传感器课设光控灯.docx
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传感器课设光控灯
河北科技大学
课程设计报告
学生姓名学号：
专业班级：
电信131
课程名称：
传感器原理及应用
学年学期：
2015—2016学年第1学期
指导教师：
陈书旺
2016年1月
课程设计成绩评定表
学生姓名
学号
成绩
专业班级
电信L131
起止时间
2016.1.4-2016.1.8
设计题目
由光敏电阻构成的光控电路
指
导
教
师
评
语
指导教师：
年月日
目录
一、摘要 4
二、简介4
三、总体介绍5
1、总体框图5
2、原理图6
3、原理分析6
四、各功能组成部分介绍6
1、原件清单6
2、光敏电阻7
3、三极管11
4、发光二级管15
五、调试过程17
六、结论17
七、心得体会18
八、参考文献19
一、摘要
光控在现代社会中，某些场所灯光已经不再满足与单纯的手动开关，而是向智能和人性化方便向发展，方与节能已经是主题口号，所以各种光控灯应运而生，而且在光控基础上在发展成为更实用的声光控照明灯，所以研究光控的原理是非常有必要的。
本课设介绍的光控自动照明灯，电路简单，使用方便。
通过光控照明电路，以达到节省能源的目的,该设计主要介绍的是关于光控的电路设计。
光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏电阻在有光的时候灯就会慢慢的熄灭。
在较黑暗或完全没有光照的时候灯就会亮起来，这样就达到了节电和节能的目的，和延长了灯的寿命。
在实际生活中节电节能，能够实现更多的自动化自动照明灯，电路简单，使用方便。
通过光控照明电路，以达到节省能源的目的,该设计主要介绍的是关于光控的电路设计。
光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏电阻在有光的时候灯就会熄灭。
在较黑暗或完全没有光照的时候灯就会亮起来，这样就达到了节电和节能的目的，和延长了灯的寿命。
在实际生活中节电节能，能够实现更多的自动化。
光控灯电路作为一种简单的实用电路现在已经渗透到我们生活中很多方面，最常见的如光控照明灯，就是指在有光情况下会自动熄灭，当夜幕来临的时候等会自动的亮起来，很适合做路灯和走廊灯的控制，起到了很好的节能效果。
现在的一些小孩玩具中也应用到这一原理，把光控集成电路植入于玩具当中（常见于轮滑鞋），遮光时就会出现闪光效果，非常有趣。
二、简介
根据光敏电阻遇光电阻值减小的特性，用一个光敏电阻所受光照程度不同产生的电压差来控制电路的通与断。
该电路可以经过适当的扩展、变形或组合等，构成各种的自动光控电路，适用于各种需要进行的自动光控开关的场合。
光敏电阻器又叫光感电阻，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）。
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）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
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，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
三、总体介绍
1、总体框图
否
是
否
是
2、原理图
3、原理分析
如图所示，光敏电阻R1和可调电阻RP组成串联电路，当光线变暗时光敏电阻阻值升高，RP两端电压下降，使VT1晶体管C、E之间阻值变大，导致VT2、UB升高C、E之间电阻迅速减小，发光二极管导通。
反之不亮。
电子光控开关，将发光二极管该接继电器，可控制各种电器设备，可作为机器人光控探头。
通电后，调节RP可改变控制要求。
4、各功能组成部分介绍
1、原件清单
VT1，VT29014三极管
2个
光敏电阻R1
1个
滑动变阻器RP10K欧
1个
电阻R24.7K欧
1个
发光二极管Vd
1个
2、光敏电阻
光敏电阻特性分析
（1）光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流：
光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。
此时在给定电压下流过的电流。
亮电流：
光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。
此时流过的电流。
光电流：
亮电流与暗电流之差。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。
也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几KΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
（2）光敏电阻的光照特性
下图表示CdS光敏电阻的光照特性。
在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。
不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。
一般在自动控制系统中用作光电开关。
（3）光敏电阻的光谱特性
光谱特性与光敏电阻的材料有关。
从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。
因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
（4）光敏电阻的伏安特性
在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。
图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。
由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。
在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。
但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。
超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。
（5）光敏电阻的频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。
由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。
硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。
（6）光敏电阻的稳定性
图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。
初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。
但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。
光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。
这就是光敏电阻的主要优点。
光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。
（7）光敏电阻的温度特性
其性能（灵敏度、暗电阻）受温度的影响较大。
随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。
硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。
有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。
例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。
光敏电阻的工作原理和结构
当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。
为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即
式中ν和λ—入射光的频率和波长。
一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。
光敏电阻的结构如图所示。
管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。
光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。
为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。
这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。
图（c）是光敏电阻的代表符号。
a b c
CdS光敏电阻的结构和符号
1--光导层;
2--玻璃窗口;
3--金属外壳;
4--电极;
5--陶瓷基座;
6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。
光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。
如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。
光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。
而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。
3、三极管
三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。
分成NPN和PNP两种。
