光敏電阻傳感器課程設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計</p><p>　　2011年 7 月 22日</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p><p>　　課程 傳感器課程設(shè)計</p><p>　　題目 光敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計</p>

2、;<p>　　專業(yè) 測控二102 姓名 學(xué)號 </p><p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　設(shè)計一個光照強度自動檢測系統(tǒng)，可分光照檢測部分、信號處理部分、光強顯示部分、報警部分。光照檢測部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測元件。輸入信號處理后，就可以用來顯示了。顯示部分可利用

3、發(fā)光二極管來顯示，不同的光強對應(yīng)于不同的發(fā)光二極管點亮，就能簡單的顯示出不同的光強了。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　1、查閱資料，確定設(shè)計方案</p><p>　　2、選擇器件，設(shè)計硬件電路，并畫出原理圖</p><p><b>　　3、編寫采集程序</b>

4、</p><p>　　4、撰寫課程設(shè)計說明書</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1] 趙負(fù)圖.國內(nèi)外傳感器手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1998. 　</p><p>　　[2] 楊崇志.特殊新型電子元器件手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2003. </p>

5、;<p>　　[3] 丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.</p><p>　　[4] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京:高等教育出版社,1999.</p><p>　　2010年 7 月 12 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

6、　　光照強度自動檢測顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動檢測光照強度的強弱并顯示讓人們知道此時光照強度的強弱。人們可以設(shè)定光照強度的范圍，一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā)出警報通知或直接采取措施使光照強度在此范圍內(nèi)。人們可以通過看此裝置的顯示了解現(xiàn)在的光照狀態(tài)，做合理的光照調(diào)節(jié)。該設(shè)計可分為三部分：即光照檢測部分、信號處理部分、光強顯示部分。還可加上報警部分。對于光照檢測部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測元件，它可以完成從光強到電阻值的信號轉(zhuǎn)換，再把電阻值

7、轉(zhuǎn)換為電信號就可以作為系統(tǒng)的輸入信號。對輸入信號處理后，就可以用來顯示了。對于顯示部分可利用發(fā)光二極管來顯示，不同的光強對應(yīng)于不同的發(fā)光二極管點亮，就能簡單的顯示出不同的光強了。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光敏電阻；光電傳感器；光照強度；發(fā)光二級管</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、設(shè)計要求

8、1</b></p><p><b>　　二、方案設(shè)計1</b></p><p><b>　　1、方案說明1</b></p><p><b>　　2、方案論證2</b></p><p>　　三、傳感器工作原理3</p><p>　　四

9、、電路的工作原理4</p><p>　　五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇5</p><p>　　1、單元電路設(shè)計5</p><p><b>　　2、參數(shù)計算5</b></p><p><b>　　3、器件選擇6</b></p><p><b>　　六、

10、總結(jié)8</b></p><p><b>　　題 目</b></p><p><b>　　一 、設(shè)計要求</b></p><p>　　設(shè)計一個光照強度自動檢測、顯示、（報警）系統(tǒng)，實現(xiàn)對外界三種不同條件下光強的分檔指示和報警（弱、適宜、強）</p><p>　　1、根據(jù)題目選定光照強度自

11、動檢測所用的光電傳感器類型</p><p>　　(1)自己設(shè)計至少三種以上不同光照條件，測定不同光照條件下光電傳感器的輸出；</p><p>　　(2)傳感器測量電路采用集成運算放大器構(gòu)成的比較器完成，完成至少三種以上不同光照條件下顯示報警系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計；</p><p>　　(3)完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統(tǒng)電路方框圖、電路原理圖的設(shè)計；</

12、p><p>　　(4)完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個參數(shù)的計算（備注：1. 含各種元件參數(shù)的計算過程或依據(jù)2. 選定最接近計算結(jié)果的元件規(guī)格）；</p><p>　　(5)設(shè)計結(jié)束后，進行仿真調(diào)試。</p><p><b>　　2、仿真調(diào)試方案</b></p><p>　　給出系統(tǒng)整機電路

13、圖。</p><p>　　3、完成課程設(shè)計報告</p><p><b>　　二、方案設(shè)計</b></p><p><b>　　1、方案說明</b></p><p>　　(1)傳感器選擇：選用光敏電阻作為采集光照信號的傳感器。</p><p>　　(2)電阻測試：在室外太陽光強

14、照射下、室內(nèi)適宜光照下、室內(nèi)昏暗條件下三種光照條件下分別測的光敏電阻的阻值為<=320歐、1.4--3.6k歐、>=15.6k歐。</p><p>　　(3)方案原理圖：系統(tǒng)功能描述：考慮到系統(tǒng)的實用價值,確定了光照適宜時的光敏電阻值的范圍為1.4--3.6k歐，當(dāng)光照過強時，LED1點亮，蜂鳴器報警；光照適宜時，LED2點亮；黑暗時，LED3點亮，蜂鳴器也報警。即光照不適宜時就會報警，所以該系統(tǒng)不但

