光照强度传感器及其变送电路设计范文

1、重庆工业职业技术学院毕业设计课 题 名 称： 单片机流水灯设计 专 业 班 级： 09电子301 学 生 姓 名： 魏玉玺 指 导 教 师： 王雪萍 二零一二 年 四 月 光照强度传感器及其变送电路设计【摘要】光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的检测器件，它可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信号转换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光照度的数字信号，再交由微处理器或处理。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。 本

2、设计利用传感器设计的基本方法，设计制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。【关键词】：光照强度；传感器；变送电路目 录第一章 绪 论 41.1引 言41.2传感器的概述. 4第二章 系统设计 52.1光电传感器及敏感元件52.1.1光敏电阻器. 52.1.2光敏二极管. . 52.1.3光敏晶体管.62.2光电传感器概述62.3光电传感器工作原理62.4光照传感器的设计82.4.1设计方案一82.4.2设计方案二92.5方案比较10第三章 变送电路硬件设计 103.1变送电路简介. 103.2热电阻二线制变送器的设计12 信号采集电路13一级放大电路和线性化调整电路1

3、3调零、电源平衡及二级放大电路 13调满电路和V/I转换电路 1433 热电偶二线制变送器电路设计14信号采集和一级放大电路 143.3.2 线性化调整电路和二级放大电路 15第四章 软件设计. 17 4.1设计概述 17 4.1.1热电阻二线制变送器.17 热电偶二线制变送器. .18 4.2电阻计算的VB界面设计. 184.3电路类型选择设计19第五章 总结与收获. 20结束语21参考文献.21致 谢.22第一章 绪 论1.1引 言 人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。

4、传感器技术是等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，应用十分广泛。光照强度传感器是把光信号转换为电信号的一种传感器，它广泛应用于自动控制、宇航、广播电视等各个领域1.2 传感器的概述传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换器件组成。它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，通常是将非电量或电量转换成易于计算机处理和传输的电量。从信息技术的角度来看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等。传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息

5、的元件。传感技术是关于传感器及其敏感元件与材料的一门综合性技术。第二章 系统设计2.1光电传感器及敏感元件光电传感器是基于光电效应、将光信号转换为电信号的传感器，其敏感元件是光电器件。光照传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等。光敏电阻器光敏电阻原理光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。光敏

6、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）。光敏电阻的应用光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。光敏二极管 光敏二极管是一种将光能变换为电能的器件，它利用了半导体的光生伏特效应的原理。光敏二极管的种类很多，就材料来分，有用硅及各种化合物制成的光敏二极管；从对光的响应来分，有用于紫外、红外及可见光区域的光敏二极管等等。不同种类的光敏二

7、极管，其特性也不尽相同。在使用中应对光敏二极管的类型和性能进行合理的选择。光电二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低；缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路。适用于通讯及光电控制等电路。21.3光敏晶体管光敏晶体管是光敏传感器中响应特性良好、测光范围最广、利用价值最高的一种传感器，唯一的缺点是输出电压较小，几乎不单个使用，一般要与放大器组合使用2.2光电传感器概述2.4光照传感器的设计24.1设计方案一该光照传感器是采用光敏电阻进行设计的，设计电路如下图所示图光照传感器设计方案（一）如图所示该电路是由两部分组成的，第一部分是由光敏电阻，二极管和

8、 定时器构成的多谐振荡电路，第二部分是由逻辑门和发光二极管构成的显示电路。由于多谐振荡电路利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。充电回路是、。此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到 时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开始放电。当电容器放电达到时，电路的状态又开始翻转。如此不断循环。电容器之所以能够放电，是由于有放电端 脚的作用，因 脚的状态与输出端一致，脚为低电平电容器放电。多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容 上电压 略低于 ， 输出高电平， 截止，电源 通过

9、、 给电容 充电。随着充电的进行 逐渐增高，但只要 ，输出电压 就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容上的电压 略微超过 时（即 和 均大于等于 时）， 触发器置，使输出电压 从原来的高电平翻转到低电平，即 ， 导通饱和，此时电容 通过 和放电。随着电容 放电， 下降，但只要 ， 就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当下降到略微低于 时， 触发器置，电路输出又变为 ， 截止，电容 再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。由上可知，当 时， 输出为低电平；当 时， 输出为高电平；、 四个端口均接高电平； 正向导通，反向截止。它在电路中的作用是决定电容充放电流经电

