东北石油大学
课 程 设 计
20##年 7 月 22日
任务书
课程 传感器课程设计
题目 光敏电阻传感器应用电路设计
专业 测控二102 姓名 学号
主要内容：
设计一个光照强度自动检测系统，可分光照检测部分、信号处理部分、光强显示部分、报警部分。光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件。输入信号处理后，就可以用来显示了。显示部分可利用发光二极管来显示，不同的光强对应于不同的发光二极管点亮，就能简单的显示出不同的光强了。
基本要求：
1、查阅资料，确定设计方案
2、选择器件，设计硬件电路，并画出原理图
3、编写采集程序
4、撰写课程设计说明书
主要参考资料：
[1] 赵负图.国内外传感器手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1998.
[2] 杨崇志.特殊新型电子元器件手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2003.
[3] 丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,2000.
[4] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,1999.
完成期限 2011.7.13—2011.7.22
指导教师 邹彦艳 赵志华
专业负责人 曹广华
20##年 7 月 12 日
摘 要
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。该设计可分为三部分：即光照检测部分、信号处理部分、光强显示部分。还可加上报警部分。对于光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件，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。对于显示部分可利用发光二极管来显示，不同的光强对应于不同的发光二极管点亮，就能简单的显示出不同的光强了。
关键词：光敏电阻；光电传感器；光照强度；发光二级管
目 录
一、设计要求........................................................ 1
二、方案设计........................................................ 1
1、方案说明.................................................... 1
2、方案论证.................................................... 2
三、传感器工作原理.................................................. 3
四、电路的工作原理.................................................. 4
五、单元电路设计、参数计算和器件选择.............................. 5
1、单元电路设计................................................ 5
2、参数计算.................................................... 5
3、器件选择.................................................... 6
六、总结............................................................ 8
题 目
一 、设计要求
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）
1、根据题目选定光照强度自动检测所用的光电传感器类型
(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。
2、仿真调试方案
给出系统整机电路图。
3、完成课程设计报告
二、方案设计
1、方案说明
(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。
原理框图如下：
图1 原理框图
2、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器件，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，0）； 光照黑暗时V3< Vref2 < Vref1 两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V）。这样就完成了从模拟信号到数字信号的转换,显示部分就变得容易了。
(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，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)光强报警部分
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。
三、传感器工作原理
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。
光敏电阻又称光导管，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， 此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。
该系统可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。
四、电路的工作原理
图2 整机电路图
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=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。
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。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、单元电路设计
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：
(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。
2、参数计算
(1)由于本系统最核心要的功能是判断光照是否适宜，而当光照适宜时光敏电阻的组值R的范围为1.4--3.6k欧，黑暗时光敏电阻阻值大于15.6 k欧，为了计算方便，R1选择20 k欧。
(2)Vref1，Vref2的计算
光照很强时，R<=320欧
取R=320欧，V1= (1)
光照适宜时1.4k<R<3.6k,
取R=1.4k时,V2= (2)
取R=3.6k时； (3)
光照黑暗时，R>=15.6k
取R=15.6k时， (4)
由系统功能及比较器工作原理得：
Vref1<V1
Vref1<V2
Vref1>
Vref2<
Vref2<V3
所以取Vref1=4.7V，Vref2=4.2V；这样就保证了系统在光照不适宜时就报警。Vref1=4.7V，Vref2=4.2V可以由串联分压电路分压得到：4.7V电压可由一个4.7k电阻和一个300欧的电阻串联于5V电源得到；4.2V电压可由4.2k和0.8k电阻串联得到。但是这两个阻值在金属膜电阻中没有，可以分别用1.5k和2.7k串联，1.6k和1.6k并联得到。
(3)上拉电阻R2，R3的计算
由于比较器LM339N输出电流为nA级，因此忽略不计；三极管LED导通时，采用恒压降模型，相当于于1.66V的电压源。设LED发光二极管导通时电流为I，则I>=5mA。于是可得：
I= >=5mA (5)
所以：R2<=668；取R2=402即可满足条件。
3、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=1.5 kΩ R3=150 kΩ
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1 比较器LM339主要参数表
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。
BJT1、2主要参数：
电压(Voltage)：30V；
电流(Current)：800mA ；
功率(Power)：800mW；
材料(Material)：硅Silicon；
极性(Polarity)：NPN型；
结构(Craft)：NPN硅外延平面高频小功率开关晶体管；
频率类型(Frequency)：fT(MHz) ≥250；
特点(Feature)：该产品采用外延平面工艺结构，工作频率高、金属封装、体积小、重量轻、安装方便；
放大倍数(Enlargement factor)：35-300；
使用范围(Using)：产品可用于高频震荡、高频小信号放大、小功率电源调整电路。
系统需要的元器件清单
表2 元器件清单
六、总结
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。
通过本次课程设计，我对传感器、电路系统设计有了更深的的理解也加强了我的实际动手能力。也第一次这么近距离的了解自动化的含义，了解传感器。接触到我们以后需要使用和进一步了解的程序。不管是电路理论，还是实际应用，经过此次设计后我的能力都有了不少提升。同时在本次课程设计时，也暴露了自己的不少毛病，如设计过程中缺乏规范化，标准化，仿真软件不熟悉等。刚开始的的时候，Protel完全不会，但经过两天的摸索，也逐步上手了。通过这几天的努力奋斗，最终做出电路原理图，心里有一种莫名的成就感。在这次课程设计中，我也有很多不足，做事太急。方案的设计没有能实现很多的功能，知识面狭隘，学过的知识遗忘了。我会努力将基础打牢，争取在下一次的课程设计中有新颖的想法，做的东西功能更为全面。平常我们上课学习理论知识有时觉得挺容易的，但一旦自己真正动手设计，才发现自己有很多不足。只有实践才能提高自己的能力，因此我希望有更多类似课程设计。
参考文献
[1]赵负图.国内外传感器手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1998.
[2]杨崇志.特殊新型电子元器件手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2003.
[3]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,2000.
[4]康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,1999.
[5]李科杰.新编传感器技术手册[M].北京::国防工业出版社,2002.
[6]谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].武汉::华中科大出版社,2001.
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