光敏电阻传感器优秀课程设计.doc

东北石油大学

课 程 设 计

课 程 传感器课程设计
题 目 光敏电阻传感器应用电路设计
院 系 电气信息工程学院
专业班级 测控二102
学生姓名
学生学号
指导老师 邹彦艳 赵志华

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
关键内容：
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，就能够用来显示了。显示部分可利用发光二极管来显示，不一样光强对应于不一样发光二极管点亮，就能简单显示出不一样光强了。
基础要求：
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
关键参考资料：
[1] 赵负图.中国外传感器手册[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,.
[3] 丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,.
[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 .7.13—.7.22
指导老师 邹彦艳 赵志华
专业责任人 曹广华
7 月 12 日

摘 要
光照强度自动检测显示系统，该系统能够自动检测光照强度强弱并显示让大家知道此时光照强度强弱。大家能够设定光照强度范围，一旦超出此范围该系统能够发出警报通知或直接采取方法使光照强度在此范围内。大家能够经过看此装置显示了解现在光照状态，做合理光照调整。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，它能够完成从光强到电阻值信号转换，再把电阻值转换为电信号就能够作为系统输入信号。对输入信号处理后，就能够用来显示了。对于显示部分可利用发光二极管来显示，不一样光强对应于不一样发光二极管点亮，就能简单显示出不一样光强了。

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，实现对外界三种不一样条件下光强分档指示和报警（弱、适宜、强）
1、依据题目选定光照强度自动检测所用光电传感器类型
(1)自己设计最少三种以上不一样光照条件，测定不一样光照条件下光电传感器输出；
(2)传感器测量电路采取集成运算放大器组成比较器完成，完成最少三种以上不一样光照条件下显示报警系统方案论证和设计；
(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、电路原理图设计；
(4)完成自然光光照强度自动检测显示报警系统中关键芯片选型、系统中各个参数计算（备注：1. 含多种元件参数计算过程或依据2. 选定最靠近计算结果元件规格）；
(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、完成课程设计汇报
二、方案设计
1、方案说明
(1)传感器选择：选择光敏电阻作为采集光照信号传感器。
(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光敏电阻阻值为<=320欧、1.4--3.6k欧、>=15.6k欧。
(3)方案原理图：系统功效描述：考虑到系统实用价值,确定了光照适宜时光敏电阻值范围为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。即光照不宜时就会报警，所以该系统不仅能够完成光强显示、报警，而且能够判定光照是否适宜。
原理框图以下：

LED显示电路
报警电路
光敏电阻
光敏电阻
信号转换电路
信号处理电路

图1 原理框图

2、方案论证
(1)光照强度信号采集部分
采取光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应一个光电器件，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一个，它含有灵敏度高、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，并把不一样光照强度转化为不一样电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不一样电阻值转化为不一样电压值，电路如原理图所表示。于是，就把对光照信号处理转化为对电压信号V处理。
(2)信号处理部分：
采取集成电压比较器LM339N作为信号处理关键元件，电路连接如原理图所表示。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。工作过程分析以下：光照较强时V1> Vref1>Vref2，两个比较器输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时Vref1>V2> Vref2， 两个比较器输出电压分别为（-5V，0）； 光照黑暗时V3< Vref2 < Vref1 两个比较器输出电压分别为（-5V，5V）。这么就完成了从模拟信号到数字信号转换,显示部分就变得轻易了。
(3)光强显示部分
采取发光二极管显示不一样光强状态。因为比较器驱动能力有限，所以在输出端加一个上拉电阻提升其驱动能力。电路连接如原理图所表示，分析以下：当光照较强时，两个比较器输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照适宜时， 两个比较器输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮； 光照黑暗时，两个比较器输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮。这么三种状态就显示出来了。
(4)光强报警部分
采取有源蜂鸣器作为报警器件。电路连接如原理图所表示，用两个NPN型BJT三极管导通来控制报警电路导通，三极管导通又受发光二极管导通是否控制，发光二极管导通受光照控制。所以光强就能够控制报警器了，设计方案采取了当光照较强或较暗时报警。工作过程分析以下：当光照较强时，两个比较器输出电压分别为（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传感器，它敏感波长在可见光波长周围，包含红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光探测，它还能够作为探测元件组成其它传感器，对很多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号改变即可。光传感器是现在产量最多、应用最广传感器之一它在自动控制和非电量电测技术中占有很关键地位。
光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成一个特殊电阻器，对光线十分敏感，它电阻值能伴随外界光照强弱（明暗）改变而改变。她在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值快速减小。广泛应用于多种控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中高度自动调整，摄影机中自动曝光控制等）及多种测量仪器中。
光敏电阻又称光导管，它几乎全部是用半导体材料制成光电器件。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，也能够加交流电压。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光照时，它阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流快速增大。 通常期望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻灵敏度高。实际光敏电阻暗电阻值通常在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。
该系统可经过光敏传感器将光照强弱信号转化为电信号经过发光二极管显示和蜂鸣器报警从而成为光照强度自动显示检测系统。光照强度不一样光明传感器组织不一样，当光照强度很强时，光敏传感器阻值很小；当光照强度弱时，光敏传感器组织很大；当光照强度适宜时光敏传感器阻值介于强光和弱光阻值之间。所以能够经过光敏传感器将光信号变为电信号，并能够利用光照传感器受光照不一样阻值不一样产生电信号不一样从而显示不一样信号。

