傳感器與測控電路課程設計---自動調光臺燈控制電路設計

1、<p>　　傳感器與測控電路課程設計</p><p>　　設計課題：自動調光臺燈控制電路設計</p><p>　　指導老師： </p><p>　　單位：湖南科技大學機電工程學院</p><p>　　作者： </p><

2、;p>　　班級：07級測控一班</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　設計題目與要求……………………………………2</p><p>　　基本原理簡述………………………………………2</p><p>　　設計總體方案擬定…………………………………8</p><p>　

3、　傳感器的結構設計及計算…………………………8</p><p>　　測控電路設計與計算………………………………9</p><p>　　精度誤差分析 ……………………………………11</p><p>　　抗干擾措施 ………………………………………11</p><p>　　參考文獻 …………………………………………12</p>&l

4、t;p>　　附錄 ………………………………………………13</p><p><b>　　一、設計題目與要求</b></p><p>　　設計課題：用光敏電阻制作一個自動調光臺燈。使臺燈的亮度根據(jù)周圍環(huán)境照度自動調節(jié)，當周圍環(huán)境照度較弱，亮度增大，反之則較小。</p><p><b>　　基本要求：</b></p

5、><p>　　工作在常溫、常壓、靜態(tài)、環(huán)境良好；</p><p>　　精度：0.1%FS；</p><p>　　分辨率：按參考文獻上常用傳感器類比；</p><p>　　測量范圍：按參考文獻上常用傳感器類比；</p><p>　　傳感器及其輔助結構設計（傳感器結構簡圖1張）；</p><p>　　電

6、路設計（控制流程圖1張；硬件電路及分析，系統(tǒng)電路圖1張）。</p><p><b>　　二、基本原理簡述</b></p><p><b>　　1、光傳感器</b></p><p>　　檢測光的傳感器稱為光傳感器，通常是指將光信號轉換為電信號的一種傳感器。用光電傳感器進行非電量的測量時，只需將非電量信號轉化成為光信號即可。由

7、于光傳感器都具有結構簡單、非接觸性、可靠性高、反應快等優(yōu)點，在軍用及民用中極為廣泛，因此，其種類繁多，常用的光傳感器包括：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、紅外線傳感器、光電耦合器件、電荷耦合器件、顏色傳感器、光纖傳感器、紫外線和放射線傳感器等多種。</p><p>　　圖1 光電式傳感器的組成</p><p>　　光傳感器的物理基礎是光電效應。光電效應通常分為內光電效應、外光電效應

8、和光生伏特效應。</p><p>　　光敏電阻主要是根據(jù)敏感材料CdS、CdSe的內光電效應（光電導效應：高電阻率半導體受光照吸收光子能量后，產生電阻率降低而易于導電的現(xiàn)象）制成的。是一種物質半導體充電器件，它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等特點。</p><p>　　內光電效應的物理過程是：光照射到半導體材料上，材料中處于價

9、帶的電子吸收光子能量，越過禁帶躍入導帶，從而形成自由電子，與此同時價帶也會相應地形成自由空穴，即激發(fā)出電子—空穴對，從而使導電性能增強，光線越強，阻值越低。</p><p>　　如圖2所示，為了使電子能從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，即實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電材料的禁帶寬度Eg，亦即入射光的頻率應高于由Eg決定的紅限頻率。</p><p>　　式中，h為普朗克常數(shù),、分別為入射光

10、的頻率和波長。</p><p>　　圖2 半導體能帶圖及內光電效應</p><p>　　圖3 光敏電阻工作原理圖</p><p>　　圖4 光敏電阻結構圖</p><p>　　光敏電阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光電靈敏度、光譜特性、頻率特性和溫度特性等。</p><p>　　(1)伏安特性：一定光照

11、下，加在光敏電阻兩端的電壓和光電流之間的關系曲線。</p><p>　　光照特性：在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流I與光通量之間的關系特性曲線。圖5 光敏電阻的伏安特性 圖6 光敏電阻的光照特性</p><p>　　光電靈敏度：單位光通量入射時能輸出的光電流的大小，即。光照不同，靈敏度也發(fā)生變化。光照增大，靈敏度下降。最大靈敏度是在光敏電阻上加以最大電壓時，