10、阻的路径，在本电路中通过、向电容 充电，电容通过 放电 的作用是，电路通过它的充放电改变 定时器 输出的电压。 起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考点评的稳定。由于外部元件的稳定性决定了电路的稳定性，、 可以提高振荡频率的精度。发光二极管 在接收到低电平时放光。光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减少，由于 的减小，整个多谐振荡电路的周期变小，频率变大，从而发光二极管闪烁的频率加快。设计方案二图光照强度传感器设计方案（二）方案二是利用放大器和光敏电阻进行设计的，光敏电阻输出的电压经放大器放大。 随光照强度的改变而改变，光照增强时 减小，电路的电压增益变大，从而使输出的电压变大。2.5方案比较

11、两种设计方案都都选用了光敏电阻，都实现了将光信号转换为电信号。方案一是基于多谐振荡电路设计的，选用了 定时器，二极管，电容等器件。光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减少，由于 的减小，整个多谐振荡电路的周期变小，频率变大，从而发光二极管闪烁的频率加快。方案二是基于放大电路设计的，光照增强时 减小，电路的电压增益增强，输出电压改变。两种方案都可以检测出其接收到的光强的变化，但是方案一与方案二相比较灵敏度更高一些，稳定性更好一些。方案一有显示电路，我们可以直观的观察光照对整个电路的影响，但是电路比较复杂，比较难实现。方案二的电路相对比较简单，在现实中相对容易实现，但方案二与方案一相比较不够直观，需

12、要有辅助器件的检测才能观察出结果。第三章 变送电路硬件设计3.1变送电路简介  二线制温度变送器分别与热电偶和热电阻相配合，可以将温度信号线性地转换成420mA直流标准输出信号。二线制温度变送器应具有如下主要特点：    (1)二根线完成电源的输入及420mA直流电流输出, 即二根线既是电源线也是420mA标准信号输出线。    （2）由于二线制一体化变送器安装在传感器接线盒中, 所以必须有良好的可靠性、稳定性及较宽温度工作范围(085°C) 和较小的温漂，同时要求体积尽可能小。(3)在热电偶和热电阻温度

13、变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的420mA输出信号和被测温度呈线性关系。     (4)在热电偶温度变送器中，要进行冷端补偿，冷补范围0100°C。变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，而量程单元，则随品种、测量范围的不同而不同。设计电路结构如图1所示。  图中粗线为电源线，细线为信号流程，两根外接导线既是电源线也是信号线。420mA信号体制为二线制设计提供了可能性，当被测信号从下量程到上量程 （0100）变化时，二根传输线上电流对应20mA变化； 4mA作为变送器电路工作损耗电流，也易于识别

14、断线断电故障。RL为信号采样负载电阻(RL250) 。V(AB) 须大于12V以保证系统的正常工作。 在电源正常(1730V) 的前提下, 回路420mA电流I由输入热电阻R或热电偶mV信号确定。  通过框图我们可以看到，首先，需要对信号源所产生的信号进行采集，然后将采集到的信号进行放大、线性化调整、调零调满，最后通过V/I转换把线性反映温度大小的电压信号转化为电流信号I1（016mA），加上电路的4mA静态工作电流I2形成420mA电流信号通过二线制电源线输出。对于热电偶变送器，采用一个小型CU50热电阻来测量冷端的温度，进行冷端补偿。两种变送器都采用了LM124集成运放，它是四组

15、独立的高增益的内部频率补偿运算放大器。它可以适应本电路单电源工作的要求，电源电压范围大，温度特性很好，性价比高，在后面电路中所用运放全都是LM124。3.2热电阻二线制变送器的设计  热电阻二线制变送器详细电路图如图2(Pt100为例)所示, 下面就各部分工作原理作一下介绍。   信号采集电路    热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度, 常用的有铂电阻Pt100、Pt10铜电阻Cu50、Cu100等。 其阻值与温度关系可通过分度号表查询。    图中是以Pt100热电

