传感器测控技术课程设计

1、传感器 与 测控电路 课程设计 设计课题：光电烟雾浓度传感器课程设计目 录一、 设计题目与要求2二、 基本原理简述2三、 设计总体方案拟定8四、 传感器的结构设计及计算8五、 测控电路设计与计算9六、 精度误差分析 11七、 抗干扰措施 11八、 参考文献 12九、 附录 13一、设计题目与要求设计课题：利用光电效应原理设计一个光电烟雾浓度传感器。它主要由光源 （LED红外发射二极管）、光电元件（红外接收光敏二极管）、微处理芯片、报警蜂鸣器及迷宫般的型腔密室组成。它是利用光散射原理对外界环境的烟雾浓度进行探测，并及时发出报警信号。传感器根据周围环境浓度自动检测，当周围环境浓度较弱，光敏二极管基

2、本会接收不到信号，所以不报警，但浓度增大到一定程度时，光敏二极管接收到散射的红外管，使其压降减小，单片机输出报警信号。基本要求：1、 工作在常温、常压、静态、环境良好；2、 精度：0.1%FS；3、 分辨率：符合 ul217 号标准，测试值每英尺 3.2% 微弱灰烟探测器有反应。4、 报警音量： 10 英尺处为 85 分贝5、 工作电压： 220VAC 静态电流：10A（uA）报警电流：12mA（mA）6、 探测角度：360 探测距离：20平方（m）7、 测量范围：按参考文献上常用传感器类比；8、 保护面积：报警器安装高度6米以下，保护面积为60平方米 外型尺寸：102X40mm9、 适用范围

3、：工厂仓库，车间，办公室，家庭。10、 发射管：峰值波长960nm红外发光管 接收管：峰值响应波长940nm的光敏 二极管。11、 传感器及其辅助结构设计（传感器结构简图1张）；12、 电路设计（控制流程图1张；硬件电路及分析，系统电路图1张）。二、基本原理简述1、光传感器检测光的传感器称为光传感器，通常是指将光信号转换为电信号的一种传感器。用光电传感器进行非电量的测量时，只需将非电量信号转化成为光信号即可。由于光传感器都具有结构简单、非接触性、可靠性高、反应快等优点，在军用及民用中极为广泛，因此，其种类繁多，常用的光传感器包括：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、红外线传感器、光电耦合器件、电

4、荷耦合器件、颜色传感器、光纤传感器、紫外线和放射线传感器等多种。图1 光电式传感器的组成光传感器的物理基础是光电效应。光电效应通常分为内光电效应、外光电效应和光生伏 特效应。2、 光源光源是光电式传感器的一个重要组成部分，正确合理的选择光源是成功设计光电传感器的前提和保证。选择光源时要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、发光强度、稳定性、体积、造价等。光电传感器中所用的光源可简单地分为自然光源和人造光源两类。自然光源对地面辐射通常很不稳定，且无法控制。人造光源按其工作原理不同，可分为热辐射光源、气体发电光源、电致发光光源和激光光源等。热辐射光源我们通常可以选择白炽灯、卤钨灯。气体放电光源主

5、要有低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯。电致发光光源最常用的往往是发光二极管，另外还有半导体激光器和电致发光屏等。激光光源又分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等几大类。3、 光电效应 I、外光电效应 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量

6、为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c为光速，A为逸出功。 I

7、I、内光电效应半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hEg（ Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即E=h0=Eg

8、,其中0是低频限(即极限频率0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即0=hcEg。入射光的频率大于0或波长小于0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。III、光生伏特效应“光生伏特效应”（ Photovoltaic effect），简称“光伏效应”。光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。4、光电器件光敏二极管主要是根据敏感材料CdS、CdSe的内光电

