制信號 模擬輸入 u 1 u 1 ’ 偏移電壓 u 0 ’ u 0 － Δ /2 U RE F 比較器 U C CP U S d n 1 ( M S B ) d n 2 … n 位并行 d 2 數字輸出 d 1 d 0 (L SB ) 13 芯片頂視圖如圖 ： 圖 ADC0832芯片頂視圖 芯片接口說明： CS_ 片選信號，低電平有效 。 CH0 模擬輸入通道 0。 CH1 模擬輸入通道 1。 GND 接地 。 DI 信號輸入 ，選擇 控制。 DO 信號輸出 ，轉換 輸出。 CLK 時鐘輸入 端 。 Vcc/REF 電源。 ADC0832 與單片機的接口電路如圖 ： 14 圖 ADC0832接口電路 單片機對 ADC0832 的控制原理： 一般情況下， ADC0832通過四條數據線與單片機相聯，如上圖所示，由于 DO與 DI不同進與單片機進行通信，固可接到同一管腳上。 ADC0832未工作時，使能端 CS接高電平，芯片被禁用；當需要芯片開始工作時，將 CS拉低，并使其一直保持低電平狀態(tài)至芯片工作結束。與此同時， CLK端接收時鐘信號，芯片在時鐘信號與指令的控制下進行 A/D的采集與轉換工作。各端口的主要 功能項見表 。 15 表 ADC0832各端口功能介紹 詳細的時序說明請見圖 。 圖 ADC0832時序