16、阻为例（在这里，可以采用其他的热电阻，如Cu50、Cu100等） ，TL431是2.5V稳压二极管，D2是一个保护二极管，防止输入电压反接可能带来的对电路的影响或者破坏。R1是限流电阻，R2、R3、R4与R5(Pt100)配合使用，组成一个电阻测量电桥。由于一体化二线制热电阻变送器安装在接线盒内，引线电阻忽略不计。R1、R2、R3、R4可以确定下来（其值见图2），其中热电阻R5随着温度变化而变化。R4根据采用的热电阻分度号不同而取不同的值。如Pt100测量时R4取100，Cu50测量时R4取50。电桥中间两点电压作为后续差动放大器的输入信号。分别为：因R2=R3>>R4及R5, 故

17、：  一级放大电路和线性化调整电路  该电路功能之一是把采集到的微弱信号放大,在本级电路中采取了差动放大。同时，与该放大电路连接在一起的还有一个正反馈非线性调整电路，它的主要功能是对热电阻与温度电阻间的非线性进行修正,保证放大器的输出电压被测温度成线性关系。    R7、R8、R9以及LM124构成了放大电路。对于该局部电路，输入信号来自采集到的信号V和V¢，输入信号分别各自经过R7、R8进入LM124的第一组运算放大器, 得到输出电压V1 （在这里没考虑非线性调整电路即反馈回路R6对电路输入的影响）。 

18、   V1=V¢+ R9 (V-V¢)/R8    此外，在该电路中还有一个非常重要的部分，那就是线性化调节电路，即本电路中的R6。 对于线性化调节的过程以及原理，我们可以用图3加以解释。    图中虚线表示没有进行线性化调节时输出电压随源温度变化时的曲线，图中实曲线则表示进行R6非线性化调节的具体过程，随着温度升高，输出电压随之提高，正反馈影响增强，只要R6阻值合适可刚好抵消热电阻本身非线性的影响，使得输出电压和温度为线性关系，即图3中直线所示。根据线性化调整原理，线性调整电阻R6的反馈电压V

19、反为：    则实际输出：    由于热电阻线性较好, 经计算调校本电路中R6=8.2k，热电阻非线性修正可以达到千分之二的精度。    调零、电源平衡及二级放大电路  对零点进行调节的电路，实质上就是调节本级放大电压输出的大小, 保证在信号源零度（R5=100, 第一级放大器输出为零）时整个回路电流I1=4mA。它由R10、R16、R13、W1组成，实质上就是在本级电压输入正端叠加一个调零电压，使不足4mA的静态工作电流达到4mA。此外，在该电路中，还有一个部分，那就是减小电源波动对

20、电路输出的影响，即电路中的R15,它可以抑制电源波动带来的影响。当外界电压源发生较大的波动时(或负载电阻RL变化)，电路静态工作电流会发生微小变化,我们可以利用R15来稳定输出电流。其工作原理一方面是电源增大带来静态电流增加, 另一方面电源的增大通过R15加到本级放大器的负端起到减法作用, 使本级输出电压下降, 选择合适的R15阻值, 可以保证电源在允许范围内波动时输出电流的稳定。R17决定二级放大倍数。  调满电路和V/I转换电路  调满电路是由R18、R20、W2组成的对上一级电压输出V2分压构成。通过对W2的调节，使得最后输出（信号源最高输入时整个

21、电路的输出）达到要求的输出结果V(W2中间抽头电压)。R21、R22、R23、R24、R25及运放组成一个V/I转换电路, 由于R22、R23、R24均为200k的大电阻，R25为100的小电阻，整个电路电流输出I2V/R25。R26是一个负载电阻。 33 热电偶二线制变送器电路设计    热电偶二线制变送器电路和热电阻二线制变送器主要区别在于信号采集和非线性修正部分, 下面我们就这两部分别作介绍。   信号采集和一级放大电路    热电偶的输出是随被测温度变化的mV信号。该局部电路设计如图4所

22、示。在电路中，TL431的作用是输出稳定的2.5V。D0是一个保护二极管，它可以保护电源输入正负反相对电路的危害。通过R3和TL431分压，使TL431两端的工作电压保持在2.5V，并为后面的冷端补偿，为修正电路和调零电路提供直流电源。在此电路中，铜线绕制的热电阻Cu50起冷端补偿作用。当热电偶的热电势E12随冷端温度的变化而变化时，铜电阻 Cu50两端的电压也随之反方向变化，如果分压电阻R2的阻值选择适当，则Cu50两端电压的变化能自动的补偿冷端温度变化对热电偶热电势的影响。根据冷端补偿的定义，应使50°C与0°C时Cu50两端的电压差等于热电偶在50°C时的热

