光强检测电路的设计.doc

天津商业大学自动化专业2007级，传感器原理及应用课程设计说明书设计题目：光照强度自动检测显示系统设计 学 号： 20072736 姓 名： 聂晶晶 完成时间： 2009年12月31号 至 2010年1月3号 总评成绩： 指导教师签章： 设计题目：光照强度自动检测显示系统设计一、 题目的认识理解设计题目：自然光光照强度自动检测显示（报警）系统设计。利用比较器设计出一种能够反映在不同光照强度下表现出的不同的状态，比如可以使用发光二极管三种不同状态下的亮灯的方式表示出不同的光照强度，或者用警报之类的能够表示太强光或者弱光，以此来反映光照强弱。二、 设计任务要求： 1、 光照强度自动检测2显示（报警）系统 3实现对外界三种不同情况下光强的分档指示和报警（弱，适宜，强）主要要求：设计一个光照强度自动检测、显示、（报警）系统，实现对外界三种不同条件下光强的分档指示和报警（弱、适宜、强）备注：报警功能选作。1、 方案的设计1） 根据题目选定光照强度自动检测所用的光电传感器类型；2） 自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的输出；3） 传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完成，完成至少三种以上不同光照条件下显示报警系统方案的论证和设计；4） 完成自然光光照强度自动检测显示报警系统电路方框图、电路原理图的设计；5） 完成自然光光照强度自动检测显示报警系统中核心芯片的选型、系统中各个参数的计算（备注：1. 含各种元件参数的计算过程或依据2. 选定最接近计算结果的元件规格）；6） 设计结束后，进行仿真调试。2、 仿真调试方案1） 利用Workbench或Pspice等软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性；2） 给出系统整机电路图（利用PROTEL软件做出原理图SCH文件和PCB文件）。3、完成课程设计报告。三、 设计所需基础知识及工具1、基础知识电路理论中电阻电路的分析、模拟电子线路中运算放大器、比较器、功率放大器等知识，数字电子线路中开关特性及数字信号等知识，传感器技术中的光电传感器原理及应用、测量电路等部分知识。1、光敏电阻光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻简介：光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。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。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m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。光敏电阻的结构：通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。光敏电阻的工作原理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光敏电阻体及梳状欧姆电极，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。2、设计工具电子电路EDA仿真软件：Workbench或Pspice电子线路设计软件：Protel99SE。方案设计及其论证（包含课题的功能与指标分析、电路的结构组成方框图、各部分单元电路间关系、单元电路方案设计考虑）课题的功能：在三种不同的情况下显示三种不同的发光二极管的亮法来显示三种不同的状态，测得光敏电阻在三种不同的光照强度下的电阻：强光720中度光照强度8.31k弱光18.48k指标分析：当只有一个灯亮的时候：此时表示最强光当有两个灯亮的时候：此时表示中间光强当有三个灯亮的时候：此时表示最弱光电路的结构组成方框图：显示电路部分比较电路部分分压电路部分分压电路显示电路部分 单元电路方案设计考虑： 光照强度电阻值电路显示状态强光720只有LED1亮中度光照8.31kLED2、LED2同时亮弱光18.48kLED1、LED2、LED3都亮四、 电路中各元器件选型和参数计算电路元件数值电压一个5V的电压，三个12V电压，三个-12V的电压电阻3个1k的电阻， 1个2k的电阻，一个820的电阻，一个8.31k的电阻，一个18.48k的电阻，比较器三个LM339AM的电压比较器发光二极管三个发光二极管光敏电阻一个20k的光敏电阻参数计算：电压VCC=5V基准电阻：820 8.31k18.48k比较器功能：LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是： 1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。五、 设计总结（包括对设计的目的和意义的认识、本人完成情况、设计中的主要收获和不足、对设计类课程的建议）。设计的目的：为了设计出能够对三种不同光照下反映的电路图，并实现对于不同光强的自动检测和显示。对设计的意义的认识：有助于更好的理解传感器的实际的应用，并且能够实际的操作，对动手能力以及独立的思考的能力和协作能力有很好提高。在这个设计过程中，我不仅加深了对课本知识的理解，更加全面地掌握了光电传感器的相关知识，更完善了我们自动化专业的整个知识体系。让我们有机会将理论付诸于实践本人完成的情况：本人在整个设计过程中完成了对于该光照自动检测报警系统的电路设计，Protel制图和电路功能的仿真。及时地按照老师的要求完成了课程设计期间的各项工作，最后完成了对于自动检测光照强度系统的设计，实现了对于不同光照强度的自动检测，及分档显示和报警功能。完成时间：2009年12月31日到2010年1月3日设计中的主要收获：能够自己去完成一个设计感觉到满足感，能够在以后的设计中更加的有信心，学会将课本中学到的知识运用到真正的实验以及设计中来设计中的不足：设计的电路图比较简单没有去考虑更多的功能，没有去做实物的实验对设计类课程的建议：更多的安排这样的课程能让同学更好的锻炼，可以适当的延长课程设计的时间从而有更加充裕的时间去做设计，有更好的方案，可以几个人一组形成小组形式的增加团体的概念六、 主要参考资料1、Protel99se原理图与印制电路板设计 周润景 张丽娜 编著电子工业出版社2、传感器原理及应用王化祥 张淑英编著 天津大学出版社3、传感器原理及工程应用郁有文 常健 程继红 编著西安电子科技大学出版社七、 附件1：整机电路原理图（附页1）八、 附件2：仿真结果（如：测试数据、波形等）（附页2） 光敏电阻为4% 发光二极管LED1亮 LED2、LED3、均不亮光敏电阻为43% 发光二极管LED1、L