光敏電阻傳感器課程設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 2011 年 7 月 22 日課 程 傳感器課程設(shè)計 題 目 光敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 測控二 102 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計題目 光敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè) 測控二 102 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容：設(shè)計一個光照強(qiáng)度自動檢測系統(tǒng)，可分光照檢測部分、信號處理部分、光強(qiáng)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。顯示部分可利用發(fā)光二極管來顯示，不同的光強(qiáng)對應(yīng)于不同的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，就能簡單的顯示出不同的光強(qiáng)了?；疽螅?、查閱資料，確定設(shè)計方案2、選擇

2、器件，設(shè)計硬件電路，并畫出原理圖3、編寫采集程序4、撰寫課程設(shè)計說明書主要參考資料：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. 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. 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,2000.4 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.完成期限 2011.7.132011.7.22 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2010 年 7 月 12 日傳感器課程設(shè)計摘 要光照強(qiáng)度自動檢測顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動檢測光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱并顯示讓人們知道此時光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱。人們可以設(shè)定

3、光照強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)到電阻值的信號轉(zhuǎn)換，再把電阻值轉(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(qiáng)對應(yīng)于不同的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，就能簡單的顯示出不同的光強(qiáng)了。關(guān)鍵詞：光敏電阻；光電傳感器；光照強(qiáng)度；發(fā)光二級管傳感器課程設(shè)計目 錄一、設(shè)計要求設(shè)計要求

4、.1 1二、方案設(shè)計方案設(shè)計 .1 11、方案說明 .12、方案論證 .2三、傳感器工作原理三、傳感器工作原理 .3 3四、電路的工作原理四、電路的工作原理 .4 4五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇 .5 51、單元電路設(shè)計 .52、參數(shù)計算 .53、器件選擇 .6六、六、總結(jié)總結(jié) .8 8傳感器課程設(shè)計1題 目一 、設(shè)計要求設(shè)計一個光照強(qiáng)度自動檢測、顯示、 （報警）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對外界三種不同條件下光強(qiáng)的分檔指示和報警（弱、適宜、強(qiáng)）1、根據(jù)題目選定光照強(qiáng)度自動檢測所用的光電傳感器類型(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

5、出；(2)傳感器測量電路采用集成運(yùn)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；(3)完成自然光光照強(qiáng)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；(4)完成自然光光照強(qiáng)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） ；(5)設(shè)計結(jié)束后，進(jìn)行仿真調(diào)試。2、仿真調(diào)試方案給出系統(tǒng)整機(jī)電路圖。3、完成課程設(shè)計報告二、方案設(shè)計1、方案說明(1)傳感器選擇：選用光敏電阻作為采集光照信號的傳感器。(2)電阻測試：在室外太陽光強(qiáng)照射下、室內(nèi)適宜光照下、室內(nèi)昏暗條件下三

6、種光照條件下分別測的光敏電阻的阻值為=15.6k 歐。(3)方案原理圖：系統(tǒng)功能描述：考慮到系統(tǒng)的實(shí)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(qiáng)時，LED1 點(diǎn)亮，蜂鳴器報警；光照適宜時，LED2 點(diǎn)亮；黑暗時，LED3 點(diǎn)亮，蜂鳴器也報警。即光照不適宜時就傳感器課程設(shè)計2會報警，所以該系統(tǒng)不但可以完成光強(qiáng)的顯示、報警，而且可以判斷光照是否適宜。原理框圖如下：LED 顯示電路報警電路光敏電阻光敏電阻信號轉(zhuǎn)換電路信號處理電路 圖 1 原理框圖2、方案論證(1)光照強(qiáng)度的信號采集部分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,

7、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(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等特點(diǎn)。所以選擇光敏電阻采集光照信號，并把不同的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(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。(2)信號處理部分：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(qiáng)、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換

8、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，Vref2。工作過程分析如下：光照較強(qiáng)時 V1 Vref1Vref2，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V） ；光照適宜時 Vref1V2 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。(3)光強(qiáng)顯示部分采用發(fā)光二極管顯示不同的光強(qiáng)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)

9、光照較強(qiáng)時，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V） ，LED1 點(diǎn)亮；光照適宜傳感器課程設(shè)計3時， 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，0） ，LED2 被點(diǎn)亮； 光照黑暗時，兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V） ，LED2、LED3 被點(diǎn)亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來了。(4)光強(qiáng)報警部分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(qiáng)就可以控制報警器了，設(shè)計方案采用了當(dāng)光照較強(qiáng)或較暗時報警。工作過程分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時，兩個比較器的輸出電壓分別

10、為（5V，0V） ，LED1 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)亮，BJT2 被導(dǎo)通，報警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報警。三、傳感器工作原理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(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。

11、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。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(qiáng)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(jī)中的高度自動調(diào)節(jié)，照相機(jī)中的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。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

12、（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(shí)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。該系統(tǒng)可通過光敏傳感器將光照強(qiáng)弱信號轉(zhuǎn)化為電信號通過發(fā)光二極管顯示傳感器課程設(shè)計4以及蜂鳴器報警從而成為光照強(qiáng)度自動顯示檢測系統(tǒng)。光照強(qiáng)度不同光明傳感器的組織不同，當(dāng)光照強(qiáng)度很強(qiáng)時，光敏傳感器的阻值很??；當(dāng)光照強(qiáng)度弱時，光敏傳感器的組織很大；當(dāng)光照強(qiáng)度適宜時光敏傳感器的阻值介于強(qiáng)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?/p>

