基于光敏電阻的傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 佳，蔡 濤，王高原

（北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與決策國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 背景

傳感器技術(shù)在信息科學(xué)技術(shù)中具有重要地位，國內(nèi)許多高校的信息類專業(yè)都開設(shè)了傳感器的相關(guān)課程[1]。目前我校自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)“傳感器與檢測技術(shù)”課程配套的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)課時(shí)較少，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠豐富，亟待調(diào)整與改進(jìn)。經(jīng)驗(yàn)表明，“做中學(xué)”的理念和方法適合于工科教育教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)[2-3]。為了提高學(xué)生對知識(shí)的掌握程度，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力，本文以光電式傳感器中最具代表性的光敏電阻為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生探索其特性并開展實(shí)際應(yīng)用。所設(shè)計(jì)的光敏電阻實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)層層深入，從基礎(chǔ)的光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)，到應(yīng)用光敏電阻搭建暗光亮燈實(shí)驗(yàn)電路，最后到以項(xiàng)目為載體[4]的光控?cái)?shù)字波形合成器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)由淺入深，有利于學(xué)生對光電傳感器特性的深入理解。

2 光敏電阻實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

光電傳感器是基于光電效應(yīng)制成的可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件[5]。綜合考慮成本及可實(shí)現(xiàn)性，光電傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所用的器材及元器件應(yīng)抗干擾性強(qiáng)、使用壽命長，同時(shí)具有高魯棒性。由于面包板[6]是專為電子電路的無焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作的，大部分實(shí)驗(yàn)在面包板上完成。

2.1 光敏電阻基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

光電器件特性實(shí)驗(yàn)包含光源、被測器件、檢測裝置、電源4部分，如圖1所示。光源選取自然光或用發(fā)光二極管和滑動(dòng)變阻器構(gòu)成可控制光照強(qiáng)度的光源。電源為被測器件和光源供電，通過檢測裝置檢測出隨光照強(qiáng)度變化的光電器件輸出量的變化。

圖1 光電器件特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光敏電阻實(shí)驗(yàn)采用紅色和黑色2種光敏電阻。紅色光敏電阻型號(hào)為5506，其暗電阻為0.2 MΩ，亮電阻為2～5 kΩ。黑色光敏電阻型號(hào)為T5516，其暗電阻為0.2 MΩ，亮電阻為5～10 kΩ。所用實(shí)驗(yàn)器材包括光敏電阻、直流電源、面包板、導(dǎo)線若干、1 kΩ電阻（保護(hù)作用）和萬用表。

2.1.1 光敏電阻伏安特性實(shí)驗(yàn)

光敏電阻伏安特性實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。取12 V直流電源，R1為10 kΩ的滑動(dòng)變阻器，用于調(diào)節(jié)光敏電阻兩端電壓，R2值為1 kΩ，與光敏電阻串聯(lián)，起調(diào)節(jié)光敏電阻工作電流作用?？紤]到實(shí)際接線使用電流表，其內(nèi)阻會(huì)影響測量結(jié)果的精準(zhǔn)度，所以通過測量R2兩端電壓進(jìn)而計(jì)算流過光敏電阻的電流。

圖2 光敏電阻伏安特性實(shí)驗(yàn)電路圖

調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1改變加在光敏電阻兩端的電壓（取2、4、6、8 V），分別在光照和遮光罩遮光的條件下測量電阻R2兩端的電壓，計(jì)算流過光敏電阻的亮電流和暗電流，亮電流減去暗電流即為光電流。

2.1.2 光敏電阻光譜特性實(shí)驗(yàn)

光敏電阻光譜特性的測試電路如圖3所示。取10 V直流電源，R3為 10 kΩ的滑動(dòng)變阻器，與 5 mm的5CD4UR型發(fā)光二極管串聯(lián)，用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管兩端電壓進(jìn)而改變光敏電阻受到的光照強(qiáng)度。R1為1 kΩ，與光敏電阻串聯(lián)，起保護(hù)作用。與伏安特性實(shí)驗(yàn)相同，通過測量R1兩端電壓計(jì)算得到流過光敏電阻的電流。

