重庆工业职业技术学院毕业设计课题名称：单片机流水灯设计专业班级： 09电子301学生姓名：魏玉玺指导教师：王雪萍二零一二年四月光照强度传感器及其变送电路设计【摘要】光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的检测器件，它可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信号转换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光照度的数字信号，再交由微处理器或ＤＳＰ处理。
光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
本设计利用传感器设计的基本方法，设计制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。
【关键词】：光照强度；传感器；变送电路目录第一章绪论 (4)引言 (4)传感器的概述 (4)第二章系统设计 (5)光电传感器及敏感元件 (5)光敏电阻器 (5)光敏二极管.............................................................. . (5)光敏晶体管 (6)光电传感器概述 (6)光电传感器工作原理 (6)光照传感器的设计 (8)设计方案一 (8)设计方案二 (9)方案比较 (10)第三章变送电路硬件设计 (10)变送电路简介................................................................................ (10)热电阻二线制变送器的设计 (12)信号采集电路 (13)一级放大电路和线性化调整电路 (13)调零、电源平衡及二级放大电路 (13)调满电路和V/I转换电路 (14)3．3 热电偶二线制变送器电路设计 (14)信号采集和一级放大电路 (14)线性化调整电路和二级放大电路 (15)第四章软件设计 (17)设计概述 (17)热电阻二线制变送器 (17)热电偶二线制变送器…………………………………………………………………. .18电阻计算的VB界面设计 (18)电路类型选择设计 (19)第五章总结与收获 (20)结束语…………………………………………………………………………………………………21参考文献 (21)致谢 (22)第一章绪论引言人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。
“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。
传感器技术是等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，应用十分广泛。
光照强度传感器是把光信号转换为电信号的一种传感器，它广泛应用于自动控制、宇航、广播电视等各个领域传感器的概述传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换器件组成。
它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量，通常是将非电量或电量转换成易于计算机处理和传输的电量。
从信息技术的角度来看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等。
传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。
传感技术是关于传感器及其敏感元件与材料的一门综合性技术。
第二章系统设计光电传感器及敏感元件光电传感器是基于光电效应、将光信号转换为电信号的传感器，其敏感元件是光电器件。
光照传感器主要由光敏元件组成。
目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。
市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等。
光敏电阻器１．光敏电阻原理光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。
当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
２．光敏电阻的应用光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。
光敏二极管光敏二极管是一种将光能变换为电能的器件，它利用了半导体的光生伏特效应的原理。
光敏二极管的种类很多，就材料来分，有用硅及各种化合物制成的光敏二极管；从对光的响应来分，有用于紫外、红外及可见光区域的光敏二极管等等。
不同种类的光敏二极管，其特性也不尽相同。
在使用中应对光敏二极管的类型和性能进行合理的选择。
光电二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低；缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路。
适用于通讯及光电控制等电路。
2．光敏晶体管光敏晶体管是光敏传感器中响应特性良好、测光范围最广、利用价值最高的一种传感器，唯一的缺点是输出电压较小，几乎不单个使用，一般要与放大器组合使用光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。
光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。
为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。
