光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。

　　國內(nèi)主要廠商有OTRON品牌等。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，當光子沖擊接合處就會產(chǎn)生電流。

　　光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。

　　本文主要介紹光敏傳感器電路設(shè)計方案，跟隨小編一起來了解一下。

　　光敏傳感器電路設(shè)計方案（一）

　　一 、設(shè)計要求

　　設(shè)計一個光照強度自動檢測、顯示、（報警）系統(tǒng)，實現(xiàn)對外界三種不同條件下光強的分檔指示和報警（弱、適宜、強）

　　1、根據(jù)題目選定光照強度自動檢測所用的光電傳感器類型

　　（1）自己設(shè)計至少三種以上不同光照條件，測定不同光照條件下光電傳感器的輸出；

　　（2）傳感器測量電路采用集成運算放大器構(gòu)成的比較器完成，完成至少三種以上不同光照條件下顯示報警系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計；

　　（3）完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統(tǒng)電路方框圖、電路原理圖的設(shè)計；

　　（4）完成自然光光照強度自動檢測顯示報警系統(tǒng)中核心芯片的選型、系統(tǒng)中各個參數(shù)的計算（備注：1. 含各種元件參數(shù)的計算過程或依據(jù)2. 選定最接近計算結(jié)果的元件規(guī)格）；

　　（5）設(shè)計結(jié)束后，進行仿真調(diào)試。

　　2、仿真調(diào)試方案

　　給出系統(tǒng)整機電路圖。

　　3、完成課程設(shè)計報告

　　二、方案設(shè)計

　　1、方案說明

　　（1）傳感器選擇：選用光敏電阻作為采集光照信號的傳感器。

　　（2）電阻測試：在室外太陽光強照射下、室內(nèi)適宜光照下、室內(nèi)昏暗條件下三種光照條件下分別測的光敏電阻的阻值為《=320歐、1.4--3.6k歐、》=15.6k歐。

　　（3）方案原理圖：系統(tǒng)功能描述：考慮到系統(tǒng)的實用價值，確定了光照適宜時的光敏電阻值的范圍為1.4--3.6k歐，當光照過強時，LED1點亮，蜂鳴器報警；光照適宜時，LED2點亮；黑暗時，LED3點亮，蜂鳴器也報警。即光照不適宜時就會報警，所以該系統(tǒng)不但可以完成光強的顯示、報警，而且可以判斷光照是否適宜。

　　原理框圖如下：

　　2、方案論證

　　（1）光照強度的信號采集部分

　　采用光敏電阻作為信號采集器件。光敏電阻是基于光電導效應(yīng)的一種光電器件，無光照時， 光敏電阻值（暗電阻）很大， 電路中電流（暗電流）很小； 當受到光照時，半導體材料電導率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬；體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強和壽命長等特點。所以選擇光敏電阻采集光照信號，并把不同的光照強度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，電路如原理圖所示。于是，就把對光照信號的處理轉(zhuǎn)化為對電壓信號V的處理。

　　（2）信號處理部分：

　　采用集成電壓比較器LM339N作為信號處理的核心元件，電路連接如原理圖所示。光強、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三個電壓值V1，V2，V3作為比較器的輸入電壓；兩個比較器設(shè)置兩個參考電壓Vref1，Vref2。工作過程分析如下：光照較強時V1》 Vref1》Vref2，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V）；光照適宜時Vref1》V2》Vref2， 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，0）； 光照黑暗時V3《 Vref2 《 Vref1 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V）。這樣就完成了從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，顯示部分就變得容易了。

　　（3）光強顯示部分

　　采用發(fā)光二極管顯示不同的光強狀態(tài)。由于比較器的驅(qū)動能力有限，所以在輸出端加一個上拉電阻提高其驅(qū)動能力。電路連接如原理圖所示，分析如下：當光照較強時，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點亮；光照適宜時， 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點亮； 光照黑暗時，兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來了。

　　（4）光強報警部分

　　采用有源蜂鳴器作為報警器件。電路連接如原理圖所示，用兩個NPN型BJT三極管的導通來控制報警電路的導通，三極管的導通又受發(fā)光二極管導通與否的控制，發(fā)光二極管的導通受光照的控制。所以光強就可以控制報警器了，設(shè)計方案采用了當光照較強或較暗時報警。工作過程分析如下：當光照較強時，兩個比較器的輸出電壓分別為（5V，0V），LED1點亮，三極管BJT1被導通，報警電路被導通，蜂鳴器報警；光照適宜時， 兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，0），LED2被點亮，三極管BJT1截止，報警電路也截止； 光照黑暗時，兩個比較器的輸出電壓分別為（-5V，5V），LED2、LED3被點亮，BJT2被導通，報警電路也被導通，蜂鳴器報警。

　　三、傳感器工作原理

　　光傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器的不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。