圖3 光敏電阻光電特性與光譜特性實(shí)驗(yàn)電路實(shí)物和仿真電路圖

實(shí)驗(yàn)中用遮光罩罩住光敏電阻和發(fā)光二極管，用滑動(dòng)變阻器控制二極管兩端電壓進(jìn)而控制光的強(qiáng)弱。不同光譜下選用不同顏色發(fā)光二極管作為光源，如圖4所示，選取紅色、藍(lán)色、綠色、白色、藍(lán)色5種顏色的發(fā)光二極管作為光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)變阻器使發(fā)光管LED1兩端電壓統(tǒng)一設(shè)定為6 V，測得流過光敏電阻的電流值，進(jìn)而讓學(xué)生了解光敏電阻對不同顏色光的響應(yīng)程度。

圖4 不同顏色的發(fā)光二極管

2.1.3 光敏電阻光電特性實(shí)驗(yàn)

光電特性的測試電路與光譜特性相同，如圖3所示。光電特性測試通過改變電位器R3的阻值改變發(fā)光管偏壓，使其分別為4、6、8、10 V，從而改變發(fā)光管的亮度，測得流過光敏電阻的電流值。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以得到隨著發(fā)光管偏壓增大，光源亮度增大，光敏電阻阻值減小的結(jié)果。

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)記錄表，如圖 5所示，電流單位均為 mA，要求學(xué)生分別測試2種不同種類光敏電阻的各項(xiàng)特性。

圖5 光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)記錄表

2.2 暗光亮燈電路實(shí)驗(yàn)

暗光亮燈電路實(shí)驗(yàn)的功能設(shè)計(jì)為：在自然光下，負(fù)載發(fā)光二極管不亮；當(dāng)用遮光罩屏蔽自然光時(shí)，由發(fā)光二極管發(fā)光。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生對光電器件特性有初步了解后，對其進(jìn)行初步應(yīng)用。本文采用 Multisim進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，使用 Altium Designer進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)。

暗光亮燈電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括光源、光電傳感器、檢測裝置、電源、發(fā)光裝置5部分，如圖6所示。采用光敏電阻作為光電傳感器，將光源（自然光）的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過檢測裝置進(jìn)行處理，判斷是否發(fā)光，如發(fā)光則顯示輸出。

圖6 暗光亮燈電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在Multisim軟件上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，電路圖如圖7所示。取10 V直流電源，R3作為檢測元件的光敏電阻（用滑動(dòng)變阻器代替），三極管Q1為轉(zhuǎn)換元件，將光敏電阻的電路轉(zhuǎn)化為三極管的電壓輸出，發(fā)光二極管 LED1為發(fā)光裝置。電路原理是隨著光照減弱，光敏電阻R3的阻值增大，三極管Q1基極電壓升高使得三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED1發(fā)光。

圖7 暗光亮燈電路Multisim仿真電路圖

在光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)中，測得光敏電阻的變化范圍為0～2 kΩ，故用阻值2 kΩ滑動(dòng)變阻器R3代替光敏電阻。仿真后得到合適的阻值R1=1 kΩ，R2=15 kΩ。據(jù)此在面包板上搭建實(shí)物電路（見圖8），不斷調(diào)試確定各電阻阻值，R1=1 kΩ，R2=50 kΩ。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得到的元器件數(shù)據(jù)，采用 Altium Designer軟件進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)，如圖9所示。

完成實(shí)物電路板上元器件的焊接，圖10(a)為光照條件下發(fā)光二極管不發(fā)光的情況，圖10(b)為暗光條件（遮光罩遮光）下發(fā)光二極管發(fā)光的情況。

圖8 暗光亮燈電路實(shí)物

圖9 暗光亮燈電路PCB文件

圖10 暗光亮燈電路印刷電路板

暗光亮燈電路的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：由學(xué)生搭建暗光亮燈電路的暗通電路，要求在自然光下、負(fù)載發(fā)光二極管不亮；用遮光罩屏蔽自然光時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光。由學(xué)生自選器件，計(jì)算所需電阻阻值，在面包板上搭建電路，再在Altium designer軟件上設(shè)計(jì)暗光亮燈電路的PCB原理圖，原理圖正確后，為學(xué)生提供完整電路板進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 光控?cái)?shù)字波形合成器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

