2022年教室照明自动控制器的方案设计书 .pdf

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1、毕 业 论 文教室照明自动控制器的设计学院：专业：学生姓名：学号：指导教师： 201 年月精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 41 页摘 要目前，国内学校教室的照明灯具大多采用手动开关控制，即使严格管理，还是不可避免的出现忘记关灯的时候，尤其是在白天，情况更是如此，因而造成大量的能源浪费。另外，各种照明灯具都具有一定的使用寿命，在光线充足的情况下仍继续使用，必然会缩短灯具的使用寿命。因此对教室照明系统进行自动化控制具有重要意义。而现有成型的教室照明自动控制器在应用中还存在一些问题，需要对其做进一步的改进。本论文详细研究了学校

2、教室的使用特点和照明需要及存在的问题，提出了一种自动化的教室照明控制系统，采用低功耗单片机和总线技术，通过光控、红外检测、声控等芯片的运行来控制照明灯的开关。该系统有数据采集模块、串口通信、执行模块等的电路设计。通过硬件和软件的协同设计，该系统最终实现了在白天光照充足的情况下，教室无论有没有人照明灯都不开；在光照不充足的情况下，通过红外检测与声响检测来判断教室是否有人以此对照明灯进行控制，并在灯亮的情况下，该系统进入监控状态，若连续五次探测都没有人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪烁，教室里的人在提示情况下会有所动作，从而灯具不熄灭，若无反应则关闭电源。关键词 ：照明控制，单片机，自动化，红外检测精

3、选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 41 页Abstract At present, the manual switch mostly used in domestic, lighting control, primary school classroom, even if the strict management, there will inevitably forget to turn off the lights when, especially in the daytime, the situation is mor

4、e serious, resulting in a waste of energy. In addition, various lighting has certain use, still continue to use in a well-lit conditions, life will certainly shorten lamp. But the existing molding classroom lighting control system has some problems in the application, need to do research and develop

5、ment in the further. In this paper, a detailed study of the characteristics and needs of school classroom lighting and the existing problems, put forward a kind of automatic lighting control system, using low power microcontroller and field bus technology, on the basis of the improvement, such as sw

6、itching the light, infrared detection, voice chip operation to control the lamp. The system has the circuit design of data acquisition module, serial communication module, execution etc. Finally the system is realized in the day light, the classroom regardless of whether anyone lights are not open.

7、In the light is not sufficient, the infrared detection and noise detection to judge whether a person to control classroom lamp control. And in the light of the circumstances, the system enters the surveillance state, if five consecutive detection are not people, a warning flashing lights, lamps and

8、lanterns, the classroom will have to move in the prompt circumstances, thus the lamp does not go out, if no response is to turn off the power. Key words：Lighting control,SCM ，Automation, Infrared detection 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 41 页目 录摘要ABSTRACT II2.1 学校教室自动控制的现状. - 2

9、-2.2系统的整体设计方案. - 2 -4.1 软件的实现原理 . - 25 -该自动控制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和声响，都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者附近有异常声响时。则开启电源，点亮灯具，并使控制系统程序进入监控状态，若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时教室有人静止不动，在灯具亮灭闪烁的提示下，自认会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变化，从而结束警告，式灯具继续点亮，控制器回到监控状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目的 . - 25 -4.2 软件的流程框图

10、 . - 25 -通过对该自动控制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1 所示，该系统的设计思路是先开始初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，通过信号的高低来判断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁铁的关系来控制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就会散发红外然后被红外模块所发现。以此来阻止灯的关闭。 . - 25 -4.3 软件的程序编写 . - 27 -根据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。 . - 27 -结束语 . - 29 -致谢 . - 31 -精选学习资料 -

11、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 41 页2.1 学校教室自动控制的现状. - 2 -2.2系统的整体设计方案. - 2 -4.1 软件的实现原理 . - 25 -该自动控制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和声响，都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者附近有异常声响时。则开启电源，点亮灯具，并使控制系统程序进入监控状态，若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时教室有人静止不动，在灯具亮灭闪烁的提示下，自认会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变化，从而结束警告，

12、式灯具继续点亮，控制器回到监控状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目的 . - 25 -4.2 软件的流程框图 . - 25 -通过对该自动控制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1 所示，该系统的设计思路是先开始初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，通过信号的高低来判断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁铁的关系来控制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就会散发红外然后被红外模块所发现。以此来阻止灯的关闭。 . - 25 -4.3 软件的程序编写 .

