光敏電阻綜合演示儀的設(shè)計(jì)

關(guān)海艷，馮 毅，何春鳳，林曉瓏

（吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022）

1 引 言

大學(xué)物理是工學(xué)、地學(xué)、信息學(xué)科各專業(yè)本科生重要的基礎(chǔ)課程，通過(guò)對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，可以為后續(xù)的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).物理演示實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理教學(xué)中不可缺少的重要教學(xué)手段和方法，理論講授時(shí)，在課堂中插入一些物理演示實(shí)驗(yàn)，使理論教學(xué)更為生動(dòng)、形象.而演示實(shí)驗(yàn)儀器的制作，不僅可以豐富演示的內(nèi)容，還可以讓盡可能多的學(xué)生參加到科技制作活動(dòng)中去，提高學(xué)生的綜合能力.

2 綜合演示儀器的設(shè)計(jì)思想

2.1 光敏電阻工作原理

半導(dǎo)體材料受光照射時(shí)，如果光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，被光激發(fā)所產(chǎn)生的這些載流子留在物體內(nèi)部，使物體的電阻率變小的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng).依據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)的傳感器是光敏電阻.光敏電阻受到光照時(shí)，光照愈強(qiáng)，阻值愈低.入射光消失，電子空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值.

2.2 光敏電阻傳感原理驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中把光敏電阻放置在暗室中（如圖1所示），控制光源的光照值，并用照度計(jì)把當(dāng)前的照度值測(cè)量出來(lái)，光敏電阻的輸出直接由歐姆表測(cè)量，不斷改變光源照度，同時(shí)記錄照度計(jì)的讀數(shù)和歐姆表讀數(shù)，可驗(yàn)證被測(cè)量（照度）和傳感器讀數(shù)（光敏電阻阻值）之間的關(guān)系，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖1 演示儀器光路圖

圖2 光敏電阻物理原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)框圖

光敏電阻阻值變化最大，為了保證讀數(shù)精度，演示儀器設(shè)計(jì)了2個(gè)不同量程的表頭，量程分別為2MΩ和200kΩ，通過(guò)換擋開(kāi)關(guān)手動(dòng)進(jìn)行切換，表頭換擋如圖3所示.

圖3 表頭換擋電路圖

2.3 光敏電阻照度測(cè)試應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)中把光敏電阻放置在暗室中，旋轉(zhuǎn)光度旋鈕可以調(diào)節(jié)光源的光亮度，并用照度計(jì)把當(dāng)前的照度值測(cè)量出來(lái)，通過(guò)偏置放大電路把阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?該電壓值經(jīng)放大、A／D轉(zhuǎn)換及單片機(jī)處理后可轉(zhuǎn)換成照度值顯示（結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示）.可用光敏電阻傳感器直接測(cè)量出光源的照度（需經(jīng)過(guò)標(biāo)定）.

圖4 光敏電阻照度測(cè)試應(yīng)用實(shí)驗(yàn)框圖

由于光敏電阻的阻值隨著光強(qiáng)的變化范圍比較大，采用恒流源電路獲得穩(wěn)定的電壓輸出，保證電路正常工作.輸出電壓經(jīng)過(guò)偏置放大電路進(jìn)行放大.

電壓值需經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能由單片機(jī)處理，A／D轉(zhuǎn)換器件使用AD574，器件電路如圖5所示，它是12位逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器.邏輯控制信號(hào)由8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P0端口發(fā)出，用于控制AD574的工作過(guò)程.A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過(guò)P0數(shù)據(jù)端口連至8051單片機(jī)，由于只使用了8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)分2次（首先為低8位，然后為高4位）讀進(jìn)8051，使能端CE都必須保持為1.

圖5 AD574器件電路連接圖

A／D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)分2次送入單片機(jī)后，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部處理轉(zhuǎn)換為電壓值.通過(guò)電壓與電阻的線性關(guān)系，可以計(jì)算出相應(yīng)的當(dāng)前照度值下的光敏電阻阻值.

單片機(jī)得到的光敏電阻值送至顯示電路顯示.顯示電路利用HD7279A元件驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，它是一種管理鍵盤和數(shù)碼管顯示器的專用智能控制芯片，可用它來(lái)管理和驅(qū)動(dòng)8位共陰極LED顯示器.DIG0-DIG7為8個(gè)數(shù)碼管的位信號(hào)控制端.SA-SG為數(shù)碼管的7段信號(hào)輸出端.DP為小數(shù)點(diǎn)的信號(hào)輸出端.CS為芯片的片選信號(hào)，低電平時(shí)有效.DATA為芯片的數(shù)據(jù)端，當(dāng)向HD7279A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DATA為輸入端；當(dāng)HD7279A輸出鍵盤代碼時(shí)，DATA為輸出端.CLK為芯片的同步時(shí)鐘輸入端，上升沿表示數(shù)據(jù)有效.KEY為芯片按鍵有效輸出端，當(dāng)檢測(cè)到有效按鍵時(shí)，由高電平變?yōu)榈碗娖?

