第十三章 传感器应用实例

第十三章传感器应用实例一、光电传感器应用实例1.路灯光电控制器该控制器由于采用光电倍增管作为光传感器，电路的灵敏度高，能有效地防止电路状态转换时的不稳定过程。电路中还设置有延时电路，具有对雷电和各种短时强光的抗干扰能力。路灯光电控制器的电路，如图13-1所示。电路主要由光电转换级、运放滞后比较级、驱动级等组成。白天，当光电管VT1的光电阴极受到较强的光照时，光电管产生的光电流使得场效应管VT2栅极上的正电压增高，漏源电流增大，这时在运算放大器IC的反相输入端的电压约为+3.1V，所以运算放大器输出为负电压，VD7为截止状态，VT3也处于截止状态，继电器K不工作，其触点K1为常开状态，因此路灯不亮。到了傍晚时分，由于环境光线渐弱，光电管VT1的电流也减小，使得场效应管VT2栅极电压和漏源电流随之减小。这时在运算放大器IC反相输入端上的电压为负电压，在其输出端输出有+13V的电压，因此VD7导通，VT3随之导通饱和，继电器K工作，其常开触点K1闭合，路灯被点亮。到第二天清晨，由于光照的加强，电路则自动转换为关闭状态。为防止雷雨天的闪电或突然短时间的强光照射，使电路造成误动作，在电路中，由C1、R1反光电管的内阻构成一个延时电路，延时为3～5s，这样即使有短时的强光作用（例如电闪、手电筒的慢晃），也不会使电路翻转，仍能保持电路的正常工作。为防止自然光从亮到暗变化时不稳定现象的发生，在电路中还接有正反馈电阻R11。R11的一端接在运算放大器IC的输出端，另一端经R6、R7分压后接在IC的同相输入端。由于有了正反馈，只要电路一转换，就会使电路处于稳定状态。2.光控闪光标志灯光控闪光标志灯电路如图13-2所示。电路主要由M5332L通用集成电路IC、光敏三极管VT1及外围元件等组成。白天，光敏三极管VT1受到光照内阻很小，使IC的输入电压高于基准电压，于是IC的6脚输出为高电平，标志灯E不亮。夜晚，无光照射光敏三极管VT1，其内阻增大，使IC的输入电压低于基准电压，于是IC内部振荡器开始振荡，其频率为1.8Hz，与此同时，IC内部的驱动器也开始工作，使IC的6脚输出低电平，在振荡器的控制下，标志灯E以1.8Hz频率闪烁发光，以警示有路障存在。图13-2光控闪光标志灯电路原理图3.光控闪烁安全警示灯道路施工时，需在施工现场挂上红色安全警示灯，以保护行人和行车的安全。高层建筑物的顶端按有关的规定必需设置红色警示灯，以确保飞机的安全航行。光控闪烁安全警示灯比现在用的红色警示灯增加了光控和闪烁功能，白天可自动熄灭，傍晚可自动点亮并发出十分引人注目的闪烁光。光控闪烁安全警示灯电路图见图13-3所示。它由极少数元件组成，其中光敏元件采用Ｃds光敏电阻，VS为双向晶闸管，它的触发电压经双向触发二极管VD２从电容C两端取得。图13-3光控闪烁安全警示灯电路图当接通电源后，220V交流电经二极管VDl半波整流，通过Ｒ1向C充电，因充电电流很小，警示灯不会点亮。C上的充电电压取决于Ｒ1和光敏电阻RL的分压值。白天，光敏电阻RL受自然光源的照射呈现低阻值，电容C两端的电压超不过双向触发二极管VD2的转折电压，双向晶闸管VS因无触发电压而处于截止状态，警示灯E不亮。夜晚，环境自然光变暗，光敏电阻RL呈现高阻值，电容C两端的电压不断增高，当电压超过双向触发二极管VD2的转折电压时，VD2导通，电容C通过VD2和R2放电，双向晶闸管获得足够的触发电流而导通，警示灯E点亮。当电容C上的电压放电到一定程度时，双向触发二极管重新截止，双向晶闸管失去触发电流而关断，警示灯熄灭。之后重复上述过程，使警示灯发出闪烁的亮光。4.测光文具盒测光文具盒是在文具盒上加装测光电路组成的，它不但有文具盒的功能，又能显示光线的强弱，可指导学生在合适的光线下学习，以保护学生的视力。图13-4是测光文具盒的测光电路。电路中采用2CR11硅光电池作为测光传感器，它被安装在文具盒的表面，直接感受光的强弱。