光敏传感器

第1章绪论

1.1 设计目的

在学习了光敏传感器技术理论课和进行了基础实验后，进行课程设计，目的是进一步提高学生运用所掌握的数字电子电路的分析和设计方法与分析实际电路的基本技能，并了解基本单元电路在实际生活中的应用。

通过课程设计，使学生加强对光敏传感器技术的理解，学会查阅资料、方案比较以及设计、制作、调试等技能，增强分析、解决实际问题的能力。

要求对光敏传感器技术基础知识有较全面和深刻的理解。通过此次课程设计，使所学的光敏传感器技术知识进行全面的复习和总结，巩固所学的理论知识。通过理论与实践相结合，提高分析问题和解决问题的能力。学会使用规范、标准及有关设计资料。初步掌握设计步骤和基本内容，掌握编写设计说明书的基本方法。在制作光敏传感器过程中得到了初步锻炼。

1.2 设计的主要内容

1. 设计制作一个光敏传感器应用电路。

2. 光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件。

3. 通过电位器调节感光灵敏度。

4. 电气设备的选择。

5. 当光线低于设定值时，LED灯点亮。

1.3 设计要求

1.能够按照要求独立完成课程设计部分；

2.学会查阅技术手册和文献资料；

3.进一步熟悉常用集成电路的设计方法；

4.初步掌握电路的调试技能和故障排除方法；

5.填写设计任务书，撰写课程设计论文。

第2章光敏传感器设计方案分析

2.1传感器的作用

现在的信息技术发展革命，用人自身感觉器官既无法得到准确的数据，同时对很多无法用器官感测的事物不得不望而止步，而传感器就是一种代替人的感觉器官来获取信息、数据的媒介。

在工业生产中，对于高精密的产品要接助各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在医学中，借助传感器能够更好分析病因，得到一个好的治疗方案。

在科研究中，传感器更具有突出的地位。许多领域人的感官还有简易的传感器根本无法得到精确的数据，必须借助高精密的传感器来实现分析测量。例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

2.2传感器的分类

根据不同的观点对传感器进行分类，可将它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)它们的用途、它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等进行分类。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，如电阻式传感器、电感式传感器、压阻式传感器、温度传感器等，被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，如气敏传感器。

2.2.1光敏传感器

光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。

2.3方案设计

1.传感器选择：选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。

2.电阻测试：在室外太阳光强照射下、室内适宜光照下、室内昏暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为<=320欧、1.4--

3.6k欧、>=15.6k欧。

3.方案原理图：系统功能描述：考虑到系统的实用价值,确定了光照适宜时的光敏电阻值的范围为1.4--3.6k欧，当光照过强时，LED1点亮，蜂鸣器报警；光照适宜时，LED2点亮；黑暗时，LED3点亮，蜂鸣器也报警。即光照不适宜时就会报警，所以该系统不但可以完成光强的显示、报警，而且可以判断光照是否适宜。

图2-1 光敏传感器原理框图

2.4方案论证

1.光照强度的信号采集部分

采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小；当受到光照时，半

导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。

2.信号处理部分

采用集成电压比较器LM339N作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。光强、适宜、黑暗三种光照状态转换为三个电压值V1，V2，V3作为比较器的输入电压；两个比较器设置两个参考电压Vref1，Vref2。工作过程分析如下：光照较强时V1>Vref1>Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V,0V）；光照适宜时Vref1>V2>Vref2,两个比较器的输出电压分别为(-5V,0V);光照黑暗时V3

3.光强显示部分

采用发光二极管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，所以在输出端加一个上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照适宜时,两个比较器的输出电压分别为(-5V,0V),LED2被点亮光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2，LED3被点亮，这样三种状态就显示出来了。

4.光强报警部分

采用有源蜂鸣器作为报警器件。路连接如原理图所示用两个NPN型BJT三极管的导通来控制报警电路的导通，三极管的导通又受发光二极管导通与否的控制，发光二极管的导通受光照的控制。所以光强就可以控制报警器了，设计方案采用了当光照较强或较暗时报警。工作过程分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮，三极管BJT1被导通，报警电路被导通，蜂鸣器报警；光照适宜时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮，三极管BJT1截止，报警电路也截止；光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮，BJT2被导通，报警电路也被导通，蜂鸣器报警。

