反射式传感器原理(总结).doc

原理图 该电路，我们可以看见主要包含有两大部分，光电开关和电压比较器。这里我们将主要讲解光电开关的工作原理，而对于电压比较器，我们只是大致的讲解一下，因为电压比较器其内部工作原理相对而言是相当复杂的，涉及到摸、数电等原理知识，在这里我们主要是知道其用途即可，对于其内部原理不再细究，有兴趣的同学可以在学习了模数电等专业课后，仔细的研究其内部结构，以及其工作的原理电路。下面我们开始从光电开关讲解： 第一大部分;光电开关： 该工作原理，我们将分作两部分来讲解，分别从其大致原理，及其原因讲解。首先我们来看第一部分发射管： 该发射管其实就是一个特制的发光二极管而已。只是当电路连接好后发生红外线而已。也就是光电子器件中一种很普遍的原件之一。为了讲清其工作原理，我们先来看一下电路中必不可缺少的一个重要的结：pn结。 Pn结，顾名思义，肯定含有一个结，即p和n所组成的结，这里我们简单的讲，p区理解成为一个带正点的区域，n区理解成为一个带负电的区域，两个区域相结合的部分我们称为pn p pn结n 一般的二极管是通过半导体单晶硅做成的，但是一般的二极管是无法发射红外线等特殊光线的，因而这里的二极管是用砷化镓做成的，这种管子时当有电流流过的时候，电子和空穴在pn结的复位，将要发出一定波长的光线，也就是这里的红外线。这个和高中的时候讲的光电效应可以相比较，电子发生跃迁，发出光子。不同的是这里是电流的作用下。光谱的范围是比较窄的，其波长由所用的材料有关。这里我们用的就是砷化镓材料做成的。还有就是该发光二极管器件的工作电流一般是几毫安到几十毫安。因而这里我们有电阻限流，目的就是保护作用。本电路大概就在五十毫安左右（可能有点大）。第二部分：接受管：（光敏三极管） 三极管和二极管的主要区别是三极管具有两个pn结，同时三极管还具有放大的作用。对于为什么具有放大功能，我们这里不深究，原因和其两个pn结有关。只要明白他具有放大的作用就行了。等学到模电后，自然就明白了。 只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。相对于二极管而言的优越性：当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。三极管的表示形式为： 发射极 发射结 基极 集电结 集电极 三极管通常有三种组态下工作，不过常用的就是现在我们用的阻态，即共射极阻态。共射极的优点在于输入电流和输出电压都有放大。增益都大于1，常常用于低频的情况。对于该电路很适合。大家有兴趣的可以将电路改为共集电极看看，试试会出现什么情况，失败是最要的成功，这是去我到现在觉得最对的一句话。 该光照产生的电流称为光生电流，即电子接受到特定的光照后，由光电效应知道，电子在一定波长的光照下吸收能量将要发生跃迁，形成自由电子。即原来由于共价键束缚的电子现在具有能量了，将要挣脱共价键的束缚，成为自由电子。从而具有导电的作用，（必须保证集电结反偏，发射结正偏）。正偏和反偏就是外电场和内电场是否同向来判断的。同相正偏，不同相反偏。 特别注意的就是，对于光敏三极管而言，当没有光照的时候，由于内电场的作用。三极管相当于是断开的。当有光照的时候三极管导通，即将在输出端产生电流。即三极管输出电流的有无就可以来判断是否接受到光照（红外线）。（集电极输出）。同样对于三极管的上面的电阻也是具有保护的作用。/同时还有另外的一个重要的作用就是对于输入的影响。 这里我们对于该电路中的一个重要的部分粗燥讲解完全了。如果想要深入研究其中的原理，可以参考半导体物理学（第七版）和模拟电子技术。第二大部分:电压比较器 Lm339芯片具有四个比较器，因而当需要多个电压比较器的时候该芯片比较方便，对于电路的简化也有很大的帮助，不过值得注意的是在电路布局的时候需要特别的注意。常常需要通过建立跳线来完成。 下面我们来讲解电压比较器的工作原理，对于电压比较器内部的结构在这里不做详细的讲解，原因很简单，其内部很复杂，是中大规模的集成电路，主要成分是半导体做成的。下面用一个单独的电压比较器来说明问题；（比较器的内部结构） 如上图所示其中Ur是一个固定值，也就是我们需要对比的一个电压值，也就是原理电路中电位器所调节的电压值。输出电压则由b图中所示。其中Ur和Uin是可以交换的，对应得变化只是输出电压的相位发生变化而已，即有原来的低电平变为现在的高电平。通过输出的电压我们就可以判断光电开关是否是开启或者是关闭的状态了，光电开关的开与关可以用来判断是否照射到我们用到的黑线。及是否巡线。第三大部分 上面我们把主要的两大部分讲解完全了。现在我们从整体来看看整个电路的工作原理。 上面电路图上的电阻主要是去保护作用。其中电容的作用是具有滤波的作用。大家可以在百度上面收索可以知道很多反射式光电传感器都没有此图中的电容。不过我想建议大家的就是：对于这个电路，加上电容效果会很好的，原因很简单，由于输出的电压是需要稳定的电压，即没有电压的波动，虽然这里我们用的是直流电压源，但是由于电压源的不稳定性，以及比较器中内部的结构（如噪音等）对于输出的电压将会变为极不稳定，即输出的电压具有一定的波动。大家都知道电容具有隔直通交的作用，因此当有交流电压输出的时候，电容将会将不稳定的电压接地，从而让电压比较器输出给单片机的电压具有稳定的作用，对于单片机也有很好的保护作用。（单片机工作在稳定的电压情况下）假如用百度上面的普通的电路图，对于单片机的性能将会有很大的影响。同时电路中的发光二极管是具有指示灯的作用。工作原理大家分析下电路就明白了。 下面我们从整体来分析其工作的原理：1、当光电开关导通时，即我们照射到具有很强的反光的地方的时候，发出的红外线反射回来由光敏三极管接受到。当三极管接受到红外线，三极管导通。因而在集电极将有电流产生，集电极上面的电阻具有分压的作用，即电阻上面产生压降。从而Ao口有一定的电压（非常小，可以忽略不计）。电压值的大小和光照强度有关。这里我们可以忽略，（因为我们对于电压的大小在一般的应用中基本是具有稳定的）。在这里Ao口具有一个电压（可以忽略不计）。当没有反射光照射回来的时候，三极管相当于断开，这里我们就假设没有了光电开关，有运放电路的知识知道，（虚短、虚短）。此时输出给电压比较器的电压将是一个高电平，即相对较高的电压（小于5v），该电压输给电压比较器。所谓电压比较器肯定还具有另外一个需要相互比较的电压。在这里当然就是电位器上面调节而产生的电压来相互比较的。我们假设电位器输出的电压为。三极管断开后（便于理解假设的，即没有接受到反射光）输出的电压为#（小于5V）。当#大于的时候。显然电压比较器将要输出一个高电平（照射到黑纸上面），相反则是一个低电平（照射到白纸上面）。通过电压比较器输出的高低电平我们就可以来判断光电开关的工作状态。就可以用来判断是否巡线。其中该电路中还有一个发光二极管。该发光二极管的作用就是用来判断电压比较器输出的电压高电平还是低电平。发光二极管可以反接。只是亮或者不亮所代表的含义不同。大家多看看。多想想就知道了。在这里当我们处于不同的环境的时候常常需要调节电位器的输出电压来调节整个传感器的灵敏度。原因很简点，当在不同的的、环境的时候，三极管端输出的电压是有一定的变化的。当三极管端的电压发生变化的时候，我们当然需要调节电位器来改变参考电压。从而用来稳定输出的高低电平。从而达到我们设计的需要。（本电路输出高电平的时候灯熄，低电平的时候灯亮）。下面我们来分析哈灯的工作状态来判定整个电路的工作状态：1灯亮时，输出低电平。即三极管接受到反射回来的红外线。我们这里可以假设的就是照射到白纸上面。2、灯灭时，原因同样，表明照射到黑纸上，特别注意外界红外线的干扰。灯亮低电平（照射到能够反射回来的物体上，如地板）灯灭高电平（照射到吸收红外线的物体上，如黑纸等）实践是检验真理的唯一标准