光敏電阻傳感器課程設(shè)計資料研究

1、光敏電阻傳感器課程設(shè)計資料研究課程設(shè)計課 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2021年7月22日任務(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) 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容：設(shè)計一個光照強度自動檢測系統(tǒng),可分光照檢測局部、信號處理局部、光強顯 示局部、報警局部.光照檢測局部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.顯示局部可利用發(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.根本要求：1、查閱資料,確定設(shè)計方案2、選擇器件,設(shè)計硬件電路,并

2、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)根底模擬局部M.北京：高等教育出版社,1999.完成期限 2021.7.13 2021.7.22指導(dǎo)教師鄒彥艷趙志華專業(yè)負責(zé)人曹廣華2021年7月12日摘要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)

3、可以發(fā)出警報通知或直接采取舉措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)計可分為三局部：即光照檢測局部、信號處理局部、光強顯示局部.還可加上報警局部.對于光照檢測局部 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.對于顯示局部可利用發(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.關(guān)鍵詞：光敏電阻；光電傳感器；光照強度；發(fā)光二級管目錄一、 設(shè)計要求1二、 方案設(shè)計11、 方案說明12、 方案論證

4、2三、傳感器工作原理3四、電路的工作原理 4五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇51、 單元電路設(shè)計 52、 參數(shù)計算63、 器件選擇 7六、總結(jié)8題目一、設(shè)計要求設(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)1、根據(jù)題目選定光照強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出；(2) 傳感器測量電路采用集成運算放大器構(gòu)成的比擬器完成,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)

5、 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)；(5) 設(shè)計結(jié)束后,進行仿真調(diào)試.2、仿真調(diào)試方案給出系統(tǒng)整機電路圖.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.(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

6、為1.4-3.6k歐,當光照過強時,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)不但可以完成光強的顯示、報警,而且可以判斷光照是否適 宜.原理框圖如下:信信LED顯示電路 號號光光轉(zhuǎn)處敏敏 換理電電電電 阻阻 報警電路 路路圖1原理框圖2、方案論證(1)光照強度的信號采集局部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)的一種光電器當受件,無光照時,光敏電阻值(暗電阻)很大,電路中電流(暗電流)很小；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

7、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、抗過載水平強和壽命長等特點.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.把光敏電阻申聯(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)信號處理局部:采用集成電壓比擬器LM339N乍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作為比擬器的輸入電壓；兩個比擬器設(shè)置兩個參考電壓 Vrefl , Vref2.工作過程分析如下：光照 較強時V1> Vref1

8、>Vref2,兩個比擬器的輸出電壓分別為(5V, 0V);光照適宜時 Vref1>V2> Vref2 ,兩個比擬器的輸出電壓分別為(-5V , 0);光照黑暗時V3< Vref2 < Vref1兩個比擬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,顯示局部就變得容易了.(3) 光強顯示局部采用發(fā)光二極管顯示不同的光強狀態(tài).由于比擬器的驅(qū)動水平有限,所以在輸出端加一個上拉電阻提升其驅(qū)動水平.電路連接如原理圖所示,分析如下:當光照較強時,兩個比擬器的輸出電壓分別為 (5V, 0V), LED1點亮；光照適宜時, 兩個比擬器的輸出電壓分

9、別為(-5V , 0) , LED2被點亮；光照黑暗時,兩個比擬器 的輸出電壓分別為(-5V , 5V), LED2 LED3M點亮.這樣三種狀態(tài)就顯示出來了.(4) 光強報警局部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NPNffi BJT三極管的導(dǎo)通來限制報警電路的導(dǎo)通,三極管的導(dǎo)通乂受發(fā)光二極管導(dǎo)通與否的控 制,發(fā)光二極管的導(dǎo)通受光照的限制.所以光強就可以限制報警器了,設(shè)計方案采 用了當光照較強或較暗時報警.工作過程分析如下：當光照較強時,兩個比擬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,兩個比擬器的

10、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,兩個比擬器的輸出電壓分別為 (-5V , 5V), LED2 LED3®點亮,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 一它在自動限制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位.光敏

11、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)；當有光照射時,其電阻值迅速減小.廣泛應(yīng)用于各種限制電路 如自動照明燈 限制電路、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 自動曝光限制等及各種測量儀器中.光敏電阻乂稱光導(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,電路中電流暗電流很小.當光敏電阻受到一 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

12、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.該系統(tǒng)可通過光敏傳感器將光照強弱信號轉(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,當光照強度很強時,光敏傳感器的阻值很小 ；當光照強度弱時,光敏傳感 器的組織很大;當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.四、電路的工作原理圖2整機電路圖從電路原理圖看其實很簡單,右邊三個比擬器

