浅谈简易光电智能定时器的设计

康爱梅

摘 要：近些年，随着现代科学技术的飞速发展，电子信息行业也突飛猛进的发展，人们在日常生活中对电子产品应用的要求越来越高。一般机械定时器采用发条驱动、电机传动或者电钟等定时方式，电子定时器相对传统定时器而言，因其采用光电置入方式，具有体积小，重量轻，成本低，精度高，寿命长等优点，在使用性能方面更安全可靠，易调试，应用范围广。本文主要阐述了简易光电智能定时器的设计过程，论述了定时器的发展历史与现状，阐述了简易光电智能定时器的两种主要时间置入方式，简述了智能定时器的硬件设计，完成光电智能定时器的简单设计。

关键词：光电定时器;光电传感器;光敏电阻

一、定时器的发展历史与现状

沙漏或水漏是人类最早使用的定时工具。早在1876年，英国外科医生索加发明了一项定时装置，是一种控制煤气街灯的开关，该项装置当时获得专利。其工作原理是利用机械钟带动开关控制煤气阀门，上发条频率高，1918年之后电子钟逐渐取代了机械发条。随着钟表的出现、发展而后成熟，人们为了准确控制好时间，开始改进现有的定时器。现在被人们广泛使用的电子定时器主要应用于家用电器中，也被广泛地应用于工业、农业、服务业、科技、航天军事、信息等多领域。家用电器方面应用最广泛，照相机中的定时曝光和定时闪光，功放中的定时放大和定时调速，家用冰箱门的开关定时报警，空调的定时自动开关等，极大地方便了人们的日常生活。

二、简易智能光电定时器时间置入方式

智能光电定时器的时间置入方式有两种，分别是拨码开关置入方式和光电置入方式。

1.拨码开关置入方式。拨码开关置入方式有两个拨码开关，分别设置为分钟位和秒钟位，其定时的时间精度为1秒钟。拨码开关具有的另一个功能，就是当光电置入方式定时时间到了之后进行音乐曲目的选择。

2.光电置入方式。光电置入方式选则几种光电传感器。含光敏电阻的电路设置为时间置入结束的输入位，

含红外光电对管的电路设置为分钟的输入位，含反射式光电开关的电路设置为秒钟位的输入位。光电置入时，每置入一次，指示灯提示一次，其定时的时间精度为1秒钟。

三、简易智能光电定时器硬件设计

1.光电传感器。光电传感器的主要作用是将光信号转换为电信号，是利用光敏器件作为检测元件的传感器。光电传感器利用光电效应原理，即利用半导体材料的电学特性受光照射后发生变化的原理。光电效应可分为内光电效应和外光电效应，所谓内光电效应是指受光照射的物体电导率发生变化或产生光电动势的效应。又分为光电导效应和光生伏特效应，光电导效应是电子吸收光子能量从键合状态转换为自由状态，从而引起电阻率变化。光生伏特效应是物体在光线作用下产生一定方向的电动势。所谓外光电效应是在光线作用下，物体内的电子受激逸出物体表面向外发射的现象，以光电管、光电倍增管为典型元件。

2.光敏电阻

（1）工作原理。光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，是基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，是纯电阻器件，使用时可加直流偏压或交流电压。光敏电阻无光照时，阻值很大，电路中电流很小。光敏电阻受光照时，阻值急剧减少，电路中电流迅速增加。光敏电阻灵敏度高，光谱特性好，且体积小、重量轻、性能稳定，应用广泛。

（2）基本特性。①伏安特性，在一定光照强度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性。②光照特性，光敏电阻的光电流与光强之间的关系称为光敏电阻的光照特性。③光谱特性，光敏电阻对不同波长的光，其灵敏度不同。④响应时间和频率特性，光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流并不迅速上升到最大饱和值，在无光照条件下光电流并不迅速下降到零，说明光电流的变化相对于光的变化存在时间滞后，称为光电导的弛豫现象。

（3）应用。综上所述，光敏电阻具有灵敏度高、工作电流大、光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便等优点。但也具有响应时间长、频率特性差、强光线性差与受温度影响大等缺点，应用于红外的弱光探测与开关控制。