13、 - 27 -根据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。 . - 27 -结束语 . - 29 -致谢 . - 31 -2.1 学校教室自动控制的现状. - 2 -2.2系统的整体设计方案. - 2 -4.1 软件的实现原理 . - 25 -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 41 页该自动控制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和声响，都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者附近有异常声响时。则开启电源，点亮灯具，并使控制系统程序进入监控状态，若连续五次探测都无人，则发出熄灯警

14、告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时教室有人静止不动，在灯具亮灭闪烁的提示下，自认会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变化，从而结束警告，式灯具继续点亮，控制器回到监控状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目的 . - 25 -4.2 软件的流程框图 . - 25 -通过对该自动控制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1 所示，该系统的设计思路是先开始初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，通过信号的高低来判断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁铁的关系来控制灯的开启。

15、并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就会散发红外然后被红外模块所发现。以此来阻止灯的关闭。 . - 25 -4.3 软件的程序编写 . - 27 -根据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。 . - 27 -结束语 . - 29 -致谢 . - 31 -2.1 学校教室自动控制的现状. - 2 -2.2系统的整体设计方案. - 2 -4.1 软件的实现原理 . - 25 -该自动控制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和声响，都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者附近有异常声响时。则开启电源，点亮灯具，并使控制系统程序进入监控状精选学习资料

16、 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 41 页态，若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时教室有人静止不动，在灯具亮灭闪烁的提示下，自认会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变化，从而结束警告，式灯具继续点亮，控制器回到监控状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目的 . - 25 -4.2 软件的流程框图 . - 25 -通过对该自动控制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1 所示，该系统的设计思路是先开始初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定的数据做比较，若成立产

17、生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，通过信号的高低来判断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁铁的关系来控制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就会散发红外然后被红外模块所发现。以此来阻止灯的关闭。 . - 25 -4.3 软件的程序编写 . - 27 -根据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。 . - 27 -结束语 . - 29 -致谢 . - 31 -2.1 学校教室自动控制的现状. - 2 -2.2系统的整体设计方案. - 2 -4.1 软件的实现原理 . - 25 -该自动控制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和声响，

18、都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者附近有异常声响时。则开启电源，点亮灯具，并使控制系统程序进入监控状态，若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时教室有人静止不动，在灯具亮灭闪烁的提示下，自认会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变化，从而结束警告，式灯具继续点亮，控制器回到精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 41 页监控状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目的 . - 25 -4.2 软件的流程框图 . - 25 -通过对该自动控制器系统

19、的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1 所示，该系统的设计思路是先开始初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，通过信号的高低来判断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁铁的关系来控制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就会散发红外然后被红外模块所发现。以此来阻止灯的关闭。 . - 25 -4.3 软件的程序编写 . - 27 -根据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。 . - 27 -结束语 . - 29 -致谢 . - 31 -1致谢错误！未定义书签。附录.33精选学习资料 - -

20、- - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 41 页第一章绪 论1.1 课题的背景和意义浪费一直是人类社会面对的重大问题，特别是到了二十一世纪，环保和可持续发展更成了国家长期发展的重中之重，我国也提出了“节能减排”的号召。然而在众多的能源问题中，电能的短缺是束缚经济发展和人民生活改善的重要问题之一。能源的充分利用与合理分配对我们国家的现状的改进有重要意义，从身边的小事做起，在照明灯的控制上采取智能化的控制，在保证照明强度的前提下，对于保护学生的视力和减少能源浪费方面有重要意义。现在学校的教室照明灯存在管理落后，保护性差，布线复杂，能源浪费等问题。现在的教