23、电动势，当冷端温度为零度时存在的电压mV通过后面的调零电路解决，以镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（分度号K）测量变送范围01300为例， K分度50°C时输出热电势等于2.022mV即：由此可求得：R2=13k。    电路中，热电偶mV信号和冷补铜电阻两端电压相加，经过R4输入到LM124的第一级放大器，根据放大器工作原理，我们可以得出输出电压（设包括热电偶及冷补之和的输入信号为V）。 设计考虑使得当热电偶的温度达到最大值(1300对应热电势为52.398mV)，放大器的输出电压为2.5V。也就是说，热电偶冷端温度为0°C时的电压加上热电偶的最大热

24、电势，再乘以放大倍数应等于2.5V，即：其中，K为LM324的放大倍数,由此可计算出K=40，如果取R4=R5=5.1k，则R6应为180k。   3.3.2 线性化调整电路和二级放大电路  该局部电路（这一级输出V2）是本电路中十分重要的环节，同时也是比较难的环节。因为它涉及到整个电路的线性调节。放大部分在前面已经叙述，现在就线性调节问题加以阐述。具体电路如图5所示（图中几个二极管连接的电路就是线性修正电路）。电路中的R9、R10、R11、R13、R14、R15、R16均为断开，只有在需要时，我们才加上该电阻。  

25、0; 本电路是用一非线性放大电路去校正被测参数的非线性特性, 其原理就是由二极管补偿电阻组成的折线并联支路在输入信号的不同位置相续起作用, 使放大器在信号大小不同位置放大倍数不同, 其非线性特性刚好和被测热电偶非线性特性相反。在本电路中采用六个折点(三个为正三个为负), 折点的位置可改变支路二极管导通电压调整, 调整折线支路电阻大小可改变折线补偿斜率。在实际设计过程中，可取几个点进行修正，对于K分度（检测范围01300°C）,首先可以假定在0100°C范围近似线性，非线性误差忽略不计，另外再取500 °C、900°C、1300°C作为修正检测点

26、，当检测点值在要求线性值以上，则表示输出值偏大，这就 需要降低输出，具体措施就是连接D7D12中某一级调整电路；反之则连接D1D6中某一级调整电路。电路中拐点选择二极管可根据修正的需要选用硅管或锗管。调整方式如下：首先以0°C调零1000°C调满, 然后按以下顺序反复调校：    A 、对 100°C500 °C段非线性调整时，我们可以连接D1或者D12这一级，然后调整R9或者R16电阻大小来改变放大器的放大倍数，使其达到规定输出值。如果检测到输出值偏小，要选择R9 D1，计算调整R9的阻值, 促使本段运放放大倍数上升，直到

27、输出电压增大到要求线性值。如果我们检测到输出值偏大，则需要选择R16 、D12。并调整R16阻值，促使本段运放放大倍数下降输出电压减小到要求线性值。    B 、在调节500 °C 900°C段非线性调整时，我们可以连接D2、D3或者D10、D11，然后调整R10或者R15的大小。    C、对900 °C 1300°C段非线性调整时，根据检测点1300°C输出值偏大或偏小决定选择连接的是剩下两个折线补偿支路(三个二极管)的哪一路, 方法同上。和热电阻变送器相同，在该电路中的R12的作

28、用是修正电源波动时对整个电路的影响。防止电压源不稳定造成420mA波动。调零调满及V/I转换电路也和热电阻相同在此不再赘述。第四章 软件设计  4.1设计概述  根据在实际设计生产中的需要，对不同分度号不同量程的二线制温度变送器，其电路参数也略有不同, 这给产品的生产调试带来不便, 为此在理论计算分折的基础上设计了一个辅助软件来解决这个问题。在这里，同一类二线制变送器电路原理基本相似，只是有几个电阻参数不同。为此，我们可以设计一个辅助计算软件，来计算不同分度号不同量程变送器电路所对应的合适电阻值。在实际设计过程中，我们可以分两大类：  

29、0; 热电阻二线制变送器    该类电路包括：Pt100、Pt10、Cu50、Cu100、G、二线制变送器。  热电偶二线制变送器  该类电路包括：热电偶K、E、S、B、J、T、WRE二线制变送器。   4.2 电阻计算的VB界面设计  根据要求，对于该界面，它应集成了检测电路类型选择、电阻计算、具体电路图查看、电阻阻值显示（混和电路原理图）等功能。当我们在选择了所需检测电路类型时，单击确定后，在我们的主体窗口中就可以将各个需计算的电阻显示出来，同时，为了更加清晰的显示各电阻之间的关系

