光照强度传感器及其变送电路设计范文.docx
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光照强度传感器及其变送电路设计范文
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ＤＳＰ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……………………………………………………………………………4
1.1引言……………………………………………………………………………………………4
1.2传感器的概述……………………………………………………………………………........4
第二章系统设计…………………………………………………………………………5
2.1光电传感器及敏感元件………………………………………………………………………5
2.1.1光敏电阻器…………………………………………………………………….......5
2.1.2光敏二极管……………………………………………………..………….......5
2.1.3光敏晶体管…………………………………………………………………………..6
2.2光电传感器概述………………………………………………………………………………6
2.3光电传感器工作原理………………………………………………………………………6
2.4光照传感器的设计……………………………………………………………………………8
2.4.1设计方案一…………………………………………………………………………8
2.4.2设计方案二…………………………………………………………………………9
2.5方案比较………………………………………………………………………………………10
第三章变送电路硬件设计……………………………………………………………10
3.1变送电路简介……………………………………………………………………..…………10
3.2热电阻二线制变送器的设计………………………………………………………………12
3.2.1信号采集电路…………………………………………………………………13
3.2.2一级放大电路和线性化调整电路……………………………………………………13
3.2.3调零、电源平衡及二级放大电路………………………………………13
3.2.4调满电路和V/I转换电路……………………………………………………14
3．3热电偶二线制变送器电路设计……………………………………………………14
3.3.1信号采集和一级放大电路…………………………………………………14
3.3.2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
4.1.2热电偶二线制变送器…………………………………………………………………..18
4.2电阻计算的VB界面设计………………………………………………………………..18
4.3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。
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。
2.1.1光敏电阻器
１．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）。
２．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。
2.1.2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。
2．1.3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
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。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
2.3光电传感器工作原理
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换
光电传感器
成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式,漫反射式,遮光式（光束阻档）三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.
光敏二极管是最常见的光传感器。
光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电光电传感器
载流子。
在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。
光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。
光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。
为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。
工作时集电结反偏，发射结正偏。
在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度
2.4光照传感器的设计
2．4.1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１ 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５５５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Ｒｄ、Ｗ１、Ｒ１、Ｄ１、Ｃ１。
此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到２／３Ｖｃｃ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１／３Ｖｃｃ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７脚的作用，因７脚的状态
与输出端一致，７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Ｃ上电压ＵＣ略低于１／３Ｖｃｃ，Ｕｏ输出高电平，Ｖ１截止，电源ＵＣＣ通过Ｒ１、Ｒ２给电容Ｃ充电。
随着充电的进行ＵＣ逐渐增高，但只要１／３Ｖｃｃ＜Ｖｃ＜２／３Ｖｃｃ，输出电压Ｕｏ就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。
当电容Ｃ上的电压ＵＣ略微超过２／３Ｖｃｃ时（即Ｕ６和Ｕ２均大于等于２／３Ｖｃｃ时），ＲＳ触发器置０，使输出电压Ｕｏ从原来的高电平翻转到低电平，即Ｕｏ＝０，Ｖ１导通饱和，此时电容Ｃ通过Ｒ２和Ｖ１放电。
随着电容Ｃ放电，ＵＣ下降，但只要２／３Ｖｃｃ＞Ｖｃ＞１／３Ｖｃｃ，Ｕｏ就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。
当ＵＣ下降到略微
低于１／３Ｖｃｃ时，ＲＳ触发器置１，电路输出又变为Ｕｏ＝１，Ｖ１截止，电容Ｃ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Ｖｃ＝２／３Ｖｃｃ时，Ｕｏ输出为低电平；当Ｖｃ＝１／３Ｖｃｃ时，Ｕｏ输出为高电平；
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个端口均接高电平；
Ｄ１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阻的路径，在本电路中Ｖｃｃ通过Ｒｄ、Ｗ１、Ｒ１、Ｄ１向电容Ｃ１充电，电容通过Ｒ２放电
Ｃ１的作用是，电路通过它的充放电改变５５５定时器Ｕｏ输出的电压。
Ｃ２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，Ｗ１、Ｒ１可以提高振荡频率的精度。
发光二极管ＬＥＤ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Ｒｄ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。
2.4.2设计方案二
图２ 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。
Ｒｄ随光照强度的改变而改变，光照增强时Ｒｄ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
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５５５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Ｒｄ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Ｒｄ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4~20mA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4~20mA直流电流输出,即二根线既是电源线也是4~20mA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（0~85°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变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的4~20mA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0~100°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。
4~20mA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（0％~100％）变化时，二根传输线上电流对应４~20mA变化；4mA作为变送器电路工作损耗电流，也易于识别断线断电故障。
RL为信号采样负载电阻（RL≤250Ω）。
V（AB）须大于12V以保证系统的正常工作。
在电源正常（17~30V）的前提下,回路4~20mA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（0~16mA），加上电路的4mA静态工作电流I2形成4~20mA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。
3.2.1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100Ω，Cu50测量时R4取50Ω。
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：
3.2.2一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）。
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=8.2kΩ，热电阻非线性修正可以达到千分之二的精度。
3.2.3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=100Ω,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。
3.2.4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200kΩ的大电阻，R25为100Ω的小电阻，整个电路电流输出I2≈V/R25。
R26是一个负载电阻。
3．3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。
3.3.1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0~1300℃为例，K分度50°C时输出热电势等于2.022mV即：
由此可求得：
R2=13kΩ。
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=5.1kΩ，则R6应为180kΩ。
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。
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0~1300°C）,首先可以假定在0~100°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，当检测点值在要求线性值以上，则表示输出值偏大，这就需
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