传感器与测控电路课程设计---自动调光台灯控制电路设计精选.doc

传感器与测控电路课程设计 设计课题：自动调光台灯控制电路设计 指导老师： 单位：湖南科技大学机电工程学院 作者： 班级：07级测控一班 学号：0703030128 设计时间：2010年6月 目 录 设计题目与要求……………………………………2 基本原理简述………………………………………2 设计总体方案拟定…………………………………8 传感器的结构设计及计算…………………………8 测控电路设计与计算………………………………9 精度误差分析 ……………………………………11 抗干扰措施 ………………………………………11 参考文献 …………………………………………12 附录 ………………………………………………13 一、设计题目与要求 设计课题：用光敏电阻制作一个自动调光台灯。使台灯的亮度根据周围环境照度自动调节，当周围环境照度较弱，亮度增大，反之则较小。 基本要求： 工作在常温、常压、静态、环境良好； 精度：0.1%FS； 分辨率：按参考文献上常用传感器类比； 测量范围：按参考文献上常用传感器类比； 传感器及其辅助结构设计（传感器结构简图1张）； 电路设计（控制流程图1张；硬件电路及分析，系统电路图1张）。 二、基本原理简述 1、光传感器 检测光的传感器称为光传感器，通常是指将光信号转换为电信号的一种传感器。用光电传感器进行非电量的测量时，只需将非电量信号转化成为光信号即可。由于光传感器都具有结构简单、非接触性、可靠性高、反应快等优点，在军用及民用中极为广泛，因此，其种类繁多，常用的光传感器包括：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、红外线传感器、光电耦合器件、电荷耦合器件、颜色传感器、光纤传感器、紫外线和放射线传感器等多种。 图1 光电式传感器的组成 光传感器的物理基础是光电效应。光电效应通常分为内光电效应、外光电效应和光生伏特效应。 光敏电阻主要是根据敏感材料CdS、CdSe的内光电效应（光电导效应：高电阻率半导体受光照吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象）制成的。是一种物质半导体充电器件，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。 内光电效应的物理过程是：光照射到半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，越过禁带跃入导带，从而形成自由电子，与此同时价带也会相应地形成自由空穴，即激发出电子—空穴对，从而使导电性能增强，光线越强，阻值越低。 如图2所示，为了使电子能从键合状态过渡到自由状态，即实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电材料的禁带宽度Eg，亦即入射光的频率应高于由Eg决定的红限频率。 式中，h为普朗克常数,、分别为入射光的频率和波长。 图2 半导体能带图及内光电效应 图3 光敏电阻工作原理图 图4 光敏电阻结构图 光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和温度特性等。 (1)伏安特性：一定光照下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系曲线。 光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流I与光通量之间的关系特性曲线。图5 光敏电阻的伏安特性 图6 光敏电阻的光照特性 光电灵敏度：单位光通量入射时能输出的光电流的大小，即。光照不同，灵敏度也发生变化。光照增大，灵敏度下降。最大灵敏度是在光敏电阻上加以最大电压时，光电流Im与光通量之比值。相对灵敏度是指在单位外加电压下，入射单位光通量时对应的光电流输出，即K=r/V=I/(V) (3)光谱特性:光敏电阻对于不同波长的光，其灵敏度不同。 图7 光敏电阻的光谱特性 (4)频率特性：光敏电阻具有延时特性，当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不会马上为零。不同材料的延时特性不同，它们的频率特性也不同。图1.8为相对灵敏度与光强变化频率之间的关系曲线。 图8 光敏电阻的频率特性 (5)光谱温度特性：随着温度变化，光敏电阻的暗电阻和亮电阻都会发生变化，光敏电阻受温度影响大，光谱特性也受到影响。 2、滤波和信号转换电路 测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其他处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响测量精度。滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，当信号与噪声分布在同频带中时，可以从频率域实现信号分离。在实际测量系统中，噪声与信号的频带往往有一定的重叠，如果重叠不很严重，仍可利用滤波器有效地抑制噪声功率，提高测量精度。 图9 0~10mA/0~5V转换