21、室照明灯自动控制已经不能满足我们现在的生活学习需求。因此设计一款新的教室照明灯控制器对教室照明、减少能源浪费、满足人们的日常生活需求等方面有及其深远的意义。在本设计中，对教室的人员情况在不同时间不同光照条件下进行了调查，同时发现了在白天有个别教室仍然是出现了在光照条件充足的情况下开灯甚至教室无人的情况下开灯的现状，对能源造成了浪费。本设计采用以单片机为主体的设计思路，通过单片机与各个模块之间的信息交流来实现对灯的亮灭控制。1.2 采用教室照明自动控制系统的优势传统的教室照明灯都是通过人手来控制，无论我们怎么样的注意都会出现忘记关灯等现象，从而造成能源的浪费，这与国家倡导的节能减排大相庭径。而该

22、系统通过光照强度等来自动控制照明灯灯的开关，具体的优越性有以下几方面：挺高了教室照明的智能化程度，解放了人手，使教室的智能化程度更高，更人性化。减少了能源的浪费，通过具体的情况来确定灯的亮灭，从而有效的抑制了在白天光照充足的情况下仍然开灯的情况。具有良好的节电效果。解放了教室工作人员，提高了工作效率。提高了教室的管理水平，教室照明由原来的手动控制变为智能化控制，减精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 41 页少了维护，巡查费用。本论文旨在设计一个基于单片机技术的教室照明灯自动控制器。通过各模块电路、控制电路及控制方法的设计与选

23、择，软硬件的协同设计，最终实现了教室照明系统自动控制的目的，即在白天光照充足的情况下，教室无论有没有人照明灯都不开；在光照不充足的情况下，通过红外检测与声响检测来判断教室是否有人以此对照明灯进行控制，并在灯亮的情况下，该系统进入监控状态，若连续五次探测都没有人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪烁，教室里的人在提示情况下会有所动作，从而灯具不熄灭，若无反应则关闭电源。本设计以单片机为中心，通过红外模块，声响模块以及光敏模块的信号输入单片机，并通过单片机对继电器的控制来控制灯的亮灭。红外模块对人体的红外信号进行监测并能输出高信号来判断是否有人，在此基础上配合光敏与声响模块对教室照明灯自动控制器进行了设计

24、。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 41 页第二章教室照明自动控制器的总体设计分析2.1 学校教室自动控制的现状学校的教室白天是同学们上课学习的地方，白天的光中情况一般充足，中午的人较少，晚上不管是上课还是上自习同学们都需要一个良好的光照条件，来保护眼睛与看清书本。教室的灯具一般为荧光灯，能很好的满足光照条件，但是不可避免的出现白天开灯的情况，造成能源的浪费。实现照明节能一般是通过两方面：一方面是通过使用高效的灯具，如节能灯。另一方面是通过控制系统的改进来实现智能化。即通过优化照明系统来达到节能的效果。2.2 系统的整体

25、设计方案考虑教室的照明节能，改进照明系统的运行，主要应关注两个方面，合理利用自然光作为辅助光源和根据室内是否有人决定灯的开关，这样能够在保证照明质量的同时有效避免能源的浪费。在自然光充足的情况下，因为照明亮度已经达到要求，所以无论教室是否有人都不开灯。从而达到节能的效果，并且延长了灯管的寿命，减少了灯具的更换和维修费用。针对教室主要用于学生上课和自习学习的特点，本论文提出一种智能化的控制器设计，其结构框图如图1 所示图 1 结构框图光电检测模块红外检测模块音响检测模块单片机继电器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 41 页

26、第三章系统硬件设计3.1 单片机的介绍本文选择的单片机为AT89S51，其引脚图如图3.1 所示图3.1 AT89S51的引脚图各引脚说明如下：电源引脚电源引脚介入单片机的工作电源。VCC（40 脚）：接 +5V 电源（直流电源正端）。 VSS（20脚）：接地（直流电源负端）。时钟引脚时钟引脚（ 18、19 脚）： XTAL1 和 XTAL2 引脚，该单片机可以使用外部时钟也可以是使用内部时钟，当使用内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟信号，如果是外部时钟由精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第

27、 12 页，共 41 页XTAL1 引入， XTAL2X 悬空。XTAL1 （18 脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟是，对于HMOS 单片机，此引脚接地：对于CHOMS 单片机，此引脚作为外部振荡器信号的输入端。XTAL2(19 脚)：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输入端。若采用外部时钟，对于CHOMS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端：对于 CHOMS 单片机，该引脚悬空不接。输入/输出引脚输入/输出（ I/O）接口引脚包括 P0口、P1口、P2口和 P3口。P0 口：为双向 8 位三态

