光敏電阻傳感器課程設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 光敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 測(cè)控二102 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 鄒彥艷 趙志華 2011年 7 月 22日任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目 光敏電阻傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專業(yè) 測(cè)控二102 姓名 學(xué)號(hào) 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可分光照檢測(cè)部分、信號(hào)處理部分、光強(qiáng)顯示部分、報(bào)警部分。光照檢測(cè)部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測(cè)元件。輸入信號(hào)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(duì)應(yīng)于不同的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，就能簡(jiǎn)單的顯示出不同的光強(qiáng)了。基本要求：1、查閱資料，確

2、定設(shè)計(jì)方案2、選擇器件，設(shè)計(jì)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(jì)說明書主要參考資料：1 趙負(fù)圖.國(guó)內(nèi)外傳感器手冊(cè)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(cè)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 鄒彥艷 趙志華 專業(yè)負(fù)責(zé)人 曹廣華 2010年 7 月 12 日摘 要光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱并顯示讓人們知道此時(shí)光

3、照強(qiáng)度的強(qiáng)弱。人們可以設(shè)定光照強(qiáng)度的范圍，一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)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(jì)可分為三部分：即光照檢測(cè)部分、信號(hào)處理部分、光強(qiáng)顯示部分。還可加上報(bào)警部分。對(duì)于光照檢測(cè)部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測(cè)元件，它可以完成從光強(qiáng)到電阻值的信號(hào)轉(zhuǎn)換，再把電阻值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)就可以作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。對(duì)輸入信號(hào)處理后，就可以用來顯示了。對(duì)于顯示部分可利用發(fā)光二極管來顯示，不同的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于不同的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，就能簡(jiǎn)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(jí)管目 錄一、設(shè)計(jì)要

4、求1二、方案設(shè)計(jì)11、方案說明12、方案論證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(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇51、單元電路設(shè)計(jì)52、參數(shù)計(jì)算53、器件選擇6六、總結(jié)8題 目一 、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)、顯示、（報(bào)警）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界三種不同條件下光強(qiáng)的分檔指示和報(bào)警（弱、適宜、強(qiáng)）1、根據(jù)題目選定光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)所用的光電傳感器類型(1)自己設(shè)計(jì)至少三種以上不同光照條件，測(cè)定不同光照條件下光電傳感器的輸出；(2)傳感器測(cè)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(bào)警系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計(jì)；(3)完成自然光光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示報(bào)警系統(tǒng)電路方

5、框圖、電路原理圖的設(shè)計(jì)；(4)完成自然光光照強(qiáng)度自動(dòng)檢測(cè)顯示報(bào)警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的計(jì)算（備注：1. 含各種元件參數(shù)的計(jì)算過程或依據(jù)2. 選定最接近計(jì)算結(jié)果的元件規(guī)格）；(5)設(shè)計(jì)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(jì)報(bào)告二、方案設(shè)計(jì)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(hào)的傳感器。(2)電阻測(cè)試：在室外太陽光強(qiáng)照射下、室內(nèi)適宜光照下、室內(nèi)昏暗條件下三種光照條件下分別測(cè)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(jià)值,確定了光照適宜時(shí)的光敏電阻值的范圍為1.4-3.6k歐，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)

6、，LED1點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)，LED2點(diǎn)亮；黑暗時(shí)，LED3點(diǎn)亮，蜂鳴器也報(bào)警。即光照不適宜時(shí)就會(huì)報(bào)警，所以該系統(tǒng)不但可以完成光強(qiáng)的顯示、報(bào)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(bào)警電路光敏電阻光敏電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)處理電路 圖1 原理框圖2、方案論證(1)光照強(qiáng)度的信號(hào)采集部分采用光敏電阻作為信號(hào)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(shí), 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(shí)，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、

7、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐震動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。所以選擇光敏電阻采集光照信號(hào)，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(duì)光照信號(hào)的處理轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓信號(hào)V的處理。(2)信號(hào)處理部分：采用集成電壓比較器LM339N作為信號(hào)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)換為三個(gè)電壓值V1，V2，V3作為比較器的輸入電壓；兩個(gè)比較器設(shè)置兩個(gè)參考電壓Vref1，Vref2。工作過程分析如下：光照較強(qiáng)時(shí)V1 Vref1Vref2，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時(shí)Vre

8、f1V2 Vref2， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0）； 光照黑暗時(shí)V3 Vref2 Vref1 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V）。這樣就完成了從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)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(dòng)能力有限，所以在輸出端加一個(gè)上拉電阻提高其驅(qū)動(dòng)能力。電路連接如原理圖所示，分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮；光照適宜時(shí)， 兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點(diǎn)亮； 光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點(diǎn)亮。這樣三種

