传感器课程设计基于光敏电阻.docx

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传感器课程设计基于光敏电阻

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。

1．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晚室内空无一人时整个房间内也是灯火通明。

这样下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，我们对于不同情况会有不同的亮度，周围环境的光线强度自动调节日光灯亮度，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

传统的日光灯工作模式,大部分是白天开灯,晚上关灯的模式。

日光灯工作过程中不论周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

2.2光传感器工作原理：

2.2.1光敏器件基本原理

利用光敏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。

再将采集的外界的光信号转化成电信号输入，再取偏差值，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号。

光电传感器一般由光源、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。

光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏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，光敏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。

图示为光敏二极管和光敏三极管原理图。

光敏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。

光敏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，流过光敏三极管的电流，即正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo，也是光敏三极管的暗电流。

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—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→电功能转换。

2.2.2光敏元件特性参数：

2.2.3基本使用注意事项

光敏传感器采用防静电袋封装。

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。

应用领域光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、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。

2.3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。

0~10mA/0~5V转换电路

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工作原理等叙述如下。

（1）PWM的基本电路

基本的脉宽调制控制电路由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Uc。

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一（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Uc>Ut-Up时，运算放大器的输出为低电平（-Uom）如图（b）所示；反之，当Uc

运算放大器的输出为高电平（Uom）（如图（c）所示）。

脉宽调制控制电路组成原理图脉冲调制波形图

若锯齿波的线性良好，则输出正向脉冲的占空比为

式中，

为正向脉冲宽度；T为一个开关周期，

为控制信号

的最大值。

开关功率放大器一般采用射极输出，对脉冲列进行功率放大。

通过PWM控制改变开关

管（或品闸管）在一个开关周期内导通时间的氏短，实现对负载两端平均电压大小的控制。

负

载两端平均电压UL的占空比的关系为：

式中，Ec为控制制直流电压。

脉冲宽度调制器是一个电压一脉宽转换器。

对它的基本要求是死区要小，调宽脉冲的前后沿要陡．以减小时脉冲列逆变器触发的死区。

否则，死区大会影响Dc—Ac转换的精度及其输出波形。

这就要求脉冲宽度调制器的比较器有足够高的灵敏度和分辨率。

为此，设计时要综合考虑比较器灵敏度、分辨率与综合考虑系统的控制模式、控制系统的具体要求和与功率。

（2）数字式脉宽调制电路

脉宽调制器PWM信号的产生是通过控制电压与调制电压比较实现的。

调制电压的频率

决定PWM信号的频率，而PWM信号对负载两端的电压控制，由控制电压对脉宽的按制实现。

在控制电压与调制电压曲线的相交处，使PWM信号状态翻转。

数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比

/T.在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。

当维持调制脉冲序列的周期不变，通过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比

/T的目的。

用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两种：

一种是用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。

这种方法的优点是简单、灵活、省硬件，缺点是需要占用CPU许多处理时间，对微处理机的速度要求很高，于控制不利；另一种是用硬件电路自动产生PWM信号，不占用CPU处理的时间。

下图a及图b是利用PC机接口控制实现脉宽调制的PWM电路及其原理工作图。

它由8位二进制计数器CD4520、8位数值比较器2*CD4585和并行接口芯片8255A构成。

在时钟CLK作用下，计数器的8位输出（引脚3-6，11-14）从“0”开始逐次加“1”，当8位输出全为“1”（对应十进制数255）时，再来CLK脉冲又将从“0”开始。