傳感器具有一定的跨學(xué)科特性，涉及的領(lǐng)域非常寬[7]，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)應(yīng)注重與其他課程的結(jié)合才能獲得更好的教學(xué)效果，提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。本文綜合“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“電路分析”“微機(jī)原理與接口技術(shù)”和“自動(dòng)控制理論”等課程知識(shí)，設(shè)計(jì)了光控?cái)?shù)字波形合成器這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

由于光敏電阻所測得的物理量光照度難以量化且易被干擾，本文以項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思路讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)可以將光敏電阻阻值轉(zhuǎn)換為電壓波形的“光控?cái)?shù)字波形合成器”，并據(jù)此開展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。要求學(xué)生設(shè)計(jì)在給定光照條件下影響輸出符合一定要求的正弦波形的電路，且光照條件的細(xì)微改變（擾動(dòng)）會(huì)引起輸出波形頻率的變化，以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和交叉運(yùn)用不同學(xué)科知識(shí)的能力。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求為：設(shè)計(jì)在給定光照條件下具有高頻率穩(wěn)定度和高相位穩(wěn)定度的正弦信號(hào)源；正弦信號(hào)頻率f=400 Hz；正弦波頻率隨光照強(qiáng)度變化而變化。

由于直接的阻容正弦波發(fā)生電路難以控制所生成波形頻率及幅值[8]，所以應(yīng)按照“產(chǎn)生一定頻率脈沖信號(hào)，然后將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)”這一思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到光控?cái)?shù)字波形合成器系統(tǒng)構(gòu)成，如圖11所示。

圖11 光控?cái)?shù)字波形合成器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光控?cái)?shù)字波形合成器系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器、分頻器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。脈沖發(fā)生器輸出矩形波作為 CP脈沖，分頻器用于降低脈沖發(fā)生器輸出脈沖頻率[9]，正弦加權(quán)D/A轉(zhuǎn)換器將矩形波數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為階梯正弦波信號(hào)，經(jīng)過低通濾波器轉(zhuǎn)換為光滑曲線的正弦波。考慮到光照控制頻率，應(yīng)將光電傳感器放在脈沖發(fā)生器部分。

可采用集成 555計(jì)時(shí)器外接元件構(gòu)成多諧振蕩器，也可利用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成矩形波發(fā)生電路。分頻器可以采用集成D觸發(fā)器，以脈沖發(fā)生器輸出作為 CP脈沖信號(hào)，接成扭環(huán)形計(jì)數(shù)器，輸出六位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，每一位輸出矩形波頻率為 CP脈沖的1/12，各位輸出相位相差30°，幅值占空比等均相同。集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用接成加減法運(yùn)算電路作為D/A轉(zhuǎn)換器。應(yīng)用電容濾波原理和運(yùn)算放大器反饋電路構(gòu)成低通濾波電路。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)仿真分析

集成555計(jì)時(shí)器通過外接電阻電容作為多諧振蕩器的信號(hào)源輸出矩形波，如圖12所示。通過式（1）計(jì)算電阻R1、R2和電容C的值，調(diào)節(jié)輸出矩形波頻率，將變阻器和光敏電阻串聯(lián)作為R1，以便在不同光照條件下調(diào)整頻率。

正弦波形可以通過濾波的方式獲得，先產(chǎn)生由若干階梯組成的階梯正弦波形，然后濾波將階梯正弦波形轉(zhuǎn)換為正弦波形。低通濾波器作為選頻器件，用于抑制干擾信號(hào)和諧波信號(hào)[10]，通過使階梯正弦信號(hào)通過低通濾波器被過濾掉高頻波的方法獲得所需要的正弦波形。階梯正弦波形所分的階梯數(shù)越多，所得階梯正弦波形就越接近所需波形，濾波器要求也越低。綜合考慮電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的問題，這里使用分12個(gè)階梯的階梯正弦波形。

