用普通LED灯做传感器及数据传输的方法研究含开题及2张CAD图
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用普通LED灯做传感器及数据传输的方法研究含开题及2张CAD图,普通,LED,传感器,数据传输,方法,研究,开题,CAD
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第7页 共7页设计（论文）报告用纸LED传感和光强度显示除了用作指示器和照明器外，现代LED灯也可用作光电探测器（文献1和2）。简单地把红色LED连到万用表，用类似的红色LED等明亮光源照射它，能产生超过1.4V的电压（图1）。一个反向偏置的LED 可以等效为一个电容器和独立电流源相连（文献1）。提高入射光，就会增加了电流源，并使等效电容快速放电到电源电压。图2显示的用LED作为光电探测器的一种方法。连接单片机的输出，引脚2到LED的阴极，提供反向偏置，LED内部电容器充电到电源电压。连接LED的阴极到输入引脚3，附加一个高阻抗负载到LED。照亮LED产生光电流。最初充电到电源电压，LED内部电容通过光电流源放电，当电容上的电压低于单片机逻辑阀值电压，引脚3为低电平。增加光强度，电容放电快；降低光强度，速率变慢。Atmel AVR ATtiny15作为单片机，测量引脚3电压到达低电平的时间并计算LED环境光数量。此外，单片机和同样LED闪烁频率与入射光强度成正比。图1 两个同样的LED，排列紧密，封闭在光隔离的房间里，构成一个光电特性描述装置。选择电阻R和电源V提供额定正向电流给LED照明。图2 连接单片机的输出，引脚2到LED的阴极，提供反向偏置，LED内部电容器充电到电源电压。连接LED的阴极到输入引脚3，附加一个高阻抗负载到LED。（注意图中引脚数只是代表，而不是实际的引脚数。）图3显示的是一个来自Everlight Electronics有限公司()的增亮红色LED，D1，该LED用水清洗胶囊来作为环境光检测器。该电路有四个部分组成，在任意直流电源下操作，从3V到5.5V变化。该电路只用AVR ATtiny15芯片6个引脚中的三个，剩下的引脚可控制或与其他外部设备通信。LED传感器连接到AVR单片机端口引脚PB0和PB1;另一个端口引脚产生一个频率正比于入射光强度的方波。首先，电路提供一个正向电压给LED，维持一段时间，然后，提供反向电压给LED，改变PB0和PB1的位序列。接着，单片机重置，PB0作为输入引脚。内部定时回路测量PB0电位从高电平到低电平的时间间隔。重置引脚PB0和PB1，提供正向偏压给LED，循环结束。时间间隔T和LED环境光照强度成反比。降低光照，LED以低频率闪烁。当环境光强度增加，LED闪烁更频繁，提供了一种对环境光照强度的直观显示。对于较低的正向电流，LED的输出光强度呈相当线性（参考文献2）。在图3，为了测试电路，连接另一个同样的LED的输出到LED传感器D1 。确保外部光不会影响到LED传感器，用透明黑带把LED封闭在密封管中。照明LED的正向电流从0.33到2.8mA变化产生一相对线性的传感器频闪图（图4）。图3 LED兼为光电平传感器。输出引脚PB3发出一频率随光照强度增加而增加的方波。图4 电路方波输出频率显示了对同样传感器和LED的光电平的良好线性关系。LED作为传感器的效率依据它内部反向偏置电源和电容。为了估计反向光电流，把一个1M电阻和LED传感器并联，提供一恒定外部光照，测量电阻上的电压。用500K和100k的电阻替换掉1M的电阻，重复测量。对一个处于不断照明和隔离在外部光照下的代表性LED，所有3个电阻，我们测量到一个大约25nA的光电流。对处在同样光照条件下的LED传感器，测量在引脚PB3产生的频率。为了计算LED反向偏置电容，替代延时时间，LED光电流，单片机高低电平阀值电压方程和C解决，LED有效反向结电容：(dV/dt)=(I/C)，其中，式中dV为高电平电压减去低电平电压，dt为LED内部电容器放电测量时间，I为LED光电流的计算值。选定的LED计算值范围从25到60pF。虽然参考文献3只有电流值，这个范围还是比较了文献3和4的数据。你可以从Design Idea的在线版本中，下载到AVR的汇编语言固件。