15、可以完成光強的顯示、報警，而且可以判斷光照是否適宜。</p><p><b>　　原理框圖如下：</b></p><p><b>　　圖1 原理框圖</b></p><p><b>　　2、方案論證</b></p><p>　　(1)光照強度的信號采集部分</p>

16、<p>　　采用光敏電阻作為信號采集器件。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無光照時, 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很小； 當(dāng)受到光照時，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬；體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強和壽命長等特點。所以選擇光敏電阻采集光照信號，并把不同的光照強度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把

17、光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，電路如原理圖所示。于是，就把對光照信號的處理轉(zhuǎn)化為對電壓信號V的處理。</p><p>　　(2)信號處理部分：</p><p>　　采用集成電壓比較器LM339N作為信號處理的核心元件，電路連接如原理圖所示。光強、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三個電壓值V1，V2，V3作為比較器的輸入電壓；兩個比較器設(shè)置兩個參考電壓Vref1，

18、Vref2。工作過程分析如下：光照較強時V1> Vref1>Vref2，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時Vref1>V2> Vref2， 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，0）； 光照黑暗時V3< Vref2 < Vref1 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V）。這樣就完成了從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,顯示部分就變得容易了。</p><p><

19、b>　　(3)光強顯示部分</b></p><p>　　采用發(fā)光二極管顯示不同的光強狀態(tài)。由于比較器的驅(qū)動能力有限，所以在輸出端加一個上拉電阻提高其驅(qū)動能力。電路連接如原理圖所示，分析如下：當(dāng)光照較強時，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點亮；光照適宜時， 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點亮； 光照黑暗時，兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2

20、、LED3被點亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來了。</p><p><b>　　(4)光強報警部分</b></p><p>　　采用有源蜂鳴器作為報警器件。電路連接如原理圖所示，用兩個NPN型BJT三極管的導(dǎo)通來控制報警電路的導(dǎo)通，三極管的導(dǎo)通又受發(fā)光二極管導(dǎo)通與否的控制，發(fā)光二極管的導(dǎo)通受光照的控制。所以光強就可以控制報警器了，設(shè)計方案采用了當(dāng)光照較強或較暗時報警。工作過

21、程分析如下：當(dāng)光照較強時，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點亮，三極管BJT1被導(dǎo)通，報警電路被導(dǎo)通，蜂鳴器報警；光照適宜時， 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點亮，三極管BJT1截止，報警電路也截止； 光照黑暗時，兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點亮，BJT2被導(dǎo)通，報警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報警。</p><p><b>　　三、傳

22、感器工作原理</b></p><p>　　光傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器的不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。</p>&l

23、t;p>　　光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強弱（明暗）變化而變化。他在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時，其電阻值迅速減小。廣泛應(yīng)用于各種控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路等）、家用電器（如電視機中的高度自動調(diào)節(jié)，照相機中的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。</p><p>　　光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器

24、件。光敏電阻沒有極性， 純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 亮電阻值在幾千歐以下。</p><p>　　該系統(tǒng)可通過光敏傳感器將光照強弱信

25、號轉(zhuǎn)化為電信號通過發(fā)光二極管顯示以及蜂鳴器報警從而成為光照強度自動顯示檢測系統(tǒng)。光照強度不同光明傳感器的組織不同，當(dāng)光照強度很強時，光敏傳感器的阻值很??；當(dāng)光照強度弱時，光敏傳感器的組織很大；當(dāng)光照強度適宜時光敏傳感器的阻值介于強光和弱光的阻值之間。因此可以通過光敏傳感器將光信號變?yōu)殡娦盘?，并可以利用光照傳感器受光照不同阻值不同產(chǎn)生的電信號不同從而顯示不同的信號。</p><p><b>　　四、電路的

26、工作原理</b></p><p><b>　　圖2 整機電路圖</b></p><p>　　從電路原理圖看其實很簡單，右邊三個比較器部分電路完全相同。結(jié)構(gòu)分析如下：</p><p>　　1、供電電源VCC=5V，給分壓電路、比較器、發(fā)光管、蜂鳴器供電。</p><p>　　2、分壓電路。包括光敏電阻分壓和基

27、準(zhǔn)電阻分壓。</p><p>　　3、比較電路。比較器的兩個比較端一個從光敏電阻一端引出，接入比較器負(fù)比較端，另一個從三個基準(zhǔn)電阻分壓端引出，接入比較器正比較端。若光敏電阻比較端阻值大于基準(zhǔn)電阻，則分壓也大于基準(zhǔn)電阻，比較器輸出為負(fù)，反之亦然。</p><p>　　4、顯示報警電路。比較器輸出端通過限流電阻接發(fā)光二極管，同時為防止比較器無法驅(qū)動發(fā)光管，輸出端通過上拉電阻接電源，以提供足夠功