第3章传感器设计方案及原理说明

3.1 传感器工作原理

传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器的不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。他在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。广泛应用于各种控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的高度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。电阻称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。

通过光敏传感器将光照强弱信号转化为电信号通过发光二极管显示以及蜂鸣器报警从而成为光照强度自动显示检测系统。光照强度不同光明传感器的组织不同，当光照强度很强时，光敏传感器的阻值很小；当光照强度弱时，光敏传感器的组织很大；当光照强度适宜时光敏传感器的阻值介于强光和弱光的阻值之间。因此可以通过光敏传感器将光信号变为电信号，并可以利用光照传感器受光照不同阻值不同产生的电信号不同从而显示不同的信号。

3.2 电路的工作原理

从电路原理图3-1来看，右边三个比较器部分电路完全相同。结构分析如下：

1、供电电源VCC=5V，给分压电路、比较器、发光管、蜂鸣器供电。

2、分压电路。包括光敏电阻分压和基准电阻分压。

3、比较电路。比较器的两个比较端一个从光敏电阻一端引出，接入比较器负比较端，另一个从三个基准电阻分压端引出，接入比较器正比较端。若光敏电阻比较端阻值大于基准电阻，则分压也大于基准电阻，比较器输出为负，反之亦然。

图3-1工作原理电路图

4.显示报警电路。比较器输出端通过限流电阻接发光二极管，同时为防止比较器无法驱动发光管，输出端通过上拉电阻接电源，以提供足够功率。最小基准电阻发光管并联蜂鸣器

为了分析各部分单元电路之间的关系，我以信号流程做主轴，分析如下：

1.信号采集，光敏电阻处于被测环境感光，会有一感光阻值，这样就把被测光信号转化为电信号。

2.信号测量，为了知道光敏电阻的阻值在所分的哪档之间，需要进行测量比较。分压电路和比较电路就是完成此功能。光敏电阻和基准电阻分别分压接入比较器两端（实际上是被测信号与基准信号比较）。由于另一分压电阻相同，电阻大的分压就多。比较结果反映在比较器的输出端。采用了三个比较电路比较，就可以确定光敏电阻在四档的哪一档

3.信号表达，通过比较器出来的是电压信号，为了使人能直接感知，接上发光二级管。高电压即点亮发光二级管。

3.3各部分设计原理

在本次设计中电路是由许多单元电路组成的，因此，首先必须对各个单元电路进行设计。主体电路部分的电路主要由振荡电路、计数电路、显示电路以及校时电路四大部分组成。下面将对各部分电路进行设计。

设计时须对整个系统进行全面综合考虑。以完成课题功能要求为前提，尽量使电路简单清晰。按照前面分析，首先应将系统分为三个模块，其中测量显示电路重点设计分析如下。

3.3.1电源电路

主要选用器件:变压器、电感、桥堆、稳压管7805、电容图3-1中，是一个将频率为50Hz220V的单相交流电压转换为5V的直流电压的直流稳压电源，经过变压、整流、滤波、稳压后，输出为5V直流电压。

图3-2电源电路

(1)电源部分：为了驱动比较器，电源电压设置为5V

(2)分压电路：为了便于分压比较，另一分压电阻均设为相同值

(3)比较电路：为了符合正常逻辑思维，应该设定光照越强，亮的发光管越多。所以才将光敏电阻分压端接入比较器负比较端。光最强时，电阻最小，分压最少，比较器负输入端都小于正输入端，比较器输出都为正，三个发光管都亮。

(4)为了实现光敏电阻精确连续分压，仿真时用滑动变阻器代替，一个粗调，一个细调。

(5)显示电路：为了驱动发光管，应设置上拉电阻，为了保护发光管，应设置限流电阻。

(6)报警电路：应设置当光照过强时，使蜂鸣器响。仅当光照很强时，光敏电阻阻值

才小于R3，蜂鸣器才响。其他状态，蜂鸣器都不响。

3.3.2光控电路

光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。

3.3.3延时电子开关电路

延时电子开关电路它是用电路中送入的信号进行控制电路的设备。其作用是用送入来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。常用的延时电路有按键延时电路、感应延时电路、开关控制延时电路、光控延时电路、声光双控延时电路等。而本电路延时电子开关电路使用主要的电路为声光双控延时电路部分。声光双控电路是声、光控开关的组合。它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。