28、I/O 接口。在不接片外存储器或不扩展I/O 接口时，可作为准双向输入 /输出口；在接有片外存储器或扩展I/O 接口时， P0 口地址总线低 8 位及数据总线分时复用口，一般作为扩展是地址/数据总线口使用。P1 口：为 8 位准双向 I/O 接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1）。P2 口：为 8 位准双向 I/O 接口，但作为I/O 接口使用时，可直接连接外部 I/O 设备；在皆有片外存储器或扩展I/O 口且寻址范围超过256B 时，P2口用做高 8 位地址总线，一般作为扩展时地址总线的高8 位使用P3 口： P3 口的每一条引脚都能够独立定义为第一功

29、能的输入/输出或第二功能。 P3的第二功能如表3-1所示。控制引脚RST：即为RESET,VPD 为备用电源。该引脚位单片机的上电复位或掉电保护端。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要RST 保持高电平，单片机就保持复位状态。ALE/PROG：地址锁存有效输出端。ALE 在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问外部储存器时，ALE 输出脉冲的下降沿用于锁存16 位地址的低8精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 41 页位。即使不访问外部存储器，ALE 端仍有周期性正脉冲输出，

30、其频率为振荡频率的 1/6.但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE 只出现一次，即丢失一个 ALE 脉冲。 ALE 端可以驱动 8 个 TTL 负载。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程

31、电源（ VPP）。 31 脚为片外程序储存区选用端。表 3-1 P3 口的第二种功能说明表引脚号第二功能P3.0 RXD （串行输入）P3.1 TXD( 串行输出 ) P3.2 INT0（外部中断 0）P3.3 （外部中断 1）P3.4 T0(定时器 0 外部输入 ) P3.5 T1(定时器 1 外部输入 ) P3.6 WR( 外部数据存储器写选通 ) P3.7 RD( 外部数据存储器写选通 ) 3.2 单片机与继电器的设计本模块功能是根据单片机的输出信号控制照明设备工作。此模块使用弱电控制强电，故需要电路电压的隔离，避免强电串入弱电，损坏单片机。继电器具有动作快、工作可靠、安全性高，使用寿命

32、长、体积小等优点，使用历史悠精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 41 页久。在工业中，它广泛的使用于电力保护，开关控制等场合。继电器可以直接隔离强电与弱电，无需另外附加光耦隔离电路。单片机输出无法直接驱动继电器，可以对单片机输出的信号进行简单的放大，然后驱动继电器，控制照明设备工作。继电器的低压控制端工作于低压直流，但对于AT89S51单片机的 I/O 口来说还是比较大的，所以我们通常使用图3.2来实现三极管开关实现单片机I/O 与继电器的低压控制端接口。图3.2单片机与继电器的连接图继电器由衔铁、铁芯、触点簧片、线圈等组

33、成的。只要在线圈两端加电压，线圈中就会流过电流，从而产生电磁效应，继电器线圈只有两个头，加上额定电压后线圈流过额定电流，产生的电磁力就克服弹簧力，通过电磁机构使精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 41 页常开触点闭合、常闭触点断开。通常只有接触器才分主触点和辅助触点。继电器使用时通常就是把一般触点串联或者并联用在主回路和控制回路中，完成控制任务。吸引衔铁的电磁力，克服弹簧的张力被吸引到铁芯，主触点与衔铁驱动的辅助触点（常开触点）吸合。当线圈断电时，吸力消失，弹簧的反作用力将使衔铁返回到原来的位置，从而使可动触点与原来的静止

34、触点（常闭触点）释放。通过吸合、释放，从而达到电路的导通、断开的目的。对于继电器的“常开，常闭”触点，它可以理解为继电器线圈不通电时处于断开状态的静触点称为“常开触点”。在接通状态，静触点是“常闭触点”。技术参数：1 额定工作电压是指在继电器线圈正常运行所需的电压。根据继电器的型号有所不同，电磁继电器可以用交流电压，也可以是直流电压。2直流电阻是指继电器线圈的直流电阻，由万用表测量。3 产生的最小电流是继电器通电吸合电流。在正常使用中，电流必须稍大于一个给定的上拉电流，使继电器可以产生稳定的效果。对于所施加的线圈电压，一般不超过 1.5倍的额定电压，否则会产生较大的电流导致线圈烧毁。4 放电电