13、同阻值不同產(chǎn)生的電信號不同從而顯示不同的信號。四、電路的工作原理 圖 2 整機(jī)電路圖從電路原理圖看其實(shí)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：1、供電電源 VCC=5V，給分壓電路、比較器、發(fā)光管、蜂鳴器供電。2、分壓電路。包括光敏電阻分壓和基準(zhǔn)電阻分壓。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)比傳感器課程設(shè)計5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。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

14、阻接電源，以提供足夠功率。最小基準(zhǔn)電阻發(fā)光管并聯(lián)蜂鳴器。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：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。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(jìn)行測量比較。分壓電路和比較電路就是完成此功能。光敏電阻和基準(zhǔn)電阻分別分壓接入比較器兩端（實(shí)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。3、信號表達(dá)，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

15、電壓即點(diǎn)亮發(fā)光二級管。五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設(shè)計設(shè)計時須對整個系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)設(shè)計分析如下：(1)電源部分：為了驅(qū)動比較器，電源電壓設(shè)置為 5V(2)分壓電路：為了便于分壓比較，另一分壓電阻均設(shè)為相同值(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(qiáng)，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(qiáng)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。(4)為了實(shí)現(xiàn)光敏電阻精確連續(xù)分壓，仿真時用滑動變阻

16、器代替，一個粗調(diào)，一個細(xì)調(diào)。(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(hù)發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置限流電阻。(6)報警電路：應(yīng)設(shè)置當(dāng)光照過強(qiáng)時，使蜂鳴器響。僅當(dāng)光照很強(qiáng)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。2、參數(shù)計算傳感器課程設(shè)計6(1)由于本系統(tǒng)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。(2)Vref1，Vref2 的計算光照很強(qiáng)時，R=320 歐取 R=320 歐，V1= (1)光照適宜時 1.4kR=15.6k取 R=1

17、5.6k 時， (4)由系統(tǒng)功能及比較器工作原理得：Vref1V1Vref12VVref22VVref2=5mA。于是可得：I= =5mA (5)所以：R2=668；取 R2=402 即可滿足條件。3、器件選擇VVCCRRR67. 454 . 1202011VVCCRRR92. 4532. 0202011VVCCRRRV22. 456 . 32020211VVCCRRRV8 . 256 .152020311266. 1RVCC 傳感器課程設(shè)計7電源：VCC=5V?；鶞?zhǔn)電阻：精度為 1%的金屬膜電阻。用來分檔，故應(yīng)等于光敏電阻三種狀態(tài)下阻值。R1=240 R2=1.5 k R3=150 k光敏電

18、阻：5537。發(fā)光二極管：SM210363。蜂鳴器：無源 1206 分體 5.5 歐蜂鳴器表 1 比較器 LM339 主要參數(shù)表參數(shù)名稱符號數(shù)值單位電源電壓VCC18 或 36V差模輸入電壓VID36V共模輸入電壓VI-0.3VCCV功耗Pd570mW工作環(huán)境溫度Topr0 to +70貯存溫度Tstg-65 to 150LM339 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(yùn)用),輸出

19、部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的 值所限制.當(dāng)達(dá)到極限電流(16mA)時,輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升.輸出飽和電壓被輸出晶體管大約 60ohm 的 SAT 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。BJT1、2 主要參數(shù)：電壓(Voltage)：30V；電流(Current)：800mA ；功率(Power)：800mW；材料(Material)：硅 Silicon；極性(Polarity)：NPN 型；結(jié)構(gòu)(Craft)：NPN 硅外延平面高頻小功率開關(guān)晶體管；頻率類型(Frequency)：fT(MHz) 250；特點(diǎn)(Featu

20、re)：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；傳感器課程設(shè)計8放大倍數(shù)(Enlargement factor)：35-300；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。系統(tǒng)需要的元器件清單表 2 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注Vcc直流電源穩(wěn)壓直流電源 5V/1000MA2 R2光敏電阻55371 R1電阻金屬膜電阻9U1A比較器LM3391LED1發(fā)光二極管SM2103633BJT1發(fā)光三極管BJT（2N6773）2U3蜂鳴器無源 1206 分體 5.5 歐蜂鳴器1六、總結(jié)我認(rèn)為設(shè)計此裝置可以讓我們得到適

21、宜的光照，便于調(diào)節(jié)。可以用于大棚蔬菜的培養(yǎng)，路燈的控制，汽車的在夜間行駛時突遇強(qiáng)光照射司機(jī)的眼睛等問題。當(dāng)汽車行駛時，光照很強(qiáng)照在司機(jī)的眼睛上時，光敏電阻可在到達(dá)司機(jī)眼睛之前感受到光照增強(qiáng)此時可將報警裝置改為一個自動放下慮光板，可以保護(hù)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?yàn)槎牡娜照詹煌?，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。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(qiáng)了我的實(shí)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(jìn)一步了解的程序。不管是電路理論，還是實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)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