9、效应制成的。是一种物质半导体充电器件，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。内光电效应的物理过程是：光照射到半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，越过禁带跃入导带，从而形成自由电子，与此同时价带也会相应地形成自由空穴，即激发出电子空穴对，从而使导电性能增强，光线越强，阻值越低。如图2所示，为了使电子能从键合状态过渡到自由状态，即实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电材料的禁带宽度Eg，亦即入射光的频率应高于由Eg决定的红限频率。式中，h为普朗克常数,、分别为入射光的频率和波长。图2 半导体能带图及内光电效应(1) 伏

10、安特性：一定光照下，加在光敏晶体管两端的电压和光电流之间的关系曲线。 （2）光照特性：在一定外加电压下，光敏晶体管的光电流I与光通量之间的关系特性曲线。图5 光敏晶体管的伏安特性 图6 光敏二极管的光照特性 （3）光敏二极管结构特点与转换原理       光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。  根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则

11、因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的蓝光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；波长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长

12、更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。（4）光敏二极管的两种工作状态 光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。它具有两种工作状态：  I、当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。  II、光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把

13、它用作微型光电池。这种工作状态，一般作光电检测器。 光敏二极管分有P-N结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型，其中用得最多的是P-N结型，价格便宜。 光信号放大和开关电路三、设计总体方案拟订根据设计题目及要求，以及检测浓度的要求，初步拟订两个方案如下：方案一：利用对射型传感器，考虑到如果环境中烟雾浓度有不同，则投光器出来的红外光经过烟雾时会被散射，所以受光器接收的光量就少了，从而判断环境中烟雾浓度。如图测量：方案二：参考散射型光电式感烟探测器原理，设计了立式双向散射型迷宫型传感器。使发光二极管和光敏元件设置的位置不是相对的。立式双向散射迷宫型传感器是采用一发两收的方式即一个

14、发射管、两个接收管，发射管中心光轴与印制板平面平行。无烟雾时，光不能射到光敏元件上，电路维持在正常状态。而当外界环境烟雾浓度达到一定量时，光通过烟雾粒子的反射或散射到达光敏元件上，则光信号转换成电信号。经放大电路放大后。在由微型芯片89C51驱动报警装置，发出浓度报警信号。立式双向散射型迷宫型传感器原理图：综合二种方案，我们进行了综合全面的分析，考虑到传感器的设计要求，精度，安装成本，信号接收的强弱，以及后续测控电路的安排，我们选择了第二种方式，这样可行性会更高一些。 根据光敏晶体管的伏安特性，当接收的光照强度改变时，光敏晶体管的光电流随之改变，将光敏二极管的电流变化转换为电压的变化，再进过滤

15、波放大电路使其转化为标准信号，再对由光信号产生的标准电压信号进行模数转换，经过单片机的设定程序，根据已定的外界浓度阀值（即电压阀值）与外界浓度信号（标准电压变化）进行比较，判断是否需要报警。从而实现自动检测自动报警的立式双向散射型迷宫型传感器。图15主要是本传感器的一个检测控制系统框图：红外接收光敏二极管外部信号滤波电路前置放大电路立体式光学迷宫红外发射二极管信号放大电 路STC89C51 单片机蜂鸣器报警A D 采 样 转 化图15 控制原理框图检测传感器模块测控电路处理模块 控制执行模块4、 传感器的结构设计及计算传感器设计装配图（1） 、考虑到结构强度硬度的要求，我们初步把传感器外壳厚度

16、定在23mm左右，材料为轻质的金属材料。底座我们用45号钢，用来固定，同样厚度也是23mm。（2） 、发光二极管之所以采用峰值波长940nm的红外发光管，一是为了排除外部光线干扰，二也是为了提高灵敏度。接受管采用峰值响应波长940nm的红外光敏二极管，同样也是出于这样的考虑。（3）、立式迷宫结构设计减少了漏光的可能性，即减少光的损失，增强了抗环境关干扰能力。设计的独立式光电感烟火灾探测报警器中采用的迷宫结构，具有很好的防灰尘作用。从而使传感器的各项性能指标都得到了提高。5、 测控电路设计及计算 1、传感器电源电路考虑到现在家庭电路是220V交流供电，扩大工作的场合，我们设计了一个稳压电路。从而

