传感器作业三.doc

光敏传感器设计方案一说明：(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=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：LED显示电路信号处理电路信号转换电路光敏电阻 _ _ _ 报警电路 _方案二说明：设一根电阻丝，电阻率为，长度为,截面积为S，在未受力时的电阻值为 R= 如图所示，电阻丝在拉力F作用下，长度增加，截面S减少，电阻率也相应变化，将引起电阻变化R，其值为= 对于半径r为的电阻丝，截面面积S=，则有=。令电阻丝的轴向应变为，径向应变为，由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得=（1+2 通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为= 从上可以明显看出，电阻丝灵敏系数由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸受力引起；由材料电阻率变化引起的。对于金属丝材料，项的值比小很多，可以忽略，故。大量实验证 明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。通常金属丝的=1.73.6。可写成= 任务分析：方案一比较接近实际生活，而且用料节省，方便快捷，有更加清晰的设计思路。而方案二，虽然有着明确的参数设计，可是材料费用较为昂贵，不贴合实际生活，元件稀少不能普遍使用，只能在实验室中进行测量。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 Vref1Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照适宜时Vref1V2 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。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。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。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= 光照适宜时1.4kR3.6k,R=1.4k时,V2= 取R=3.6k时； 取R=15.6k时， 由系统功能及比较器工作原理得：Vref1V1Vref1Vref2Vref2=5mA。于是可得：I= =5mA 所以：R2=668；取R2=402即可满足条件。系统需要的元器件清单表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/1000MA2 R2光敏电阻55371 R1电阻金属膜电阻9U1A比较器LM3391LED1发光二极管SM21