【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們?cè)谕饧臃聪螂妷汉蚉N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，分別在兩個(gè)方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子,空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過(guò)外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光電效應(yīng)的原理就是光電二極管的原理,光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào),它是最簡(jiǎn)單的光學(xué)元件。 圖25 a 光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖25 b基本電路Fit 28 a photosensitive diode structure schema Fit 2 8 b fundamental circuit而光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度,也是把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。光敏三級(jí)管是由高亮二極管進(jìn)行發(fā)光的, 高亮二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它的原理和光敏二極管相似,也是產(chǎn)生光電效應(yīng)。只不過(guò)原理正好相反,當(dāng)有電流導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光電流,照射在PN結(jié)上,在內(nèi)部產(chǎn)生光電流,它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。水位檢測(cè)是通過(guò)四對(duì)高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個(gè)不同的位置，、實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐里的水位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開(kāi)水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開(kāi)水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開(kāi)水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。 ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器A/D是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),把由傳感器傳來(lái)的液位控制的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后再通過(guò)8051單片機(jī)的分析處理進(jìn)行LED顯示和液位、壓力和溫度的報(bào)警。 D／A轉(zhuǎn)換基本原理D／A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應(yīng)用系統(tǒng)后向通道典型應(yīng)用技術(shù)之一。它涉及了D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇參考電壓源的配置、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性等問(wèn)題，而其中最核心的問(wèn)題是D／A轉(zhuǎn)換芯片的選擇與應(yīng)用問(wèn)題。D／A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個(gè)用二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制的每一位，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電流，而這個(gè)電流的大小正比于相應(yīng)的二進(jìn)制位的權(quán)。D／A轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、受輸入數(shù)字量控制的電子開(kāi)關(guān)組和由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)換器。電子開(kāi)關(guān)組受輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7～DO控制，當(dāng)某一位為“1”時(shí)，則電子開(kāi)關(guān)閉合，基準(zhǔn)電壓Vin接電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，使某一支路電阻上有電流流過(guò)。當(dāng)某一位為“0”時(shí)，則電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，該支路電阻上無(wú)電流流過(guò)。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各支路的電阻值與二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7～DO的“權(quán)”相對(duì)應(yīng)，“權(quán)”大的電阻值小，“權(quán)”小的電阻值大。因此各支路的電流不僅決定于輸入數(shù)字量的值(0或1)，還決定于“權(quán)”，各支路的電流如下：因此，總電流為Iout： 該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有: 其中 由式（26）看出，盡管使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于D／A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出來(lái)說(shuō)是等效的。就8位D／A轉(zhuǎn)換器而言，每一數(shù)字輸入位所代表的輸出模擬量是其相鄰的2倍，這樣就組成二進(jìn)制數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器。D／A轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)如下:1)分辨率。表征D／A轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量的敏感程度，通常用數(shù)字量的數(shù)位表示，如8位、12位、14位等。分辨率為10位的D／A轉(zhuǎn)換器，表示它可以對(duì)滿量程的1／1024的增量做出反應(yīng)。2)相對(duì)精度。在滿刻度已校準(zhǔn)的前提下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對(duì)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個(gè)ISB來(lái)表示和該偏差相對(duì)滿刻度的百分比表示。3)轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)字變化量是滿刻度時(shí)，達(dá)到終值177。LSB／2所需要的時(shí)間，通常為幾十納秒至幾微秒。4)非線性誤差。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，％～％。其工作過(guò)程是：比較開(kāi)始時(shí)，首先對(duì)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(輸出鎖存器)的最高位置“1”，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、比較判斷。若模擬輸入U(xiǎn)in大于Ui，比較器輸出為1，則使輸出鎖存器的最高位保持為1。然后對(duì)較低的位依次按照該辦法進(jìn)行比較和調(diào)整，無(wú)論哪種情況，均應(yīng)繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時(shí)D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入(輸出鎖存器內(nèi)容)即為對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量。將此數(shù)字量輸出就完成了A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程。這種方法好比用天平稱一個(gè)物體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號(hào)的，依次類推。一旦天平指示砝碼太重說(shuō)明剛才放進(jìn)去的那個(gè)應(yīng)當(dāng)取走，顯然對(duì)于n位的轉(zhuǎn)換器，總共需要重復(fù)這種過(guò)程n次。 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)硬件主要是由ADC0809轉(zhuǎn)換芯片和四個(gè)可變電位器組成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓在(O～5)V，最大不可調(diào)誤差小177。