光強度自動(dòng)報警控制系統的設計

　　現行的光控儀，如光強測量?jì)x，光控報警系統等，種類(lèi)繁多。但存在性能不穩定，靈敏度低，制作繁瑣等不少弊端。本文主要是以光電池特性的實(shí)驗為基本理論，通過(guò)光強度控制電路、光強度測量電路和光強度報警系統的設計和裝配，對光測控儀作進(jìn)一步的探索和實(shí)踐，實(shí)踐證明本光強度自動(dòng)控制報警系統克服了以上弊端，具有較強的實(shí)用性。

　　1 光電池的工作原理及其特性

　　1.1 光電池的工作原理

　　在一塊N形硅片表面，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)，形成PN結，光這就是一塊硅光電池。當照射在PN上時(shí)，如光子能量hv大于硅的禁帶寬度E時(shí)，則價(jià)帶中的電子躍遷到導帶，產(chǎn)生電子空穴對。因為PN結阻擋層的電場(chǎng)方向指向P區，所以，任阻擋層電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區外側，被光激發(fā)的空穴移向P區外側，從而在硅光電池與PN結平行的兩外表而形成電勢差，P區帶正電，為光電池的正極，N區帶負電，為光電池的負極。照在PN結上的光強增加，就有更多的空穴流向P區，更多的電子流向N區，從而硅光電池兩外側的電勢差增加。如上所述，在光的作用下，產(chǎn)生一定方向一定大小的電動(dòng)勢的現象，叫作光生伏特效應。

　　1.2 硅光電池特性

　　1.2.1 光照特性

　　不同強度的光照射在光電池上，光電池有不同的短路電流Isc和開(kāi)路電在Voc，如圖1所示。由圖1可知短路電流Isc—光強Ev特性是一條直線(xiàn)，即短路電流在很寬的光強范圍內，與光強成線(xiàn)性關(guān)系，而開(kāi)路電壓是非線(xiàn)性的，而且，在當光強較小，約20mW/cm2時(shí)，短路電壓就趨于飽和。因此，要想用光電池來(lái)測量或控制光的強弱，應當用光電池的短路電流特性。

　　1.2.2 硅光電池的光譜特性：

　　圖2是硅光電池、硒光電池的光譜特性曲線(xiàn)。顯而易見(jiàn)，不同的光電池，光譜曲線(xiàn)峰值的位置不同，例如硅光電池峰值波長(cháng)在0.8μm左右，硒光電池在0.54μm左右。硅光電池的光譜范圍寬，在0.45～1.1μm之間，硒光電池的光譜范圍在0.34～0.75μm之間，只對可見(jiàn)光敏感。

　　值得注意的是，光電池的光譜曲線(xiàn)形狀，復蓋范圍，不僅與光電池的材料有關(guān)，還與制造工藝有關(guān)，而且還隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化而變化。

　　1.2.3 光電池的溫度特性

　　光電池的溫度特性如圖3所示。由圖可知，開(kāi)路電壓隨溫度的升高而快速下降，短流電流隨溫度升高而緩緩增加。所以，用光電池作傳感器制作的測量?jì)x器，即使采用Isc—Ev特性，在被測參量恒定不變時(shí)，儀器的讀數也會(huì )隨環(huán)境溫度的變化而漂移，所以，儀器必須采用相應的溫度補償措施。

　　2 光強度自動(dòng)報警控制系統的設計

　　2.1 設計思想

　　通過(guò)上面對光電池的各項特性的研究，我們發(fā)現，硅光電池的頻譜響應范圍寬，并且其短路電流與光照強度成線(xiàn)性關(guān)系，應用Isc與Ev的線(xiàn)性關(guān)系設計的光強測控儀線(xiàn)路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現。且由于線(xiàn)性關(guān)系，進(jìn)行光強測量會(huì )減小誤差。所以本儀器的光電轉換器件是光電池。

　　一個(gè)完整的光強測控儀應包括的電路有穩壓電源，電流電壓轉換電路，光強度控制電路，數碼顯示電路，報警電路等幾部分。下面分別進(jìn)行原理設計。

　　2.2 電流電壓轉換電路及光強度控制電路

　　電流電壓轉換電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，圖4是原理圖，其原理在此不再贅述。光強度控制電路以光電池的短路電流特性曲線(xiàn)為依據。當環(huán)境光照強度減弱到一定程度時(shí)，即光電池短路電流減小到一定程度，光強度控制電路接通環(huán)境內照明燈;而當環(huán)境光強超過(guò)某一值時(shí)，光強度控制電路自動(dòng)熄滅照明燈。光強度控制電路的主要功能是實(shí)現區間控制，特性與施密特觸發(fā)器一致，所以施密特觸發(fā)器時(shí)光強度控制電路的主體。

　　我們使用電流轉換電壓電路，將光電池短路電流放大并轉換成電壓信號。電流區間控制就轉換為相應的電壓區間控制，然后輸入到我們使用的施密特觸發(fā)器中。我們設計比較了多種施密特觸發(fā)器，最終使用的施密特觸發(fā)器電路組成如圖5所示，其電壓區間控制原理如下：在環(huán)境光強度很弱的情況下，Vin較低。由于R1和R2的分壓，B點(diǎn)有一個(gè)電位值VB。此時(shí)Vin