28、率。最小基準(zhǔn)電阻發(fā)光管并聯(lián)蜂鳴器。</p><p>　　為了分析各部分單元電路之間的關(guān)系，我以信號流程做主軸，分析如下：</p><p>　　1、信號采集，光敏電阻處于被測環(huán)境感光，會有一感光阻值，這樣就把被測光信號轉(zhuǎn)化為電信號。</p><p>　　2、信號測量，為了知道光敏電阻的阻值在所分的哪檔之間，需要進行測量比較。分壓電路和比較電路就是完成此功能。光敏電阻和

29、基準(zhǔn)電阻分別分壓接入比較器兩端（實際上是被測信號與基準(zhǔn)信號比較）。由于另一分壓電阻相同，電阻大的分壓就多。比較結(jié)果反映在比較器的輸出端。采用了三個比較電路比較，就可以確定光敏電阻在四檔的哪一檔。</p><p>　　3、信號表達，通過比較器出來的是電壓信號，為了使人能直接感知，接上發(fā)光二級管。高電壓即點亮發(fā)光二級管。</p><p>　　五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇</p&g

30、t;<p><b>　　1、單元電路設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計時須對整個系統(tǒng)進行全面綜合考慮。以完成課題功能要求為前提，盡量使電路簡單清晰。按照前面分析，首先應(yīng)將系統(tǒng)分為三個模塊，其中測量顯示電路重點設(shè)計分析如下：</p><p>　　(1)電源部分：為了驅(qū)動比較器，電源電壓設(shè)置為5V</p><p>　　(2)分壓電

31、路：為了便于分壓比較，另一分壓電阻均設(shè)為相同值</p><p>　　(3)比較電路：為了符合正常邏輯思維，應(yīng)該設(shè)定光照越強，亮的發(fā)光管越多。所以才將光敏電阻分壓端接入比較器負(fù)比較端。光最強時，電阻最小，分壓最少，比較器負(fù)輸入端都小于正輸入端，比較器輸出都為正，三個發(fā)光管都亮。</p><p>　　(4)為了實現(xiàn)光敏電阻精確連續(xù)分壓，仿真時用滑動變阻器代替，一個粗調(diào)，一個細(xì)調(diào)。</p&

32、gt;<p>　　(5)顯示電路：為了驅(qū)動發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置上拉電阻，為了保護發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置限流電阻。</p><p>　　(6)報警電路：應(yīng)設(shè)置當(dāng)光照過強時，使蜂鳴器響。僅當(dāng)光照很強時，光敏電阻阻值才小于R3，蜂鳴器才響。其他狀態(tài)，蜂鳴器都不響。</p><p><b>　　2、參數(shù)計算</b></p><p>　　(1)由于本系統(tǒng)

33、最核心要的功能是判斷光照是否適宜，而當(dāng)光照適宜時光敏電阻的組值R的范圍為1.4--3.6k歐，黑暗時光敏電阻阻值大于15.6 k歐，為了計算方便，R1選擇20 k歐。</p><p>　　(2)Vref1，Vref2的計算</p><p>　　光照很強時，R<=320歐</p><p>　　取R=320歐，V1=

34、 (1)</p><p>　　光照適宜時1.4k<R<3.6k,</p><p>　　取R=1.4k時,V2= (2)</p><p>　　取R=3.6k時；

35、 (3)</p><p>　　光照黑暗時，R>=15.6k</p><p>　　取R=15.6k時， (4)</p><p>　　由系統(tǒng)功能及比較器工作原理得：</p><p><b>　　Vr

36、ef1<V1</b></p><p><b>　　Vref1<V2</b></p><p><b>　　Vref1></b></p><p><b>　　Vref2<</b></p><p><b>　　Vref2<V3<

37、;/b></p><p>　　所以取Vref1=4.7V，Vref2=4.2V；這樣就保證了系統(tǒng)在光照不適宜時就報警。Vref1=4.7V，Vref2=4.2V可以由串聯(lián)分壓電路分壓得到：4.7V電壓可由一個4.7k電阻和一個300歐的電阻串聯(lián)于5V電源得到；4.2V電壓可由4.2k和0.8k電阻串聯(lián)得到。但是這兩個阻值在金屬膜電阻中沒有，可以分別用1.5k和2.7k串聯(lián)，1.6k和1.6k并聯(lián)得到。<

38、;/p><p>　　(3)上拉電阻R2，R3的計算</p><p>　　由于比較器LM339N輸出電流為nA級，因此忽略不計；三極管LED導(dǎo)通時，采用恒壓降模型，相當(dāng)于于1.66V的電壓源。設(shè)LED發(fā)光二極管導(dǎo)通時電流為I，則I>=5mA。于是可得：</p><p>　　I= >=5mA