采用两个发光二极管作为光照强弱的指示。当光照度小于100lx较暗时，光电池产生的电压较小，半导体管压降较大或处于截止状态，两个发光二极管都不亮；当光照度在100～200lx之间时，发光二极管VD2点亮，表示光照度适中；当光照度大于2001x时，光电池产生的电压较高，半导体管压降较小，此时两个发光二极管均点亮，表示光照太强了。借助测光表调节电位器RP和R＊可使电路满足上述要求。图13-4测光文具盒的测光电路5.太阳能自动跟踪控制器控制器采用四只光敏传感器和两个比较器，分别构成两个光控比较器，控制电机的正反转，使太阳能接收器自动跟踪太阳转动，见图13-5所示。控制电路见图13-6。双运放LM358与R1、R２构成两个比较器，光敏电阻B１、B２与电位器RP1和光敏电阻B３、B4与电位器RP２分别组成光敏传感电路。为了能根据环境光线的强弱自动进行补偿，将Bl和B３安装在控制电路外壳的一侧，B２和B4安装在控制电路外壳的另一侧，如图13-6所示。图13-5太阳能接收装置结构图图13-6太阳能自动跟踪控制电路图当B1、B２、B3和B4同时受到环境自然温度光线作用时，RP1和RP2中心点电压不变。如果只有Bl和B３受阳光照射，Bl的内阻减小，IC１a同相端电位升高，输出端输出高电位，三极管VT1导通，继电器K1工作，其触点3与触点1闭合。同时B３内阻减小，IC1b的同相端电位下降，Ｋ２不工作，其转换触点3与触点2仍处于闭合状态，电机M正向转动；同理，如果只有B２和Ｂ４受太阳光照射，继电器K2工作，K1停止工作，则电机M反向转动。当太阳能接收器旋转面向太阳时，此时控制电路外壳两侧的光照度相同，继电器K１和k２同时工作，电机M停止转动。6.光控自动水龙头光控自动水龙头的电路，见图13-7所示。IC1组成40KHz的多谐振荡器，驱动红外发光二极管VD1向外发出红外光，该红外光经凸透镜聚焦后被红外接收二极管VD2接收。IC2是一个专用红外线接收放大器，内含前置放大、滤波、积分检波、整形电路，并可为VD2提供偏置电压。IC２的中心频率由Ｒ５确定，为40KHz。当红外接收二极管VD2接收到VD1发出的红外调制光时，IC２第7脚变为低电平，使VT１截止，继电器K不工作，其常开触点K1使电磁阀DF得不到电，因此水龙头处于关闭状态，这也是水龙头的一般状态。图13-7光控水龙头电路图当有人洗手时，手挡住了VD1发往VD2的红外光线，IC2第7脚由低电平变为高电平，使VT１导通，继电器K工准，其触点K1闭合，电磁阀DF动作，水经电磁阀DF自动流出。洗手完毕，人走手离，VD1发出的红外光线又照射到VＤ２上，电磁阀又恢复到平时关闭状态。光控自动水龙头用于公共场合，不但可节约用水，还可防止传染病的感染。7.声控光敏延时开关声控光敏延时开关是一种用于楼梯、走廊、公厕等场合的照明开关。这种开关在白天呈关闭状态，在夜晚，只要有声响便可开启，延时45s后又自动关闭。声控光敏延时开关电路如图13-8所示。白天光敏电阻RL受光照射呈低阻状态，使半导体管VT3导通，VT4、VT5截止，VT6导通，晶闸管VT7截止，灯泡E处于熄灭状态。由于VT3一直处于导通状态，因此，不管有什么声响，灯泡E都不会点亮。天黑时，光敏电阻无光照射，内阻增大，使VT3处于截止状态，如无声响，则电路仍同白天相同。图13-8声控光敏延时开关电路当有声响时(如人的脚步声)，话筒B接受声响信号并转换为电信号，该信号经VT1、VT２放大后，使VT4导通，电源经VＴ４、VD２给电容C3迅速充电，并使VT5导通，VT6截止，触发晶闸管V7导通，点亮灯泡E。声响消失后，由于C3缓慢放电的作用，使VT5在延时３０s后转为截止状态，并使VT6导通，晶闸管V7又恢复截止状态，灯泡熄灭。8.光控定时报栏灯光控定时报栏灯采用光敏三极管做感光器件，在傍晚光线较暗时自动点亮，点亮4小时后自动熄灭，从根本上解决午夜后报栏灯一直点到天亮的工作方式，既省工又节电。