基于光敏電阻的傳感器實驗設計與實現

張 佳，蔡 濤，王高原

（北京理工大學 自動化學院，復雜系統智能控制與決策國家重點實驗室，北京 100081）

1 背景

傳感器技術在信息科學技術中具有重要地位，國內許多高校的信息類專業都開設了傳感器的相關課程[1]。目前我校自動化相關專業“傳感器與檢測技術”課程配套的實驗環節課時較少，實驗項目單一、實驗內容不夠豐富，亟待調整與改進。經驗表明，“做中學”的理念和方法適合于工科教育教學過程的各個環節[2-3]。為了提高學生對知識的掌握程度，提高學生動手能力和創新思維能力，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，通過實驗設計引導學生探索其特性并開展實際應用。所設計的光敏電阻實驗環節層層深入，從基礎的光敏電阻特性實驗，到應用光敏電阻搭建暗光亮燈實驗電路，最后到以項目為載體[4]的光控數字波形合成器的實驗設計，實驗環節由淺入深，有利于學生對光電傳感器特性的深入理解。

2 光敏電阻實驗設計

光電傳感器是基于光電效應制成的可將光信號轉換為電信號的器件[5]。綜合考慮成本及可實現性，光電傳感器實驗設計所用的器材及元器件應抗干擾性強、使用壽命長，同時具有高魯棒性。由于面包板[6]是專為電子電路的無焊接實驗設計制作的，大部分實驗在面包板上完成。

2.1 光敏電阻基礎實驗

光電器件特性實驗包含光源、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光二極管和滑動變阻器構成可控制光照強度的光源。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度變化的光電器件輸出量的變化。

圖1 光電器件特性實驗系統結構

光敏電阻實驗采用紅色和黑色2種光敏電阻。紅色光敏電阻型號為5506，其暗電阻為0.2 MΩ，亮電阻為2～5 kΩ。黑色光敏電阻型號為T5516，其暗電阻為0.2 MΩ，亮電阻為5～10 kΩ。所用實驗器材包括光敏電阻、直流電源、面包板、導線若干、1 kΩ電阻（保護作用）和萬用表。

2.1.1 光敏電阻伏安特性實驗

光敏電阻伏安特性實驗電路如圖2所示。取12 V直流電源，R1為10 kΩ的滑動變阻器，用于調節光敏電阻兩端電壓，R2值為1 kΩ，與光敏電阻串聯，起調節光敏電阻工作電流作用?？紤]到實際接線使用電流表，其內阻會影響測量結果的精準度，所以通過測量R2兩端電壓進而計算流過光敏電阻的電流。

圖2 光敏電阻伏安特性實驗電路圖

調節滑動變阻器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驗

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的滑動變阻器，與 5 mm的5CD4UR型發光二極管串聯，用于調節發光二極管兩端電壓進而改變光敏電阻受到的光照強度。R1為1 kΩ，與光敏電阻串聯，起保護作用。與伏安特性實驗相同，通過測量R1兩端電壓計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驗電路實物和仿真電路圖

實驗中用遮光罩罩住光敏電阻和發光二極管，用滑動變阻器控制二極管兩端電壓進而控制光的強弱。不同光譜下選用不同顏色發光二極管作為光源，如圖4所示，選取紅色、藍色、綠色、白色、藍色5種顏色的發光二極管作為光源進行實驗，調節變阻器使發光管LED1兩端電壓統一設定為6 V，測得流過光敏電阻的電流值，進而讓學生了解光敏電阻對不同顏色光的響應程度。

圖4 不同顏色的發光二極管

2.1.3 光敏電阻光電特性實驗

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的阻值改變發光管偏壓，使其分別為4、6、8、10 V，從而改變發光管的亮度，測得流過光敏電阻的電流值。通過實驗，學生可以得到隨著發光管偏壓增大，光源亮度增大，光敏電阻阻值減小的結果。

結合以上實驗內容，設計出光敏電阻特性實驗記錄表，如圖 5所示，電流單位均為 mA，要求學生分別測試2種不同種類光敏電阻的各項特性。

圖5 光敏電阻特性實驗記錄表

2.2 暗光亮燈電路實驗

暗光亮燈電路實驗的功能設計為：在自然光下，負載發光二極管不亮；當用遮光罩屏蔽自然光時，由發光二極管發光。進行該實驗的目的是讓學生對光電器件特性有初步了解后，對其進行初步應用。本文采用 Multisim進行電路設計與仿真，使用 Altium Designer進行印刷電路板設計。

暗光亮燈電路實驗系統包括光源、光電傳感器、檢測裝置、電源、發光裝置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）的光照強度轉換為電信號，通過檢測裝置進行處理，判斷是否發光，如發光則顯示輸出。

圖6 暗光亮燈電路實驗系統結構

在Multisim軟件上進行電路設計與仿真，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（用滑動變阻器代替），三極管Q1為轉換元件，將光敏電阻的電路轉化為三極管的電壓輸出，發光二極管 LED1為發光裝置。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通，發光二極管LED1發光。

圖7 暗光亮燈電路Multisim仿真電路圖

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

根據上述實驗得到的元器件數據，采用 Altium Designer軟件進行印刷電路板設計，如圖9所示。

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

圖8 暗光亮燈電路實物

圖9 暗光亮燈電路PCB文件

圖10 暗光亮燈電路印刷電路板

暗光亮燈電路的實驗內容為：由學生搭建暗光亮燈電路的暗通電路，要求在自然光下、負載發光二極管不亮；用遮光罩屏蔽自然光時，發光二極管發光。由學生自選器件，計算所需電阻阻值，在面包板上搭建電路，再在Altium designer軟件上設計暗光亮燈電路的PCB原理圖，原理圖正確后，為學生提供完整電路板進行實物實驗驗證。

