基于光敏电阻的传感器实验设计与实现

张 佳，蔡 涛，王高原

（北京理工大学 自动化学院，复杂系统智能控制与决策国家重点实验室，北京 100081）

1 背景

传感器技术在信息科学技术中具有重要地位，国内许多高校的信息类专业都开设了传感器的相关课程[1]。目前我校自动化相关专业“传感器与检测技术”课程配套的实验环节课时较少，实验项目单一、实验内容不够丰富，亟待调整与改进。经验表明，“做中学”的理念和方法适合于工科教育教学过程的各个环节[2-3]。为了提高学生对知识的掌握程度，提高学生动手能力和创新思维能力，本文以光电式传感器中最具代表性的光敏电阻为研究对象，通过实验设计引导学生探索其特性并开展实际应用。所设计的光敏电阻实验环节层层深入，从基础的光敏电阻特性实验，到应用光敏电阻搭建暗光亮灯实验电路，最后到以项目为载体[4]的光控数字波形合成器的实验设计，实验环节由浅入深，有利于学生对光电传感器特性的深入理解。

2 光敏电阻实验设计

光电传感器是基于光电效应制成的可将光信号转换为电信号的器件[5]。综合考虑成本及可实现性，光电传感器实验设计所用的器材及元器件应抗干扰性强、使用寿命长，同时具有高鲁棒性。由于面包板[6]是专为电子电路的无焊接实验设计制作的，大部分实验在面包板上完成。

2.1 光敏电阻基础实验

光电器件特性实验包含光源、被测器件、检测装置、电源4部分，如图1所示。光源选取自然光或用发光二极管和滑动变阻器构成可控制光照强度的光源。电源为被测器件和光源供电，通过检测装置检测出随光照强度变化的光电器件输出量的变化。

图1 光电器件特性实验系统结构

光敏电阻实验采用红色和黑色2种光敏电阻。红色光敏电阻型号为5506，其暗电阻为0.2 MΩ，亮电阻为2～5 kΩ。黑色光敏电阻型号为T5516，其暗电阻为0.2 MΩ，亮电阻为5～10 kΩ。所用实验器材包括光敏电阻、直流电源、面包板、导线若干、1 kΩ电阻（保护作用）和万用表。

2.1.1 光敏电阻伏安特性实验

光敏电阻伏安特性实验电路如图2所示。取12 V直流电源，R1为10 kΩ的滑动变阻器，用于调节光敏电阻两端电压，R2值为1 kΩ，与光敏电阻串联，起调节光敏电阻工作电流作用。考虑到实际接线使用电流表，其内阻会影响测量结果的精准度，所以通过测量R2两端电压进而计算流过光敏电阻的电流。

图2 光敏电阻伏安特性实验电路图

调节滑动变阻器R1改变加在光敏电阻两端的电压（取2、4、6、8 V），分别在光照和遮光罩遮光的条件下测量电阻R2两端的电压，计算流过光敏电阻的亮电流和暗电流，亮电流减去暗电流即为光电流。

2.1.2 光敏电阻光谱特性实验

光敏电阻光谱特性的测试电路如图3所示。取10 V直流电源，R3为 10 kΩ的滑动变阻器，与 5 mm的5CD4UR型发光二极管串联，用于调节发光二极管两端电压进而改变光敏电阻受到的光照强度。R1为1 kΩ，与光敏电阻串联，起保护作用。与伏安特性实验相同，通过测量R1两端电压计算得到流过光敏电阻的电流。

图3 光敏电阻光电特性与光谱特性实验电路实物和仿真电路图

实验中用遮光罩罩住光敏电阻和发光二极管，用滑动变阻器控制二极管两端电压进而控制光的强弱。不同光谱下选用不同颜色发光二极管作为光源，如图4所示，选取红色、蓝色、绿色、白色、蓝色5种颜色的发光二极管作为光源进行实验，调节变阻器使发光管LED1两端电压统一设定为6 V，测得流过光敏电阻的电流值，进而让学生了解光敏电阻对不同颜色光的响应程度。

图4 不同颜色的发光二极管

2.1.3 光敏电阻光电特性实验

光电特性的测试电路与光谱特性相同，如图3所示。光电特性测试通过改变电位器R3的阻值改变发光管偏压，使其分别为4、6、8、10 V，从而改变发光管的亮度，测得流过光敏电阻的电流值。通过实验，学生可以得到随着发光管偏压增大，光源亮度增大，光敏电阻阻值减小的结果。