圖12 脈沖發(fā)生器仿真電路圖

電路分為4個(gè)部分：

（1）計(jì)算得出脈沖發(fā)生器生成矩形波頻率4.8 kHz。

（2）用3個(gè)CD4013觸發(fā)器構(gòu)成6位扭環(huán)形計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)12分頻，每一位Q輸出都是400 Hz。扭環(huán)形計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)如圖13所示。

六位輸出端按Q1Q2Q3Q4Q5Q6順序進(jìn)行排列，輸出六位二進(jìn)制數(shù)的變化規(guī)律為：000000、100000、110000、111000、111100、111110、111111、011111、001111、000111、000011、000001，然后輸出000000，形成循環(huán)。扭環(huán)形計(jì)數(shù)器一共有6路輸出，每路輸出相差30°。

圖13 六位扭環(huán)形計(jì)數(shù)器仿真電路圖

圖14 D/A轉(zhuǎn)換器仿真電路圖

（3）D/A轉(zhuǎn)換器如圖 14所示，作為加減法運(yùn)算電路，R1到R6輸入電壓分別以U1到U6表示，輸出電壓U7的值可通過式（2）計(jì)算得到。

（4）經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之后會(huì)產(chǎn)生階梯正弦波，再利用電容通高頻，阻低頻原理搭建的低通濾波器（見圖 15），階梯正弦波經(jīng)過濾波得到光滑的正弦波形。

圖15 低通濾波器仿真電路圖

將脈沖發(fā)生器、分頻器、正弦加權(quán)DAC、低通濾波器4部分組合起來，就構(gòu)成了完整的光控?cái)?shù)字波形合成器，完整的光控?cái)?shù)字波形合成器的仿真電路圖如圖16所示。圖17(a)是仿真得到的階梯正弦波形，圖17(b)是仿真得到的正弦波形。

2.3.3 實(shí)物電路的搭建及調(diào)試

根據(jù)仿真分析，最終所用到的儀器、器件清單如表1所示。在面包板上搭建的實(shí)物電路如圖18所示。

實(shí)驗(yàn)整體實(shí)物圖及產(chǎn)生的階梯正弦波如圖19所示，圖中示波器接口所接的是D/A轉(zhuǎn)換器的輸出。示波器接口接濾波器輸出，得到平滑的正弦波形如圖20所示。

圖16 光控?cái)?shù)字波形合成器EDA仿真分析電路圖

圖17 EDA仿真獲得的階梯正弦波形

表1 儀器、器件清單

圖18 光控?cái)?shù)字波形合成器實(shí)物

圖19 光控?cái)?shù)字波形合成器產(chǎn)生的階梯正弦波形

在搭建實(shí)際電路時(shí)，可以將電路分解為不同模塊，分模塊搭建、調(diào)試，并最終整合為一個(gè)完整系統(tǒng)，為后期逐步排查錯(cuò)誤帶來了極大的便利。

圖20 光控?cái)?shù)字波形合成器產(chǎn)生的正弦波形

最終確定光控?cái)?shù)字波形合成器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求為：在給定光照條件下設(shè)計(jì)具有高頻率穩(wěn)定度和高相位穩(wěn)定度的正弦信號(hào)源，給定輸出信號(hào)的頻率（如400 Hz），讓學(xué)生選擇在自然光、暗光、不同顏色光照條件下完成實(shí)驗(yàn)，并且在光照強(qiáng)度變化時(shí)，輸出正弦波形也會(huì)隨之變化。該實(shí)驗(yàn)以2個(gè)學(xué)生配合的方式完成，有助于學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，學(xué)生能通過彼此交流更好地完成實(shí)驗(yàn)[11]。

3 結(jié)語

本文針對光電傳感器中光敏電阻的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光敏電阻的特性實(shí)驗(yàn)、暗光亮燈實(shí)驗(yàn)以及光控?cái)?shù)字波形合成器的實(shí)驗(yàn)。通過一系列實(shí)驗(yàn)充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最后的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容讓學(xué)生充分學(xué)以致用、主動(dòng)探索，提高學(xué)生對知識(shí)的運(yùn)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐思維。