樊海艳(33)传感
西安邮电学院
光电传感大作业
院部名称：电子工程学院
学生姓名：樊海艳（05082139）专业名称：电子科学与技术班级：科技0804班
光强度自动报警控制系统的设计
引言
现行的光控仪，如光强测量仪，光控报警系统等，种类繁多。但存在性能不稳定，灵敏度低，制作繁琐等不少弊端。本文主要是以光电池特性的实验为基本理论，通过光强度控制电路、光强度测量电路和光强度报警系统的设计和装配，对光测控仪作进一步的探索和实践，实践证明本光强度自动控制报警系统克服了以上弊端，具有较强的实用性。
1.设计目的
本文主要是以光电池特性的实验为基本理论，通过光强度控制电路、光强度测量电路和光强度报警系统的设计和装配，对光测控仪作进一步的探索和实践，实践证明光强度自动控制报警系统克服了性能不稳定，灵敏度低，制作繁琐等不少弊端，具有较强的实用性。
2.光电池的工作原理及其特性
2.1 光电池的工作原理
在一块N形硅片表面，用扩散的方法掺入一些P型杂质，形成PN结，光这就是一块硅光电池。当照射在PN上时，如光子能量hv大于硅的禁带宽度E 时，则价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对。因为PN结阻挡层的电场方向指向P区，所以，任阻挡层电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而在硅光电池与PN结平行的两外表而形成电势差，P区带正电，为光电池的正极，N区带负电，为光电池的负极。照在PN 结上的光强增加，就有更多的空穴流向P区，更多的电子流向N区，从而硅光电池两外侧的电势差增加。如上所述，在光的作用下，产生一定方向一定大小的电动势的现象，叫作光生伏特效应。
2.2 硅光电池特性
2.2.1 光照特性
不同强度的光照射在光电池上，光电池有不同的短路电流Isc和开路电在Voc，如图1所示。由图1可知短路电流Isc—光强Ev特性是一条直线，即短路电流在很宽的光强范围内，与光强成线性关系，而开路电压是非线性的，
而且，在当光强较小，约20mW／cm2时，短路电压就趋于饱和。因此，要想用光电池来测量或控制光的强弱，应当用光电池的短路电流特性。
2.2.2 硅光电池的光谱特性：
图2是硅光电池、硒光电池的光谱特性曲线。显而易见，不同的光电池，光谱曲线峰值的位置不同，例如硅光电池峰值波长在0.8μm左右，硒光电池在
0.54μm左右。硅光电池的光谱范围宽，在0.45～1.1μm之间，硒光电池的光谱范围在0.34～0.75μm之间，只对可见光敏感。
值得注意的是，光电池的光谱曲线形状，复盖范围，不仅与光电池的材料有关，还与制造工艺有关，而且还随着环境温度的变化而变化。
1.2.3 光电池的温度特性
光电池的温度特性如图3所示。由图可知，开路电压随温度的升高而快速下降，短流电流随温度升高而缓缓增加。所以，用光电池作传感器制作的测量仪器，即使采用Isc—Ev特性，在被测参量恒定不变时，仪器的读数也会随环境温度的变化而漂移，所以，仪器必须采用相应的温度补偿措施。
3 光强度自动报警控制系统的设计
3.1 设计思想
通过上面对光电池的各项特性的研究，我们发现，硅光电池的频谱响应范围宽，并且其短路电流与光照强度成线性关系，应用Isc与Ev的线性关系设计的光强测控仪线路简单，容易实现。且由于线性关系，进行光强测量会减小误差。所以本仪器的光电转换器件是光电池。
一个完整的光强测控仪应包括的电路有稳压电源，电流电压转换电路，光强度控制电路，数码显示电路，报警电路等几部分。下面分别进行原理设计。
3.2 电流电压转换电路及光强度控制电路
电流电压转换电路是一个简单的电路，图4是原理图，其原理在此不再赘述。光强度控制电路以光电池的短路电流特性曲线为依据。当环境光照强度减弱到一定程度时，即光电池短路电流减小到一定程度，光强度控制电路接通环境内照明灯；而当环境光强超过某一值时，光强度控制电路自动熄灭照明灯。光强度控制电路的主要功能是实现区间控制，特性与施密特触发器一致，所以施密特触发器时光强度控制电路的主体。
我们使用电流转换电压电路，将光电池短路电流放大并转换成电压信号。电流区间控制就转换为相应的电压区间控制，然后输入到我们使用的施密特触发器中。我们设计比较了多种施密特触发器，最终使用的施密特触发器电路组成如图5所示，其电压区间控制原理如下：在环境光强度很弱的情况下，Vin较低。由于R1和R2的分压，B点有一个电位值VB。此时Vin
当环境光强度逐渐变大时，Vin升高，至Vin>VB，VC跃变为低电平。而VC的下降造成VB的下降，使VC的进一步保持在低电平。此时VB>VC，由于二极管的反向截至特性，VB不对VC造成影响，B点的电位单纯由R1和R2的分压决定。VC为低电平去控制断开环境照明灯。
