光敏报警器教材.docx
《光敏报警器教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光敏报警器教材.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
光敏报警器教材
课程设计（论文）说明书
题目：
光敏报警器
院（系）：
信息与通信学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师：
蒋俊正
2013年12月16日
摘要
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。
关键词：
光敏电阻；ne555；报警器
Abstract
NE555isamodelwhichbelongstothetimingofIC555series,555seriesIC,pinfunctionsandapplicationarecompatible,butthemodelsofdifferentbecauseofthedifferentpricesoftheoscillationfrequencystability,powersaving,butalsoproducesdifferent;whilethe555timeICisaveryversatileandquitegenerally,onlyahandfulofresistanceandcapacitance,canproduceavarietyofdifferentfrequencypulsesignalneededfordigitalcircuit.
Photosensitiveresistorsaregenerallyusedforcontrolsurvey,ofthelightandphotoelectricconversion（thelightchangesintoelectricalchanges）.Commonlyusedphotosensitiveresistorcadmiumsulphidephotoresistor,itismadeofsemiconductormaterials.Thesensitivityofphotosensitiveresistortolight（i.e.spectralcharacteristics）andeyeonthevisiblelight（0.4~0.76）responseofMisveryclose,aslongasthehumaneyecanfeelthelight,willcausethechangeofitsresistance.Thedesignofthelightcontrolcircuit,withincandescentlamp（bulb）lightornaturallightasthecontrolsource,whichgreatlysimplifiesthedesign.
Keywords：
Photosensitiveresistor；NE555；Alertor
引言
报警器在现实生活中的应用非常广泛，在汽车、摩托车、电动车、大门以及家庭安全系统中都使用了报警电路。
随着社会的进步，人们对安全的要求也越来越高。
传统报警器绝大多数采用震动传感器感知外界变化，然而这类传感器的抗干扰能力十分有限，容易受到外界干扰产生误报，例如风雨、雷电、请点播、强声波等。
而光电报警器与传统的报警器相比，具有很强的抗干扰能力、无误报等优点，跟外界的干扰具有天然的隔离作用，克服了传统的震动传感器的缺陷。
1系统设计任务
从稳定性、可靠性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件，找到适合的功能电路，运用光敏元件的特性来实现当有光照入时，光敏电阻的阻值迅速减小，电路电流迅速增大，接通报警器，发出警告声的目的。
2总体系统方案的设计与选择论证
2.1设计思路
此次设计要求完成基于光控报警电路的设计、连接，选择适合电路元器件。
整个设计的核心部分就在采用了ＮＥ５５５控制其它电器进行工作的设计，当光控报警电路受到一定的光照时，光敏电阻值迅速下降，分压点电位升高，电路产生震荡，报警器就发声报警。
设计原理如图2-1所示。
图2-1系统设计原理
2.2光敏报警器的工作原理
图2-2光敏报警器原理图
如图2-2所示，电路中555时基集成电路接成典型无稳态工作方式，光敏电阻RL与可变电阻器RP构成光控触发回路。
当RL无光照射时，呈高电阻状态，RL与RP的分压点即555型时基集成电路的4脚电位较低，若小于0．4V，555时基集成电路被强制复位，电路不振荡，U1无声，D1不发光。
若打开抽屉、文件柜等，室内光线照射到RL上时，RL受光激发，电阻值迅速下降，分压点电位升高，当大于0.4V时（少数时基电路为大于1V），强制复位被解除，电路立即产生振荡，U1就发声报警，同时D1发光。
调节电位器RP阻值，可改变分压点即555时基集成电路4脚电位的高低，从而可以调节光控报警器的灵敏度。
3系统电路的设计及原理说明
3.1NE555的工作原理
图3-1NE555
NE555（TimerIC）为8脚时基集成电路，大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位功能并没变化，所以到目前都可直接的代用。
NE555生产厂家其中主要由此5家厂家、5大品牌技术商生产、NXP恩智浦、TI德仪、NEC日电、ST意法半导体、FAIRCHILD仙童。
3.1.1NE555的主要特点
（1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
（2）它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。
（3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
（4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
3.1.2NE555的引脚功能
如图3-2，NE555管脚图
Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
图3-2NE555管脚图
3.1.3NE555的参数功能与极限参数
（1）参数功能
供应电压4.5-18V
供应电流10-15ma
输出电流225mA（max）
上升/下降时间100ns
（2）极限参数
电源电压：
+18v
允许功耗：
600mW
工作温度：
-10—+70℃
储藏温度：
-65—+150℃
最高结温：
300℃
3.1.4NE555的内部结构
NE555内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。
