光敏二极管实现

第1页共19页引言目前，光敏电阻和光敏二级管用于亮度调节非常广泛，两者都很方便的运用在光强自动调节的领域，比如说，学校的路灯，街道的路灯，都可以用光敏传感器来实现智能光调节功能，非常方便，外面的电路用了光敏传感器的反向连接功能，如果是白天的时候，路灯的电压就会减小到零，如果是晚上的时候，路灯的电压就会升高到一定值，使路灯变亮，这样就使得马路边的路灯不受人工控制，实现全智能化。我相信在未来不久，只要有灯的地方，光敏传感器调节亮度这方面的电路将得到很广泛的应用，我们晚上玩手机屏幕的时候，手机的亮度很刺眼，会严重伤害眼睛，这时我们也应用光自动调节亮度的原理来实现这一功能，当外界的亮度很暗的时候，手机屏幕可自动调节它的亮度，使它的亮度小到一定的范围，合适为止，还有电脑屏幕的显示屏也是一样，这样不仅节约电，而且对眼睛还有保护作用，这个领域现在已经应用很广泛。总之，亮度自动调节电路这方面的应用已经很广泛，生活中这方面的应用无处不在，使其不断趋向智能化。第2页共19页1系统硬件设计总体框图本文通过设计一个用光敏二极管进行亮度调节的电路，利用光敏二极管的反向PN结来采集外部信号，电路可以实现用光敏二极管来控制灯的亮度，而且在数码管上显示它的亮度等级，通过做这个电路，让我更加熟悉光敏二极管的应用了解，本电路由五个部分组成，一是光敏二极管采集电路，二是运算放大器电路，三是电源部分电路、四是AD转换和数码管驱动模块、五是数码管显示电路，本设计框图如图1.1所示。光敏电阻采集电路运算放大器电路电源部分电路AD转换和数码管驱动电路模块数码管显示电路图1.1总电路框图2各部分电路分析2.1光敏二极管采集电路2.1.1光敏二极管简介光敏二极管也叫光电二极管，光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。2.1.2光敏二极管的应用电路图2.1.2是采用光敏二极管的最简单的光检测电路，图(a)是二极管输出端为开路方式，其输出电压随入射光量的对数呈线性变化，但容易受温度变化的影响。图(b)是第3页共19页二级管输出端为短路方式．输出电流随入射光量的对数呈线性变化．一般采用输出端短路的工作方式。然而，这两种电路都是光电二极管单个使用，其输出电压(或电流)非常小，一般要与晶体管或IC等放大器组合使用。图2.1.2光检测电路图2.1.3是无偏置电路实例、其中图(a)接高阻抗负载．图(b)接低阻抗负载。负载阻抗越高其特性越接近输出端开路方式，负载阻抗越低则越接近输出端短路方式。然而因二级管都是单个使用，所以输出信号极小．一般需要接放大电路。图2.1.3无偏置电路图2.1.4是反向偏置电路实例。光敏二极管加反向偏置，则响应速度可提高几倍以上。图2.1.4(a)是接有较大负载电阻的电路．图2.1.4(b)是接有较小负载电阻的电路。图图2.1.4(a)所示电路的输出电压比图图2.1.4(b)所示电路大，但响应特性不如图2.1.4(b),图2.1.4(b)所示电路的输出电压比图图2.1.4(a)小，但响应速度比图图2.1.4(a)快。它们的响应特性都比无偏置电路好，但暗电流比无偏置电路大。第4页共19页图2.1.4反向偏置电路图2.1.5是光敏二极管与晶体管组合应用电路实例。图2.1.5(a)为典型的集电极输出电路形式，而图2.1.5(b)为典型的发射极输出电路形式。集电极输出电路适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。而发射极输出电路适用于模拟信号电路，电阻RB可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。图2.1.5与晶体管组合应用电路图2.1.6是光敏二极管VD与运放A组合应用实例．图2.1.6(a)为无偏置方式，图2.1.6(b)为反向偏置方式。无偏置电路可以用于测量宽范围的入射光，例如照度计等，但响应特性比不上反向偏置的电路，可用反馈电阻Rf调整输出电压，如果Rf用对数二极管替代．则可以输出对数压缩的电压。反向偏置电路的响应速度快．输出信号与输入信号同相位。第5页共19页图2.1.6与运放A组合应用图2.1.7是光敏二极管的几个应用电路实例。图2.1.7(a)是对数压缩电路，反馈电路中采用对数二极管VD，可以对输出电压进行对数压缩，测光范围较宽，一股用于模拟光信号电路。图2.1.7(b)是定位用传感器电路．采用对偶型光敏二极管，放大VD1与VD2的差动信号。图2.1.7(c)是与FE丁(VT)组合的调制光传感器电路．用于光控电路，响应速度快，噪声低，它是一种调制光等的交流专用放大器，但不适合于模拟信号电路中。图2.1.7光敏二极管的几个应用电路2.1.3本设计的采集信号电路第6页共19页本电路中的采集信号电路我采用的是上面的反向偏置电路，主要是通过一个正5V电源串上一个光敏二极管，然后接一个1K的电阻到地，这样就可以采集电阻两端的信号值，根据光敏二极管的原理，只要外界的光照越强，输出的电压值就会随着光强的增大而变大，这样子我就可以控制一个灯的亮度，它的光强越大，灯就会越亮，这样就达到我所需要的效果，电路如图2.1.8所示如图2.1.8采集信号电路2.2运算放大器电路2.2.1LM358运放简介LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。·内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)，单位增益频带宽(约1MHz)，电源电压范围宽：单电源(3—30V)，双电源(±1.5一±15V)，低功耗电流，适合于电池供电，低输入偏流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)。