工作时集电结反偏，发射结正偏。
在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度光照传感器的设计2．设计方案一该光照传感器是采用光敏电阻进行设计的，设计电路如下图所示图１光照传感器设计方案（一）如图所示该电路是由两部分组成的，第一部分是由光敏电阻，二极管和５５５定时器构成的多谐振荡电路，第二部分是由逻辑门和发光二极管构成的显示电路。
由于多谐振荡电路利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。
充电回路是Ｒｄ、Ｗ１、Ｒ１、Ｄ１、Ｃ１。
此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到２／３Ｖｃｃ时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开始放电。
当电容器放电达到１／３Ｖｃｃ时，电路的状态又开始翻转。
如此不断循环。
电容器之所以能够放电，是由于有放电端７脚的作用，因７脚的状态与输出端一致，７脚为低电平电容器放电。
多谐振荡器只有两个暂稳态。
假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容Ｃ上电压ＵＣ略低于１／３Ｖｃｃ，Ｕｏ输出高电平，Ｖ１截止，电源ＵＣＣ通过Ｒ１、Ｒ２给电容Ｃ充电。
随着充电的进行ＵＣ逐渐增高，但只要１／３Ｖｃｃ＜Ｖｃ＜２／３Ｖｃｃ，输出电压Ｕｏ就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。
当电容Ｃ上的电压ＵＣ略微超过２／３Ｖｃｃ时（即Ｕ６和Ｕ２均大于等于２／３Ｖｃｃ时），ＲＳ触发器置０，使输出电压Ｕｏ从原来的高电平翻转到低电平，即Ｕｏ＝０，Ｖ１导通饱和，此时电容Ｃ通过Ｒ２和Ｖ１放电。
随着电容Ｃ放电，ＵＣ下降，但只要２／３Ｖｃｃ＞Ｖｃ＞１／３Ｖｃｃ，Ｕｏ就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。
当ＵＣ下降到略微低于１／３Ｖｃｃ时，ＲＳ触发器置１，电路输出又变为Ｕｏ＝１，Ｖ１截止，电容Ｃ再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。
由上可知，当Ｖｃ＝２／３Ｖｃｃ时，Ｕｏ输出为低电平；当Ｖｃ＝１／３Ｖｃｃ时，Ｕｏ输出为高电平；Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个端口均接高电平；Ｄ１正向导通，反向截止。
它在电路中的作用是决定电容充放电流经电阻的路径，在本电路中Ｖｃｃ通过Ｒｄ、Ｗ１、Ｒ１、Ｄ１向电容Ｃ１充电，电容通过Ｒ２放电Ｃ１的作用是，电路通过它的充放电改变５５５定时器Ｕｏ输出的电压。
Ｃ２起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考点评的稳定。
由于外部元件的稳定性决定了电路的稳定性，Ｗ１、Ｒ１可以提高振荡频率的精度。
发光二极管ＬＥＤ在接收到低电平时放光。
光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减少，由于Ｒｄ的减小，整个多谐振荡电路的周期变小，频率变大，从而发光二极管闪烁的频率加快。
设计方案二图２光照强度传感器设计方案（二）方案二是利用放大器和光敏电阻进行设计的，光敏电阻输出的电压经放大器放大。
Ｒｄ随光照强度的改变而改变，光照增强时Ｒｄ减小，电路的电压增益变大，从而使输出的电压变大。
方案比较两种设计方案都都选用了光敏电阻，都实现了将光信号转换为电信号。
方案一是基于多谐振荡电路设计的，选用了５５５定时器，二极管，电容等器件。
光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减少，由于Ｒｄ的减小，整个多谐振荡电路的周期变小，频率变大，从而发光二极管闪烁的频率加快。
方案二是基于放大电路设计的，光照增强时Ｒｄ减小，电路的电压增益增强，输出电压改变。
两种方案都可以检测出其接收到的光强的变化，但是方案一与方案二相比较灵敏度更高一些，稳定性更好一些。
方案一有显示电路，我们可以直观的观察光照对整个电路的影响，但是电路比较复杂，比较难实现。
方案二的电路相对比较简单，在现实中相对容易实现，但方案二与方案一相比较不够直观，需要有辅助器件的检测才能观察出结果。
第三章变送电路硬件设计变送电路简介二线制温度变送器分别与热电偶和热电阻相配合，可以将温度信号线性地转换成4~20mA直流标准输出信号。
二线制温度变送器应具有如下主要特点：(1)二根线完成电源的输入及4~20mA直流电流输出, 即二根线既是电源线也是4~20mA标准信号输出线。
（2）由于二线制一体化变送器安装在传感器接线盒中, 所以必须有良好的可靠性、稳定性及较宽温度工作范围(0~85°C) 和较小的温漂，同时要求体积尽可能小。
(3)在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的4~20mA输出信号和被测温度呈线性关系。
(4)在热电偶温度变送器中，要进行冷端补偿，冷补范围0~100°C。
变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，而量程单元，则随品种、测量范围的不同而不同。
设计电路结构如图1所示。
图中粗线为电源线，细线为信号流程，两根外接导线既是电源线也是信号线。
4~20mA信号体制为二线制设计提供了可能性，当被测信号从下量程到上量程（0％~100％）变化时，二根传输线上电流对应４~20mA变化； 4mA作为变送器电路工作损耗电流，也易于识别断线断电故障。