图13-9是光控定时报栏灯的电路图。它主要由单稳态延时电路、脉冲形成与放大电路、定时开关电路等构成。光控单稳态延时电路由555时基电路IC1、光敏三极管VT1、电位器RPl、电容C1等组成。脉冲形成和放大电路由C3、VT2与及电阻等组成。定时开关电路由晶闸管VT3、VT4、IC2、IC3、IC4等构成。图13-9光控定时报栏灯的电路图白天，光敏三极管VT1处于导通状态，电源向C1充电，ICI输出低电平，由于C3两端电位相等，VT2处于截止状态，晶闸管VT3和VT4处于阻断状态。所以定时开关电路和报栏灯均不工作。傍晚，光线渐弱，光敏三极管逐渐趋向截止，最终使ICI输出端由低电平变为高电平，产生一阶跃电压，经R2、C3微分后成为正尖脉冲，再经放大后触发晶闸管VT3导通，使常开固态继电器SSR接通报栏灯电源，使报栏目光灯点燃。与此同时，延时开关电路开始工作，电源通过VT3和R7向电容C5充电。555时基电路和IC２组成时钟振荡源，其振荡周期为１s，其输出端直接祸合至IC3的时钟输入端，通过4级二进制计数器/分频器对输入脉冲进行计数分频，以累计脉冲个数，达到长延时的目的。当达到设定的延时时间时，IC3输出端便输出高电平，经非门电路增大驱动功率在而电容C9上的电压又不能突变，使晶闸管第二阳极的电压通过VD５与电容C５上的电压迭加，造成晶闸管VT3上阴极电位在此瞬间高于阳极电位，导致VT3关断，使固态继电器失电，断开日光灯的电源，报栏灯熄灭。此后，IC１输出端一直处于高电平，电容C３也充过电使VT２一直处于截止状态，阻塞了VT3的导通。只有等到天明时，才会使IC1的输出端重新变为低电平，使C3上的电荷放掉，为晶闸管VT3的再次导通创造条件。9.红外自动干手器图13-10是红外自动干手器的电路。它是一个由六反相器CD4069组成的红外控制电路。反向器F1、F2、半导体三极管VT1及红外发射二极管VD1等组成红外光脉冲信号发射电路。红外光敏二极管VD２及后续电路组成红外光脉冲的接收、放大、整形、滤波及开关电路。当我们将于放在干手器的下方10～15cm时，由VD1发射的红外光线经人手反射后被红外光敏二极管VD２接收并转换成脉冲电压信号，经VT２、VT3放大，再经反相器F3、F4整形，并通过VD3向C6充电变为高电平，经反相器F５变为低电平，使VT4导通，继电器K得电工作，其触点K1闭合，接通电热风机的电源，热风吹向手部进行干燥处理。图13-10红外自动干手器电图路与此同时，发光二极管VD5也点亮，告知热风机电路已被启动。为防止人手晃动而偏离光控部分，造成短时的信号消失，而使电路不能连续王作，在电路中由VD3、R12、C6组成延时关机电路。当手离开光控部分时，C6通过R12需要一段时间，因此在短时间内C6上仍可保持高电平存在，使后级电路仍保持原工作状态不变。延时时间一般为3s就够了。二、温度传感器应用实例1.食用菌烘箱蘑菇、木耳等食用菌是我国出口的主要农副产品之一。能及时地将鲜食用菌烘成干成品，这对减少食用菌专业户的经济损失，显然是非常重要的一环。经济实用的食用菌烘干箱电路见图13-11所示。市电经C1降压，VD1整流，C2滤波，R2限流后，经VD2稳压在10V左右给电源供电。由两个555时基电路ICl、IC2与外围元件组成两个多谐振荡器，它们输出的周期电平，控制着双向晶闸管的导通与截止。其中电位器RP1、RP3可调节多谐振荡器波形的占空比。由于温度传感器RT和湿度传感器RS分别接在ICI和IC2的控制极上，它们的阻值变化将会影响振荡器的工作。温度传感器选用正温度系数的热敏电阻，而湿度传感器则选用湿度增大阻值减少的湿敏电阻。调节RP2、RP4可分别设定温度及湿度控制点。当烘箱开始工作时，烘箱内的温度低，温度传感器的阻值小，IC1工作，输出的矩形波使双向晶闸管VT5间歇导通给负载RL加热。此时，放在箱内的食用菌受热，它们所含的水分被蒸发，箱内