12、光電流Im與光通量之比值。相對靈敏度是指在單位外加電壓下，入射單位光通量時對應的光電流輸出，即K=r/V=I/(V)</p><p>　　(3)光譜特性:光敏電阻對于不同波長的光，其靈敏度不同。</p><p>　　圖7 光敏電阻的光譜特性</p><p>　　(4)頻率特性：光敏電阻具有延時特性，當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)定值，

13、而在停止光照后，光電流也不會馬上為零。不同材料的延時特性不同，它們的頻率特性也不同。圖1.8為相對靈敏度與光強變化頻率之間的關系曲線。</p><p>　　圖8 光敏電阻的頻率特性</p><p>　　(5)光譜溫度特性：隨著溫度變化，光敏電阻的暗電阻和亮電阻都會發(fā)生變化，光敏電阻受溫度影響大，光譜特性也受到影響。</p><p>　　2、濾波和信號轉換電路&l

14、t;/p><p>　　測量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號中，往往包含噪聲和許多與被測量無關的信號，并且原始的測量信號經傳輸、放大、變換、運算及各種其他處理過程，也會混入各種不同形式的噪聲，從而影響測量精度。濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)，當信號與噪聲分布在同頻帶中時，可以從頻率域實現(xiàn)信號分離。在實際測量系統(tǒng)中，噪聲與信號的頻帶往往有一定的重疊，如果重疊不很嚴重，仍可利用濾波器有效地抑制噪聲功率，提高測量精度。&

15、lt;/p><p>　　圖9 0~10mA/0~5V轉換電路</p><p>　　3、脈寬調制（PWM）控制電路原理簡述</p><p>　　脈寬調制控制電路的基本構成和工作原理等敘述如下。</p><p>　　(1)PWM的基本電路</p><p>　　基本的脈寬調制控制電路由電壓一脈寬轉換器和開關功率放大器組成．其

16、組成原理 如圖10所示。電壓一脈寬轉換器的核心是運算放大器(比較器)。運算放大船A輸入信號有調制信號Ur(其頻率為主電路所需的開關調制頻率)、負偏置電壓Up、控制電壓Uc。由于運算放大器A為開環(huán)，因此，該比較器的輸出僅取決于輸入方向的兩個極限值(取決于Uc一(Ut+Up)的正負)，此輸出經開關功率放大器輸出到觸發(fā)脈沖列逆變器。</p><p>　　圖11所示，調制電壓“Ut為鋸齒波，當控制電壓Uc>Ut-

17、Up時，運算放大器的輸出為低電平(-Uom)如圖(b)所示；反之，當Uc<Uf=Ut+Up時。運算放大器的輸出為高電平（Uom）（如圖（c）所示）。</p><p>　　圖10 脈寬調制控制電路組成原理圖 圖11 脈沖調制波形圖</p><p>　　若鋸齒波的線性良好，則輸出正向脈沖的占空比為 </p><p>　　式中

18、，為正向脈沖寬度；T為一個開關周期，為控制信號的最大值。</p><p>　　開關功率放大器一般采用射極輸出，對脈沖列進行功率放大。通過PWM控制改變開關</p><p>　　管(或品閘管)在一個開關周期內導通時間的氏短，實現(xiàn)對負載兩端平均電壓大小的控制。負</p><p>　　載兩端平均電壓UL的占空比的關系為：</p><p>　　式中，

19、Ec為控制制直流電壓。</p><p>　　脈沖寬度調制器是一個電壓一脈寬轉換器。對它的基本要求是死區(qū)要小，調寬脈沖的前后沿要陡．以減小時脈沖列逆變器觸發(fā)的死區(qū)。否則，死區(qū)大會影響Dc—Ac轉換的精度及其輸出波形。這就要求脈沖寬度調制器的比較器有足夠高的靈敏度和分辨率。為此，設計時要綜合考慮比較器靈敏度、分辨率與綜合考慮系統(tǒng)的控制模式、控制系統(tǒng)的具體要求和與功率。</p><p>　　(2

20、)數(shù)字式脈寬調制電路</p><p>　　脈寬調制器PWM信號的產生是通過控制電壓與調制電壓比較實現(xiàn)的。調制電壓的頻率</p><p>　　決定PWM信號的頻率，而PWM信號對負載兩端的電壓控制，由控制電壓對脈寬的按制實現(xiàn)。</p><p>　　在控制電壓與調制電壓曲線的相交處，使PWM信號狀態(tài)翻轉。</p><p>　　數(shù)字式脈寬調制器可隨