我们对电路各参数作以下设置。R1=35k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=41.8k。集成运放输出高电平为4.3V，低电平为-3.7V。
当C点为高电平时，根据等效电路我们计算B点的理论电位值为2.18V。
2)当C点为低电平时，B点的理论电位值为1.11V，我们可以得出电路电压传输特性图如图6所示。可知，正向阂值电压VT+=2.18V，负向阈值电压
VT=1.11V，回差电压VT=VT+—VT-=1.07V。
而在实验室使用万用电表对该电路进行实际测量时，发现测量值与理论值有一定偏差。(1)C点为高电平时，VB=1.932V，Vin上升至1.910V便发生电路状态转换。(2)C点为低电平时，VB=1.097V，Vin下降至1.480V便发生电路状态转换。实际回差电压仅为0.45V。
根据我们的实验和计算，在实际连接电路时，我们选用器件的参数如下：
R1=69k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=30k。经理论计算得，(1)VC为高电平时，VB=2.02V。VC为低电平时，VB=0.63V。在对计算值进行修正后，我们得到电路实际正向阈值电压VT+=1.96V，电路实际负向阈值电压VT_=1.03V。回差电压VT=VT+—VT=0.97V，实际电路电压传输特性如图7所示。
值得一提的是，由于VC快速跃变，使得三极管在截止和深度饱和状态之间转换。三极管的工作状态易受温度影响，但是三极管的截止电压和深度饱和电压受温度变化影响较小，且集成运放的高低电平4.3V和-3.7V足够使三极管在截止和深度饱和状态之间发生转换。所以使用三极管去驱动继电器还是相当可靠的。
3.3 自动报警电路工作原理
图8自动报警电路的原理图
改变光电池光强，测出光强较大、较小时对应的VOH、VOL，再调W1和W2，使IC1+和IC2+输入分别对应VOH和VOL。当VO>VOH时，IC1输出低电平，发光二极管LED2正向导通发光报警，同时使555时基电路输出低电平，对CD4017(上跳沿有效)的脚14而言输入是下降沿，故CD4017不工作。IC2输出低电平，发光二极管LED1和蜂鸣器不工作。当VO
3.4 数显电路的基本工作原理
图9是数显电路原理图
CL7107计数器的最大计数值为1999，当计数器满2000个数时计数器便产生进位信号而且计数器自动归零。这段时间是0～t1(如图10所示)。若已知时钟脉冲的周期为TC，则0～t1这段对Ui的积分时间为T1=2000Tc，0～t1时间内，积分器的输入电压U0(t1)=2000Ui/RCT。
t=t1时，计数器产生的进位信号触发控制逻辑门把S1从Ui打向-UREF，电容C 开始反向充电，使U0逐渐升高，并不断向零伏接近，计数器仍持续计数。因比较器输出从t=0开始一直保持为高电平。
当t=t2时，积分器输出电压U0升至0V，使比较器输出为低电平，控制门G关闭，时钟脉冲不能进入计数器，这样计数器在t1～t2间隔内所计数值N(12)被保留一段时间，并由二进制转换为十进制，由驱动器驱动LED显示为十进数。
反向积分时间T2=t2-t1=N(12)Tc，UREF为恒定电压，在t1～t2时间内，积分器电压的变化量U0(t1～t2)为U0(t1～t2)=(UREF／RC)×N(12)Tc；
由上述已知t2时刻积分器的输出电压U0(t2)为零，又U0(t2)=U0(t1)+U0(t1～t2)=(-Ui／RC)×2000Tc+UREF／RC)×N(12)T2=0。
整理得N(12)=(Ui／UREF)×2000。N(12)是LED数码块上显示的读数。它与Ui 成线性关系。
如(UREF／2000)=0.1mV，那么N(12)的值就是被测电压Ui的0.1mv的倍数。
如(UREF／2000)=1mV，则N(12)为Ui的毫伏数，此时7107的量程为199mV。
图10上的U0积分曲线是由两段斜率不同的直线组成的，因此又成为双斜率积分型A／D转换器。
从t～t2，U0=0开始，控制门G关闭，并触发计数器向外输出读数。使S2合上保持U0=0，时间间隔为(t2～t3)，在(t=t3)时，控制逻辑单元使N位计数器复零，使S2打开，S1与Ui相连，积分器重新开始积分。
4.设计总结与心得
通过此次设计进一步加深对光电传感这门课程理论的感性认识和深入理解，在查阅资料的过程中对各种传感器件有了一定的了解，以及传感器在实际生活中的应用。还有一些参数值对电路的影响不是很明白，在调试参数值的时候有些盲目，通过查阅各种资料对电路原理进行了了解，然后再调试就比较顺利。以上电路有些参考资料得到，而自动报警电路则由于时间及软件的各种关系没有自己搭实际电路进行仿真。
5.参考文献
光电子技术(第二版)主编: 梅遂生, 副主编: 王戎瑞. 国防工业出版社