　　當環(huán)境光強度逐漸變大時(shí)，Vin升高，至Vin>VB，VC躍變?yōu)榈碗娖?。而VC的下降造成VB的下降，使VC的進(jìn)一步保持在低電平。此時(shí)VB>VC，由于二極管的反向截至特性，VB不對VC造成影響，B點(diǎn)的電位單純由R1和R2的分壓決定。VC為低電平去控制斷開(kāi)環(huán)境照明燈。

　　我們對電路各參數作以下設置。R1=35k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=41.8k。集成運放輸出高電平為4.3V，低電平為-3.7V。

　　當C點(diǎn)為高電平時(shí)，根據等效電路我們計算B點(diǎn)的理論電位值為2.18V。

　　2)當C點(diǎn)為低電平時(shí)，B點(diǎn)的理論電位值為1.11V，我們可以得出電路電壓傳輸特性圖如圖6所示?？芍?，正向閡值電壓VT+=2.18V，負向閾值電壓VT=1.11V，回差電壓VT=VT+—VT-=1.07V。

　　而在實(shí)驗室使用萬(wàn)用電表對該電路進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，發(fā)現測量值與理論值有一定偏差。(1)C點(diǎn)為高電平時(shí)，VB=1.932V，Vin上升至1.910V便發(fā)生電路狀態(tài)轉換。(2)C點(diǎn)為低電平時(shí)，VB=1.097V，Vin下降至1.480V便發(fā)生電路狀態(tài)轉換。實(shí)際回差電壓僅為0.45V。

　　根據我們的實(shí)驗和計算，在實(shí)際連接電路時(shí)，我們選用器件的參數如下：R1=69k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=30k。經(jīng)理論計算得，(1)VC為高電平時(shí)，VB=2.02V。VC為低電平時(shí)，VB=0.63V。在對計算值進(jìn)行修正后，我們得到電路實(shí)際正向閾值電壓VT+=1.96V，電路實(shí)際負向閾值電壓VT_=1.03V?；夭铍妷篤T=VT+—VT=0.97V，實(shí)際電路電壓傳輸特性如圖7所示。

　　值得一提的是，由于VC快速躍變，使得三極管在截止和深度飽和狀態(tài)之間轉換。三極管的工作狀態(tài)易受溫度影響，但是三極管的截止電壓和深度飽和電壓受溫度變化影響較小，且集成運放的高低電平4.3V和-3.7V足夠使三極管在截止和深度飽和狀態(tài)之間發(fā)生轉換。所以使用三極管去驅動(dòng)繼電器還是相當可靠的。

　　2.3 自動(dòng)報警電路工作原理

　　圖8自動(dòng)報警電路的原理圖。

　　改變光電池光強，測出光強較大、較小時(shí)對應的VOH、VOL，再調W1和W2，使IC1+和IC2+輸入分別對應VOH和VOL。當VO>VOH時(shí)，IC1輸出低電平，發(fā)光二極管LED2正向導通發(fā)光報警，同時(shí)使555時(shí)基電路輸出低電平，對CD4017(上跳沿有效)的腳14而言輸入是下降沿，故CD4017不工作。IC2輸出低電平，發(fā)光二極管LED1和蜂鳴器不工作。當VO

　　2.4 數顯電路的基本工作原理

　　圖9是數顯電路原理圖

　　CL7107計數器的最大計數值為1999，當計數器滿(mǎn)2000個(gè)數時(shí)計數器便產(chǎn)生進(jìn)位信號而且計數器自動(dòng)歸零。這段時(shí)間是0～t1(如圖10所示)。若已知時(shí)鐘脈沖的周期為T(mén)C，則0～t1這段對Ui的積分時(shí)間為T(mén)1=2000Tc，0～t1時(shí)間內，積分器的輸入電壓U0(t1)=2000Ui/RCT。

　　t=t1時(shí)，計數器產(chǎn)生的進(jìn)位信號觸發(fā)控制邏輯門(mén)把S1從Ui打向-UREF，電容C開(kāi)始反向充電，使U0逐漸升高，并不斷向零伏接近，計數器仍持續計數。因比較器輸出從t=0開(kāi)始一直保持為高電平。

　　當t=t2時(shí)，積分器輸出電壓U0升至0V，使比較器輸出為低電平，控制門(mén)G關(guān)閉，時(shí)鐘脈沖不能進(jìn)入計數器，這樣計數器在t1～t2間隔內所計數值N(12)被保留一段時(shí)間，并由二進(jìn)制轉換為十進(jìn)制，由驅動(dòng)器驅動(dòng)LED顯示為十進(jìn)數。反向積分時(shí)間T2=t2-t1=N(12)Tc，UREF為恒定電壓，在t1～t2時(shí)間內，積分器電壓的變化量U0(t1～t2)為U0(t1～t2)=(UREF/RC)