温室光照强度测试仪课程论文Word文件下载.doc
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三.总体设计 6
(1)设计分析 6
①温室光照强度检测仪的概念 6
②光照强度测量原理 6
③从计算机角度解决问题 7
④根据设计内容要求可知 7
(2)硬件设计 8
①芯片选择 8
B)LED七段数码管的功能分析:
8
②硬件接线 14
③硬件逻辑总图 14
硬件总逻辑图见下图3.3.5。
14
(3)软件设计 16
①控制程序设计思路说明 16
②程序流程图 17
③代码编写 18
四.上机调试过程 18
(1)硬件调试 18
(2)软件调试 18
(3)联机调试 18
(4)调试结果及提出问题 19
①调试结果 19
②提出问题 19
五、实习日志 20
六、实习总结 20
七、致谢 21
八、参考文献 21
九、附录:
核心代码清单 22
35
引言
根据所学知识,本次课程设计将在微机及接口实验箱上,利用光敏电阻和ADC0809模拟温室大棚,设计一个简易的温室光照强度检测器,由光照强度产生的模拟电压信号转换为数字信号,然后转换为照度(单位是勒克斯)显示在LED上。
此次设计,我添加了一个功能,用液晶屏显示光照强度为正常、强或弱,且当光照强度过高、过低时,蜂鸣器响。
校准光照强度检测器:
在一定的光强度下,产生200数字量的电压,以此对应关系(照度—电压)将其它光强度转换为勒克斯值,显示在LED上。
近年来随着花卉、大棚蔬菜等产业的发展,温室设施在花卉、盆景、苗木及蔬菜栽培中得到了越来越广泛的应用。
但是作为一个封闭或半封闭系统,温室内的植物受到光强变化及由此引起其它环境生态因子随之改变的影响更加明显,特别是炎热的夏季,强光照射造成的“温室效应”导致室内40℃以上的高温,使植物不能正常生长或其品质下降。
因此,研究温室内的光强变化及其调控技术理论,在温室植物栽培中具有重要的意义。
温室设施内的光照主要来源于太阳光,但由于覆盖物与落尘的吸收反射、建筑墙体的骨架结构遮光及温室雾气、水滴等因素的影响,使到达设施内的阳光大大削弱,一般为室外自然光强的70%-75%,严重时光照强度只有自然光照的10%。
光强也会对温室内的温度、湿度、空气成分、植物的生长发育、植物的营养生长等产生影响。
此次实习制作的简易温室光照强度检测系统将对检测温室设施内的光照强度产生积极影响。
一、综合训练目的和要求
(1)综合训练目的
在微机及接口实验箱上,利用光敏电阻和ADC0809模拟温室大棚,设计光照强度检测器。
通过此实习,了解如何利用光敏电阻测量光照强度。
掌握使用光敏电阻和ADC0809制作简易的光照强度测试仪。
由光照强度产生的模拟电压信号转换为数字信号,然后转换为照度(单位是勒克斯)显示在LED上。
(2)综合训练要求
①充分熟悉光照强度物理量的测量原理;
②以实验仪为基础设计并实现光照强度测试仪系统软硬件;
③总结设计,完成课程设计论文1篇。
④学有余力的同学可以自主添加相关功能,编写相应代码。
二.综合训练任务
(1)熟悉光照测量原理;
(2)基于实验箱上光敏电阻和ADC0809等电路完成光照采集电路设计;
(3)完成接口电路的设计,用protel99画电路原理图;
(4)完成控制程序的编写;
(5)数据显示设计与实现;
(6)当光照强度过高或者过低时实现报警功能;
(7)将产生的模拟信号转换为数字信号,显示在LED上。
三.总体设计
(1)设计分析
①温室光照强度检测仪的概念
通过使用某检测仪来测量某光照的强度,这种仪器就称为光照强度检测仪。
仪器使用时先将某待测光源直接照射在检测仪的光照接收口(实验中为光敏电阻表面),然后在检测仪的可视化界面(实验中为LED和液晶显示屏)中观察结果值。
光照强度的国际单位(SI)为勒克斯,又称米烛光。
1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的照度,就是一勒克斯。
可以标作勒[克斯],简称勒。
英为lux,简作lx。
勒克斯是引出单位,由热流明(lm)引出。
流明则由标准单位烛光(cd)引出。
②光照强度测量原理
在实验仪上有两个光敏电阻,其中有一个光敏电阻表面贴上黑胶布,让其不能对光照的变化产生明显的电阻值改变。
另外一个光敏电阻没有贴上黑胶布能迅速地感应光照强度的变化。