四、电路工作原理

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。结构分析以下：
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。包含光敏电阻分压和基准电阻分压。
3、比较电路。比较器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。比较器输出端经过限流电阻接发光二极管，同时为预防比较器无法驱动发光管，输出端经过上拉电阻接电源，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关系，我以信号步骤做主轴，分析以下：
1、信号采集，光敏电阻处于被测环境感光，会有一感光阻值，这么就把被测光信号转化为电信号。
2、信号测量，为了知道光敏电阻阻值在所分哪档之间，需要进行测量比较。分压电路和比较电路就是完成此功效。光敏电阻和基准电阻分别分压接入比较器两端（实际上是被测信号和基准信号比较）。因为另一分压电阻相同，电阻大分压就多。比较结果反应在比较器输出端。采取了三个比较电路比较，就能够确定光敏电阻在四档哪一档。
3、信号表示，经过比较器出来是电压信号，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方面综合考虑。以完成课题功效要求为前提，尽可能使电路简单清楚。根据前面分析，首先应将系统分为三个模块，其中测量显示电路关键设计分析以下：
(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，比较器负输入端全部小于正输入端，比较器输出全部为正，三个发光管全部亮。
(4)为了实现光敏电阻正确连续分压，仿真时用滑动变阻器替换，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。其它状态，蜂鸣器全部不响。
2、参数计算
(1)因为本系统最关键要功效是判定光照是否适宜，而当光照适宜时光敏电阻组值R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)
由系统功效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；这么就确保了系统在光照不宜时就报警。Vref1=4.7V，Vref2=4.2V能够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。不过这两个阻值在金属膜电阻中没有，能够分别用1.5k和2.7k串联，1.6k和1.6k并联得到。
(3)上拉电阻R2，R3计算
因为比较器LM339N输出电流为nA级，所以忽略不计；三极管LED导通时，采取恒压降模型，相当于于1.66V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%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关键参数表
参数名称
符号
数值
单位
电源电压
VCC
±18 或36
V
差模输入电压
VID
±36
V
共模输入电压
VI
-0.3～VCC
V
功耗
Pd
570
mW
工作环境温度
Topr
0 to +70
℃
贮存温度
Tstg
-65 to 150
℃
LM339输出部分是集电极开路,发射极接地 NPN输出晶体管,能够用多集电极输出提供或 OR ing功效.输出负载电阻能衔接在可许可电源电压范围内任何电源电压上,不受 Vcc端电压值限制.此输出能作为一个简单对地SPS开路(当不用负载电阻没被利用),输出部分陷电流被可能得到驱动和器件β值所限制.当达成极限电流(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 γSAT限制。当负载电流很小时,输出晶体管低失调电压(约1.0mV)许可输出箝位在零电平。
BJT1、2关键参数：
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)：该产品采取外延平面工艺结构，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。
系统需要元器件清单
表2 元器件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
备注
Vcc
直流电源
稳压直流电源 5V/1000MA
2

R2
光敏电阻
5537
1

R1
电阻
金属膜电阻
9

U1A
比较器
LM339
1

LED1
发光二极管
SM210363
3

BJT1
发光三极管
BJT（2N6773）
2

U3
蜂鸣器
无源1206分体5.5欧蜂鸣器
1

六、总结
我认为设计此装置能够让我们得到适宜光照，便于调整。能够用于大棚蔬菜培养，路灯控制，汽车在夜间行驶时突遇强光照射司机眼睛等问题。当汽车行驶时，光照很强照在司机眼睛上时，光敏电阻可在抵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，能够保护眼睛同时能够避免交通事故发生。此装置用于路灯控制，因为冬夏日照不一样，此装置可依据亮度不一样控制路灯，这么一来能够节省资源同时能够在最需要时候开启路灯。
经过此次课程设计，我对传感器、电路系统设计有了更深了解也加强了我实际动手能力。也第一次这么近距离了解自动化含义，了解传感器。接触到我们以后需要使用和深入了解程序。不管是电路理论，还是实际应用，经过此次设计后我能力全部有了不少提升。同时在此次课程设计时，也暴露了自己不少毛病，如设计过程中缺乏规范化，标准化，仿真软件不熟悉等。刚开始时候，Protel完全不会，但经过两天探索，也逐步上手了。经过这几天努力奋斗，最终做出电路原理图，心里有一个莫名成就感。在这次课程设计中，我也有很多不足，做事太急。方案设计没有能实现很多功效，知识面狭隘，学过知识遗忘了。我会努力将基础打牢，争取在下一次课程设计中有新奇想法，做东西功效更为全方面。日常我们上课学习理论知识有时认为挺轻易，但一旦自己真正动手设计，才发觉自己有很多不足。只有实践才能提升自己能力，所以我期望有更多类似课程设计。

参考文件

[1]赵负图.中国外传感器手册[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,.
[3]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,.
[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,.
[6]谢自美.电子线路设计、试验、测试[M].武汉::华中科大出版社,.

东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
传感器课程设计
题目名称
光敏电阻传感器应用电路设计
学生姓名

学号

指导教
师姓名
邹彦艳赵志华
职称
副教授
讲师
序号
评价项目
指 标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满完成了要求任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于和她人合作。
20

2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练正确，分析问题思绪清楚，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45

3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有部分改善或有一定应用价值。
5

4
答辩
能正确回复指导老师所提出问题。
30

总分

评语：

指导老师： 年 月 日