传感器课程设计基于光敏电阻

1、绪论 本次课程设计基于传感器的工作原理，应用光电传感器对室内的自 然光进行采集，对应光信号对室内的日光灯进行控制，以达到节约能源、 智能控制、满足多需求控制等要求，设置一定的精度误差，对信号进行 调制，并应用负反馈将输出光强反馈到输入，以达到减小输出误差的效 果，使得控制更加准确，实用性更高。 本次设计应用多个滤波、调制电路，外加采集信号时的误差，就要 求相应仪器有较好的精度。 W. 需求分析 1通常情况下，于缺乏科学管理，照明系统的使用浪费现象屡见不鲜，有时 在借助外界环境能正常工作和夜晩室内空无一人时整个房间内也是灯火通明。这 样 卜来无形中所浪费的电能是非常惊人的。据测算这种现象的耗电占

2、所有耗电的40% 左右。因此，有必要在保证照明质量的前提下实施照明节能措施。这不仅可以节约 能源,而且会产生明显的经济效。 2对于有些情况下，我们对于不同惜况会有不同的亮度，周围环境的光线强度 自动调节曰光灯亮度，给灯具输出一个最佳的照明功率，这样既可减少照明眩光， 可以使灯光所发出的光线更加柔和照明分布更加均匀。 3系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作场 合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节 省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。 二.系统设计 传统的曰光灯工作模式，大部分是口天开灯，晚上关灯的模式。日光灯工作过 程中不论周

3、围环境如何变化都保持额定功率输出亮度不可调节。因此我们需要的是 可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，不同的光照对 应不同的灯亮度控制。按照给出的设定值利用负反馈来减小偏差，以达到较为精准 的灯光调节控制。 2.1基本控制流程及电路设计 复位按钮 延时选择电路 环境亮度传 AT89C51 感模块 单片机 继电器 照明 设备 被动式热释电 红外传感器 强制开关按钮 22光传感器工作原理: 2.2.1光敏器件基本原理 利用光敬电阻感应光对应其电信号的输入，将光信号转换成相应的电信号，设 置一个初始的设定光信号，即对应设定电信号输入。再将釆集的外界的光信号转化 成电信号输入，再

4、取偏差值，经过放大器放大，偏差为负，则开关打到较强档；若 偏差为零，则开关打到中间档，中间档对应设定光强；若偏差为证，则开关打到较 弱档。最后，将输出的信号再反馈到输入端，这样，经过若干次循环，灯光控制就 趋于设定值。 光传感器是利用光敬元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敬感 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。 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化 转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信

5、号。光电传感 器一般山光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器 件作为 转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测 参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中 应用非常广泛。 光敬二极管是最常见的光传感器。光敬二极管的外型与一般二极管一样，只是它的 管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积 做得较大，光敬二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光 照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电 流；当有光照 时，载流子被激发，产生电子空穴，称为光电载流

6、子。在外电场的作用下，光电载 流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的 大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光 照强度变化而变化的电信 号。 Vs P N Ca)结构原理 (b )工作原理 光敏二极管 汁NP N下 (a )结构原理 VT 匸 (b)工作原理 光敏三极管 图示为光敬二极管和光敬三极管原理图。光敬二极管和普通半导体二极管一样, 它的PN结具有单向导电性，因此光敏二极管工作时应加上反向电压。光敬三极管的 集电极接正电压，其发射极接负电压。当无光照射时，流过光敬三极管的电流，即正 常惜况下光敬三极管集电极与发射极之间的穿透电流Ice。，也

7、是光 敬三极管的暗 电流。无光照时，处于反偏的光电二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反 向偏压的作用下，越过阻挡层形成微小的反向电流(暗电流)。反向电流(暗电流) 小的原因是PN结中P区的电子和N区中的空穴很少。当光照射在PN结上时，PN结 附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子一空穴对，使得P区和N区的少数载流子 浓度增加，在外加反偏电压和内电场的作用下，P区的少数载流子越过阻挡层进入N 区，N区的少数载流子越过阻挡层进入P区， 从而使通过PN结反向电流增加，形成光电流。光电流流过负载电阻RL时，在 电阻 两端将得到随入射光变化的电压信号，实现光f电功能转换。 222光敏元件特性参数:

8、 50 25 10203040 506070 100 0181* 10 2030 40 5060 7080 Cb)光敏三极昔温度特性 齐、裂誓赵苦F 光敏二极爸温度特性 12 16 20 iftfexiQr2 nm 光敏二极管和光敏三极管光谱特性 500 moo 0200 44X) 600 SOO 1000 1200 照度/R (b )光鹼二极管的光照特性 光敏三极管的光照特性 2.23基本使用注意事项 光敏传感器釆用防静电袋封装。在使用的过程中应该避免在潮湿的环境 中使用, 还应该注意表面的损伤和污染程度，应该它们均会影响光电流。应用领域光敬传感 器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机

9、、监控器、光控玩具、声光控开关、 摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音只蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开 关等电子产品光自动控制领域。 23滤波和信号转换电路 测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，并 且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其他处理过程，也会混入各种不 同形式的噪声，从而影响测量精度。滤波器是具有频率选择作用的电路或 运算处理 系统，当信号与噪声分布在同频带中时，可以从频率域实现信号分离。在实际测量系 统中，噪声与信号的频带往往有一定的重叠，如果重叠不很严重，仍可利用滤波器有 效地抑制噪声功率，提高测量精度。 010mA/05V转换电路

10、 2.4脉宽调制（PWM）控制电路原理简述 脉宽调制控制电路的基本构成和丄作原理等叙述如下。 （1）PWM的基本电路 基本的脉宽调制控制电路山电压一脉宽转换器和开关功率放大器组成其 组成原理如图所示。电压一脉宽转换器的核心是运算放大器（比较器）。运算 放大船A输入信号有调制信号Ur （其频率为主电路所需的开关调制频率）、负偏 置 电压Up、控制电压UG由于运算放大器A为开环，因此，该比较器的输出仅取决于 输入方向的两个极限值（取决于Uc（Ut+Up）的正负），此输出经开关 功率放大 器输出到触发脉冲列逆变器。 图所示，调制电压“Ut为锯齿波，当控制电压UcUt-Up时，运算放大器 的 输出为低

11、电平（-Uom）如图（b）所示；反之，当UcB”输出端保持髙电平。当比较器的两个输入值相等时，“AB” 端变零，并且直到计数器溢出之前保持为低电平。溢出后，“AB”端恢复为高电平, 并重复执行该过程。 输岀波形的周期T二256TC,而脉冲宽度r=D*Tco其中D为控制的数值，Tc 为时钟周期。如果要求PWM频率为1kH乙则CLK的频率应为256kHZo图中8255A 的PC7位用于控制计数器的工作；D0-D7为8位数据输入端，全部为双向三态； /CS为片选端，低电平有效；AO； 为通道0、1的选择信号端；/RD为读信号 输入端，低电平有效；/WR为写信号端，输入，低电平有效；RESET为复位信

12、号输 匕、 C、P 【咽嬴J电命門数俏比较晶 图b il数式PWM电路原理图 PWX4输出 25整流滤波电路 单相桥式整流电容滤波电路 (1) 二极管的导电角0內流过二极管的电流为不连续的且幅度很大的电 (2) 脉冲，它比输出电流大许多倍。实际中近似估算为/2 = (1.5-2) II. (2) 负载平均电压升高，纹波减小。并且心C越大，电容放电越慢，负载压中 的纹波成分越小，负载平均电压越高。 为了得到平滑的负载电压，实际中一般取心二ReCM(35)T/2式中，T为电源 交流电压的周期。 (3) 滤波电容估算 C 2 (3 5)772 三测控电路设计及单片机控制实现 3.1模数转换 转换输出

13、的电压经过模数转换，将变化的电压转化为数字信号，输入单片机进 行运算处理。 3 2单片机控制 将经过模数转换的输出电压出入单片机，利用软件编程使输出参考信号与输入相对 应，从而实现PWM调制。 3.3单片机控制的主流程控制 ORG 0000H SJMP MAIN 主程序入口 ORG 0003H AJMP OUTPUT ；中新输岀子程序入口 ORG 0050H MAIN: MOV SP,#3OH SETB ITO SETB EA W. CLR EXO ,初始亿,谡置中新 MOV R0,#7FH 、初始尧度为中冋值 UNHOLD: ORL P2,#01H ;开机皱扫柏 LCALL DELAYKEY

