光敏传感器的应用上课讲义.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。光敏传感器的应用-光敏传感器的应用声光控开关电路学院：电大武钢分校专业：机械设计制造与自动化学号：0942101255257姓名：刘多乐时间：2011年6月8号摘要：本篇论文是介绍以声光控为题材制作的传感器电路，其主要的讲声光控开关的设计制作及应用的简单介绍。关键词：传感器；声光控；应用1传感器的介绍将实际中的力、声、光、温度、湿度等非电量转化为电量的媒介，也可以这么说传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。1.1传感器的作用现在的信息技术发展革命，用人自身感觉器官既无法得到准确的数据，同时对很多无法用器官感测的事物不得不望而止步，而传感器就是一种代替人的感觉器官来获取信息、数据的媒介。在工业生产中，对于高精密的产品要接助各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在医学中，借助传感器能够更好分析病因，得到一个好的治疗方案。在科研究中，传感器更具有突出的地位。许多领域人的感官还有简易的传感器根本无法得到精确的数据，必须借助高精密的传感器来实现分析测量。例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高-灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。1.2传感器的分类根据不同的观点对传感器进行分类，可将它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)它们的用途、它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等进行分类。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，如电阻式传感器、电感式传感器、压阻式传感器、温度传感器等，被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，如气敏传感器。1.3传感器的特性传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。一般来说，传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即可得到静态特性。因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。1.4光敏传感器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。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。1.4.1光敏电阻的结构与原理光敏电阻器又叫光感电阻，其工作原理是基于内光电效应。光敏电阻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）。光敏电阻的符号如图1-1所示。图1-1光敏电阻构成与原理：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。在黑暗环境里，它的电阻值很高，通常大于1M。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增加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逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。光电特性：在光敏电阻两级电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性，光电特性曲线如图1-2所示图1-2光敏电阻特性曲线2光敏传感器声光控开关的设计2.1声光控制结构框图声光控开关节能灯控制电路方框如图2-1所示：声音信号MIC电子开关与非门控制电路光敏电阻整流电路延时电路图2-1声光控开关节能灯控制电路方框图2.2整机电路组成和各部分作用声光控开关节能灯电路由电源电路、声控电路、光控电路、延时电子开关电路四大部分组成。2.2.1.电源电路电源电路它是给电路提供能源的设备，常用的电路有：半波整流、全波整流、桥式整流、而常用的电源电路使用的是桥式整流电路为主要电源电路部分。2.2.2声控电路声控电路它是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：小信号放大电路、声波控制电路等。而常用的声控电路使用的是声波控制电路为主要的声控电路部分。2.2.3光控电路光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。2.2.4延时电子开关电路延时电子开关电路它是用电路中送入的信号进行控制电路的设备。其作用是用送入来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。常用的延时电路有按键延时电路、感应延时电路、开关控制延时电路、光控延时电路、声光双控延时电路等。而本电路延时电子开关电路使用主要的电路为声光双控延时电路部分。声光双控电路是声、光控开关的组合。它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。3声光控单元电路的设计3.1电源电路的设计本次声光控开关设计是为日常生活中所能实际应用而设计，所以采用交流电源220V为整个电路供电3.2整流电路的设计整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛。全波整流的输出是交流输入电压的0.9倍，效率高，直流电压平稳。能充分利用变压器的功率。半波整流输出是交流输入的0.45倍，效率低。在负载电流较小的场合也可用半波整流。根据电压的充分利用整流电路选用单向桥式整流电路。单向桥式整流电路是由电源变压器T，4只整流二极管VD1VD4和负载RL组成。电路图如2-1图所示。