本实验利用光敏电阻测量光照强度,外界光照强度发生变化引起了光敏电阻的阻值改变。
光敏电阻R41与完全相同的光敏电阻R57(被黑胶布遮住)组成的电桥(图1),△Rx为光照强度变大时电阻的增加值。
将电阻变化转换为电桥产生的压差Uo的变化,经放大电路将产生的压差Uo放大,得到可以被A/D转换的电压。
本实验假设光照强度与产生的压差Uo成正比,设定某一标准光照强度与某一压差对应,以此对应关系换算产生其它压差的照度。
从而达到测量光照强度的目的。
如果你需要精确测量光照强度,先将电压值与光照强度对应关系制成表,根据测得电压值通过查表,得出光照强度值。
Uo=Vi×
{Rx/(Rx+1)-(Rx+△Rx)/(Rx+△Rx+1)}
图3.1.1电压差产生原理图
总之,测量仪主要根据光敏电阻的特性制作的。
光敏电阻值随受到的光照强度的变化而变化(光照强度越大,电阻值越小)。
将光敏电阻接入电路中,不同光照强度导致光敏电阻值变化,于是光敏电阻上的电压发生变化,导致电路的输出电压也相应变化。
根据电压-光照度函数关系,由电压计算得到光照强度值,然后以可视化界面形式输出,供用户查看结果。
③从计算机角度解决问题
计算机通过PCI线与实验箱上的ES-PCI模块相连,充分利用实验箱上的各个模块完成,有:
A1(液晶屏)、A3(片选)、B2(时钟)、B4(8255A和8155A)、E5(8279)、D3(光敏电阻)、G4(ADC0809)、G5(LED)以及ES-PCI。
通过导线正确连接好电路。
使用时光源直接照射在光敏电阻表面,结果(光照强度)显示在LED上。
④根据设计内容要求可知
光敏电阻的特性:
光敏电阻随受到的光照强度的变化电阻值发生变化,光照强度越强电阻越小,在分压电路中获得电压越低。
根据这一特性,结合光照强度和输出的模拟电压之间的关系,可以得到某一光强度下的对应的模拟电压。
将模拟电压通过AD转化器转换为数字电压,以便于计算机处理。
然后再将数字电压转换成光照度。
使用STARES598PCI单板开发机设计一个应用接口芯片作为八个七段LED数码管的输入口,接口可以使用8279。
编写程序实现八个LED数码管显示光照度值,该值为(根据采样得到的模拟电压转换得到的)数字电压对应的光照强度,并通过8255A、8155A和液晶屏、蜂鸣器连接,显示光照强度为正常或过高或过低。
(2)硬件设计
程序设计中用到的硬件是光敏电阻、ADC0809、8279A和七段LED数码管、液晶显示屏、8255A、8155A、蜂鸣器。
①芯片选择
提出问题:
1)为什么显示数值使用LED七段数码管而不是LCD;
2)为什么选用光敏电阻;
3)为什么选用ADC0809;
4)为什么选择并行接口8255;
5)为什么选择8279控制LED显示;
6)为什么添加用液晶屏显示光强过高或过低或正常这项功能。
解决问题:
1)选择的显示设备是七段LED数码管,没有选择LCD的原因如表3.2.1示。
表3.2.1LED与LCD比较表
LED
与LCD相比,LED在亮度,功耗可视角度和刷新速率等方面更具有优势,其最显著的特点是使用寿命长光电转换效能高,绿色环保。
LCD
LCD占用空间小,功耗低,低辐射,能降低视觉疲劳,但会出现闪烁现象。
a)LED七段数码管在实验中的作用:
在本设计中采用LED发光二级管(Light-EmittingDiode)作为终端显示。
物理构造:
LED发光二级管,采用砷化镓、镓铝砷和磷化镓等材料制成,其内部结构为一个PN结,具有单向导电性。
b)LED七段数码管的功能分析:
工作原理:
当在发光二极管PN结上加正向电压时,PN结势垒降低,载流子的扩散运动大于漂移运动,致使P区的空穴注入到N区,N区的电子注入到P区,这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合,复合时产生的能量大部分以光的形式出现。
数字成像:
七段LED显示器可以控制在哪几个数位上,哪几个发光二极管亮,从而显示数字。
如果发光二极管共阳极,则输入为0时亮,为1时不亮,反之如果发光共阴极,则输入1时亮,0时不亮。
在此设计中选用了共阴极。
所谓共阴极是指将各LED二极管的阴极连接在一起(一般相连接地)各阳极接到相应器件引脚上。
