传感器原理与应用课程设计

摘要摘要介绍一种光控灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，并给出了电路原理图及元件参数选择。

光控灯控制器可以自动实现光线较暗时，二极管变亮，既方便又实用。

此控制器经济实用，即使一般的微弱光线也能是二极管发光。

这是我首次课程设计，时间仓促，加之我水平有限，没有设计经验，在本文中有不当之处，希望老师与读者提出意见，帮助完善设计。

关键字：光线、控制器、开关、二极管，发光。

目录目录摘要第一章课程设计内容及要求 (1)1.1课程设计题目 (1)1.2 设计目的 (1)1.3 设计内容 (1)1.4 结论 (2)第二章设计计划与方案论证 (3)2.1 设计思路来源 (3)2.2 设计电路思路 (3)2.3 方案论证（电路原理） (4)第三章设计方案实现 (5)3.1 元件清单 (5)3.2 相关元器件的说明和介绍 (5)3.2.1光敏电阻 (5)3.2.2 发光二极管 (8)3.2.3 三极管 (9)测控系统综合设计总结 (10)参考文献 (11)附录 (10)第一章课程设计内容及要求1.1课程设计题目《光敏自动控制照明灯》1.2 设计目的（1）培养学生测控系统的设计能力。

（2）系统训练典型传感器的应用能力。

（3）提高传感器及其应用电路的调试能力。

（4）重点掌握典型传感器的应用方法、测量范围、应用电路以及检测精度与误差等解决实际工程问题的方案和操作方法。

1.3 设计内容（1）提出总体设计方案；（2）应用传感器实验设备与自制电路系统进行设计；（3）系统硬件电路调试；（4）撰写课程设计论文；（5）完成课程设计答辩。

（6）以下题目由学生任选其一完成。

设计题目A类1）直流电压传感器检测电路；2）交流电压传感器检测电路；3）直流电流传感器检测电路；4）交流电流传感器检测电路；5）电阻传感器检测电路；6）电容传感器检测电路；7）电感传感器检测电路。

主要参数：供电电源、测量范围、测量精度、线性度、输出类型（电压/电流）等。

设计题目B类1）光电开关传感器检测电路；2）接近开关传感器检测电路；3）光敏开关传感器检测电路；4）湿敏开关传感器检测电路；5）气敏开关传感器检测电路；主要参数：供电电源、测量范围、测量精度、输出类型（电平/触点）等。

设计题目C类1）温度变送器；2）压力变送器；3）位移变送器；4）液位变送器；5）称重变送器。

主要参数：供电电源、测量范围、测量精度、输出类型（DC0-2V,0-20mA）等。

1.4 结论综上所述，我们小组选择的是设计题目B类中第三项：光敏开关传感器检测电路。

根据电路的设计与功用，我们把它叫做光敏自动控制照明灯。

第二章设计计划与方案论证2.1 设计思路来源随着科学技术的发展，许多高端技术已经实现了自动检测与控制。

同时传感器的应用也逐渐增多，遍及人们生活的各个方面，给人们的生产和生活带来极大的方便。

本设计选用光敏传感器，对特殊场合的光照强度进行检测与报警。

主要应用于农业大棚、城市照明等对光照强度有要求的场合。

本设计用发光二极管作为警示灯，当光照强度不满足要求时就会发光起到警示的作用。

2.2 设计电路思路要设计光控灯，首先要掌握光敏电阻的特性，光敏电阻又称光导管，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,常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下（光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm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），其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

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）。

经测量随着外部环境的改变，本次所用光敏电阻阻值的变化范围为2K-3M,即在有光照射时电阻阻值下降，无光照时阻值上升，根据这一特性可以控制三极管工作状态进而控制灯的亮灭的电路。

三极管工作状态分为放大、截止和饱和。

当工作在放大区时，发射极正偏，集电极反偏；当工作在截止区时，发射极和集电极均反偏；当工作在饱和状态时，发射极和集电极均正偏。

同时三级管有两种材料做成，一种为硅管，其正偏发射结导通电压为0.7V；一种为锗管，其正偏发射结导通电压为0.3V。

三极管种类有NPN和PNP两种，本次课设用到的三极管为NPN型硅管9014和PNP型硅管9012。

2.3 方案论证（电路原理）由2.2设计电路思路设计出如图2-1的电路图。

如图2.3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Q1晶体管C、E之间阻值变大，导致Q2、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，将发光管改接继电器，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可以改变控制要求。

由于该电路可根据光照的强弱发光，可以作为自动控制的照明装置。

图2-1 光敏自动控制照明灯电路图第三章 设计方案实现3.1 元件清单表 3-1 电路所用元件清单3.2 相关元器件的说明和介绍3.2.1光敏电阻图 3-1（a ）光敏电阻实物图 图3-1 （b ）光敏电阻电路结构1.介绍及应用光敏电阻又称光阿导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化VT1 9014 1个 VT2 90141个 光敏电阻R11支 滑动变阻器RP 10K Ω1支 电阻R2 4.7K Ω1支 发光二极管VD1个铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，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。

2. 光敏电阻的分类根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：（1）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。

（2）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。

（3）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“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

（本设计采用的就是）3.主要参数特性（1）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。

（2）暗电流、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。

（3）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。

（4）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。

在大多数情况下，该特性为非线性。

（5）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。

（6）温度系数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。

（7）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。

4.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。

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，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，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。

3.2.2 发光二极管图3-2 发光二极管发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。

当其内部有一定电流通过时，它就会发光。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。

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。

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。