2.3 光控數字波形合成器實驗系統

傳感器具有一定的跨學科特性，涉及的領域非常寬[7]，其實驗內容設計應注重與其他課程的結合才能獲得更好的教學效果，提高學生的綜合運用能力和創新能力。本文綜合“模擬電子技術”“數字電子技術”“電路分析”“微機原理與接口技術”和“自動控制理論”等課程知識，設計了光控數字波形合成器這一實驗內容。

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，本文以項目設計的思路讓學生設計一個可以將光敏電阻阻值轉換為電壓波形的“光控數字波形合成器”，并據此開展實驗內容。要求學生設計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，且光照條件的細微改變（擾動）會引起輸出波形頻率的變化，以鍛煉學生的動手能力和交叉運用不同學科知識的能力。

2.3.1 實驗系統設計

具體的實驗設計要求為：設計在給定光照條件下具有高頻率穩定度和高相位穩定度的正弦信號源；正弦信號頻率f=400 Hz；正弦波頻率隨光照強度變化而變化。

由于直接的阻容正弦波發生電路難以控制所生成波形頻率及幅值[8]，所以應按照“產生一定頻率脈沖信號，然后將脈沖信號轉換為正弦信號”這一思路進行設計，得到光控數字波形合成器系統構成，如圖11所示。

圖11 光控數字波形合成器系統結構

光控數字波形合成器系統由脈沖發生器、分頻器、D/A轉換器和低通濾波器組成。脈沖發生器輸出矩形波作為 CP脈沖，分頻器用于降低脈沖發生器輸出脈沖頻率[9]，正弦加權D/A轉換器將矩形波數字信號轉換為階梯正弦波信號，經過低通濾波器轉換為光滑曲線的正弦波?？紤]到光照控制頻率，應將光電傳感器放在脈沖發生器部分。

可采用集成 555計時器外接元件構成多諧振蕩器，也可利用集成運算放大器構成矩形波發生電路。分頻器可以采用集成D觸發器，以脈沖發生器輸出作為 CP脈沖信號，接成扭環形計數器，輸出六位二進制數字信號，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。集成運算放大器的線性應用接成加減法運算電路作為D/A轉換器。應用電容濾波原理和運算放大器反饋電路構成低通濾波電路。

2.3.2 實驗仿真分析

集成555計時器通過外接電阻電容作為多諧振蕩器的信號源輸出矩形波，如圖12所示。通過式（1）計算電阻R1、R2和電容C的值，調節輸出矩形波頻率，將變阻器和光敏電阻串聯作為R1，以便在不同光照條件下調整頻率。

正弦波形可以通過濾波的方式獲得，先產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，用于抑制干擾信號和諧波信號[10]，通過使階梯正弦信號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。綜合考慮電路設計復雜程度的問題，這里使用分12個階梯的階梯正弦波形。

圖12 脈沖發生器仿真電路圖

電路分為4個部分：

（1）計算得出脈沖發生器生成矩形波頻率4.8 kHz。

（2）用3個CD4013觸發器構成6位扭環形計數器實現12分頻，每一位Q輸出都是400 Hz。扭環形計數器結構如圖13所示。

六位輸出端按Q1Q2Q3Q4Q5Q6順序進行排列，輸出六位二進制數的變化規律為：000000、100000、110000、111000、111100、111110、111111、011111、001111、000111、000011、000001，然后輸出000000，形成循環。扭環形計數器一共有6路輸出，每路輸出相差30°。

圖13 六位扭環形計數器仿真電路圖

圖14 D/A轉換器仿真電路圖

（3）D/A轉換器如圖 14所示，作為加減法運算電路，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）計算得到。

（4）經過 D/A轉換器進行數模轉換之后會產生階梯正弦波，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

將脈沖發生器、分頻器、正弦加權DAC、低通濾波器4部分組合起來，就構成了完整的光控數字波形合成器，完整的光控數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 實物電路的搭建及調試

根據仿真分析，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物電路如圖18所示。

實驗整體實物圖及產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 光控數字波形合成器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 光控數字波形合成器實物

圖19 光控數字波形合成器產生的階梯正弦波形

在搭建實際電路時，可以將電路分解為不同模塊，分模塊搭建、調試，并最終整合為一個完整系統，為后期逐步排查錯誤帶來了極大的便利。

圖20 光控數字波形合成器產生的正弦波形

最終確定光控數字波形合成器實驗設計的內容要求為：在給定光照條件下設計具有高頻率穩定度和高相位穩定度的正弦信號源，給定輸出信號的頻率（如400 Hz），讓學生選擇在自然光、暗光、不同顏色光照條件下完成實驗，并且在光照強度變化時，輸出正弦波形也會隨之變化。該實驗以2個學生配合的方式完成，有助于學生的團隊協作，學生能通過彼此交流更好地完成實驗[11]。

3 結語

本文針對光電傳感器中光敏電阻的實驗教學開展研究，設計并實現了光敏電阻的特性實驗、暗光亮燈實驗以及光控數字波形合成器的實驗。通過一系列實驗充分激發學生的學習興趣，最后的項目式實驗內容讓學生充分學以致用、主動探索，提高學生對知識的運用能力，培養學生的工程實踐思維。