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2目录第一章绪论……………………………………………………………………………41.1引言……………………………………………………………………………………………41.2传感器的概述……………………………………………………………………………........4第二章系统设计…………………………………………………………………………52.1光电传感器及敏感元件………………………………………………………………………52.1.1光敏电阻器…………………………………………………………………….......52.1.2光敏二极管……………………………………………………..………….......52.1.3光敏晶体管…………………………………………………………………………..62.2光电传感器概述………………………………………………………………………………62.3光电传感器工作原理………………………………………………………………………62.4光照传感器的设计……………………………………………………………………………82.4.1设计方案一…………………………………………………………………………82.4.2设计方案二…………………………………………………………………………92.5方案比较………………………………………………………………………………………10第三章变送电路硬件设计……………………………………………………………103.1变送电路简介……………………………………………………………………..…………103.2热电阻二线制变送器的设计………………………………………………………………123.2.1信号采集电路…………………………………………………………………133.2.2一级放大电路和线性化调整电路……………………………………………………133.2.3调零、电源平衡及二级放大电路………………………………………133.2.4调满电路和V/I转换电路……………………………………………………143．3热电偶二线制变送器电路设计……………………………………………………143.3.1信号采集和一级放大电路…………………………………………………143.3.2线性化调整电路和二级放大电路………………………………………153第四章软件设计……………………………………………………………………….174.1设计概述…………………………………………………………………………174.1.1热电阻二线制变送器…………………………………………………………………...174.1.2热电偶二线制变送器…………………………………………………………………..184.2电阻计算的VB界面设计………………………………………………………………..184.3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………………………………………………………………………………………………….224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。5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6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7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8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92.4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Ｕ10２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