芯片如图2.2.1所示第7页共19页如图2.2.1LM358结构2.2.2本电路中运放的设计本电路我用的是LM358运放的反向放大原理，一个运放用来输入到显示端，另外一个运放用来控制灯，因为考虑到后面的AD检测驱动模块只能检测0到200mv的电压，所以第一级放大器输出的电压不得超过200mv,否则会超过它的量程，数码管将变暗，所以前面的输入信号的电压值要尽可能小，然后在第一级运放那里放大N倍，比如说输入信号电压为100mv的话那么第一级放大就放大两倍，这样就达到它的效果了，不过由于环境和元器件的选用有误差，所以不是很精确，这是不可避免的，就要慢慢调节电阻的阻值了，第二级运放是控制灯的，因为灯是3V到5V点亮，所以第二级运放必须放大几十倍才行，这样才能更好的去控制灯的亮度。本电路如图2.2.2所示第8页共19页如图2.2.2运算放大电路2.3电源部分电路电源部分电路主要用双电源供电，因为考虑到后面的ICL7107用的是正负5V供电，LM358也用正负5V,我直接通过外部的稳压电源供电，如图2.3所示如图2.3电源部分电路2.4AD转换和数码管驱动模块2.4.1ICL7107简介ICL7107是双积型的A/D转换器，还集成了A/D转换器的模拟部分电路，如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反应速度快，是本设计的关键。ICL7107的一个周期为用4000个计数脉冲时间作为A/D转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DE）3个阶段。内部逻辑控制电路不断地重复产生AZ、INT、DE3个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值T，即：VIN的数值=T的数值或Vin=Vref(T/1000)式中：1000为积分时间（1000个脉冲周期）；T为反积分时间（满度时为2000）。2.4.2ICL7107的管脚排列第9页共19页管脚1和26是ICL7107的正、负极。COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN－、UREF－端短接。TEST是测试端，该端经内部500Ω电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故亦称做数字地。该端有两个功能：①作测试指示，将它接U＋时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；②作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。a1～g1、a2～g2、a3～g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。千位b、c段在LCD内部连通。当计数值N＞1999时显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过载溢出）。POL为负极性指示的驱动端。BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。OSC1～OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。UREF＋、UREF－分别为基准电压的正、负端，利用片内U＋－COM之间的＋2.8V基准电压源进行分压后，可提供所需UREF值，亦可选外基准。CREF＋、CREF－是外接基准电容端。IN＋、IN－为模拟电压的正、负输入端。CAZ端接自动调零电容。BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。INT为积分器输出端，按积分电容CINT。需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电位近似等于电源电压的一半。2.4.3ICL7107电路设计该模块可以驱动数码管显示，里面含有三位半的分辨率，它的内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果，因为我用的是0到200mV的测量电压，所以基准电压必须调到100mv，里面它会通过AD自动处理，那么它的输入不能大于200mv，否则它会超量程，千位就会溢出1，其他位没有显示。本电路设计电路如图2.4.3所示。第10页共19页如图2.4.3驱动数码管模块（1）模拟电路模拟电路由双积分式A/D转换器构成，电路如图2.4.3所示。主要包括2.8V基准电压。图2.4.3ICL7107的模拟电路第11页共19页源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模／数转换。每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ…的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000TCP。其中，正向积分时间固定不变，T1＝1000TCP。仪表显示值,将T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得N＝10UIN或UIN＝0.1N。只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时N＝2000，此时UM＝2UREF＝200mV，仪表显示超量程符号“1”。欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。为了提高仪表抗串模干扰的能力，正向积分时间（亦称