21、控制信號的變化而改變脈沖序列的占空比/T. 在數(shù)字式脈寬調制器中，控制信號是數(shù)字，其值確定脈沖的寬度。當維持調制脈沖序列的周期不變，通過改變脈沖的寬度，就能達到改變占空比/T 的目的。</p><p>　　用微處理機來實現(xiàn)數(shù)字脈寬調制極其容易，通常的方法有兩種：一種是用軟件方式來實現(xiàn)，即通過執(zhí)行軟件延時循環(huán)程序交替改變端口某個二進制輸出邏輯狀態(tài)來產生脈寬調制信號，設置不同的延時時間得到不同的占空比。這種方法的優(yōu)

22、點是簡單、靈活、省硬件，缺點是需要占用CPU許多處理時間，對微處理機的速度要求很高，于控制不利；另一種是用硬件電路自動產生PWM信號，不占用CPU處理的時間。</p><p>　　圖12及圖13是利用PC機接口控制實現(xiàn)脈寬調制的PWM電路及其原理工作圖。它由8位二進制計數(shù)器CD4520、8位數(shù)值比較器2*CD4585和并行接口芯片8255A構成。在時鐘CLK作用下，計數(shù)器的8位輸出（引腳3-6，11-14）從“0

23、”開始逐次加“1”，當8位輸出全為“1”（對應十進制數(shù)255）時，再來CLK脈沖又將從“0”開始。顯然，計算器輸出數(shù)字斜波信號，其周期為CLK的256倍，這種周期性數(shù)字斜波信號所起的作用與模擬PWM方式中的鋸齒波作用相同。計算器輸出的周期性數(shù)字斜波信號稱為B組數(shù)字量。</p><p>　　8位二進制數(shù)值比較器由兩片4位數(shù)值比較器CD4585構成。數(shù)值比較器A組數(shù)據(jù)來自8255A端口A（PA0-PA7），故A組數(shù)據(jù)

24、是微機輸出的數(shù)字控制信號，它相當于模擬PWM方式的控制電壓。只要計算器的輸出值小于8255A端口A輸出的數(shù)值，則第二級CD4585的“A>B”輸出端保持高電平。當比較器的兩個輸入值相等時，“A>B”端變零，并且直到計數(shù)器溢出之前保持為低電平。溢出后，“A>B”端恢復為高電平，并重復執(zhí)行該過程。</p><p>　　輸出波形的周期T=256Tc，而脈沖寬度=D*Tc。其中D為控制的數(shù)值，Tc為時鐘

25、周期。如果要求PWM頻率為1kHZ，則CLK的頻率應為256kHZ。圖中8255A的PC7位用于控制計數(shù)器的工作；D0-D7為8位數(shù)據(jù)輸入端，全部為雙向三態(tài)；/CS為片選端，低電平有效；A0；A1為通道0、1的選擇信號端；/RD為讀信號輸入端，低電平有效；/WR為寫信號端，輸入，低電平有效；RESET為復位信號輸入端，高電平有效。</p><p>　　圖12 計數(shù)比較式脈寬調制PWM電路</p>

26、<p>　　圖13 計數(shù)式PWM電路原理圖</p><p><b>　　4、整流濾波電路</b></p><p>　　單相橋式整流電容濾波電路</p><p>　　(1)二極管的導電角<,流過二極管的電流為不連續(xù)的且幅度很大的電流脈沖，它比輸出電流大許多倍。實際中近似估算為 =（1.5~2）。</p>&l

27、t;p>　　(2)負載平均電壓升高，紋波減小。并且越大，電容放電越慢，負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。</p><p>　　為了得到平滑的負載電壓，實際中一般取= ≥（3~5）T/2</p><p>　　式中，T為電源交流電壓的周期。</p><p>　　(3)濾波電容估算 </p><p>　　圖14 橋式整流

28、濾波電路</p><p>　　三、設計總體方案擬訂</p><p>　　根據(jù)設計題目及要求，擬訂方案如下：</p><p>　　根據(jù)光敏電阻的伏安特性，當光照強度改變時，光敏電阻的光電流隨之改變，將光敏電阻的電流變化轉換為電壓的變化，再對由光信號產生的電壓信號進行模數(shù)轉換，經過單片機的設定程序，根據(jù)已定的外界光照強度（即電壓變化）與臺燈光亮度調節(jié)的函數(shù)關系，輸出信號

