传感器与测控电路课程设计---自动调光台灯控制电路设计

传感器与测控电路课程设计设计课题：自动调光台灯控制电路设计指导老师：单位：湖南科技大学机电工程学院作者：班级：07级测控一班学号：0703030128设计时间：2010年6月目录一、设计题目与要求 (2)二、基本原理简述 (2)三、设计总体方案拟定 (8)四、传感器的结构设计及计算 (8)五、测控电路设计与计算 (9)六、精度误差分析 (11)七、抗干扰措施 (11)八、参考文献 (12)九、附录 (13)一、设计题目与要求设计课题：用光敏电阻制作一个自动调光台灯。

使台灯的亮度根据周围环境照度自动调节，当周围环境照度较弱，亮度增大，反之则较小。

基本要求：1、 工作在常温、常压、静态、环境良好；2、 精度：0.1%FS ；3、 分辨率：按参考文献上常用传感器类比；4、 测量范围：按参考文献上常用传感器类比；5、 传感器及其辅助结构设计（传感器结构简图1张）；6、 电路设计（控制流程图1张；硬件电路及分析，系统电路图1张）。

二、基本原理简述1、光传感器检测光的传感器称为光传感器，通常是指将光信号转换为电信号的一种传感器。

用光电传感器进行非电量的测量时，只需将非电量信号转化成为光信号即可。

由于光传感器都具有结构简单、非接触性、可靠性高、反应快等优点，在军用及民用中极为广泛，因此，其种类繁多，常用的光传感器包括：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、红外线传感器、光电耦合器件、电荷耦合器件、颜色传感器、光纤传感器、紫外线和放射线传感器等多种。

图1 光电式传感器的组成光传感器的物理基础是光电效应。

光电效应通常分为内光电效应、外光电效应和光生伏特效应。

光敏电阻主要是根据敏感材料CdS 、CdSe 的内光电效应（光电导效应：高电阻率半导体受光照吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象）制成的。

是一种物质半导体充电器件，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。

内光电效应的物理过程是：光照射到半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，越过禁带跃入导带，从而形成自由电子，与此同时价带也会相应地形成自由空穴，即激发出电子—空穴对，从而使导电性能增强，光线越强，阻值越低。

如图2所示，为了使电子能从键合状态过渡到自由状态，即实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电材料的禁带宽度∇Eg ，亦即入射光的频率应高于由∇Eg 决定的红限频率γ。

g E hc h ∇≥÷=÷=⨯λλγ24.1式中，h为普朗克常数,γ、λ分别为入射光的频率和波长。

图2 半导体能带图及内光电效应图3 光敏电阻工作原理图图4 光敏电阻结构图光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和温度特性等。

(1)伏安特性：一定光照下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系曲线。

光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流I与光通量之间的关系特性曲线。

图5 光敏电阻的伏安特性 图6 光敏电阻的光照特性 (2)光电灵敏度：单位光通量入射时能输出的光电流的大小，即Φ=/d dI r 。

光照不同，灵敏度也发生变化。

光照增大，灵敏度下降。

最大灵敏度是在光敏电阻上加以最大电压时，光电流Im 与光通量之比值。

相对灵敏度是指在单位外加电压下，入射单位光通量时对应的光电流输出，即K=r/V=I/(ΦV)(3)光谱特性:光敏电阻对于不同波长的光，其灵敏度不同。

图7 光敏电阻的光谱特性(4)频率特性：光敏电阻具有延时特性，当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不会马上为零。

不同材料的延时特性不同，它们的频率特性也不同。

图1.8为相对灵敏度与光强变化频率之间的关系曲线。

图8 光敏电阻的频率特性(5)光谱温度特性：随着温度变化，光敏电阻的暗电阻和亮电阻都会发生变化，光敏电阻受温度影响大，光谱特性也受到影响。

2、滤波和信号转换电路测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其他处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响测量精度。

滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，当信号与噪声分布在同频带中时，可以从频率域实现信号分离。

在实际测量系统中，噪声与信号的频带往往有一定的重叠，如果重叠不很严重，仍可利用滤波器有效地抑制噪声功率，提高测量精度。

图9 0~10mA/0~5V转换电路3、脉宽调制（PWM）控制电路原理简述脉宽调制控制电路的基本构成和工作原理等叙述如下。

(1)PWM的基本电路基本的脉宽调制控制电路由电压一脉宽转换器和开关功率放大器组成．其组成原理如图10所示。

电压一脉宽转换器的核心是运算放大器(比较器)。

运算放大船A输入信号有调制信号Ur(其频率为主电路所需的开关调制频率)、负偏置电压Up、控制电压Uc。

由于运算放大器A为开环，因此，该比较器的输出仅取决于输入方向的两个极限值(取决于Uc一(Ut+Up)的正负)，此输出经开关功率放大器输出到触发脉冲列逆变器。

图11所示，调制电压“Ut为锯齿波，当控制电压Uc>Ut-Up时，运算放大器的输出为低电平(-Uom)如图(b)所示；反之，当Uc<Uf=Ut+Up时。

运算放大器的输出为高电平（Uom）（如图（c）所示）。

图10 脉宽调制控制电路组成原理图 图11 脉冲调制波形图 若锯齿波的线性良好，则输出正向脉冲的占空比为/Ucm)U -(121/T c ⨯=τ 式中，τ为正向脉冲宽度；T 为一个开关周期，Ucm 为控制信号c U 的最大值。