35、流是继电器产生的最大脱扣动作时的电流。继电器闭合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。此时电流远小于上拉电流。5 触电切换电压和电流是继电器装置允许施加的电压和电流。它决定了继电器控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。继电器的选用：1首先要了解的必要条件控制电路的电源电压，可提供的最大电流。所述控制电路的电压和电流。被控电路需要几组，什么样的形式的接触。继电器的选择，一般控制电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 41 页路的电源电压可以作为选择的依据。应该给继电器控制

36、电路提供足够的电流，否则继电器不稳定。2 获得相关数据，以确定使用条件，可以找到相关信息，确定需求和规格的继电器型号。如果继电器已经在手，可以根据数据是否匹配。最后确认大小是否适当。3本论文主要用于一般电器所以主要考虑小型继电器电路板安装布局。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。继电器的作用是在电路中起着自动调节、安全保护、以弱控强，转换电路等作用。继电器 K1 的控制端（ 4,5）有三极管 Q1 来驱动，只要单片机P0.7 输出高电平则三极管 Q1 导通，继电器

37、 K1 的控制端通过电流，电磁铁工作吸引衔铁，于是 K1 的接触端 1,3 导通，电灯 L 工作。当 P0.7 为低电平时，三极管Q1 截止，K1 的控制端没有电流通过，电磁铁不工作，于是接触1,3 断开，灯停止工作，可见继电器帮助单片机I/O 口实现了低压5VDC 控制高压220VAC 的目的。由于继电器K1 的电磁铁有一定的电感，在断电瞬间可能会产生较大的反向电压对三极管Q1 不利，因此在继电器K1 控制端反接一个二极管D1 用于放电。3.3 光敏模块的设计光敏二极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。光电管在一个真空的玻璃泡内

38、装有两个电极，光电阴极和阳极。光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极，当阴极受到适当波长的光线照射时变发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电内管就产生了电子流，在外电路中便产生了电流。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 41 页光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明的玻璃外壳中，它的PN结装在管顶，可直接受到光照射，光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态的。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。当光照射在

39、 PN 结上，光子打在PN 结附近时，使 PN 结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过PN 结的反向电流也随之增加。如果入射光照度产生变化，光生电子-空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电强度也随之变动。可见，光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。照度为照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。照度的符号为E(Ev)；单位为勒克斯 (流明单位面积 )，符号为其中，光通量， A面积。光通量的单位为“流明”。光通量通常用来表示，在理论上其单位相当于电学单位瓦特，因视觉对此尚与光色有关。所以依标准光源及正常视力度量单位采用“流明”，符号：lm。1.光通量是每单

40、位时间到达、离开或通过曲面的光能量。2.光通量是灯泡发出亮光的比率。流明 (lm) 是国际单位体系(SI) 和美国单位体系(AS) 的光通量单位。如果将光作为穿越空间的粒子（即光子），那么到达曲面的光束的光通量与1 秒钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成一定比例。光通量的物理表达式为：0d=ddKV（）（）式中：K：光敏度、感光度（类比：胶卷的感光度）、人眼对于彩色的感知能力ddAE精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 41 页K = 683.002 lm/W。 K 值使光通量的单位与辐射功率的单位得到统一。 ：波长，事实上人眼只

41、对波长位于380nm780nm 的可见光有反应，习惯上我们把低于 380nm的光波称为紫外线 (Ultraviolet ，简称 UV) ， 把高于 780nm的光波称为红外线 (Infrared，简称 IR)，这一点也反映在了视见函数V()中。V()：称为人眼相对光谱敏感度曲线，亦作视见函数曲线，是总结了众多针对人眼的测试经验而得到的，它描述了人眼对不同波长的光的反应强弱。人眼对亮度的敏感程度与颜色有关，在整个可见光范围内并不是均匀的.可以用相对敏感函数曲线进行描述. 在环境明亮时，人眼对于波长X=555nm（环境黑暗时为 507nm）的光线最为敏感 ,我们定义这时的相对视敏度Vs(555)=