30、以及所计算电阻在电路中的位置，我们还要同时显示出电路原理图，把算出的电阻值显示在原理图上电阻的相应位置。主体窗口中的热电阻、热电偶二线制变送器电路的查看，主要是提供一个全面的设计电路原理图，藉以显示在桌面上，同时消除因为显示电阻值而使电路线路不清楚的影响。界面的主体窗口如下：   4.3电路类型选择设计    在类型中，我们有各种分度的二线制变送器。为此选择ComboBox命令来建立下拉式选择菜单，在该命令的Listlist中输入所需各种类型，然后对该下拉菜单进行命名，比如CboOk。此外在主体程序中进行相应的链接。部分链接显示如下：

31、    If CboOk.Text=“请选择类型”Then MsgBox“必须选择所需要的类型”    If CboOk.Text= “Pt100(0500度)”Then    它的功能主要是通过对类型的控制来选择所需要的计算。    (2)电阻阻值显示（混和电路原理图）设计    A、对于在主体窗口中的电阻值的显示，可以采用TextBox命令来对计算出来的阻值进行显示，由于要有相应的电阻符号（R1或者其它电阻符号），还要采用Lable命令，来显

32、示相应的电阻符号。在对电阻进行计算时，可以采取如下的方式（假设选择的是Pt100二线制变送器，计算某一电阻R9公式已知，计算R9的程序如下）：    If CboOk.Text = "Pt100(0-500度)" Then    Label7(4).Visible = False    Label7(3).Visible = True    Text2.Text = (Val(Text1(0).Text) * 100 - 2.5 * 2.809) / (2

33、.5 * 0.1809)    式中Text2.Text即表示我们所求的R9，(Val(Text1(0).Text)则表示我们的未知值，或者是已知的需要带入本式计算的值。Label7(3) Visible、Label7(4)Visible是指我们第三个、第四个计算输出的电阻值，在热电阻变送器中，我们的规定它们的单位为k，而在热电偶变送器中，我们规定的单位为欧，为此，在需要显示以kW为单位的电阻值时，我们需要隐藏以W为单位的电阻值。    B、对于同时显示的电路图以及显示在电路中的电阻值，我们必须新建一个窗体Form2以及Form3，同

34、时还要设定一个数据传输模块，藉以从Form1中把计算出的电阻传输到Form2以及Form3的电路原理图中显示。新建窗体或者模块，可以在VB的程序编写界面的工程条中选取新建窗体或者新建模块命令。在模块中，我们可以任意设定变量，但前提是必须与Form1主体程序中的变量一致。    C、Form2、Form3设计思路完全一样，只是在显示热电阻电路时，热电偶电路不显示，在显示热电偶电路时，热电阻电路不显示。这是我们需要利用 Form2.Show  Form3.Hide语句来屏蔽 Form3或者Form2的显示。由于我们有单独的电路显示，为此，当只需要查看电路图而

35、不需要显示电阻值或者那个Lable框时，也需要对在电路图中几个Lable显示框进行屏蔽。    在图例中，我们可以通过左上下拉菜单中选择所需检测温度的电路类型，经过点击确定后，这时，调用后台程序对所需计算的电阻进行计算并显示出来，这里有两种显示方式，其一是在主界面上显示，另外可以在电路原理图的电阻的相应位置显示。此外，我们可以通过点击查看热电阻电路、查看热电偶电路来查看我们的所需电路原理图。工作实例见图6。第五章 总结与收获此次毕业设计是对我们大学三年在校期间所学内容的一次综合运用，在这过程中大家齐心协力共克难关，最终顺利完成了此次毕业设计，下面是本小组对此次毕业设计的一次总结和体会。通过这次毕业设计，使我掌握数字电路的设计方法和传感器技术，运用数字电路的知识，熟悉电路设计的原理和方法，达到提高自己实际动手能力的目的勇于挑战并最终顺利完成了此次毕业设计。在这过程中我们经历了最初的茫然，动手时的畏难，过程中的困惑。不过好在在组长及各位成员的协作下，在老师的悉心指导下