发光二极管是一种外加电压超过额定电压时发生击穿,并因此能产生可发光的器件,数码显示器通常由多个发光二极管来组成七段或八段笔画显示器,当段组合发光时,便会显示某一个数码管或字符,七段代码的各位用作a—g和DP的输入。
COM为8个发光二极管的公共引线,实验中COM引线接内部8个二极管的阴极,abcdefg(dp)则为8个发光二极管的阳极的引线。
设计中LED管采用动态显示:
3个LED显示器按固定的时间间隔显示一段时间(1.25ms),利用人眼视觉滞后,感觉3个LED显示器同时点亮且无闪烁感。
如下图8为LED数码管及其框图如下图:
图3.2.1LED显示器
上面两图分别为外形图和原理图,当七段数码管点亮其中几段可显示数字和简单的西文字符,将七段数码管负极连接到一起称为公共端,而发光二极管的正极则分别由引脚引出,便于控制哪个发光二极管点亮,在右图中如果在COM端接低电平,而在其他引出线上施加不同的电平,则对高电平的发光二极管就会点亮,由于将8个发光二极管负极全部连接在一起,称为共阴极数码管,还有将8个发光二极管的正极连接在一起,故称之为共阳极数码管。
本次设计用的数码管需动态扫描显示,其接口电路将所有数码管的笔画控制段与a~h同名端连在一起,接到一个并行端口,每个公共极COM端由独立的I/O线控制,CPU向字模输出口送出字形码时,所有数码管接收到相同的字形码,究竟哪个数码管显示,取决于每个LED的COM端,所谓动态扫描,就是显示一位信息时,其他位不能显示,必须采用分时方法,轮流控制COM端。
2)选用的是光敏电阻。
因为光敏电阻在实验中是用来提供模拟电压的,通过光照度的变化改变电阻值,提供变化的模拟电压。
光敏电阻上的光照强度与输出电压成线性关系,得到的模拟电压也成线性关系。
(光敏电路图见图3.2.2)
图3.2.2光敏电路图
a)光敏电阻的功能分析:
光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。
光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。
无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)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,电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。
实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。
光敏电阻的原理结构:
它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。
为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
光敏电阻接有一个稳定电压,当光照度变化时,光敏电阻的阻值会改变,通过比例放大器输出电阻的压降。
b)光敏电阻的技术参数:
亮阻约为2K欧,暗阻大于1M欧,外观直径5毫米,最高承受电压直流120V,最大功耗100mW上升响应时间20ms,下降响应时间30ms。
实验中光敏电阻电路输出的电压范围为0-5V。
3)本实验选用的模数转换器是ADC0809。
由于本实验的精度要求不是很高,ADC0809的转换精度和转换时间也都不是很高,但其性能价格比有明显的优势,是目前应用比较广泛的芯片之一,足以满足本次实验需求。
ADC0809接收光敏电阻电路传送的模拟电压,将模拟电压转换为数字电压,传送给CPU进行数据转换,CPU将数字电压通过电压与光照度的比例关系转换为光照度。
ADC0809主要信号引脚的功能说明见图3.2.3。
图3.2.3ADC0809引脚说明图
a)ADC0809的功能分析:
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近数码寄存器、时序及控制逻辑和三态输出锁存器组成。
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
b)ADC0809的技术参数:
ADC0809是8路8位A/D转换器,即分辨率8位。
具有转换起停控制端。
转换时间为100μs单个+5V电源供电模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