14、 MOV C,P20 JC UNHOLD :低电平开机 CLRC START: 、开机运行程序 ORL P2,#O1H ;关机钱扫抽 LCALL DELAYKEY MOV C,P2.0 JNC UNHOLD ;低电平关机 SETB EXO :开中斷 MOV P1,R0 ORL P2,#06H LCALL DELAYKEY JNB P2.1,UPR0 ,进入阵低亮度子程序 JNB P22,DOWNRO ;迸入舞加痔攻子瘦序 AJMP S17XRT UPRO: MOV A, RO ADD A,#OFH JC UPFULL ;刃疥玫加 MOV RO,A LJMP START w. UPFULL: M

15、OV RO,#OFFH LJMP SBRT DOWN RO: MOV A, RO SUBB A,#OFH JC DOEMPUTY MOV RO,A LJMP SBRT DOEMPUTY: MOV RO,OOH LJMP START OUTPUT: ；输出子程序 PUSH ACC SETB P3.0 MOV A, RO LCALL DELAY CLR P3.0 ；氏电平触发 NOP NOP NOP SETB P3.0 POP ACC RETI DELAY: 、延肘手程序 MOV R1,A D1: MOV R2,#14 DJNZ R2,$ DJNZ R1,D1 RET DELAYKEY: ,延肘请

16、抖子程序 RET MOV R1,#20 DEL2: MOVR2,#10 DEL1: MOVR3,#124 NOP DELO: NOP NOP DJNZR3,DELO DJNZR2,DEL1 DJNZR1,DEL2 RET SJMP $ END 四.抗干扰措施 抗干扰技术是设计过程中的重要环节，合理地使用抗干扰技术，可使系统最大 限度的避免干扰的产生和受干扰后能使系统恢复正常运行，保证系统长期稳定可靠 地工作。 仁 系统供电线路是干扰的主要来源，防止从电源系统引入干扰，可釆取交 流 稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过圧和欠压。使用隔离变压器滤掉高频 噪 声，低通滤波器滤掉工频干扰。釆用开关电源

17、并提供足够的功率余量，装置中两个 模块的主机部分使用单独的稳压电路。 2、山于环境温度及入射光波长等对光敬电阻影响很大，所以应该给光敬电阻提 供稳定的温度及光照条件。 3、由于光敏电阻的暗阻很大，壳阻相对很小，而放大器处于开路装，任何微小 的干扰都可能产生较大的影响。为此传感器与放大器之间必须采用屏蔽电缆，以便 屏蔽外部干扰，而且使用中需将屏蔽线固定，以防止电缆在突然弯曲或受到振动时， 屏蔽网与绝缘之间产生摩擦静电。各芯片也因技术指标不一，而存 在噪声和内部干 扰。 4、光敬电阻的大部分参数都随温度变化，从而使传感器的灵敏度发生变化。各 种光敬电阻的温度系数不同，而且光敬元件及壳体的儿何尺寸在

18、外界环境和光 照状 态下的热膨胀和热应力也会引起温度误差，因此，要正确选择材料和确定传 感器的 使用温度范围，适当的工作温度范围，才能保证温度误差的要求。 五总结报告 1 本次设计中，我们取用固定的设定值进行开关调节控制输入设定信号，比较 准确，容易执行。但是，山于设定值的唯一性，就会造成控制的局限和欠缺灵活。如 果在输入端将信号的设定值改为一个变量，即输入作为光强弱的函数信号。这样会 更加实用，更加灵活，但是结构会相对复杂，误差也会有所增加，所以组成系统的元 部件就要求精度更高，这样才会使控制更加准确，才会有更好的实用性。 2本次设计我们组成员一起协商，开始制定的方案如下：区分三个光的亮度 区 间，分别对应三个不同的开关。即： 光强较弱时开光控制灯光为亮显示；光强在中间范围时显示为一般状态；光 强 较量时开关拨至较弱档。这样直接控制，误差较大，且不易减小。如果按照上述想要 减小误差，就必须加入反馈环节，但是这样的反馈会流程会比较复朵，因 为反馈的 信号必须和三个区间的光强进行比较，才能控制开关，而且只是作为比 较应用，并 不和输入信号求偏差，所以，