9、狀態(tài)就顯示出來了。(4)光強(qiáng)報(bào)警部分采用有源蜂鳴器作為報(bào)警器件。電路連接如原理圖所示，用兩個(gè)NPN型BJT三極管的導(dǎo)通來控制報(bào)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(bào)警器了，設(shè)計(jì)方案采用了當(dāng)光照較強(qiáng)或較暗時(shí)報(bào)警。工作過程分析如下：當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點(diǎn)亮，三極管BJT1被導(dǎo)通，報(bào)警電路被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；光照適宜時(shí)， 兩個(gè)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(bào)警電路也截止； 光照黑暗時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3

10、被點(diǎn)亮，BJT2被導(dǎo)通，報(bào)警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。三、傳感器工作原理光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光傳感器的不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)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(dòng)控制和非電量電測(cè)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(duì)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(shí)，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值迅速減小。廣泛應(yīng)用于各種控

11、制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的高度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)中的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x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(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，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(zhǎng)范圍的光照時(shí)，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(shí)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(jí)， 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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過發(fā)光二

12、極管顯示以及蜂鳴器報(bào)警從而成為光照強(qiáng)度自動(dòng)顯示檢測(cè)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(shí)，光敏傳感器的阻值很??；當(dāng)光照強(qiáng)度弱時(shí)，光敏傳感器的組織很大；當(dāng)光照強(qiáng)度適宜時(shí)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(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，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(hào)不同從而顯示不同的信號(hào)。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(jiǎn)單，右邊三個(gè)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(gè)比較端一個(gè)從

13、光敏電阻一端引出，接入比較器負(fù)比較端，另一個(gè)從三個(gè)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(bào)警電路。比較器輸出端通過限流電阻接發(fā)光二極管，同時(shí)為防止比較器無法驅(qū)動(dòng)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(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(hào)流程做主軸，分析如下：1、信號(hào)采集，光敏電阻處于被測(cè)環(huán)境感光，會(huì)有一感光阻值，這樣就把被測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。2、信號(hào)測(cè)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(cè)量比較。分壓電路和比較電路就是完成此功能。光敏電阻和

14、基準(zhǔn)電阻分別分壓接入比較器兩端（實(shí)際上是被測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)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(gè)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(hào)表達(dá)，通過比較器出來的是電壓信號(hào)，為了使人能直接感知，接上發(fā)光二級(jí)管。高電壓即點(diǎn)亮發(fā)光二級(jí)管。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)整個(gè)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(jiǎn)單清晰。按照前面分析，首先應(yīng)將系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，其中測(cè)量顯示電路重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析如下：(1)電源部分：為了驅(qū)動(dòng)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

15、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(shí)，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(gè)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(shí)用滑動(dòng)變阻器代替，一個(gè)粗調(diào)，一個(gè)細(xì)調(diào)。(5)顯示電路：為了驅(qū)動(dòng)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(bào)警電路：應(yīng)設(shè)置當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)，使蜂鳴器響。僅當(dāng)光照很強(qiáng)時(shí)，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(jì)算(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(shí)光敏電阻的組值R的范

16、圍為1.4-3.6k歐，黑暗時(shí)光敏電阻阻值大于15.6 k歐，為了計(jì)算方便，R1選擇20 k歐。(2)Vref1，Vref2的計(jì)算光照很強(qiáng)時(shí)，R=320歐取R=320歐，V1= (1)光照適宜時(shí)1.4kR=15.6k取R=15.6k時(shí)， (4)由系統(tǒng)功能及比較器工作原理得：Vref1V1Vref1Vref2Vref2=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光敏電阻：5537。發(fā)光二極管：SM

17、210363。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(hào)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(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒被運(yùn)用),輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動(dòng)和器件的值所限制.當(dāng)達(dá)到極限電

18、流(16mA)時(shí),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(shí),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)(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

19、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(hào)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(hào)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(jì)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(shí)突遇強(qiáng)光照射司機(jī)的眼睛等問題

20、。當(dāng)汽車行駛時(shí)，光照很強(qiáng)照在司機(jī)的眼睛上時(shí)，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(shí)可將報(bào)警裝置改為一個(gè)自動(dòng)放下慮光板，可以保護(hù)眼睛同時(shí)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(shí)可以在最需要的時(shí)候開啟路燈。通過本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)傳感器、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深的的理解也加強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手能力。也第一次這么近距離的了解自動(dòng)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(jì)后我的能力都有了不少提升。同時(shí)在本次課程設(shè)計(jì)時(shí)，也暴露了自己的不少毛病，如設(shè)計(jì)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(shí)候，Protel完全不會(huì)，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