结合以上实验内容，设计出光敏电阻特性实验记录表，如图 5所示，电流单位均为 mA，要求学生分别测试2种不同种类光敏电阻的各项特性。

图5 光敏电阻特性实验记录表

2.2 暗光亮灯电路实验

暗光亮灯电路实验的功能设计为：在自然光下，负载发光二极管不亮；当用遮光罩屏蔽自然光时，由发光二极管发光。进行该实验的目的是让学生对光电器件特性有初步了解后，对其进行初步应用。本文采用 Multisim进行电路设计与仿真，使用 Altium Designer进行印刷电路板设计。

暗光亮灯电路实验系统包括光源、光电传感器、检测装置、电源、发光装置5部分，如图6所示。采用光敏电阻作为光电传感器，将光源（自然光）的光照强度转换为电信号，通过检测装置进行处理，判断是否发光，如发光则显示输出。

图6 暗光亮灯电路实验系统结构

在Multisim软件上进行电路设计与仿真，电路图如图7所示。取10 V直流电源，R3作为检测元件的光敏电阻（用滑动变阻器代替），三极管Q1为转换元件，将光敏电阻的电路转化为三极管的电压输出，发光二极管 LED1为发光装置。电路原理是随着光照减弱，光敏电阻R3的阻值增大，三极管Q1基极电压升高使得三极管导通，发光二极管LED1发光。

图7 暗光亮灯电路Multisim仿真电路图

在光敏电阻特性实验中，测得光敏电阻的变化范围为0～2 kΩ，故用阻值2 kΩ滑动变阻器R3代替光敏电阻。仿真后得到合适的阻值R1=1 kΩ，R2=15 kΩ。据此在面包板上搭建实物电路（见图8），不断调试确定各电阻阻值，R1=1 kΩ，R2=50 kΩ。

根据上述实验得到的元器件数据，采用 Altium Designer软件进行印刷电路板设计，如图9所示。

完成实物电路板上元器件的焊接，图10(a)为光照条件下发光二极管不发光的情况，图10(b)为暗光条件（遮光罩遮光）下发光二极管发光的情况。

图8 暗光亮灯电路实物

图9 暗光亮灯电路PCB文件

图10 暗光亮灯电路印刷电路板

暗光亮灯电路的实验内容为：由学生搭建暗光亮灯电路的暗通电路，要求在自然光下、负载发光二极管不亮；用遮光罩屏蔽自然光时，发光二极管发光。由学生自选器件，计算所需电阻阻值，在面包板上搭建电路，再在Altium designer软件上设计暗光亮灯电路的PCB原理图，原理图正确后，为学生提供完整电路板进行实物实验验证。

2.3 光控数字波形合成器实验系统

传感器具有一定的跨学科特性，涉及的领域非常宽[7]，其实验内容设计应注重与其他课程的结合才能获得更好的教学效果，提高学生的综合运用能力和创新能力。本文综合“模拟电子技术”“数字电子技术”“电路分析”“微机原理与接口技术”和“自动控制理论”等课程知识，设计了光控数字波形合成器这一实验内容。

由于光敏电阻所测得的物理量光照度难以量化且易被干扰，本文以项目设计的思路让学生设计一个可以将光敏电阻阻值转换为电压波形的“光控数字波形合成器”，并据此开展实验内容。要求学生设计在给定光照条件下影响输出符合一定要求的正弦波形的电路，且光照条件的细微改变（扰动）会引起输出波形频率的变化，以锻炼学生的动手能力和交叉运用不同学科知识的能力。

2.3.1 实验系统设计

具体的实验设计要求为：设计在给定光照条件下具有高频率稳定度和高相位稳定度的正弦信号源；正弦信号频率f=400 Hz；正弦波频率随光照强度变化而变化。

由于直接的阻容正弦波发生电路难以控制所生成波形频率及幅值[8]，所以应按照“产生一定频率脉冲信号，然后将脉冲信号转换为正弦信号”这一思路进行设计，得到光控数字波形合成器系统构成，如图11所示。

图11 光控数字波形合成器系统结构

光控数字波形合成器系统由脉冲发生器、分频器、D/A转换器和低通滤波器组成。脉冲发生器输出矩形波作为 CP脉冲，分频器用于降低脉冲发生器输出脉冲频率[9]，正弦加权D/A转换器将矩形波数字信号转换为阶梯正弦波信号，经过低通滤波器转换为光滑曲线的正弦波。考虑到光照控制频率，应将光电传感器放在脉冲发生器部分。