3.4光控电路的设计

根据黑夜和白天的光线关系，选取的原件要符合这个设计要求

光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。光敏器件可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、自动开关、继电器等多种装置或执行机构。因此光敏器件在自动化技术中起着极其重要的作用。

光敏电阻的特性与人眼最为接近，因此，光敏电阻比较适合用于声光控路灯、照相机曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置。在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。因此，选择光敏电阻做为光敏器件。

第4章安装与调试

4.1器件选择

电源：VCC=5V。

基准电阻：精度为1%的金属膜电阻。

用来分档，故应等于光敏电阻三种状态下阻值。

R1=240Ω，R2=1.5kΩ，R3=150kΩ

光敏电阻：5537。

发光二极管：SM210363。

蜂鸣器：无源1206分体5.5欧蜂鸣器

表4-1比较器LM393主要参数表

4.2 器件安装

如图4-1电路主要元器件功能。电路主要由光敏传感器模块，测试电路（发光二极管），保护电路，电源电路构成。光敏传感器模块主要由电源开关指示电路，LM393芯片构成的比较输出电路，光敏电阻，电位器，保护电路构成。

LM339的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或OR ing功能.输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用),输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限

电流(16mA)时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升.输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的γSAT限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许输出箝位在零电平。

图4-1主要元器件电路图

结论

我认为设计此装置可以让我们得到适宜的光照，便于调节。可以用于大棚蔬菜的培养，路灯的控制，汽车的在夜间行驶时突遇强光照射司机的眼睛等问题。当汽车行驶时，光照很强照在司机的眼睛上时，光敏电阻可在到达司机眼睛之前感受到光照增强此时可将报警装置改为一个自动放下虑光板，可以保护眼睛同时可以避免交通事故的发生。此装置用于路灯的控制，因为冬夏的日照不同，此装置可根据亮度的不同控制路灯，这样一来可以节省资源同时可以在最需要的时候开启路灯。

随着国家的可持续发展战略的实施，节能减排也在其中。

往常的开关路灯，在无人的时候也亮着，无疑的是一种浪费。而在一些学校、办公楼、街道设施等公共设施大多的灯都是通过开关电路控制，这种浪费不仅加大了财政支出，且对于用电高峰时无疑是一种负担；为了节约用电大多数设施都采用节能灯，可是这还是有浪费现象。

同时，也越来越多的学校、企业重视这个问题，采用声光控来做为节能的一个重要环节，例如：为了节能减排，北交大对学校的基建设施进行了全方位技改，学校投入60多万元更换新型的节能灯管，在楼道内安装声光控开关，年节电约30万度；沃尔玛位于王家湾武汉摩尔城的新门店开业，配备声光控书架式冷柜，有人靠近冷柜时，冷柜灯才会自动打开，比普通冷柜节能3成以上……

声光控电路不仅应用于灯开关，还可以应用很多的自动开关电路，甚至还可以做成简易的报警电路；做为学电子信息的一名学生，我们还可在这一领域探讨研究，将声光控电路加以改进。

实践证明：采用声光控电路能有效的节约能源。因此构建节约型社会，请选择声光控传感电路产品。

致谢

本次设计是老师的细心教导之下完成的，感谢老师在课程设计前期理论知识的讲解及对我们的细致耐心的指导。感谢大家在实物制作过程中对我们提供的材料知识，自己翻阅查找各种资料，我不仅学到了更多的传感器技术基础相关知识，更增强了我对设计电路学习的热情，虽然设计的时候有些还不够完善，但是我们依旧坚持着不断的去创新去改进。

通过老师的指导，然后再结合自己参考的一些书籍上，经过不断的改进和创新我们设计成了最终符合要求的电路原理图，并进一步了解和学习了电路各个部分的具体工作原理.经过对前面部分电路的仿真，我掌握了仿真的具体方法。这次课程设计我不仅进一步学习了光敏传感器的设计，对电路的了解也是更深入了一步。

通过专研和实际的调试，掌握了各级输出的电压值得具体测量方法和误差分析。通过对电路的理解分析从而在一定程度上大致分析所得的试验结果进行分析和确定是否正确，也通过实际的操作和对各元件的实际参数与理论值之间的差别了解了各影响因素对电路和试验结果的影响，从而使测量的结果尽量与理论值之间的差别缩小到最小。

在此真心的感谢老师的细心的指导和教授。让我们对本专业有了更深入的了解，也增强了我们自己的动手能力。

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