42、1.当 X 为其它值时， Vs(X)均小于1.如果对于某一波长X 的单色光 ,其辐射功率为P(X),相对视敏函数为Vs(X),则可以定义光通量为Y(X)=P(X)*Vs(X) 。当 P(X)以瓦为单位时， Y(X) 的单位为光瓦 .只有当 X=555nm 时,1 瓦光辐射功率产生 683lm(流明）的光通量。光敏电阻使用光电导体制成的光电器件，又称光导管，它是基于半导体内光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可见直流偏压，也可加交流电压。光敏电阻的工作原理是当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少

43、，因此电路中的电流迅速增加。光敏电阻的管心是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体。半导体吸收光子而产生的光电效应，仅限于光照的表面薄层。虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入厚度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得很高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状，所以提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体密封在带有玻璃的壳体中。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 41

44、页常 用 的 光 敏 三 极 管 型 号有 ： 3DU5C3DU31 3DU33 3DU107 3DU303 L14C1 PT334 等 3DU 系列为金属壳封装，顶端为玻璃透光窗，对880nm 的光线灵敏度最高，常与红外发光二极管配套使用，具有灵敏度高，响应速度快的特点。常用的红外发光二极管型号有：GL3S 2GLA LN303 5GLA 等3.3.1 光敏元件的选择LX1970，包含 PIN 型光电二极管，高增益放大器和两个互补电流输出端。芯片特点： PIN 光电二极管光谱特性及灵敏度都与人的眼睛相似，可代替人眼感受亮度的明暗变化，并将接受的可见光装换成电流信号。光电二极管阵列峰值响应波长

45、为 520mm电流灵敏度为 0.38A/lx, 暗电流为 10A。LX1970 非线性误差小，无需使用蓝光滤光片，即可以有效的衰减紫外光及红外光。两个互补输出端电流不对称仅为0.5，可任选一段作为输出。微功耗，低压供电。采用+2+5.5V 电源，电源电流低至85A(典型值 )工作温度范围是 -40+85，外型尺寸2.95mm3mm1mm，其结构如图3.3所示。图 3.3 LX1970 引脚图51 单片机的读写控制信号P3.6,P3.7 分别与P2.7 经过或非门连接到ADC0809 的启动端START 和输出允许端OE。计算得ADC0809 端口地址为7FFFH。精选学习资料 - - - -

46、- - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 41 页LX1970 转换后的电压信号没有经过运算放大器放大，直接送A/D 转换。可采用延时的办法读取A/D 变化的电压数量一般来说，ADC0809 完成转换时间不超过 200s，如果需要及时读取数字量，可以将0809的 EOC 端经过反相器连接到 51 单片机外部中断0 端口，ADC0809 转换完成通过触发外部中断口在中断服务程序当中完成数据的读取和处理。其连接图如图3.3.2所示。图 3.3.2 光敏原件的连接图ADC0809 各脚功能如下：D7-D0：A/D 转换器的数据输出端，该输出端具有三态特性，能与计算

47、机总线相接。IN0-IN7：8 位模拟量输入引脚。VCC：+5V 工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 41 页START：A/D 转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D 转换）EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。ADC0809 内部逻辑结构如图3.3.3所示图3.3.3 ADC0809内部逻辑结构 A/D 转换后得到的数

48、据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如 ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 41 页（2）查询方式A/D 转换芯片由表明转

49、换完成的状态信号，例如ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试EOC 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。所用的指令为MOVX 读指令，该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号，使0809的输出允许信号OE 有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A 累加器中。这里需要说明的示， ADC0809 的三个地

50、址端A、B、C 即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与D0D2 相连。这是启动A/D 转换的指令与上述类似，只不过A 的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0IN7 相一致。例如当A、B、C 分别与 D0、D1、D2 相连时，启动IN7 的A/D 转换指令如下：MOV DPTR ， #FE00H ；送入 0809的口地址MOV A ，#07H ；D2D1D0=111选择 IN7 通道MOVX DPTR ， A ；启动 A/D 转换54/74373 八 D 锁存器 (3S,锁存允许输入有回环特性 ) 简要说明 : 373 为三态输出的八 D 透明锁存器 ,共有 54/74S3