13、局部電路完全相同.結(jié)構(gòu)分析如 下：1、供電電源VCC=5V給分壓電路、比擬器、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電阻分壓.3、比擬電路.比擬器的 兩個比擬端一個從光敏電阻一端引出,接入比擬器負比擬端,另一個從三個基準電 阻分壓端引出,接入比擬器正比擬端.假設(shè)光敏電阻比擬端阻值大丁基準電阻,那么分 壓也大丁基準電阻,比擬器輸出為負,反之亦然.4、顯示報警電路.比擬器輸出端通過限流電阻接發(fā)光二極管,同時為預(yù)防比 較器無法驅(qū)動發(fā)光管,輸出端通過上拉電阻接電源,以提供足夠功率.最小基準電 阻發(fā)光管并聯(lián)蜂鳴器.為了分析各局部單元電路之間的關(guān)系,我以信號流程做主軸,分析如下:1、信

14、號采集,光敏電阻處丁被測環(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,需要進行測量比較.分壓電路和比擬電路就是完成此功能.光敏電阻和基準電阻分別分壓接入比擬 器兩端(實際上是被測信號與基準信號比擬).由于另一分壓電阻相同,電阻大的分 壓就多.比擬結(jié)果反映在比擬器的輸出端.采用了三個比擬電路比擬,就可以確定 光敏電阻在四檔的哪一檔.3、信號表達,通過比擬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.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)進行全面綜合考慮.以完成

15、課題功能要求為前提,盡量使電路簡單活晰.根據(jù)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:(1)電源局部：為了驅(qū)動比擬器,電源電壓設(shè)置為 5V 分壓電路:為了便于分壓比擬,另一分壓電阻均設(shè)為相同值(3) 比擬電路：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擬器負比擬端.光最強時,電阻最小,分壓最少, 比擬器負輸入端都小于正輸入端,比擬器輸出都為正,三個發(fā)光管都亮.(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,為了保護發(fā)光管,應(yīng)設(shè)置限 流電阻.

16、2、參數(shù)計算(6) 報警電路：應(yīng)設(shè)置當光照過強時,使蜂鳴器響.僅當光照很強時,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(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 的計算光照很強時,R<=320歐R201 取 R=320歐,V1= (1) , VCC, 5,4.92VR, R2Q 0.321光照適宜時1.4k<R<3.6k,R201, VCC, 5,4.67V 取 R=1.4k 時,

17、V2=R , R2Q 1.41R20,1 取 R=3.6k 時；(3)V2, , VCC, 5,4.22VR , R20, 3.61光照黑暗時,R>=15.6kR201 取 R=15.6k 時,(4)V3, , VCC, 5,2.8VR , R20, 15.61由系統(tǒng)功能及比擬器工作原理得：Vref1<V1Vref1<V2,V2Vref1>,V2Vref2<Vref2<V3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可以由申聯(lián)分壓電路分壓得到:4.7V電壓可由一個4

18、.7k電阻和一個300歐的電阻申聯(lián)于5V電源得到;4.2V電壓可由4.2k和0.8k電阻申聯(lián)得到.但是這兩個阻值在金屆膜電阻中沒有,可以分別用1.5k和2.7k申聯(lián),1.6k和1.6k并聯(lián)得到.上拉電阻R2, R3的計算由于比擬器LM339M俞出電流為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 ,那么I>=5mA于是可得：VCC,1.66I= >=5mA (5)R2所以:R2<=668;取R2=402即可滿足條件.3、器件選擇電源:VCC=5V基準電阻：精度為1%勺金屆膜電阻.用來分檔,故應(yīng)等于光敏電

19、阻三種狀態(tài)下阻值.R1=24(D R2=1.5 k Q R3=150 kQ5537.光敏電阻：發(fā)光二極管：SM210363蜂鳴器：無源1206分體5.5歐蜂鳴器表1比擬器LM33"要參數(shù)表參數(shù)名稱符號數(shù)值單位電源電壓VCC ?18或36 V差模輸入電壓 VID ?36 V共模輸入電壓 VI -0.3,VCC V功耗 Pd 570 mW工作環(huán)境溫度Topr 0 to +70 ?貯存溫度 Tstg -65 to 150 ?LM339的輸出局部是集電極開路,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.輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何R1電阻金屆膜

20、電阻9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(當不用負載電阻沒被運用),輸出局部的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的6值所限制.當?shù)竭_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T SAT限制.當負載電流很小時,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):NP

21、N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(Feature):該產(chǎn)品采用外延平面工藝結(jié)構(gòu),工作頻率高、金屆封裝、體積小、重量輕、安裝方便；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)需要的元器件活單表2兀器件活單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注穩(wěn)壓直流電源 Vcc直流電源2 5V/1000MAR2光敏電阻5537 1U1A比擬器LM339 1LED1 發(fā)光二極管 SM210363 3BJT1 發(fā)光三極管 BJT(2N6773) 2無源12

22、06分體5.5歐U3蜂鳴器1蜂鳴器六、總結(jié)我認為設(shè)計此裝置可以讓我們得到適宜的光照,便于調(diào)節(jié).可以用于大棚蔬菜的培養(yǎng),路燈的限制,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一個自動放下慮光板,可以保護眼睛同時 可以預(yù)防交通事故的發(fā)生.此裝置用于路燈的限制,由于冬夏的日照不同,此裝置 可根據(jù)亮度的不同限制路燈,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增強了我 的實際動手水平.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)過此 次設(shè)計后我的水平都有了不少提升.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)計過程中缺乏標準化,標準化