工作温度范围为-40~+85摄氏度低功耗,约15mW。
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图3.2.2所示。
下面说明各引脚功能。
IN7~IN0——8路模拟量输入端。
D7~D0——8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC——3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路
ALE——地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START——转换启动信号。
。
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动。
START上升沿时,复位ADC0809;
START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换;
在A/D转换期间,START应保持低电平。
EOC——A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE——数据输出允许信号,输入,高电平有效(OE=0,输出数据线呈高阻;
OE=1,输出转换得到的数据)。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK——时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ,通常使用频率为500KHz的时钟信号。
REF(+)、REF(-)——基准电压。
参考电源、参考电压用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准。
其典型值为Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V。
Vcc——电源,单一+5V。
GND——接地。
4)芯片8255A的作用是报警功能。
设定8255A的C口为输出口,PC0接蜂鸣器,PC1接逻辑笔,PC2接发光管。
当光照强度过高时就将02H写到C端口,使发光管亮,逻辑笔显示高电平,蜂鸣器响,当光照强度过低时就将00H写到C端口,使发光管亮,逻辑笔显示低电平,蜂鸣器响,当光照强度正常时就将05H写到C端口,使发光管不亮,逻辑笔显示低电平,蜂鸣器不响。
(芯片8255引脚图见图3.2.4)
图3.2.48255A电路图
8255是可编程并行接口,内部有3个相互独立的8位数据端口,即A口、B口和C口。
三个端口都可以作为输入端口或输出端口。
A口有三种工作方式:
即方式0、方式1和方式2,而B口只能工作在方式0或方式1下,而C口通常作为联络信号使用。
8255的工作只有当片选CS有效时才能进行,而控制逻辑端口实现对其他端口的控制。
5)芯片8279是控制LED显示光照强度值和相应的电压值。
第0,1,2号三个LED显示电压值,第3个和第7个LED消隐,第4,5,6显示光照强度值。
8279的A、B、C、D分别连接LED的A、B、C、D。
(芯片8279电路图见下图3.3.5)
6)用液晶屏显示光强过高或过低或正常这项功能是跟同学商量合作添加的。
只看到数码管上显示得光强范围和电压差还不够直观,添加此项功能有助于使用者能更直观的知道、看到光强在哪个范围,是光强正常、光强过高,还是光强过低,进一步增加了视觉效果,方便用户使用。
图3.3.5芯片8279电路图
②硬件接线
在单片机上的接口连接如下:
表3.1硬件接线
G4区:
CS、ADDA、ADDB、ADDC
——
A3区:
CS1、A0、A1、A2(选择通道)
CLK
B2区:
500K
IN0
D3区:
OUT
E5区:
2M
CS、A0
CS5、A0
A、B、C、D
G5区:
B4区:
CS
CS2
A0
A1
PC0
D1区:
CTRL(蜂鸣器)
PC1
逻辑笔
PC2
G6区:
发光管(随意接一个)
A1区:
CS3
RW
RS
CS1/2
A2
③硬件逻辑总图
图3.3.5硬件逻辑总图
(3)软件设计
根据题义要求,接口采用的是芯片8279A、8255A、8155A。