参考文献：1. Dietz, Paul, William Yerazunis, and Darren Leigh, “Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs”， Mitsubishi Research Laboratories, July 2003, /reports/docs/TR2003-35.pdf.2. Petrie, Garry, “The Perfect LED Light”， Resurgent Software, 2001,/perfect_ led_light.html.3. Miyazaki, Eiichi, Shin Itami, and Tsutomu Araki, “Using a Light-Emitting Diode as a High Speed, Wavelength Selective Photodetector”，Review of Scientific Instruments, Volume 69, No. 11, November 1998, pg 3751, .4.“Optocoupler Input Drive Circuits”,Application Note AN-3001, Fairchild Semiconductor, 2002, www.fairchild /an/AN/AN-3001.pdf.基于单片机的扇性交流线形电源调节器单片机需要范围在2到5.5V的直流操作电源，一个电池或次要的电源就可以轻易满足。然而，在某些情况下，一个基于单片机的产品需要的是一个120或220V交流操作电源，该电源不带降压变压器或高温，降压电阻。作为替代，额定直流线性服务的聚酯/聚丙烯薄膜电容器可以作为一个非消耗的电抗引入（如图1）。电容C1 ,2uF 额定有效值为150V的AVX()FFB16C0205K提供了一个有效的电压降，该电压降可以减少供给二极管桥式整流器D1的电压。由于雷击和负载突变，防火金属薄膜电阻R，电流峰值和瞬时电压引起交流电源曲线的变化。在这种情况下，交流电流没有超过100mA的有效值，51，1W电阻提供了足够的限流电阻R2,5W,160 Yageo ()型号为L的电阻，1N4733A 稳压二极管D2为单片机Freescale () C68HC908QT2提供规定的5V电压。如图显示为基于单片机的风扇速度调整器的典型电路，在这个电路中，热敏电阻监控着空气温度，单片机驱动风扇电机。如图2显示的是一个基于共同接地的二极管整流器和双向闸流灯控制器的光强度调整器。IC2，Fairchild () MOC3021-M，双向闸流驱动光隔离器把灯回路从单片机地回路中分离出来（图3）。在这三个回路的每一个回路中，Kingbright()W934GD5V0 LED指示器都包括内置限流电阻（没有画出）。图1 在这个交流风扇调速器中，C1提供容抗，限制直流输入电流，而没有过多的热量流失。图2 二极管整流器和双向闸流灯控制器共享交流线路中的公共回线。图3 光隔离器把双向闸流高电流交流回路从单片机电源回路中分离出来。简单电路分离出最高电压在一个水冷电力转换器里，外部输入的模拟传感器可以在三个地点测量水冷冻的温度。如果任意三个温度中的一个超过预设阀值时，响起报警来吸引系统操作者的注意。当报警响起时，知道哪个温度点已经达到最高温度可以节省故障诊断时间，避免损坏。图1中的电路会提供一个完部输入模拟电压，该电压等于三个输入电压的最大值，这三个电压驱动着持续温度模拟的显示。LED指示器将指出哪个传感器达到最高温度。外部可调整阀值的对照器（没有展示）将会监控模拟电压输出和激活报警。三个模拟输入信号都是跨越0到10V。由于在这个例子中，被提供在IN1的最大电压驱动着，运算放大器IC1A，类似于反馈回路中的二极管D1，起到电压从动件的作用。运算放大器的开环增益把二极管的正向压降从它的标称值中分离出来，并产生一个“理想二极管”的电压降。运算放大器IC1B和IC1C起到高输入阻抗反向比较器的作用。在反向输入上，每个都有最大输入电压和一两个较低的输入电压IN1和IN2，且都会提供一个反向输入电压波峰附近的输出电压。然而，只有IC1A提供一个正向电压输出给场效应晶体管Q1，IC1B和IC1C提供反向输出给场效应晶体管Q2和Q3。打开Q1，点亮LED D4，电流大约5MA，通过R3为11V，并且保证Q2，Q3和它们之间相应的LED保持关闭。通过R1的电压代表着三个输入中的最大电压，电阻R4和电容C1组成一个低通滤波器，用来减少传感器电缆回生带来的高频噪音。电压随动件IC1D用于缓冲滤波器的输出电压。图2显示的是三个正弦输入的LTSpice的仿真结果及模拟输出和直流电压合成的结果。电路板电路已经设计出。伴随着300KHZ，30KW的电源转换器，它利用1N4004来避免出现故障，且纠正了高频干扰。在噪声比较少的环境下，利用任何一个小信号，波谷值至少超过30V的二极管。在电路中，大部分运算放大器工作良好，但为了抵抗更大的高频干扰，使用JFET输入四运放，例如德州仪器TL084。虽然该电路模型是利用红色LED来做指示器，但其他颜色的LED也可以。为了改变LED电流到另一个值，改变R2和R3的阻值，保持大约2到3的比率。例如R2的阻值为
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