光源照度控制系统.doc

14控制科学与工程综合技术实验项目设计说明书项目：光源照度控制系统姓名：张伟刚学号：0908110678西安理工大学信息与控制工程系2010年8月18日目录1概述22总体设计22.1系统功能22.2系统构成22.3元器件选型及分析32.3.1STC12C5A16S2单片机简介32.3.2照度检测（3DU5C）32.3.3可控光源32.3.4人机界面（VC++6.0）42.4系统核心处理策略42.4.1光照强度的测量与控制42.4.2可控光源42.4.3控制算法43、详细设计43.1硬件设计43.1.1功能划分53.1.2照度检测模块53.1.3可控光源模块63.2软件设计73.2.1主程序流程73.2.2PID控制算法83.2.3上位机通讯94、测试与调试104.1测试104.2调试115、结论与展望131概述本实验是光源照度控制系统，是利用照度传感器检测环境亮度的变化，采用相应的控制算法，来调节可控光源的亮度，以确保控制对象表面照度恒定。2总体设计2.1系统功能利用光敏三极管检测光源照度的强弱，传感器将检测数据传送给控制核心——单片机，根据处理结果去控制光源的亮度，使光源照度保持到设定的范围，确保表面照度恒定。如下图所示，为光源照度控制系统原理框图：单片机照度检测模块驱动上位机通讯LED光源图1光源照度控制系统原理框图2.2系统构成该系统主要由四部分组成：传感器检测部分、控制部分、LED光源部分及上位机通讯部分。2.3元器件选型及分析●单片机(STC12C5A16S2)●照度检测(光敏三极管3DU5C)●可控光源(普通白光LED3.5V/1W)2.3.1STC12C5A16S2单片机简介本设计采用STC12C5A16S2型号单片机，指令代码完全兼容传统的8051型单片机，内部集成专用的复位电路和看门狗电路，保证系统的正常运行。相对高速的数据处理能力完全可以胜任对输入信号的处理，并执行相应的程序，通用的36/40个I/O端口，连接电源、电机、光敏三极管等外围设备。2个16位定时器/计数器，与传统的8051单片机相同，另外2路PCA模块可再实现2个定时器/计数器，可完成对外部信号的计数和定时功能。8路10位精度的ADC，转换速度可达25万次/s。2路PWM用来调制不同的脉冲。7路外部中断I/O口。2.3.2照度检测（3DU5C）光照强度(照度)是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是l流明的光通量均匀照射在l平方米面积上所产生的照度),夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外0.1万～1万lx，夏天明朗的室内100～5501x，夜间满月下为0.21x。本实验的可控照度范围为0~1万lx。用光敏三极管作照度检测：光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。因此，也可实现光强度的转化。2.3.3可控光源本实验要实现多个LED组光源的亮度控制，才能较明显地观察到可控光源的效果。采用三极管控制（9013）作为LED的驱动，成本低，控制方便。2.3.4人机界面（VC++6.0）基于VC6.0的人机交互界面，通过串口通讯，可以照度值的设定和实时照度值的显示。2.4系统核心处理策略2.4.1光照强度的测量与控制通过照度传感器对表面照度进行检测，采用单片机内部AD口进行采样。当表面照度小于照度设定值时，控制光源亮度增大；当表面照度大于照度设定值时，控制光源亮度减小。2.4.2可控光源用PWM控制LED光源，本实验的实现步骤是先实现单个LED的亮度控制，再通过三极管实现多个LED的亮度控制，以达到实验要求的照度可调。2.4.3控制算法本系统采用基本的PID算法实现控制。PID控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。3、详细设计3.1硬件设计本设计是基于STC12C5A16S2单片机的最小系统板设计的，以下只列出其余的电路设计。3.1.1功能划分如下图所示为系统硬件框图：STC单片机电源照度检测可控光源串口通信人机界面图2光源照度控制系统硬件框图3.1.2照度检测模块采用光敏三极管检测光照强度，使用单片机的P1.0AD口实现AD转换，将模拟量转换为数字量。具体应用电路如下：图3光源照度检测电路图3.1.3可控光源模块单片机输出两路PWM，利用三极管（9013）的开关特性，实现LED亮度控制。具体应用电路如下：图4可控光源电路图3.2软件设计3.2.1主程序流程如下图所示，是主程序的软件流程图：YN初始化串口中断开始初始化AD初始化PWM初始化PIDYN串口发送？发送照度值串口接收？接收设定值PID控制获取照度值设置PWM输出图5主程序流程图3.2.2PID