用软件编程实现从读入信息,通过8个LED数码管循环显示光照强度(实际应用中只用到3个),用液晶屏显示此刻光照强度范围(8255A的A、B端口控制液晶显示屏的行,其C口和8155A的A口控制液晶显示屏的列)。
①控制程序设计思路说明
以采样五十次为一周期,求得五十次采样的总值。
然后除以50,得到采样50次的平均值,存入LastAD。
在每一次采样过程中,都在PC机和LED上输出上一周期采样转化得到的光照强度(单位:
勒克斯)。
具体转化过程为:
采样得到的模拟值经过AD转化后为电压值,电压范围为0-5V。
而考虑到实际生活中,一般照明为200lux,重点照明为300lux,所以实验中可显示的光照强度为0-500lux。
于是参考两者之间的线性关系,定下入下图的关系:
图10电压-光照度函数(及副本函数)
光照强度的变化,使光敏电路中光敏电阻值改变,将电阻变化转换为电桥产生的压差的变化,经放大电路将产生的压差放大,得到可以被A/D转换的模拟电压,产生的模拟电压信号经A/D转换器ADC0809转换为数字信号,ADC0809把数据信号放到数据总线上去,然后CPU将数据信号转换为照度(单位是勒克斯)显示在LED上。
信号转换过程为:
光照强度(照度)à
电压差->
经过功放,得到可被转换的模拟信号->
通过ADC0809,转换为数据信号->
储存在buffer缓存区中(通过代码实现)->
调用缓存区中的数据,并除以51(16进制的1等于1/51V),得到实际电压差,显示在LED上。
调用缓存区中的数据并乘以2,得到光照强度。
(经测试,普通实验室中,若光照强度大约为170LUX,测的电压差为1.67V)。
②程序流程图
程序流程图如下图3.3.1:
图3.3.1程序流程图
③代码编写
具体源代码见附录。
编写代码的过程涉及了初始化并行接口芯片8255,ADC0809的初始化,采样信号程序的编写,显示程序的编写,光照强度值的判断,报警功能的编写以及液晶屏显示光照强度状态程序的编写。
四.上机调试过程
(1)硬件调试
通过仔细分析了题目,课程设计从一开始的思路就基本确立了,先实现数据在数码管上的显示,确定的使用8279芯片和ADC0809芯片。
接线部分是参考平时实验课中8279和ADC0809的接线图,对片选信号接线做了简单变动后操作成功(注意连线不能接反)。
然后,添加液晶屏显示功能和蜂鸣器警报功能用到试验箱A1区的液晶显示屏、接口8255A。
通过参照接口技术实习指导书中有关芯片的连线方法和同学的帮助,对片选信号接线做了简单变动后也实验成功。
易观察到,实验箱的D3区有两个光敏电阻,偏左的那个光敏电阻用一个黑色胶带或其他物品遮住了,这是为了减少它对实验的结果的影响。
通过查资料得知,倘若不做任何处理直接接出OUT,实验结果将维持0.03V的电压输出,显示的光照强度值也随之保持不变,达不到实验预期的效果。
(2)软件调试
实验中的程序经由0809的汇编程序添加改编而来。
在编写将数字电压转化为光照强度的程序段时,利用存储在BUFFER中的数据进行转换。
这种方法十分的方便,大大节省了转换部分的时间。
在软件调试过程中,需检测代码是否有错和检测功能是否完全实现。
在修改代码至无错后,代码的调试我主要采用的是分段测试,功能一个一个的测试和实现。
(3)联机调试
将实验箱与PC机通过电缆相连,给实验箱通上电,全速运行编写好的汇编程序。
若出现问题,则可能是程序的编写过程中出现问题,然后进行单步调试;
若单步调试发现程序没有问题,则更换实验箱。
在调试过程中,一开始我的光照强度数值是用十六进制通过数码管显示,而电压值用十进制显示,后来觉得十进制更符合人们的习惯,于是,通过同学帮助和看书将光照强度数值也改为用十进制通过数码管显示。
(4)调试结果及提出问题
①调试结果
经过上述的改动后,调试结果基本达到了预期的结果,光敏电阻受到不同强度的光照,光敏电路随之输出相应变化的电压,转换成光照强度值。
,光照强度过高,蜂鸣器响,逻辑笔显示高电平,发光管亮,液晶屏显示“警告!
!
光强过高”;
光照强度为正常状态,蜂鸣器不响,逻辑笔显示低电平,发光管不亮,液晶屏显示“光强正常”;
当用手遮住光敏电阻时,光照强度变低,蜂鸣器响,逻辑
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