【文章內容簡介】 itive diode structure schema Fit 2 8 b fundamental circuit而光敏三極管有兩個PN結，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,也是把光信號轉化成電信號。光敏三級管是由高亮二極管進行發(fā)光的, 高亮二極管是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它的原理和光敏二極管相似,也是產生光電效應。只不過原理正好相反,當有電流導體內部產生光電流,照射在PN結上,在內部產生光電流,它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個不同的位置，、實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。 ADC0809A/D轉換器A/D是把模擬信號轉換成數(shù)字信號,把由傳感器傳來的液位控制的模擬信號轉換成數(shù)字信號,然后再通過8051單片機的分析處理進行LED顯示和液位、壓力和溫度的報警。 D／A轉換基本原理D／A轉換接口技術是應用系統(tǒng)后向通道典型應用技術之一。它涉及了D/A轉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題，而其中最核心的問題是D／A轉換芯片的選擇與應用問題。D／A轉換器的基本功能是將一個用二進制表示的數(shù)字量轉換成相應的模擬量。實現(xiàn)這種轉換的基本方法是對應于二進制的每一位，產生一個相應的電流，而這個電流的大小正比于相應的二進制位的權。D／A轉換器主要由三部分構成，即加權電阻解碼網、受輸入數(shù)字量控制的電子開關組和由運算放大器構成的電流轉換器。電子開關組受輸入二進制數(shù)據(jù)D7～DO控制，當某一位為“1”時，則電子開關閉合，基準電壓Vin接電阻解碼網絡，使某一支路電阻上有電流流過。當某一位為“0”時，則電子開關斷開，該支路電阻上無電流流過。加權電阻解碼網絡各支路的電阻值與二進制數(shù)據(jù)D7～DO的“權”相對應，“權”大的電阻值小，“權”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”，各支路的電流如下：因此，總電流為Iout： 該總電流經電流轉換器后有: 其中 由式（26）看出，盡管使用的網絡結構不同，但對于D／A轉換器的輸入輸出來說是等效的。就8位D／A轉換器而言，每一數(shù)字輸入位所代表的輸出模擬量是其相鄰的2倍，這樣就組成二進制數(shù)字量到模擬量的轉換器。D／A轉換芯片的主要性能指標如下:1)分辨率。表征D／A轉換器對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轉換器，表示它可以對滿量程的1／1024的增量做出反應。2)相對精度。在滿刻度已校準的前提下，在整個刻度范圍內，對于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個ISB來表示和該偏差相對滿刻度的百分比表示。3)轉換時間。數(shù)字變化量是滿刻度時，達到終值177。LSB／2所需要的時間，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，％～％。其工作過程是：比較開始時，首先對二進制計數(shù)器(輸出鎖存器)的最高位置“1”，然后進行轉換、比較判斷。若模擬輸入Uin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。然后對較低的位依次按照該辦法進行比較和調整，無論哪種情況，均應繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時D／A轉換器的數(shù)字輸入(輸出鎖存器內容)即為對應模擬輸入信號的數(shù)字量。將此數(shù)字量輸出就完成了A／D轉換過程。這種方法好比用天平稱一個物體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號的，依次類推。一旦天平指示砝碼太重說明剛才放進去的那個應當取走，顯然對于n位的轉換器，總共需要重復這種過程n次。 ADC0809轉換芯片本開發(fā)系統(tǒng)的A／D轉換實驗硬件主要是由ADC0809轉換芯片和四個可變電位器組成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A／D轉換器，輸入電壓在(O～5)V，最大不可調誤差小177。1LSB，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長期工作條件下能耗小、重復性好等優(yōu)點。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8位A／D轉換器、8路模擬輸入選通開關、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。為實現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過地址譯碼鎖存器選通所要開通的8路模擬通道中的一路開關，將模擬信號送入A/D轉換器中實現(xiàn)A/D的轉換，轉換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待CPU來取，取后由CPU啟動新一次的地址譯碼，重復以上完成新一次的A/D轉換。ADC0809芯片提供了高轉換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點，被廣泛應用于各種控制領域。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轉換器、8路多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉換方法為逐次逼近型。在A/D轉換器內部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計算機接口。 鍵盤及顯示接口顯示部分我采用三位7段LED顯示器，LED顯示器是單片機應用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。用LED是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉換效能高、壽命長的特點。LED（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在19世紀60年代，現(xiàn)在我們可以經常在電氣和電子設備上看到這些二極管作為指示燈來用。LED就是一種半導體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當給LED通電流時，它會發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長傳感器的使用壽命。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抗震動抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當于同尺寸白熾燈所產生光能的一部分。在微型機系統(tǒng)中，LED常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機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。這種顯示占用機少，顯示可靠；缺點是使用元件多，且線路比較復雜，因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個七位顯示器需要一個八位輸出控制，我的設計就是采用的就是靜態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是單片機定時的對顯示器進行掃描。這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都“同時”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低，但占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導電電流有關，也與點亮時間和間隔時間比例有關。鍵盤是有若干按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，來實現(xiàn)簡單的人機對話。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和六個鍵組成，74LS164是一個14位腳的寄存器，集成電路芯片，由8051串行接口的TXD端輸出列掃描信號到74LS164的2引腳，、由8051單片機的TXD引腳輸出移位時鐘脈沖到74LS164的時針輸入端（CLK）。還有非前者用軟件來識別和產生代碼，后者則用鍵盤來識別，鍵盤處理程序實現(xiàn)對鍵盤的管理，顯示具體見下圖。 圖27 LED顯示器Fit27 LED display 自動報警電路下列四種情況發(fā)生系統(tǒng)報警。 1)當鍋爐達到上限極限水位時報警，爐內的水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；2)鍋爐內壓力過高報警，壓力傳感器檢測到鍋爐內壓力過高與設定值時發(fā)出報警。3)鍋爐內壓力過低報警，壓力傳感器檢測到鍋爐內壓力過低與設定值時發(fā)出報警。4)循環(huán)泵故障報警，當循環(huán)泵開啟后，出水與回水溫度的差值很大，認為循環(huán)泵故障，報警系統(tǒng)報警。圖28 自動報警電路的接線圖Fit28 wiring diagram of automatic alarm circuit3 傳感器的選擇設計在本設計中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉換元件組成,它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng),對檢測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,光學傳感器,壓力傳感器等,本設計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對液位、溫度和壓力進行檢測,在把檢測的電信號通過ADC0809入到單片機進行分析,在由LED進行顯示和鍵盤控制,實行對液位、溫度和壓力的報警。 液位傳感器的設計我設計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備。水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個不同的位置，、實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，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備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。早期的用來檢測物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設備，發(fā)射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內有一個小的白熾燈作為光源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關系。而我設計的液位傳感器的主要組成光敏三級管就是屬于模擬式光電傳感器。通過吸收高亮二極管的光來測量液位的高度,在轉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,通常把光電效應分為三類：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，基于外光電效應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)象稱為內光電效應。基于內光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。3)在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。我們知道，PN結加反向電壓時，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，無光照時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，因此反向電流很小。但是當光照PN結時，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和PN結內電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越PN結，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光敏二極管就把光信號轉換成了電信號。而光敏三極管有兩個PN結，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。其結構如圖211所示。a 光敏三極管的結構示意圖 b 基本電路Fit 29 a photistor structure schema Fit29 b fundamental circuit 當光敏三極管按圖28所示的電路連接時，它的集電結反向偏置，發(fā)射結正向偏置。無光照時僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透明窗口照射集電結時，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結的反向電流增大，這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子(電子)將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原始光電流的(l+β)倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成,如下圖光電傳感器框圖: