1、 1 室内灯光亮度自动调节器 摘要 ： 光照强度自动检测显示系统， 该系统可以自动检测光照强度的强弱并显示让人们知道此时光照强度的强弱。人们可以设定光照强度的范围。人们可以通过看此装置的显示了解现在的光照状态，做合理的光照调节。 该设计可分为三部分：即光照检测部分、信号处理部分、光强显示部分。对于光照检测部分可利用光敏电阻传感器作为检测元件，它可以完成从光强到电阻值的信号转换，再把电阻值转换为电信号就可以作为系统的输入信号。对输入信号处理后，就可以用来显示了。对于显示部分可利用发光二极管来显示，不同的光强对应于不同的发 光二极管点亮，就能简单的显示出不同的光强 了。 关键词： 光敏电阻； 光电
2、传感器 ；光照强度；发光二级管 2 一 、设计要求 设计一个光照强度自动检测、显示、系统，实现对外界三种不同条件下光强的分档指示（弱、适宜、强） （一） 根据题目选定光照强度自动检测所用的光电传感器类型 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； 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系统方案的论证和设计； 完成自然光光照强度自动检测显示系统电路方框图、电路原理图的设计； 完成自然光光照强度自动检测显示系统中核心芯片的选型、系统中各个参数的计算（备注： 含各种元件参数的计算过程或依据 选定最接近计算结果的元件规格）；
3、设计结束后，进行仿真调试。 （二） 仿真调试方案 给出系统整机电路图。 （三） 完成课程设计 报告 3 二、方案设计 （一） 方案说明 传感器选择 选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。 电阻测试 在室外太阳光强照射下、室内适宜光照下、室内昏暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为 =15.6k 欧。 方案原理图 系统功能描述：考虑到系统的实用价值 ,确定了光照适宜时的光敏电阻值的范围为1.4-3.6k 欧，当光照过强时， LED1 点亮；光照适宜时， LED2 点亮；黑暗时， LED3点亮。该系统可以完成光强、 ,若 的显示 原理框图如下： 图 1 原理框图 （二） 方案论证 光照强度
4、的信号采集部分 采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时 , 光敏电阻值（暗电阻）很大 , 电路中电流（暗电流）很小； 当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器 的一种，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、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，LED 显示电路 光敏电阻 光敏电阻 信号转换电路 信号处理电路 4 并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光
5、照信号的处理转化为对电压信号 V 的处理。 信号处理部分： 采用集成电压比较器 LM339N 作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。光强、适宜、黑暗三种光照状态转换为三个电压值 V1， V2， V3 作为比较器的 输入电压；两个比较器设置两个参考电压 Vref1， Vref2。工作过程分析如下：光照较强时 V1 Vref1Vref2，两个比较器的输出电压分别为（ 5V， 0V）；光照适宜时 Vref1V2 Vref2， 两个比较器的输出电压分别为（ -5V， 0）； 光照黑暗时 V3 Vref2 Vref1 两个比较器的输出电压分别为（ -5V， 5V）。这样就完成了从模拟信号到数字信
6、号的转换 ,显示部分就变得容易了。 光强显示部分 采用发光二极管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，所 以在输出端加一个上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（ 5V， 0V）， LED1点亮；光照适宜时， 两个比较器的输出电压分别为（ -5V， 0）， LED2被点亮； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（ -5V， 5V）， LED2、 LED3被点亮。这样三种状态就显示出来了。 5 三、传感器工作原理 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
7、器的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。 光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。他在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。广泛应用于各种控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的高度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器
8、件。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，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。 该系统可通过光敏传感器将光照强弱信号转化为电信号通过发光二极管显示成为光照强度自动显示检测系统。 光照强度不同光明传感器的组织不同，当光照强度很强时，光敏传感器的阻值很小；当光照强度弱时，光敏传感器的组织很大；当光照强度适宜时光敏传感器的
9、阻值介于强光和弱光的阻值之间。因此可以通过光敏传感器将光信号变为电信号，并可以利用光照传感器受光照不同阻值不同产生的电信号不同从而显示不同的信号。 (一 )组成 光敏 电阻 器是利用 半导体 的 光电导效应 制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的 电阻器 ，又称为 光电导探测器 ；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。 （二）作用 6 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。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对 可见光 （ 0.
10、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。 （三） 规格型号 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 光敏电阻外形图和电路符号 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。一般光敏电阻器结构图所示。 光敏结构图 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
11、字母 “R” 或 “RL” 、 “RG” 表示 光敏电阻常用 硫化镉 （ CdS）制成。它分为环氧树脂封装和金属封装两款，同 属于导线型（ DIP 型），环氧树脂封装光敏电阻按陶瓷基板直径分为 3mm、 4mm、 5mm、7mm、 11mm、 12mm、 20mm、 25mm 。 （四） 参数特性 根据 光敏电阻 的光谱特性，可分为三种光敏 电阻器 ：紫外光敏电阻器、红外光敏7 电阻器 、可见光光敏电阻器。 光敏电阻的主要参数是： 光电流 、亮电阻 光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的 电流 称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮 电阻 ，常用 “100LX” 表示。 暗电流 、
12、暗电阻 光敏电阻在一定的外加 电压 下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称 为暗电阻，常用 “0LX” 表示。 灵敏度 灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。 光谱响应 光谱 响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的 曲线 。 光照特性 光照特性指光敏电阻输出的 电信号 随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在
13、大多数情况下，该特性为非线性。 伏安特性曲线 伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏 器件 来说，其光电流随外加电压的增大而增大。 温度系数 光敏电阻的光电效应受 温度 影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。 额 定功率 额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的 功率 ，当温度升高时，其消耗的功率就降低。 8 光敏电阻的实验图 （五） 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
14、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 。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，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，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。 光敏电阻原理图 （六） 应用 概述 光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，
15、反应速度快，光谱特性及 r 值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣 环境 下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广9 泛应用于 照相机 ， 太阳能庭院灯 ， 草坪灯 ， 验钞机 ，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自 动开关以及各种光控 玩具 ，光控灯饰，灯具等光自动 开关 控制领域。下面给出几个典型应用电路。 调光电路 图 (1)是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在 电容 C 上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线 变亮，则 RG的阻值下降，导致 可控硅 的导通角变小，照明灯两
16、端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。 上述电路中整流桥给出的是必须是直流 脉动电压 ，不能将其用电容滤波变成平滑直流电压，又可使电容 C 的充电在每个半周 从零开始 ，准确完成对可控硅的同步移相触发。 以光敏电阻为核心 元件 的带 继电器 控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等，下面给出几种典型电路。 图 (1) 图 (2)是一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发 VT1 导通， VT2 的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。 图 (2)光控开关 图
17、 (3)是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设10 置值时由于光敏电阻阻值上升使运放 IC 的反相端电位升高，其输出激发 VT 导通， VT的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。 图 (3) （七） 优缺点 优点 内部的 光电效应 和电极无关（光电二极管才有关），即可以使用直流电源 灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关 环氧树脂胶封装可靠性好 、 体积小 、 灵敏度高 、 反应速度快 、 光谱特性好 。 缺点 受温度影响较大 响应速度不快，在 ms 到 s之间，延迟时间受入射光的光照度影响（ 光电 二极管 无此缺点，光电二极管灵
18、敏度比光敏电阻高） （八） 分类 按 半导体 材料分：本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。后者性能稳定，特性较好，故大都采用它。 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： 紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线 。 红外光敏 电阻器 ：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户 ，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和