图3-3NE555内部结构图
3.2光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。
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，也加交流电压。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
3.1.1光敏电阻的结构
光敏电阻通常是由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
3.1.2光敏电阻的特性
（1）光照特性
在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。
不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。
一般在自动控制系统中用作光电开关。
图3-5光敏电阻的光照特性
（2）光谱特性
光谱特性与光敏电阻的材料有关。
从图3-6中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。
因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
图3-6光敏电阻的光谱特性
（3）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系称为伏安特性。
图3-7中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。
由曲线可知，在给定偏压下，光照度越大，光电流也越大。
在一定光照度下，所加的电压越大，光电流越大。
而且无饱和现象。
但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。
图3-7光敏电阻的伏安特性
（4）频率特性
图3-8中曲线1和2分别表示硫化锅和硫化铅光敏电阻的频率特性，从图中可看出，这两种光敏电阴的频率特性较差。
这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，当人射光强上升时，被俘获的自由载流子达到相应的数值需要一定时间;同样，人射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也比较慢，光敏电阻的阻值，要经一段时间后才能达到相应的数值（新的平衡位），故其频率特性较差。
有时以时间常数的大小说明频率响应的好坏。
当光敏电阻突然受到光照时，电导率上升到饱和值的63%所用的时间，被称为上升时间常数.同样地，下降时间常数是指器件突然变暗时.其导电率降到饱和值的37%（即降低63%）所用的时间。
图3-8光敏电阻的频率特性
（5）温度特性
光敏电阻和其他的半导体器件一样，它的性能受溢度的影响较大。
随着温度的升高灵敏度要下降。
硫化锅的光电流I和温度T的关系如图3-9所示。
有时为了提高灵敏度，
将元件降温使用。
例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。
随着温度的升高，光敏电阻的暗电流上升，但是亮电流增加不多。
因此，它的光电流下降.即光电灵敏度下降。
不同材料的光敏电阻，沮度特性互不相同，一般硫化锅的溢度特性比硒化锅好，硫化铅的温度特性比硒化铅好。
光敏电限的光谱特性也随沮度变化。
例如，硫化铅光敏电阻，在十20℃与-20℃沮度下，随着温度的升高，其光谱特性向短波方向移动。
因此为了使元件对波长较长的光有较高的响应，有时也可采用降温措施。
图3-9光敏电阻的温度特性
（6）暗电阻、亮电阻、光电阻
光敏电阻在室温条件下，全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。
此时流过的电流，称为暗电流。
光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。
此时流过的电流称为亮电流。
亮电流与暗电流之差。
称为光电流。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。
也就是说，暗电流要小，光电流要大.这样的光敏电阻灵敏度就高。
实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达l00MΩ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。
（7）稳定性
图3-8中曲线1,2分别表示了不同型号的两种CdS光敏电阻的稳定性。
初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。
但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至两个星期的老化，性能可达到稳定。
光敏电阻在一开始一段时间的老化过程中。
有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。
这是光敏电阻的主要优点。
光敏电阻的使用寿命，在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。
图3-8光敏电阻的稳定性
4元件的选取及其参数
如下表为所选取的元件列表
位号
型号规格
数量
NE55
1
RL
光敏电阻
1
R1
2K电阻
1
R2
100K电阻
1
R3
470欧电阻
1
Rp
20K滑变电阻
1
C1
0.022uF电容
1
C2
0.01uF电容
1
C3
10uF电解电容
1
U1
扬声器
1
D1
发光二级管
1
排针
2
5课程设计总结
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
谢辞
感谢学校给我们提供了这样的一个的动手实践机会。
此次课程设计是我们进入大学之后第二次的课程设计，虽然有了之前一次的锻炼，但是我还是感觉我在动手实践这一块有着很明显的不足，先贤说：
学以致用。
不管学什么，主要还是要能将书本上的理论知识转化为实际的应用才算是学到了东西，我想这两次课设所带给我的绝不仅仅是完成了一个小小的电路板，它还给我很多启发和提高，启发我在以后不断的学习中能想着如何将理论结合到实际中去，提高对之前没接触过的电子方面的认知。
我想，我的确与此次课设中受益匪浅，这对我之后的毕设会有很大帮助。
谢谢！
参考文献
[1]陶红艳编.传感器与现代检测技术.清华大学出版社，2009.3
[2]王卫东.模拟电子技术基础（第2版）.电子工业出版社,2010.5.
[3]刘颖.模拟电子技术.清华大学出版社.2002.2
[4]刘瑞新主编.ProtelDXP实用教程.机械工业出版社.2003
附录
附图1光敏报警器PCB
升级会员 