　　光敏電阻器是利用半導體光電導效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強弱（明暗）變化而變化。他在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小。廣泛應(yīng)用于各種控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路等）、家用電器（如電視機中的高度自動調(diào)節(jié)，照相機中的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。

　　光敏電阻又稱光導管，它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性， 純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 亮電阻值在幾千歐以下。

　　該系統(tǒng)可通過光敏傳感器將光照強弱信號轉(zhuǎn)化為電信號通過發(fā)光二極管顯示以及蜂鳴器報警從而成為光照強度自動顯示檢測系統(tǒng)。光照強度不同光明傳感器的組織不同，當光照強度很強時，光敏傳感器的阻值很小；當光照強度弱時，光敏傳感器的組織很大；當光照強度適宜時光敏傳感器的阻值介于強光和弱光的阻值之間。因此可以通過光敏傳感器將光信號變?yōu)殡娦盘枺⒖梢岳霉庹諅鞲衅魇芄庹詹煌柚挡煌a(chǎn)生的電信號不同從而顯示不同的信號。

　　四、電路的工作原理

　　4.1、硬件電路圖

　　4.2、原理圖

　　4.3、PCB版圖

　　從電路原理圖看其實很簡單，右邊三個比較器部分電路完全相同。結(jié)構(gòu)分析如下：

　　1、供電電源VCC=5V，給分壓電路、比較器、發(fā)光管、蜂鳴器供電。

　　2、分壓電路。包括光敏電阻分壓和基準電阻分壓。

　　3、比較電路。比較器的兩個比較端一個從光敏電阻一端引出，接入比較器負比較端，另一個從三個基準電阻分壓端引出，接入比較器正比較端。若光敏電阻比較端阻值大于基準電阻，則分壓也大于基準電阻，比較器輸出為負，反之亦然。

　　4、顯示報警電路。比較器輸出端通過限流電阻接發(fā)光二極管，同時為防止比較器無法驅(qū)動發(fā)光管，輸出端通過上拉電阻接電源，以提供足夠功率。最小基準電阻發(fā)光管并聯(lián)蜂鳴器。

　　為了分析各部分單元電路之間的關(guān)系，我以信號流程做主軸，分析如下：

　　1、信號采集，光敏電阻處于被測環(huán)境感光，會有一感光阻值，這樣就把被測光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

　　2、信號測量，為了知道光敏電阻的阻值在所分的哪檔之間，需要進行測量比較。分壓電路和比較電路就是完成此功能。光敏電阻和基準電阻分別分壓接入比較器兩端（實際上是被測信號與基準信號比較）。由于另一分壓電阻相同，電阻大的分壓就多。比較結(jié)果反映在比較器的輸出端。采用了三個比較電路比較，就可以確定光敏電阻在四檔的哪一檔。

　　3、信號表達，通過比較器出來的是電壓信號，為了使人能直接感知，接上發(fā)光二級管。高電壓即點亮發(fā)光二級管。

　　五、 結(jié)構(gòu)分析

　　1、供電電源VCC=5V，為分壓器，二極管，蜂鳴器，比較器供電。

　　2、光敏電阻分壓基準電阻分壓。

　　3 、比較電路

　　U1A為強光比較，光敏電阻分壓輸入正極，輸出正極信號

　　U1B為弱光比較，光敏電阻分壓輸入負極，輸出正極信號

　　4 、報警電路通過穩(wěn)壓三極管連接形成回路

　　六、單元電路設(shè)計、器件選擇

　　1、單元電路設(shè)計

　　設(shè)計時須對整個系統(tǒng)進行全面綜合考慮。以完成課題功能要求為前提，盡量使電路簡單清晰。按照前面分析，首先應(yīng)將系統(tǒng)分為三個模塊，其中測量顯示電路重點設(shè)計分析如下：

　　（1）電源部分：為了驅(qū)動比較器，電源電壓設(shè)置為5V

　　（2）分壓電路：為了便于分壓比較，另一分壓電阻均設(shè)為相同值

　　（3）比較電路：為了符合正常邏輯思維，應(yīng)該設(shè)定光照越強，亮的發(fā)光管越多。所以才將光敏電阻分壓端接入比較器負比較端。光最強時，電阻最小，分壓最少，比較器負輸入端都小于正輸入端，比較器輸出都為正，三個發(fā)光管都亮。

　　（4）為了實現(xiàn)光敏電阻精確連續(xù)分壓，仿真時用滑動變阻器代替，一個粗調(diào)，一個細調(diào)。

　　（5）顯示電路：為了驅(qū)動發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置上拉電阻，為了保護發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置限流電阻。

　　（6）報警電路：應(yīng)設(shè)置當光照過強時，使蜂鳴器響。僅當光照很強時，光敏電阻阻值才小于R3，蜂鳴器才響。其他狀態(tài)，蜂鳴器都不響。

　　2、器件選擇

　　七、設(shè)計結(jié)果展示

　　光照過弱

　　光照過強

　　光照適宜