显然，计算器输出数字斜波信号，其周期为CLK的256倍，这种周期性数字斜波信号所起的作用与模拟PWM方式中的锯齿波作用相同。

计算器输出的周期性数字斜波信号称为B组数字量。

8位二进制数值比较器由两片4位数值比较器CD4585构成。

数值比较器A组数据来自8255A端口A（PA0-PA7），故A组数据是微机输出的数字控制信号，它相当于模拟PWM方式的控制电压。

只要计算器的输出值小于8255A端口A输出的数值，则第二级CD4585的“A>B”输出端保持高电平。

当比较器的两个输入值相等时，“A>B”端变零，并且直到计数器溢出之前保持为低电平。

溢出后，“A>B”端恢复为高电平，并重复执行该过程。

输出波形的周期T=256Tc，而脉冲宽度

=D*Tc。

其中D为控制的数值，Tc为时钟周期。

如果要求PWM频率为1kHZ，则CLK的频率应为256kHZ。

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；A0；A1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为复位信号输入端，高电平有效。

图a计数比较式脉宽调制PWM电路

图b计数式PWM电路原理图

2.5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

<

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

=（1.5~2）

。

（2）负载平均电压

升高，纹波减小。

并且

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

=

≥（3~5）T/2式中，T为电源交流电压的周期。

（3）滤波电容估算

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

ORG0000H

SJMPMAIN;主程序入口

ORG0003H

AJMPOUTPUT;中断输出子程序入口

ORG0050H

MAIN:

MOVSP,#30H

SETBIT0

SETBEA

CLREX0;初始化，设置中断

MOVR0,#7FH;初始亮度为中间值

UNHOLD:

ORLP2,#01H;开机键扫描

LCALLDELAYKEY

MOVC,P2.0

JCUNHOLD;低电平开机

CLRC

START:

;开机运行程序

ORLP2,#01H;关机键扫描

LCALLDELAYKEY

MOVC,P2.0

JNCUNHOLD;低电平关机

SETBEX0;开中断

MOVP1,R0

ORLP2,#06H;档位变化键扫描

LCALLDELAYKEY

JNBP2.1,UPR0;进入降低亮度子程序

JNBP2.2,DOWNR0;进入增加亮度子程序

AJMPSTART

UPR0:

MOVA,R0

ADDA,#0FH

JCUPFULL;判断极值

MOVR0,A

LJMPSTART

UPFULL:

MOVR0,#0FFH

LJMPSTART

DOWNR0:

MOVA,R0

SUBBA,#0FH

JCDOEMPUTY;判断极值

MOVR0,A

LJMPSTART

DOEMPUTY:

MOVR0,00H

LJMPSTART

OUTPUT:

;输出子程序

PUSHACC

SETBP3.0

MOVA,R0

LCALLDELAY

CLRP3.0;低电平触发

NOP

NOP

NOP

SETBP3.0

POPACC

RETI

DELAY:

;延时子程序

MOVR1,A

D1:

MOVR2,#14

DJNZR2,$

DJNZR1,D1

RET

DELAYKEY:

;延时消抖子程序

RET

MOVR1,#20

DEL2:

MOVR2,#10

DEL1:

MOVR3,#124

NOP

DEL0:

NOP

NOP

DJNZR3,DEL0

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。

1、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，可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。

使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工频干扰。

采用开关电源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、由于环境温度及入射光波长等对光敏电阻影响很大，所以应该给光敏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，亮阻相对很小，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、光敏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。

各种光敏电阻的温度系数不同，而且光敏元件及壳体的几何尺寸在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，由于设定值的唯一性，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杂，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，我们组放弃了这个设计方案，才构成了现在的设计思路，即：

将中间信号作为系统输入设定值，将实际采集来的信号和其求偏差，再反馈输出信号求偏差,这样最终使得系统输出值趋于稳定值,即我们需要的光强,这样控制相对较为简单,而且控制精度高,结果较为准确。

六．参考文献

1、刘迎春主编．传感器原理的设计与应用．北京：

国防科技大学出版社，1989

2、李朝青主编．单片机原理及接口技术．北京：

北京航空航天出版社，2005

3、王宝光主编．测控仪器设计．北京：

机械工业出版社，2004

4、余成波主编．传感器与自动检测技术．北京：

高等教育出版社，2005

5、张国雄金篆芷主编．测控电路．北京：

机械工业出版社，2006