光敏傳感器設(shè)計(jì)課設(shè)

光敏傳感器設(shè)計(jì)課設(shè)光敏傳感器設(shè)計(jì)課設(shè)傳感器課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求.........................................................2二、方案設(shè)計(jì).........................................................21、方案說明....................................................22、方案論證....................................................3三、傳感器工作原理...................................................4四、電路的工作原理...................................................5五、結(jié)構(gòu)分析.........................................................7六、單元電路設(shè)計(jì)、器件選擇...........................................81、單元電路設(shè)計(jì)................................................82、器件選擇....................................................8七、設(shè)計(jì)結(jié)果展示..................................................9一、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(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(yáng)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)，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：(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(wú)光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很?。划?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、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>Vref1>Vref2，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時(shí)Vref1>V2>Vref2，兩個(gè)比較器的輸出電壓分別為（-5V，0）；光照黑暗時(shí)V3(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(wú)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(wú)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4.1.硬件電路圖路、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(wú)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4.1.硬件電路圖4.3PCB版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(wú)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、結(jié)構(gòu)分析1、供電電源VCC=5V，為分壓器，二極管，蜂鳴器，比較器供電。2、光敏電阻分壓基準(zhǔn)電阻分壓。3、比較電路U1A為強(qiáng)光比較，光敏電阻分壓輸入正極，輸出正極信號(hào)U1B為弱光比較，光敏電阻分壓輸入負(fù)極，輸出正極信號(hào)4、報(bào)警電路通過穩(wěn)壓三極管連接形成回路六、單元電路設(shè)計(jì)、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。電源VCC=5V光敏電阻：LDR發(fā)光二極管×3TLC339×2NPN(2N3904)×3R6200?R2300?R9、R10400?R41k?R84k?R520k?七、設(shè)計(jì)結(jié)果展示在課設(shè)過程中，使我受