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1、侈州率険课程设计题 目 光照强度传感器的设计指导教师张俊叶学生姓名 赵利微 盖梦雪 石蕊201810805034201810805024 201810805045业 电子信息工程技术教案单位物理与电子信息学院二 O 一三年 五月 二十日 摘 要本设计利用传感器设计的基本方法，设计制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以 实现对光照度信号的测量。光电检测方法具有精度高反应快非接触等优点而且可测参数多传感 器的结构简单形式灵活多样因此光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本设计利用传感 器设计的基本方法，设计制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的 测量。本题设计一个光照强
2、度自动检测、显示、报警系统，实现对外界不同条件下光强的分档 指示和报警。使用光敏电阻光照强度的测量并进行显示，采取单片机对光敏电阻输出变化进行 处理转换成数字量再使用数码管进行显示。关键词光照强度； 光敏电阻； 光电传感器一、绪论光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化 铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的 特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动， 电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下 降。光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的检测 器件，它
3、可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信号转 换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光照度 的数字信号，再进行处理。光电检测方法具有精度高反应快非接触等优点而且可测 参数多传感器的结构简单形式灵活多样因此光电式传感器在检测和控制中应用非常 广泛光照强度自动检测显示系统，该系统可以自动检测光照强度的强弱并显示让人 们知道此时光照强度的强弱。人们可以设定光照强度的范围，一旦超出此范围该系 统可以发出警报通知或直接采取措施使光照强度在此范围内。人们可以通过看此装 置的显示了解现在的光照状态，做合理的光照调节。对于光照检测部分可利用光敏 电阻传感器作为检
4、测元件，它可以完成从光强到电阻值的信号转换，再把电阻值转 换为电信号就可以作为系统的输入信号。对输入信号处理后，就可以用来显示了。二、设计任务要求：设计一个光照强度自动检测、显示、报警）系统，实现对外界三种不同条件下 光强的分档指示和报警弱、适宜、强）。通过采样到的光照射强度选择，在数码管 上显示电压的大小。1）自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的 输出；2）传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完成，完成至少三种以 上不同光照条件下显示报警系统方案的论证和设计；3）完成自然光光照强度自动检测显示报警系统电路方框图、电路原理图的设 计；4）完成自然光光照强度自
5、动检测显示报警系统中核心芯片的选型、系统中各 个参数的计算 备注：1. 含各种元件参数的计算过程或依据 2. 选定最接近计算结 果的元件规格）；5）设计结束后，进行仿真调试。 6）不断检测设计和实践的相差情况 7）仿真调试方案8）给出系统整机电路图。 9）完成课程设计报告 在这里，我们设计两个方案，并选择最佳方案进行设计分析。三、方案设计方案一 ：本次课题设计主要是为了实现光照强度的自动检测与分档显示和报警。 首先，必须设定分档环境，可用三种环境状态分四档。表 3-1-1 不同光照条件下光敏电阻阻值环境状态光敏电阻电阻值太阳光直射Rl=230Q室内日光灯R2=2.05kQ室内黑暗处R3=26.
6、76 kQ其次，将光敏电阻电阻值与上述三种状态下阻值进行比较，实现分档显示、报 警、控制。表 3-1-2 不同光照条件下的显示状态档次控制状态显示状态弱光电灯亮一管亮适宜不亮两管亮强光不亮三管都亮，蜂鸣器响其中有LED始终是灯亮，表示系统开始进入检测状态。电路的结构、组成方块图：从电路原理图看其实很简单，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=36V和VCC=12V，给分压电路、比较器、发光管、蜂鸣器供 电，日光灯。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
7、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。4）显示报警电路。比较器输出端通过限流电阻 Rc 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 Rb 接电源，以提供足够功率。最小基 准电阻发光管并联蜂鸣器。5）控制电路，门电路连接暗光显示端，通过非门输出电压继电器闭合，打开日 光灯。3、各部分单元电路间关系: 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，计为RX原理图 中用一个滑动变阻器代替）。这样就把被测光信号转化为电信号。2）信号测量
8、，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。4）信号控制，通过比较器出来的是电压信号在暗光下系统自动打开日光灯。 单元电路方案设计考虑： 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，
9、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：1) 电源部分：为了驱动比较器，电源电压设置为 362) 分压电路：为了便于分压比较，另一分压电阻 Ra 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，仿真时用两个滑动变阻器代替，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Rb,为了保护发光管，应设置 限流电阻Rc。个阻值计算见参数计算。6) 报警
10、电路：应设置当光照过强时，使蜂鸣器响。将蜂鸣器并联到 Rc3 和 LED3 两端。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。具体状态分析见仿真结果表 3-1-3 元器件类别型号兀器件类别型号直流电源稳压直流电源36V/1000MA光敏电阻5537电阻金属膜电阻比较器HA17339发光二极管SM210363,蜂鸣器无源1206分体5.5欧蜂鸣器或非门74HC02D_2V继电器200nA 0mA日光灯12V_10W直流电源12V日光灯电源)参数计算： 根据电路原理及实际市场计算选择)电源：VCC=12V基准电阻：用来分档，故应等于光敏电阻三种状态下阻值。R=23
11、0QR=2.05kQ R=226.76 KQ分压电阻R3、4、5：为了使分压不至过大或过小影响精度，分别取R3=100。R4=200。 R5=200.相对电压是： VR4=28.08v400*36/500）。 VR4v=（36*200/500。上拉电阻 R 8、 9： R 提供驱动电流，不宜过大，取 R=5Q限流电阻R1、2、11： R=比较器输出电压-发光管压降）/发光管额定电流经计算根据发光二极管1.66v、0.05MA,实际取R=100kQ ,留有一定余地，另外R6与LED3串联表示系统进出检测状态，为了保证1.66v、0.05MA）故取R6=6kQ 。R72kLKei=A100%R42
12、00LWV12LWVLw信号处理部分：采用集成电压比较器 LM358N 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Vrefl, Vref2。工作过程分析如下：光照较 强时Vl VreflVref2，两个比较器的输出电压分别为V2 Vref2， 两个比较器的输出电压分别为 -5V，0）； 光照黑暗时 V3 Vref2 Vrefl两个比较器的输出电压分别为光强显示部分 采用数码管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），LED 1点亮；光照适宜时，两个比 较器的输出电压分别为-5V, 0），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）光报警部分采用有源蜂鸣器作为报警器件。电路连接如原理图所示，用两个 NPN 型 BJT 三 极管的导