3.发光二极管

（1）结构与工作原理。发光二极管是由P型和N型半导体组合而成。当PN结加上正向电压时，发光二极管导通，P与N在PN结区相遇复合释放能量而发光。

（2）工作特性。发光二极管加正向电流，发光二极管就会发光。发光二极管的外部电压与电流的关系，即伏安特性。砷化镓红外发光二极管的开启电压约为1.6V-1.8V;发绿光的约为2V。发光二极管的反向电流很小，约10uA-100uA。发光二极管的反向击穿电压约为5V左右。

（3）主要参数。①发光光谱。发光光谱是指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。该曲线决定发光二极管的颜色，并影响它的流明效率。②发光亮度与电流的关系。发光二极管的发光亮度B是单位面积发光强度的量度，亮度随电流密度近似成正比增加。③寿。发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度的一半时所经历的时间。随着工作的时间加长，亮度下降的现象叫老化。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。④响应时间。在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮（上升）与熄灭（衰减）时间的延迟。

（4）应用。发光二极管一般可用作电源电路的通断电指示和照明，还可作为仪器指示灯、示波器标尺、收音机刻度及钟表中的文字照明等。目前有双色、多色和变色的单个发光二极管，具有体积小、耐冲击、寿命长、颜色鲜明、易和集成电路匹配等特点，应用广泛。

4.光源。红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器中，LED作为信号光源多用在光电尺寸测量等光电检测中。

5.光耦合器。半导体光敏器件的重要应用之一，是与发光二极管组合而成的一种新的器件，即半导体光耦合器。光耦合器的主要功能，是利用光来实现电信号的传递。实际电路中用光实现级间耦合。工作时，把电信号加到输入端，使发光器件管芯发光，而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流，从而实现电-光-电两次转换，通过光耦合输入端和输出端。

6.光敏二极管与光敏三极管。光敏二极管与光敏三极管均为近红外接收管。这种管子把接收到光的变化变成电流的变化，再经放大和处理，达到各种控制的目的。

（1）光敏二极管。光敏二极管的基本原理是当光照射到P-N结上时，P-N结便吸收光能并将其转变为电能。

（2）光敏三极管。光敏三极管是依靠光照射来使输出电流发生变化的器件。光敏三极管的发射极电流或集电极电流与光强近似成正比。

7.拨码开关。单片机系统中，人们可以采用键盘对单片机发送命令或输入数据，键盘输入灵活性大，操作方便。但会导致误操作率高，引起不良后果。因此设定静态开关执行功能或输入数据，因为静态开关设定后将不再改变，始终维持原状态。开关的状态是在单片机系统通电之初通过CPU读入RAM中，此后CPU与开关的状态无关，所以，通电后即使开关的状态发生变化对计算机的操作不会造成影响，当再次通电后，新的开关状态才能生效。

数字拨码盘输出有BCD编码的四线输出和单片十位的十线输出两种方式。十线拨码盘实际上是一种单刀十掷的转化开关。该拨码盘结构简单，A端接地，0-9线与8031的有关输入口线相接，完成拨盘与8031的接口，通过8031读入口线电平状态时，可判断开关处于何种档位。BCD拨码盘，是十进制数输入，BCD码输出。它有0-9十个位置，每个位置有相应的数字显示，代表一位十进制数的输入。而每片拨盘代表一位十进制数，n位十进制数，可用n片拨盘并联安装组成。

四、结语

设计光电定时器的过程中，需要在模拟电路、数字电路和单片机方面的知识进行进一步思考和研究，于此同时，因为设计的光电定时器还存在很多不足，因此在系统工程开发的过程中，尤其对软件部分探究需要更深入的研究。

参考文献：

[1]李全利.单片机原理及接口技术.北京：高等教育出版社，2009（第二版）.

[2]赵茂泰.智能原理及其应用.北京：电子工业出版社，2009.

[3]韩文波.智能仪器课程设计讲义.长春.长春理工大学.2013.