传感器报告

课程设计班级：电信12-2姓名：黄丽岩学号：1206110206指导老师：卢永成绩：传感器与检测技术课程设计报告电子与信息工程学院信息与通信工程系路灯控制器的设计摘要随着城市的发展，作为城市公共设施的城市路灯照明系统对人民生活和交通安全起着重要作用。城市路灯控制系统已在我国得到广泛应用，因此，节能已经成为生产应用中不可忽视的一方面，路灯控制器主要用于安装在公共场所或道路两旁，这些路灯通常希望随日照光亮度的变化而自动开启和关断，既满足行人的需要，更重要的是它能节电。本文确定设计方案，并对所用传感器进行选型，同时加以电路的设计与分析，完成设计任务。关键词光敏元件光照变化控制1课程设计主要任务(1)通过解决一个实际问题，巩固和加深对常用传感器的结构、原理、特性的认识和基本知识的理解，提高综合运用课程所学知识的能力。(2)培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。(3)通过实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选择，初步了解简单传感器电路的分析方法和工程设计方法。(4)了解与课题有关的电子线路以及元器件工程规范，能按课程设计任务书的要求编写设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图等。2课程设计基本要求（1）天黑时灯亮，利用光敏二极管的阻值变化，控制可控硅的导通。（2）天亮时，利用光敏二极管的阻值变小，控制可控硅的断路，使灯熄灭。（3）或用继电器控制灯的开、关。3课程设计方案下面分别对路灯控制器的原理，路灯控制器中用到的主要元件以及在电路中作用的进行分析。3.1路灯控制器的硬件设计原理此路灯控制器设计主要由光控电路，整流电路，开关电路，照明电路和电源电路组成。图3-1系统框图图3-2路灯控制器设计电路220V市电经电容C3降压，D1-D4组成的桥式整流电路后，R7限流，在CW2两端形成一个稳定的直流电压，一路经R8点亮发光管LED1，作为电源指示，另一路作为系统的工作电源。接通电源后，如果是白天，光线较强，光敏电阻R2两端的电压很小，CW1截止，流入VT2基极的电流很小，VT1截止，VT3也截止，继电器不工作。当光线变暗时，R2两端的电压不断上升，当这个电压高于CW1的击穿电压时，VT2导通，相继VT1和VT3也导通，继电器得电吸合，其触点控制路灯点亮。当光线再次变亮时，CW1截止，相应导致VT1、VT2、VT3截止，继电器断开。在这里继电器是一个主要的元件，继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入－输出特性。释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即kf=xf/xx触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即Kc=Pc/P0。图3-3继电器的输入输出特性3.2元器件简介：标志元件名称R1、R8、R3、R5、R4、R6、R7电阻R2光敏电阻C1C2电解电容C3电容C4瓷片电容D1-D5二极管CW1CW2稳压二极管LED1LED2发光二极管VT1、VT2、VT3三极管K1继电器3.3电路的分析利用光照强度为传感器，目前最为常用且性价比较高的就是光敏电阻，利用其光线较强时，电阻值较低，而光线较暗时则电阻较大的特点，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器等方式，可以有效地完成控制需要。这类设计中，只要能将光线信号取出，整个设计也便完成了大半，至于控制部分的设计，可采用继电器输出，这样就算驱动较大的路灯负载，只需再加接触器便可完成。在本系统的设计中，还存在很多缺点。一是由于光敏电阻的电阻值变化是连续的，因此在靠近临界点时，容易造成不稳定，这也是设计中遇到的问题。在设计中若能用运放电路来完成处理，则可将运放接成电压比较器的方式，这样可以完成较为精确的起控；若采用分立元件来处理，可以采用稳压管来稳定工作点，只有当分压大于稳压管的击穿电压时，电路才能起控。二是为实际生活考虑，应该加上声控电路，可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。4主要器件的选择4.1半导体二极管几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。二极管种类有很多，作用也很多，主要作用包括整流，限幅，箝位，隔离。我们设计所用的二极管组就是其中的整流二极管。二极管按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。在设计中，我用的是1N4002整流二极管。1N4002是一种整流二极管，它是利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。4.2发光二极管发光二极管简称LED，是一种将电能转换为光能的特殊二极管，是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。发光二极管工作于正向偏置状态，正向电流通过发光二级管，它会发出光来，光的颜色视发光管的材料而定，用红色，黄色，绿色等等颜色。正向工作电压一般不超过2v，正向电流为10mA左右，其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率－电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。4.3光敏电阻由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如图所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。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。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。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。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、砷化铅。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“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。5课程设计体会学期刚刚结束就进行课程设计，时间确实很紧。因为只有一周的时间，所以最初对是否能按时完成课程设计内容感到很担心。题目选定后我开始查阅资料，我在图书管借阅了一些书籍又在网上查阅相关资料，把资料进行再整合，在此期间，经常会遇到这样那样的情况，有的概念不理解，有的元器件画不好，越是着急越是做不好，因此耗费在这上面的时间用去很多。这次课程设计真的多亏了同学们的帮助很多我不太理解的概念和理论都是老师和同学们的帮忙。通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我通过这个方案包括设计了一套电路原理和电路优缺点的分析，器件的选择。由于仓促的做这次设计，同时还有对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，二极管的性能等等，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这次课程设计对我的作用是非常大的。经过一个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。课程设计是培训学生运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节，是对三年所学知识的复习和巩固。同样，也促使了同学们的相互探讨，相互学习。因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个项目，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。我自知这次设计有很多不足，做的比较辛苦效果却不是很好，很多东西平时学的也不够透彻，我觉得做这次课程设计每时每刻都在锻炼着我们，我希望我们每个人能够从中受益良多。最后，再一次感谢所有电信学院老师的付出，谢谢你们！参考文献[1]傅凤林主编：《模拟电子技术基础》天津，天津科技出版社，1993[2]刘光钴，铙妮妮主编：《模拟电路基础》四川，电子科技出版社，1999[3]唐介主编：《电工学（少学时）》北京，高等教育出版社，2005[4]梁桂书，董华英主编：《电路理论基础》北京，中国电力出版社，2009[5]汤湘林主编：《数字集成电路应用基础》北京，中国劳动社会保证出版社，2005