29、，實現(xiàn)對脈寬的調制，通過光電耦合器件與主電路耦合，從而控制輸出的平均電壓，改變臺燈光亮度，使其達到預定的光照效果。</p><p>　　圖15 控制原理框圖</p><p>　　四、傳感器的結構設計及計算</p><p><b>　　選擇光敏電阻：</b></p><p>　　根據(jù)光敏電阻的各項參數(shù)及轉換電路指標，選擇

30、光敏電阻MG45-33。并設計I/V轉換電路如下：</p><p>　　輸入電流Ig首先經輸入電阻R1變?yōu)檩斎腚妷篣i=IgR，加到運算放大器的同相輸入端，經過同相比例放大后得輸出電壓：</p><p>　　Uo=IgR1(1+R2/R3)</p><p>　　R1值根據(jù)電流的輸出器件滿足I/V轉換的低輸入輸出阻抗的要求而確定，一般為幾百歐姆數(shù)量級。當R1確定后，可

31、根據(jù)Ig與Uo的范圍決定R2，R3，為避免運算放大器偏置電流造成誤差，要求兩輸入端對地的電阻值相等，即：R4=R2R3/（R2+R3）。</p><p>　　根據(jù)光敏電阻的光照特性，轉換電路如圖16將0-10mA的輸入電流轉換為0-5V的輸出支流電壓，</p><p><b>　　取R1=250Ω，</b></p><p>　　根據(jù)以上公式得

32、，R2=R3=5.1KΩ，R4=2.6KΩ</p><p>　　圖16 I/V轉換電路</p><p>　　五、測控電路設計及計算</p><p><b>　　1、模數(shù)轉換</b></p><p>　　使用ADC0809將I/V轉換輸出的電壓經過模數(shù)轉換，將變化的電壓轉化為數(shù)字信號，輸入單片機進行運算處理。<

33、/p><p><b>　　2、單片機控制</b></p><p>　　將經過模數(shù)轉換的輸出電壓出入單片機，利用軟件編程使輸出參考信號與輸入相對應，將單片機輸出值與脈沖記數(shù)相比較輸出，從而實現(xiàn)PWM調制。</p><p><b>　　3、看門狗電路：</b></p><p>　　光敏電阻裝置的實際工作環(huán)境

34、比實驗室的環(huán)境要惡劣得多，常常會有很多干擾因素使程序跑飛，從而整個系統(tǒng)便不能正常運行。為了避免這種狀況的出現(xiàn)，需要給系統(tǒng)增加電源監(jiān)控電路，使CPU在電源電壓低于某一值時停止工作，處于復位狀態(tài)，待電壓恢復正常后，CPU再脫離復位狀態(tài)，進入正常工作狀態(tài)。在系統(tǒng)上電時，還需給CPU提供可靠的復位信號，這些功能都需要由看門狗電路來完成。</p><p>　　看門狗分為軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗需要在正常程序中

35、安放冗余指令，在正常程序執(zhí)行不到的空余程序存儲空間安放軟件陷阱。但是，當程序跑飛到一個臨時構成的死循環(huán)中時，冗余指令和軟件陷阱均會無能為力，此時可由硬件看門狗解決。硬件看門狗電路簡稱為WDT電路，由它內部的定時器來監(jiān)定，當超過所規(guī)定的時間之后，便由其復位端輸出一個復位信號，從而使系統(tǒng)重新恢復正常工作。在使用硬件看門狗時，需要在軟件中進行喂狗，保證硬件看門狗的正常監(jiān)控。</p><p>　　本裝置采用MAX813芯

36、片來構成看門狗電路。MAX813的主要功能如下:1、系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時，第7管腳產生復位輸出，高電平有效;2、看門狗電路輸出，如果在1. 6秒時間內沒有觸發(fā)該電路(即第六腳無脈沖輸入)，則第8腳輸出一個低電平;3、手動復位入，低電平有效。即第1腳輸入一個低電平，則第七腳產生復位輸出。電路如下圖所示。</p><p>　　實際應用時，將MAX813的第7腳接至AT89C52的復位腳RST，上電復位電路