可采用集成 555计时器外接元件构成多谐振荡器，也可利用集成运算放大器构成矩形波发生电路。分频器可以采用集成D触发器，以脉冲发生器输出作为 CP脉冲信号，接成扭环形计数器，输出六位二进制数字信号，每一位输出矩形波频率为 CP脉冲的1/12，各位输出相位相差30°，幅值占空比等均相同。集成运算放大器的线性应用接成加减法运算电路作为D/A转换器。应用电容滤波原理和运算放大器反馈电路构成低通滤波电路。

2.3.2 实验仿真分析

集成555计时器通过外接电阻电容作为多谐振荡器的信号源输出矩形波，如图12所示。通过式（1）计算电阻R1、R2和电容C的值，调节输出矩形波频率，将变阻器和光敏电阻串联作为R1，以便在不同光照条件下调整频率。

正弦波形可以通过滤波的方式获得，先产生由若干阶梯组成的阶梯正弦波形，然后滤波将阶梯正弦波形转换为正弦波形。低通滤波器作为选频器件，用于抑制干扰信号和谐波信号[10]，通过使阶梯正弦信号通过低通滤波器被过滤掉高频波的方法获得所需要的正弦波形。阶梯正弦波形所分的阶梯数越多，所得阶梯正弦波形就越接近所需波形，滤波器要求也越低。综合考虑电路设计复杂程度的问题，这里使用分12个阶梯的阶梯正弦波形。

图12 脉冲发生器仿真电路图

电路分为4个部分：

（1）计算得出脉冲发生器生成矩形波频率4.8 kHz。

（2）用3个CD4013触发器构成6位扭环形计数器实现12分频，每一位Q输出都是400 Hz。扭环形计数器结构如图13所示。

六位输出端按Q1Q2Q3Q4Q5Q6顺序进行排列，输出六位二进制数的变化规律为：000000、100000、110000、111000、111100、111110、111111、011111、001111、000111、000011、000001，然后输出000000，形成循环。扭环形计数器一共有6路输出，每路输出相差30°。

图13 六位扭环形计数器仿真电路图

图14 D/A转换器仿真电路图

（3）D/A转换器如图 14所示，作为加减法运算电路，R1到R6输入电压分别以U1到U6表示，输出电压U7的值可通过式（2）计算得到。

（4）经过 D/A转换器进行数模转换之后会产生阶梯正弦波，再利用电容通高频，阻低频原理搭建的低通滤波器（见图 15），阶梯正弦波经过滤波得到光滑的正弦波形。

图15 低通滤波器仿真电路图

将脉冲发生器、分频器、正弦加权DAC、低通滤波器4部分组合起来，就构成了完整的光控数字波形合成器，完整的光控数字波形合成器的仿真电路图如图16所示。图17(a)是仿真得到的阶梯正弦波形，图17(b)是仿真得到的正弦波形。

2.3.3 实物电路的搭建及调试

根据仿真分析，最终所用到的仪器、器件清单如表1所示。在面包板上搭建的实物电路如图18所示。

实验整体实物图及产生的阶梯正弦波如图19所示，图中示波器接口所接的是D/A转换器的输出。示波器接口接滤波器输出，得到平滑的正弦波形如图20所示。

图16 光控数字波形合成器EDA仿真分析电路图

图17 EDA仿真获得的阶梯正弦波形

表1 仪器、器件清单

图18 光控数字波形合成器实物

图19 光控数字波形合成器产生的阶梯正弦波形

在搭建实际电路时，可以将电路分解为不同模块，分模块搭建、调试，并最终整合为一个完整系统，为后期逐步排查错误带来了极大的便利。

图20 光控数字波形合成器产生的正弦波形

最终确定光控数字波形合成器实验设计的内容要求为：在给定光照条件下设计具有高频率稳定度和高相位稳定度的正弦信号源，给定输出信号的频率（如400 Hz），让学生选择在自然光、暗光、不同颜色光照条件下完成实验，并且在光照强度变化时，输出正弦波形也会随之变化。该实验以2个学生配合的方式完成，有助于学生的团队协作，学生能通过彼此交流更好地完成实验[11]。

3 结语

本文针对光电传感器中光敏电阻的实验教学开展研究，设计并实现了光敏电阻的特性实验、暗光亮灯实验以及光控数字波形合成器的实验。通过一系列实验充分激发学生的学习兴趣，最后的项目式实验内容让学生充分学以致用、主动探索，提高学生对知识的运用能力，培养学生的工程实践思维。