图3-1桥式整流电路原理图工作原理：利用4个二极管接成电桥使在U2的正负半周的电压经过两只二极管交替导通，即在负载上形成了单方向的全波脉冲电压。其中单向桥式整流电路对电压的利用率高。在桥式整流电路中，交流电在一个周期内有两个半波电流以相同方向通过负载所以该整流电路输出的直流电压比半波整流电路增加一倍，即根据欧姆定律可求出负载上的直流电流IL，即3.3声控电路的原理因为要有声音的接收媒介，则选择MIC做为接收信号源，工作原理：话筒将声音信号转化为负极性的电信号。声控电路通过声音信号控制可控硅C106M的导通状态，其特征在于，所述声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器，电源部分通过电容降压、整流及稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合，一个由电感和电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终控制可控硅的控制极的电位。当光线不足或黑夜时，MIC接收到声信号，开始工作。3.4光控电路的设计根据黑夜和白天的光线关系，选取的原件要符合这个设计要求3.4.1运用光敏电阻等分立元件组合实现光控光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。光敏器件可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、自动开关、继电器等多种装置或执行机构。因此光敏器件在自动化技术中起着极其重要的作用。光敏电阻的特性与人眼最为接近，因此，光敏电阻比较适合用于声光控路灯、照相机曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置。在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。因此，选择光敏电阻做为光敏器件。3.5延时电子开关电路根据所学的数字电路中的与非门逻辑与其他的分立原件设计，采用集成CD4011。延时电路的设计主要由C3和R9组成。当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），话筒接收到信号后内阻增大，CD4011的8、9脚为高电平，10脚为低电平，VD9截止，C3通过R9放电，放电的时间长短决定了灯亮的时间，直到C3上的电放完到CD4011的15脚，这时为低电平，灯泡熄灭，等待下一次信号。3.5.1CD4011的工作原理集成电路CD4011是一个包含4个与非门的CMOS电路（如图3-2），每个与非门有2个输入端一个输出端，与非门的特点是，输入端有低电平输出高电平，输入端全部高电平输出低电平，逻辑表达式为：。图3-2CD4011内部结构4整机电路及工作原理组成综合以上各单元电路的选取可以组合成如图4-1所示整机电路图。图4-1声光控开关节能灯控制电路原理图工作原理：利用声光传感来控制电。VD1VD4构成桥式电路，R4、VD8、DW1、C3组成稳压二极管稳压电路产生5V直流电压给控制电路供电。在白天，光线强，光敏电阻R8阻值小，V3饱和，U1D的13脚为低电平，U1D输出高电平，VD10截止，U1B的5、6脚为高电平，故4脚输出低电平，U1A的3脚输出高电平，V2饱和，可控硅V1的G极为低电平，V1截止，灯不亮。在晚上无声音状态，光敏R8阻值增大，V3退出饱和，U1D的13脚为高电平，该门的输出由12脚的电平控制。无声音，MIC内阻大，U1C的8、9脚高电平，10脚输出低电平，VD9截止，C3无充电电压，故U1D的12脚为低电平，维持11脚输出高电平，与上相同，灯不亮。在晚上有声音状态，MIC内阻减小，U1C的8、9脚低电平，10脚输出高电平，VD9导通，U1D的12、13脚为高电平，11脚输出低电平，VD10导通，U1B5、6脚低电平，4脚输出高电平，U1A的1、2脚高电平，3脚输出低电平，V2截止，可控硅V1的G极为高电平，V1导通，灯亮。延时控制：声音过后，MIC内阻增大，U1C的8、9脚高电平，10脚输出低电平，VD9截止，C3通过R9放电，放电时间长短决定灯亮的时间，放电至U1D的12脚为低电平时，灯灭。5声光控传感器的可持续发展随着国家的可持续发展战略的实施，节能减排也在其中。往常的开关路灯，在无人的时候也亮着，无疑的是一种浪费。而在一些学校、办公楼、街道设施等公共设施大多的灯都是通过开关电路控制，这种浪费不仅加大了财政支出，且对于用电高峰时无疑是一种负担；为了节约用电大多数设施都采用节能灯，可是这还是有浪费现象。同时，也越来越多的学校、企业重视这个问题，采用声光控来做为节能的一个重要环节，例如：为了节能减排，北交大对学校的基建设施进行了全方位技改，学校投入60多万元更换新型的节能灯管，在楼道内安装声光控开关，年节电约30万度；沃尔玛位于王家湾武汉摩尔城的新门店开业，配备声光控书架式冷柜，有人靠近冷柜时，冷柜灯才会自动打开，比普通冷柜节能3成以上声光控电路不仅应用于灯开关，还可以应用很多的自动开关电路，甚至还可以做成简易的报警电路；做为学电子信息的一名学生，我们还可在这一领域探讨研究，将声光控电路加以改进。实践证明：采用声光控电路能有效的节约能源。因此构建节约型社会，请选择声光控传感电路产品。6选择题材的思路随着社会的发展，电子信息、传感器产品在日常生活中屡见不新，更新的速度也飞之极快。在学习自动转换与测量技术中我们也了解了一些常用传感器。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官，也就是我们所说的将非电量转化为电量的一种仪器。基于传感器的设计与制作，我选择以光敏传感器为核心，并利用在PCB课程中所学的声光控开关来设计我的课题。其声光控在生活应用中随处可见，实用性也较为广泛，因此把由光敏传感器组成的声光控开关电路作为本次课题。参考文献：1郭勇.PROTELDXP2004SP2印制电路板设计教程.机械工业出版社M.20092梁森、黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社M20103周绍敏.电工基础.高等教育出版社M.20094百度百科传感器5方金兰.高校节能减排的一个成功样本.经济参考报J2009-12-31