我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。
（1）、电流放大
下面的分析仅对于NPN型硅三极管。
如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。
这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。
三极管的放大作用就是：
集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：
集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。
如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。
如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。
我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。
（2）、偏置电路
三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。
这有几个原因。
首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。
当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。
但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。
如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。
另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。
而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。
这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。
（3）、开关作用
下面说说三极管的饱和情况。
像上面那样的图，因为受到电阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。
当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。
一般判断三极管是否饱和的准则是：
Ib*β〉Ic。
进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。
这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：
当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。
如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。
（4）、工作状态
如果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。
如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数β），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。
由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。
如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。
对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来——变成朝里的了
（5）、三极管开关电路工作原理解析
图一所示是NPN三极管的共射极电路，图二所示是它的特性曲线图，图中它有3种工作区域：
截止区（CutoffRegion）、线性区（ActiveRegion）、饱和区（SaturationRegion）。
三极管是以B极电流IB作为输入，操控整个三极管的工作状态。
若三极管是在截止区，IB趋近于0（VBE亦趋近于0），C极与E极间约呈断路状态，IC=0，VCE=VCC。
若三极管是在线性区，B-E接面为顺向偏压，B-C接面为逆向偏压，IB的值适中（VBE=0.7V）， IC=hFEIB 呈比例放大，Vce =Vcc-RcI c=V cc-Rc hFEIB可被IB操控。
若三极管在饱和区，IB很大，VBE=0.8V，VCE=0.2V，VBC=0.6V，B-C与B-E两接面均为正向偏压，C-E间等同于一个带有0.2V电位落差的通路，可得Ic=（Vcc-0.2）/Rc ，Ic与IB无关了，因此时的IB大过线性放大区的IB值， Ic三极管在截止态时C-E间如同断路，在饱和态时C-E间如同通路（带有0.2V电位降），因此可以作为开关。
控制此开关的是IB，也可以用VBB作为控制的输入讯号。
图三、四分别显示三极管开关的通路、断路状态，及其对应的等效电路。
图1 NPN三极管共射极电路 图2 共射极电路输出特性曲
图3、截止态如同断路线图 图4、饱和态如同通路
4、发光二级管
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算：
R＝（E－UF）／IF
式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流
发光二极管发光原理
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
LED光源的特点
（1）、电压
LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
（2）、效能
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
（3）、响应时间
其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
（4）、颜色
发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和禁带宽度，实现红黄绿蓝橙多色发光。
红光管工作电压较小，颜色不同的红、橙、黄、绿、蓝的发光二极管的工作电压依次升高。
五、调试过程
1.确定课题设计电路并计算出算需元件的大小。
2.采购元器件。
3.焊接电路。
除电池外，全部元器件都可焊装在印刷电路板上。
安装顺序为R2、R1，再装RP可调电阻、两只三极管和发光管。
通电后，调节RP可改变控制要求。
4.观察电路是否有虚焊点或是短路的地方，并检查实际所焊电路是否与电路图一致并调试错误。
5.检查发光二极管是否损坏：
将万用表置于测二极管的档位，将红黑表笔分别接在发光二极管的两端，查看发光二极管是否发光，若有一次测量发光则说明二级管正常。
6.检查光敏电阻是否正常。
将万用表置于测电阻的档位，分别测量在有光照和无光照时光敏电阻的电阻。
若电阻为0或是无穷大，则说明次光敏电阻损坏
7.电路焊接完毕之后接上电源会发现发光二极管会有一个逐渐由亮变暗或是由暗变亮的中间过程。
只是由于滑动变阻器RP引起的，所以要解决这个问题，就需要把RP换成比较器
六、结论
最后调试很成功，器件很敏感。
每当光暗时LED灯就会亮，随着越来越弱光弱，灯越来越亮。
实验结果显示如下图所示：
实物图，正面：
反面：
七、心得体会
这个学期我们学习了传感器这门课程，通过对传感器课程设计的学习，让我学到了很多实用的知识，认识了许多以前没见过的不认识的元器件，更重要的是实验的过程以及思考问题的方法，与其他课程的实验是相通的，这对于我们来说也是不小的收获.
第一次自己完全亲手去做某件东西，感觉很兴奋。
虽然做得比较简单，但是还是很庆幸自己能过独立完成这个任务。
课程设计的确做过不少，但是很多都只是按规定的步骤去做。
老师把规矩订的死死的，很少有自由发挥的余地。
但是这次不同，我们可以自己选择要做得电路。
刚听传感器老师说这个课程设计时感觉真的有难度。
从选择电路到制作完成，每一步都由我们自己来完成。
这个听起来的确是有那么一点儿恐怖。
但是对每一个人来说又是一种尝试，一种可以说是前所未有的挑战。
首先开始去图书馆找相关资料，同时也上网搜了很多资料。
结果是相关的电路图并不少，可是很多都是用集成芯片去控制的，许多元器件根本不知道是什么东西。
很多电路看起来并不是很难，用的元器件也不是很多。
首先找了几个比较实用的电路，分析电路的可行性。
由于这次课程设计没有专用的电路板，元器件之间的连接只能用导线。
所以这次我选择的电路连线并不是很复杂。
选定电路之后，就找时间去买东西。
虽然理论知识学的不少，但是碰到实际元器件还是认不清楚。
看卖家讲的条条有理，真是有点愧对自己的大学。
居然连自己专业的元器件都分不清楚。
看来以后学习的时候一定要书本知识联系实际，这样才能毕业后掌握专业本领。
考虑到自己不经常动手的原因，所有的元器件都准备了两份。
以前总以为理论是最重要的。
现在才知道实践也同样重要，实践过后才会真正掌握理论。
学生时代，很多人只注重了理论，忽略了实践的重要性和必要性。
从而导致很多大学生眼高手低，能说不能做，毕业之后找工作困难。
所以，我们要抓紧这宝贵的一年半时间，在学好理论的同时，努力锻炼自己的动手能力。
只有这样我们才能将理论应用于生产实践，为国家的发展做出自己的贡献，同时实现自己的人生价值
通过这次课程设计，使传感器这门课的一些理论知识与实践相结合，更加深刻了我对这门课的认识，巩固了我的理论知识。
更重要的是，做课设时，弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。
总的来说，这次的课程设计真的使我们受益匪浅。
八、参考文献
《传感器原理及工程应用》 郁有文 常健 程继红 编著
《传感器与检测技术》 陈杰、黄鸿 编著 高等教育出版社
《传感器敏感元件大全》 张福学等编著 电子工业出版社
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