光敏传感器(DOC)

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计

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。

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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。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 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

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 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。

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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。

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