温室光照强度测试仪课程论文.doc
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信息工程学院
接口技术实习报告
题目:
温室光照强度检测系统设计
学号
姓名
专业班级
计算机科学与技术082
指导教师
实践日期
2011-1-10至2011-1-21
摘要
本次实习设计的是一个简易的温室光照强度检测系统,将由光照强度产生的模拟电压信号转换为数字信号,再转换为照度(单位是勒克斯)显示在LED上。
光照强度的变化,使光敏电路中光敏电阻阻值改变,将电阻变化转换为电桥产生的压差的变化,然后,经放大电路将产生的压差放大,则得到可以被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,然后转换为照度显示在LED上。
经测试,普通实验室中,若光照强度大约为170LUX,测的电压差为1.66V。
当电压差超过一定范围时,即当光照强度升高时会通过逻辑笔显示高电平,表示光照强度过高,并且会产生报警信号,此时,蜂鸣器响,液晶屏上显示太阳图标和光照过高;当电压差低于一定范围时,也会产生报警信号,此时,蜂鸣器响,液晶屏上显示太阳图标和光照过低;当电压差在正常范围内时,即当光照强度正常时,此时,蜂鸣器不响,液晶屏上显示太阳图标和光照正常。
LED上最后三位显示电压差的值,前三位显示光照强度的值。
程序设计中用到的硬件是光敏电阻、放大电路、ADC0809、8255A和七段LED数码管以及8279数码管控制电路、液晶显示屏。
[关键字]:
光照强度;光敏电阻;电压差;信号;蜂鸣器;液晶屏
目录
引言 4
一、综合训练目的和要求 5
(1)综合训练目的 5
(2)综合训练要求 5
二.综合训练任务 5
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
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