开关功率放大器一般采用射极输出，对脉冲列进行功率放大。

通过PWM 控制改变开关 管(或品闸管)在一个开关周期内导通时间的氏短，实现对负载两端平均电压大小的控制。

负 载两端平均电压UL 的占空比的关系为：T E U C L /τ⨯= 式中，Ec 为控制制直流电压。

脉冲宽度调制器是一个电压一脉宽转换器。

对它的基本要求是死区要小，调宽脉冲的前后沿要陡．以减小时脉冲列逆变器触发的死区。

否则，死区大会影响Dc —Ac 转换的精度及其输出波形。

这就要求脉冲宽度调制器的比较器有足够高的灵敏度和分辨率。

为此，设计时要综合考虑比较器灵敏度、分辨率与综合考虑系统的控制模式、控制系统的具体要求和与功率。

(2)数字式脉宽调制电路脉宽调制器PWM 信号的产生是通过控制电压与调制电压比较实现的。

调制电压的频率 决定PWM 信号的频率，而PWM 信号对负载两端的电压控制，由控制电压对脉宽的按制实现。

在控制电压与调制电压曲线的相交处，使PWM 信号状态翻转。

数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比τ/T. 在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。

当维持调制脉冲序列的周期不变，通过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比τ/T 的目的。

用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两种：一种是用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。

这种方法的优点是简单、灵活、省硬件，缺点是需要占用CPU 许多处理时间，对微处理机的速度要求很高，于控制不利；另一种是用硬件电路自动产生PWM 信号，不占用CPU 处理的时间。

图12及图13是利用PC 机接口控制实现脉宽调制的PWM 电路及其原理工作图。

它由8位二进制计数器CD4520、8位数值比较器2*CD4585和并行接口芯片8255A 构成。

在时钟CLK 作用下，计数器的8位输出（引脚3-6，11-14）从“0”开始逐次加“1”，当8位输出全为“1”（对应十进制数255）时，再来CLK 脉冲又将从“0”开始。

显然，计算器输出数字斜波信号，其周期为CLK 的256倍，这种周期性数字斜波信号所起的作用与模拟PWM 方式中的锯齿波作用相同。

计算器输出的周期性数字斜波信号称为B 组数字量。

8位二进制数值比较器由两片4位数值比较器CD4585构成。

数值比较器A 组数据来自8255A 端口A （PA0-PA7），故A 组数据是微机输出的数字控制信号，它相当于模拟PWM 方式的控制电压。

只要计算器的输出值小于8255A端口A输出的数值，则第二级CD4585的“A>B”输出端保持高电平。

当比较器的两个输入值相等时，“A>B”端变零，并且直到计数器溢出之前保持为低电平。

溢出后，“A>B”端恢复为高电平，并重复执行该过程。

输出波形的周期T=256Tc，而脉冲宽度 =D*Tc。

其中D为控制的数值，Tc为时钟周期。

如果要求PWM频率为1kHZ，则CLK的频率应为256kHZ。

图中8255A的PC7位用于控制计数器的工作；D0-D7为8位数据输入端，全部为双向三态；/CS为片选端，低电平有效；A0；A1为通道0、1的选择信号端；/RD为读信号输入端，低电平有效；/WR为写信号端，输入，低电平有效；RESET为复位信号输入端，高电平有效。

图12 计数比较式脉宽调制PWM电路图13 计数式PWM电路原理图4、整流滤波电路单相桥式整流电容滤波电路(1)二极管的导电角θ<π,流过二极管的电流为不连续的且幅度很大的电流脉冲，它比输出电流L I 大许多倍。

实际中近似估算为2I =（1.5~2）L I 。

(2)负载平均电压L V 升高，纹波减小。

并且C R L 越大，电容放电越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，实际中一般取d τ= C R L ≥（3~5）T/2 式中，T 为电源交流电压的周期。

(3)滤波电容估算 L R T C 2/)5~3(≥图14 桥式整流滤波电路三、设计总体方案拟订根据设计题目及要求，拟订方案如下：根据光敏电阻的伏安特性，当光照强度改变时，光敏电阻的光电流随之改变，将光敏电阻的电流变化转换为电压的变化，再对由光信号产生的电压信号进行模数转换，经过单片机的设定程序，根据已定的外界光照强度（即电压变化）与台灯光亮度调节的函数关系，输出信号，实现对脉宽的调制，通过光电耦合器件与主电路耦合，从而控制输出的平均电压，改变台灯光亮度，使其达到预定的光照效果。

图15 控制原理框图四、传感器的结构设计及计算选择光敏电阻： 型号规格 外径尺寸 封装方式 额定功率 亮阻 （K Ω） 暗阻 （M Ω） 使用环境温度 （℃） 时间常数（mS ） 最高工作电压 MG45-12 Φ510mW ≤2 ≥2 -40～+70℃ ≤20 50V MG45-13Φ510mW≤5≥5-40～+70℃≤2050V光信号光敏电阻台灯PWMI/V 转换单片机A/D 转换传感器与测控电路课程设计MG45-14 Φ5 塑料封装 10mW ≤10 ≥10 -40～+70℃ ≤20 50V MG45-32 Φ9 50mW ≤2 ≥2 -40～+70℃ ≤20 150V MG45-33 Φ9 50mW≤5 ≥5 -40～+70℃ ≤20 150V MG45-34 Φ9 50mW≤10≥10 -40～+70℃ ≤20 150V MG45-52 Φ16 200mW ≤2 ≥2 -40～+70℃ ≤20 250V MG45-53 Φ16 200mW ≤5 ≥5 -40～+70℃ ≤20 250V MG45-54Φ16200mW ≤10≥10-40～+70℃≤20250V根据光敏电阻的各项参数及转换电路指标，选择光敏电阻MG45-33。