39、 (5)</p><p>　　所以：R2<=668；取R2=402即可滿足條件。</p><p><b>　　3、器件選擇</b></p><p>　　電源：VCC=5V。</p><p>　　基準(zhǔn)電阻：精度為1%的金屬膜電阻。</p><p>　　用來分檔

40、，故應(yīng)等于光敏電阻三種狀態(tài)下阻值。</p><p>　　R1=240Ω R2=1.5 kΩ R3=150 kΩ</p><p>　　光敏電阻：5537。</p><p>　　發(fā)光二極管：SM210363。</p><p>　　蜂鳴器：無源1206分體5.5歐蜂鳴器</p><p>　　表1 比較

41、器LM339主要參數(shù)表</p><p>　　LM339的輸出部分是集電極開路,發(fā)射極接地的 NPN輸出晶體管,可以用多集電極輸出提供或 OR ing功能.輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上,不受 Vcc端電壓值的限制.此輸出能作為一個簡單的對地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒被運用),輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的β值所限制.當(dāng)達到極限電流(16mA)時,輸出晶體管將退出而且輸出電壓將

42、很快上升.輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm 的γSAT限制。當(dāng)負(fù)載電流很小時,輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約1.0mV)允許輸出箝位在零電平。</p><p>　　BJT1、2主要參數(shù)：</p><p>　　電壓(Voltage)：30V；</p><p>　　電流(Current)：800mA ；</p><p>　　功率(Power)：

43、800mW；</p><p>　　材料(Material)：硅Silicon；</p><p>　　極性(Polarity)：NPN型；</p><p>　　結(jié)構(gòu)(Craft)：NPN硅外延平面高頻小功率開關(guān)晶體管；</p><p>　　頻率類型(Frequency)：fT(MHz) ≥250；</p><p>　　特

44、點(Feature)：該產(chǎn)品采用外延平面工藝結(jié)構(gòu)，工作頻率高、金屬封裝、體積小、重量輕、安裝方便；</p><p>　　放大倍數(shù)(Enlargement factor)：35-300；</p><p>　　使用范圍(Using)：產(chǎn)品可用于高頻震蕩、高頻小信號放大、小功率電源調(diào)整電路。</p><p>　　系統(tǒng)需要的元器件清單</p><p>

45、;<b>　　表2 元器件清單</b></p><p><b>　　六、總結(jié)</b></p><p>　　我認(rèn)為設(shè)計此裝置可以讓我們得到適宜的光照，便于調(diào)節(jié)?？梢杂糜诖笈锸卟说呐囵B(yǎng)，路燈的控制，汽車的在夜間行駛時突遇強光照射司機的眼睛等問題。當(dāng)汽車行駛時，光照很強照在司機的眼睛上時，光敏電阻可在到達司機眼睛之前感受到光照增強此時可將報警裝置改為

46、一個自動放下慮光板，可以保護眼睛同時可以避免交通事故的發(fā)生。此裝置用于路燈的控制，因為冬夏的日照不同，此裝置可根據(jù)亮度的不同控制路燈，這樣一來可以節(jié)省資源同時可以在最需要的時候開啟路燈。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我對傳感器、電路系統(tǒng)設(shè)計有了更深的的理解也加強了我的實際動手能力。也第一次這么近距離的了解自動化的含義，了解傳感器。接觸到我們以后需要使用和進一步了解的程序。不管是電路理論，還是實際應(yīng)用，經(jīng)

47、過此次設(shè)計后我的能力都有了不少提升。同時在本次課程設(shè)計時，也暴露了自己的不少毛病，如設(shè)計過程中缺乏規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化，仿真軟件不熟悉等。剛開始的的時候，Protel完全不會，但經(jīng)過兩天的摸索，也逐步上手了。通過這幾天的努力奮斗，最終做出電路原理圖，心里有一種莫名的成就感。在這次課程設(shè)計中，我也有很多不足，做事太急。方案的設(shè)計沒有能實現(xiàn)很多的功能，知識面狹隘，學(xué)過的知識遺忘了。我會努力將基礎(chǔ)打牢，爭取在下一次的課程設(shè)計中有新穎的想法，做的東西

48、功能更為全面。平常我們上課學(xué)習(xí)理論知識有時覺得挺容易的，但一旦自己真正動手設(shè)計，才發(fā)現(xiàn)自己有很多不足。只有實踐才能提高自己的能力，因此我希望有更多類似課程設(shè)計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]趙負(fù)圖.國內(nèi)外傳感器手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1998. 　</p><p>　　[2]楊崇志.特殊

49、新型電子元器件手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2003. </p><p>　　[3]丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.</p><p>　　[4]康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京:高等教育出版社,1999.</p><p>　　[5]李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊[M].北京::國防工業(yè)出版社,2002.<