37、產生的RESET信號同看門狗的輸出端WDO相與，然后送至MAX813的不仄端。MR端是操作復位端，當MR</p><p>　　圖17 看門狗MAX813電路連接圖</p><p>　　端上輸入大于140ms寬度的復位脈沖時，會清時鐘，同時RST端會產生一個高脈沖，這個脈沖會在MR端上恢復高電平后繼續(xù)延遲200ms，然后恢復回低電平，同時時鐘開始計數(shù)。所以當在1. 6秒內沒有喂狗時，WD

38、O會產生一個低電平，從而使得在MR端上產生一個低脈沖，使得MAX813復位，RST端也產生一個復位脈沖給AT89C51，使得整個系統(tǒng)復位。同樣的，當上電時，在RESET端會有一個上電復位脈沖，一樣會使MR端產生低脈沖，結果一樣。第6腳與CPU的P1. 4相連。在軟件設計中，P1. 4不斷輸出脈沖信號。</p><p>　　整個看門狗的時序圖如下圖所示:</p><p>　　圖18 看門

39、狗時序圖</p><p><b>　　六、精度誤差分析</b></p><p><b>　　1、溫度影響</b></p><p>　　光敏電阻的大部分參數(shù)都隨溫度變化，從而使傳感器的靈敏度發(fā)生變化。各種光敏電阻的溫度系數(shù)不同，而且光敏元件及殼體的幾何尺寸在外界環(huán)境和光照狀態(tài)下的熱膨脹和熱應力也會引起溫度誤差，因此，要正確選

40、擇材料和確定傳感器的使用溫度范圍，適當?shù)墓ぷ鳒囟确秶拍鼙ＷC溫度誤差的要求。</p><p><b>　　2、老化誤差</b></p><p>　　各種材料的特性隨時間緩慢變化，也導致誤差。</p><p><b>　　3、系統(tǒng)時鐘誤差</b></p><p>　　一般單片機的設計，最難保證的是時

41、間的一致性，微小的時序誤差也會給系統(tǒng)帶來很大的誤差，或錯誤的判斷和運行。</p><p><b>　　七、抗干擾措施</b></p><p>　　抗干擾技術是設計過程中的重要環(huán)節(jié)，合理地使用抗干擾技術，可使系統(tǒng)最大限度的避免干擾的產生和受干擾后能使系統(tǒng)恢復正常運行，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地工作。</p><p>　　1、系統(tǒng)供電線路是干擾的主要來

42、源，防止從電源系統(tǒng)引入干擾，可采取交流穩(wěn)壓器</p><p>　　保證供電的穩(wěn)定性，防止電源的過壓和欠壓。使用隔離變壓器濾掉高頻噪聲，低通濾波器濾掉工頻干擾。采用開關電源并提供足夠的功率余量，裝置中兩個模塊的主機部分使用單獨的穩(wěn)壓電路。</p><p>　　2、看門狗即程序監(jiān)視跟蹤定時器在單片機抗干擾設計中使用非常廣泛，本裝置采用</p><p>　　MAX813芯

43、片來構成看門狗電路。為單片機提供上、掉電條件下的復位信號、看門狗監(jiān)視及電源失效監(jiān)視。</p><p>　　3、由于環(huán)境溫度及入射光波長等對光敏電阻影響很大，所以應該給光敏電阻提供穩(wěn)定的溫度及光照條件。</p><p>　　4、由于光敏電阻的暗阻很大，亮阻相對很小，而放大器處于開路裝，任何微小的干擾都可能產生較大的影響。為此傳感器與放大器之間必須采用屏蔽電纜，以便屏蔽外部干擾，而且使用中需將

44、屏蔽線固定，以防止電纜在突然彎曲或受到振動時，屏蔽網與絕緣之間產生摩擦靜電。各芯片也因技術指標不一，而存在噪聲和內部干擾。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　1、唐文彥主編．傳感器．北京：機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　2、張國雄 金篆芷主編．測控電路．北京：機械工業(yè)出版社，2006</p

45、><p>　　3、劉迎春主編．傳感器原理的設計與應用．北京：國防科技大學出版社，1989</p><p>　　4、李科杰主編．新編傳感器技術手冊．北京：國防工業(yè)出版社，2002</p><p>　　5、王寶光主編．測控儀器設計．北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　6、余成波主編．傳感器與自動檢測技術．北京：高等教育出版社，2005