17、不必外接直流电池，也避免了因直流电池电压不足导致的影响。稳压电路 Proteus仿真图从仿真结果可以看出我们实现了稳压的效果。2、 传感器内部测量电路Proteus仿真图从放大电路可以看到，我们放大倍数已经差不多达到400倍了，仿真是为了不滤除自己的输入信号，我们把正弦信号频率设在二阶带通通带内，因为本身我们需要屏蔽的是外部干扰信号，所以证明了运算放大电路是有效的。根据，可以算出带通滤波器的同频带。因此我们只要确定传感器输出信号频率，就能相应确定这些电阻电容值。 3、模数转换以及单片机控制电路使用TCL1549将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。最后通

18、过单片机的软件处理最终实现自动检测和控制。 单片机控制电路图六、精度误差分析1、温度影响因为光敏二极管是半导体器件，所以光敏晶体管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。各种光敏晶体管的温度系数不同，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。2、老化误差各种材料的特性随时间缓慢变化，也导致误差。3、系统时钟误差一般单片机的设计，最难保证的是时间的一致性，微小的时序误差也会给系统带来很大的误差，或错误的判断和运行。7、 产品说明书1、概述：立式散射

19、光电感烟传感器采用特殊结构设计的光电传感器，贴片加工工艺生产，具有灵敏度高、稳定可靠、耗电小、美观耐用、使用方便等特点。电路和电源可自检，可进行模拟报警测试。适用于家居、商店、歌舞厅、仓库等场所的烟雾火灾报警。2、工作原理：采用特殊结构设计的光电传感器，能有效地探测出火灾初期引燃阶段或生成以后产生的烟雾。当烟雾进入探测器，使光源产生散射，光接受元件感受到光强度，光强度达到预定阈值时，探测器发出报警信号，火灾确认灯（红色）闪烁，并启动蜂鸣器报警。3、技术特性： 音量等级：85dB/3米 供电电源：220VAC 内部集成了稳压电源，虽说是22v供电，但是利用了稳压电路，实际上是9v供电。 工作温度

20、：-1050 相对湿度：95%RH（40±2） 输出形式：声音报警 执行标准：GB4715-2005 重量：约500g4、 重要特征：新型高性能传感器能够有效探测阴燃火灾的发生报警器采用专业智能芯片设计，性能可靠，能够自动检测和控制烟室采用防虫网设计，避免昆虫误入报警LED灯-显示报警器正常工作和报警状态外壳采用防火ABS工程塑料，美观大方5、本产品不适宜安装在以下场所：正常情况下有烟滞留的场所；较大粉尘、水雾、蒸汽、油雾污染、腐蚀气体的场所；相对湿度大于95%的场所；通风速度大于5m/秒的场所。6、安装方法：、在天花板上相距36mm打两个安装孔，用膨胀塞和自攻螺丝钉固定报警器的底板

21、；、打开探测器上盖，将9V层稳压块安装在探测器中，如稳压块的方向接反探测器不能正常工作，可能损坏探测器；、扣好探测器上盖，按住自检按键，探测器指示灯快速闪烁并发出报警声，则报警器工作正常，如不正常，则应检查电池是否正确安装或电压过低（低于7.5V）；、探测器测试好后，将探测器扣在底板上，顺时针旋紧到位。6、使用说明：、检测：每周应检测一次，保证报警器工作正常。方法：按住测试按钮，报警器指示灯快速闪烁并发出报警声，则报警器工作正常。、烟雾报警：正常情况下，报警器指示灯定时闪烁（约每分钟一次），每隔约1.6秒，自动检测周围环境中的烟雾浓度，当烟雾浓度达到报警值时，报警指示灯开始闪烁，报警器发出报警声。八、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、看门狗即程序监视跟踪定时器在单片机抗干扰设计中使用非常广泛，提