1LSB，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長(zhǎng)期工作條件下能耗小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。ADC0809芯片的引腳圖如圖26所示。由圖26可看芯片主要是由一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器、8路模擬輸入選通開(kāi)關(guān)、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。為實(shí)現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過(guò)地址譯碼鎖存器選通所要開(kāi)通的8路模擬通道中的一路開(kāi)關(guān)，將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待CPU來(lái)取，取后由CPU啟動(dòng)新一次的地址譯碼，重復(fù)以上完成新一次的A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片提供了高轉(zhuǎn)換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。下圖為ADC0809芯片的引腳圖。圖26 ADC0809 芯片的引腳圖Fit26 diagram of ADC0809pins ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開(kāi)關(guān)樹(shù)組的256電阻分壓器，以及一個(gè)逐次逼近型寄存器。8路的模擬開(kāi)關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問(wèn)一個(gè)通道的模擬信號(hào)。由于多路開(kāi)關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計(jì)算機(jī)接口。 鍵盤及顯示接口顯示部分我采用三位7段LED顯示器，LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫(huà)發(fā)光，不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。用LED是因?yàn)樗哂酗@示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。LED（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來(lái)用。LED就是一種半導(dǎo)體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當(dāng)給LED通電流時(shí)，它會(huì)發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不像白熾燈那樣，LED抗震動(dòng)抗沖擊，并且沒(méi)有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。在微型機(jī)系統(tǒng)中，LED常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動(dòng)態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機(jī)一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示占用機(jī)少，顯示可靠；缺點(diǎn)是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個(gè)七位顯示器需要一個(gè)八位輸出控制，我的設(shè)計(jì)就是采用的就是靜態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是單片機(jī)定時(shí)的對(duì)顯示器進(jìn)行掃描。這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能有一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺(jué)到所有的器件都“同時(shí)”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，因而價(jià)格低，但占用機(jī)時(shí)多，只要單片機(jī)不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度與導(dǎo)電電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間比例有關(guān)。鍵盤是有若干按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有并行接口掃描和串聯(lián)接口掃描，我采用的是串行接口，它的組成是由移位寄存器74LS164和六個(gè)鍵組成，74LS164是一個(gè)14位腳的寄存器，集成電路芯片，由8051串行接口的TXD端輸出列掃描信號(hào)到74LS164的2引腳，、由8051單片機(jī)的TXD引腳輸出移位時(shí)鐘脈沖到74LS164的時(shí)針輸入端（CLK）。還有非前者用軟件來(lái)識(shí)別和產(chǎn)生代碼，后者則用鍵盤來(lái)識(shí)別，鍵盤處理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍵盤的管理，顯示具體見(jiàn)下圖。 圖27 LED顯示器Fit27 LED display 自動(dòng)報(bào)警電路下列四種情況發(fā)生系統(tǒng)報(bào)警。 1)當(dāng)鍋爐達(dá)到上限極限水位時(shí)報(bào)警，爐內(nèi)的水位到達(dá)上限極限水位時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警；2)鍋爐內(nèi)壓力過(guò)高報(bào)警，壓力傳感器檢測(cè)到鍋爐內(nèi)壓力過(guò)高與設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警。3)鍋爐內(nèi)壓力過(guò)低報(bào)警，壓力傳感器檢測(cè)到鍋爐內(nèi)壓力過(guò)低與設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警。4)循環(huán)泵故障報(bào)警，當(dāng)循環(huán)泵開(kāi)啟后，出水與回水溫度的差值很大，認(rèn)為循環(huán)泵故障，報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。圖28 自動(dòng)報(bào)警電路的接線圖Fit28 wiring diagram of automatic alarm circuit3 傳感器的選擇設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用。傳感器的種類很多,有溫度傳感器,加速度傳感器,光學(xué)傳感器,壓力傳感器等,本設(shè)計(jì)主要采用的是電容式傳感器、光電式傳感器和壓電式傳感器來(lái)對(duì)液位、溫度和壓力進(jìn)行檢測(cè),在把檢測(cè)的電信號(hào)通過(guò)ADC0809入到單片機(jī)進(jìn)行分析,在由LED進(jìn)行顯示和鍵盤控制,實(shí)行對(duì)液位、溫度和壓力的報(bào)警。 液位傳感器的設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)的液位傳感器主要是由高亮二極管和光敏三極管所組成的設(shè)備。水位檢測(cè)是通過(guò)四對(duì)高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個(gè)不同的位置，、實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐里的水位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開(kāi)水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開(kāi)水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開(kāi)水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。高亮二極管和光敏三極管都屬于光電傳感器，下面介紹光電式傳感器。光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。早期的用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈作為光源。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開(kāi)關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。而我設(shè)計(jì)的液位傳感器的主要組成光敏三級(jí)管就是屬于模擬式光電傳感器。通過(guò)吸收高亮二極管的光來(lái)測(cè)量液位的高度,在轉(zhuǎn)化成光電流傳到模擬傳感器ADC0809中。光電傳感器中的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng),通常把光電效應(yīng)分為三類：1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。我們知道，PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無(wú)光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，