圖6是由演示實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)得的光敏電阻阻值隨光照度變化的曲線圖，比較好地反映出光敏電阻的阻值隨照度變化的關(guān)系.

圖6 光敏電阻阻值隨光照度變化曲線

2.4 光敏電阻照度控制應(yīng)用

基于光敏電阻的阻值隨光照變化而變化這一特點(diǎn)，把光敏電阻接在實(shí)際的電路中，就可以把阻值改變轉(zhuǎn)變成電壓的變化，然后用這個(gè)電壓信號(hào)去控制三極管的開(kāi)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)光控.在綜合演示儀器中設(shè)計(jì)了基于光敏電阻的路燈（用臺(tái)燈替代）控制系統(tǒng)演示環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)白天環(huán)境光亮的時(shí)候自動(dòng)關(guān)燈，晚上環(huán)境黑暗的時(shí)候自動(dòng)開(kāi)燈，電路圖如圖7所示.

圖7 光控開(kāi)關(guān)電路原理圖

根據(jù)光敏電阻的工作原理，當(dāng)白天環(huán)境光亮?xí)r，光敏電阻R的阻值很小，于是加載在三極管N1基極的電壓小于基極與集電極的導(dǎo)通電壓，此時(shí)三極管N1處于斷開(kāi)狀態(tài)，相應(yīng)的三極管N2也處在斷開(kāi)狀態(tài)，所以繼電器沒(méi)有電流流過(guò)，處于關(guān)閉狀態(tài)，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，交流電壓就不能加載于模擬路燈的兩端，此時(shí)路燈處于關(guān)閉狀態(tài).當(dāng)晚上環(huán)境黑暗時(shí)，光敏電阻的阻值R很大，所以加載在三極管N1基極的電壓大于基極與集電極的導(dǎo)通電壓，此時(shí)三極管N1工作于放大狀態(tài)，相應(yīng)的三極管N2也處在放大狀態(tài)，所以繼電器此時(shí)導(dǎo)通，常開(kāi)觸點(diǎn)連通，相當(dāng)于把開(kāi)關(guān)打開(kāi)，路燈會(huì)被點(diǎn)亮.

由于是演示儀器，因此在電路中沒(méi)有加入滯回穩(wěn)定功能部分，當(dāng)學(xué)生用手在光敏電阻上方來(lái)回滑動(dòng)時(shí)，繼電器快速響動(dòng)，路燈也閃耀，增加學(xué)生對(duì)光敏電阻阻值變化的理解，也能更直觀地演示出光敏電阻的原理.

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)驗(yàn)證光敏電阻原理、照度測(cè)試、照度控制的綜合演示儀器的設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生們更直觀地了解光敏電阻原理及光照度對(duì)光敏電阻的影響.另外，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)儀器的制作與開(kāi)發(fā)，讓學(xué)生積極的參與到科技活動(dòng)中，有利于促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)性，讓學(xué)生受到基本科研工作的訓(xùn)練，全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和動(dòng)手能力.

［1］馬松，馮毅，林曉瓏.電阻傳感原理綜合演示裝置設(shè)計(jì)［A］.2011年全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C］.2011：59-62.

［2］林曉瓏，白炳蓮，楊鑫，等.電阻型傳感器物理原理演示教學(xué)儀器的研制［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26（1）：46-48.

［3］余成龍，馮毅，林曉瓏，等.光電效應(yīng)及其應(yīng)用演示裝置的設(shè)計(jì)［A］.第六屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集［C］.2010：102-104.

［4］薦玉奎，吳克.巧用聲光控開(kāi)關(guān)演示光敏電阻特性［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2005，25（6）：32-33.

［5］范佳午，楊軍，張燦坤，等.光敏電阻響應(yīng)時(shí)間的研究實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2007，27（3）：46-48.

［6］周紅，楊衛(wèi)群，沈?qū)W浩，等.光敏電阻基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003，23（11）：9-11.

［7］黃大勇，徐源，喬建良.基于AVR單片機(jī)的光敏電阻測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（7）：81-83.

［8］賈虎.綜合性實(shí)驗(yàn)——“CdS光敏電阻光照特性的測(cè)試與應(yīng)用”的設(shè)計(jì)［J］.物理與工程，2008，18（1）：39-42.

［9］王彥華，劉希璐.光敏電阻器原理及檢測(cè)方法［J］.裝備制造技術(shù)，2012（12）：101-102，113.

［10］張軍華.光控調(diào)光臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與制作［J］.科學(xué)大眾·科學(xué)教育，2013（1）：18.