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XXXXX 1 利用光敏器件構(gòu)建樓道電燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 目錄 1 引言 .1 1.1 課題的背景與目的 .1 1.2 照明開(kāi)關(guān)的發(fā)展過(guò)程 .1 1.3 現(xiàn)代照明開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)述 .2 2 光電開(kāi)關(guān)介紹 .4 2.1 光電開(kāi)關(guān)的介紹 .4 2.2 光電開(kāi)關(guān)的分類 .5 2.2.1 按檢測(cè)方式分 .5 2.2.2 按結(jié)構(gòu)分類 .6 2.3 光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn) .7 3 光電開(kāi)關(guān)的原理 .8 3.1 光電效應(yīng) .8 3.2 光電開(kāi)關(guān)中的主要光電元件 .8 3.2.1 光敏電阻 .8 3.2.2 光敏二極管 .8 3.2.3 光敏三極管 .9 3.3 光電開(kāi)關(guān)的基本原理 .10 3.4 光電接近開(kāi)關(guān) .11 3.5 光電開(kāi)關(guān)與光電耦合器的區(qū)別 .12 4 樓道光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .13 4.1 照明系統(tǒng)的構(gòu)成 .13 4.2 光電開(kāi)關(guān)系統(tǒng)電路 .13 4.3 樓道光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .13 4.4 樓道光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)照明系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) .14 結(jié) 論 .16 參 考 文 獻(xiàn) .17 XXXXX 1 1 引言 1.1 課題的背景與目的 目前傳統(tǒng)的按鍵式和拉線式開(kāi)關(guān)仍然是照明開(kāi)關(guān)的主體，憑借其較為簡(jiǎn)單的結(jié) 構(gòu)、低廉的售價(jià)和方便的安裝使用方法，牢固地占領(lǐng)著市場(chǎng)。然而，現(xiàn)代電子技術(shù) 的發(fā)展和人們對(duì)生活質(zhì)量的需求變化，已使傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)感受到產(chǎn)品更新?lián)Q代的威脅。 特別是電能的大量浪費(fèi)，按照國(guó)標(biāo)，優(yōu)質(zhì)燈泡在正常使用情況下，平均壽命在壹千 小時(shí)左右，而普通燈泡則更短。如果走廊是夜間常明燈，每年除燈泡損耗費(fèi)用外還 要有一百多度電的損耗，加上更換燈泡等人工費(fèi)用，每年每個(gè)燈消耗近百元，這不 僅浪費(fèi)大量能源，而且由于頻繁更換燈泡造成維修工作量加大，有時(shí)有些場(chǎng)所走廊 由于無(wú)人及時(shí)維修管理，許多樓梯晚上漆黑一片，給人們生活帶來(lái)許多不便，因此 人們?cè)絹?lái)越關(guān)注其他有效的照明燈開(kāi)關(guān)方式高，國(guó)家的有關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)也不斷的加 強(qiáng)，九九最新發(fā)布的住宅建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中明確規(guī)定， 住宅公共部分應(yīng)設(shè)人工照 明，除高層住宅的電梯廳和應(yīng)急照明外，均應(yīng)采用節(jié)能自熄開(kāi)關(guān)。 隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市, 住宅電子化出現(xiàn)。近幾年樓宇智能化 （智能家居是以家為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息家電、網(wǎng)絡(luò)家電、自動(dòng)化和 智能化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制于一體的高效、舒適、安全、便利、節(jié) 能、健康、環(huán)保的家居環(huán)境。）又飛速發(fā)展起來(lái)，其中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明系統(tǒng)可以減少 電能浪費(fèi)成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化住宅的重要一筆。本課題從實(shí)際出發(fā)，準(zhǔn)備對(duì)紅外線樓道 自動(dòng)照明系統(tǒng)進(jìn)行探索隨著現(xiàn)代化的發(fā)展,工業(yè),農(nóng)業(yè),商業(yè),教育等等行業(yè)的用電量 都大幅度增加,在這種情況下電能的浪費(fèi)成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題. 1.2 照明開(kāi)關(guān)的發(fā)展過(guò)程 在遠(yuǎn)古時(shí)代,人類利用自然光源,太陽(yáng)給了人類及所有生物生存的機(jī)會(huì),但對(duì)于夜 晚人類卻無(wú)能為力.接著聰明的人類發(fā)現(xiàn)了火,用火照明應(yīng)該是人類照明史上的里程 XXXXX 2 碑.中外歷史上蠟燭都起了重要作用,陪伴人類度過(guò)慢慢數(shù)千年,直到天才發(fā)明家愛(ài)迪 生在照明史上添上精彩的一筆.電燈無(wú)疑已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中不可或缺的商品. 目前傳統(tǒng)的按鍵式和拉線式開(kāi)關(guān)仍然是照明開(kāi)關(guān)的主體, 傳統(tǒng)照明單控電路特點(diǎn)： a)控制開(kāi)關(guān)直接在負(fù)載回路中。 b)當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，需相應(yīng)增大控制開(kāi)關(guān)的容量。 c)當(dāng)開(kāi)關(guān)離負(fù)載較遠(yuǎn)時(shí)，大截面電纜用量增加。 d)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)功能 e)傳統(tǒng)控制采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)，必須一路一路地開(kāi)或者關(guān) f)傳統(tǒng)控制對(duì)照明的管理是人為化的管理。 傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、售價(jià)低廉和安裝使用方便,一直是照明燈具市場(chǎng)的主 角,隨著技術(shù)的進(jìn)步,人民生活水平的提高,這種燈暴露出來(lái)許多不足:其一,由于是手 動(dòng)開(kāi)關(guān),人們?cè)谝黄岷谥胁坏貌幻麟姛糸_(kāi)關(guān),給人們生活帶來(lái)很多不便.其二,電 能浪費(fèi)嚴(yán)重,特別是在學(xué)校,工廠等集體生活的地方,照明燈經(jīng)常在光線充足的白天也 工作,這不僅浪費(fèi)電能,而且也造成燈泡常被燒壞,若不能及時(shí)修理又會(huì)產(chǎn)生其他不方 便.其三,電子技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù),傳感器技術(shù)的快速發(fā)展使人們?cè)絹?lái)越傾向于照明 設(shè)備的自動(dòng)控制. 1.3 現(xiàn)代照明開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)述 現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活質(zhì)量的需求變化，已使傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)感受到產(chǎn) 品更新?lián)Q代的威脅。目前傳統(tǒng)的按鍵式和拉線式開(kāi)關(guān)仍然是照明開(kāi)關(guān)的主體,但自從 人們發(fā)現(xiàn)了無(wú)線電波，就開(kāi)始用無(wú)線電來(lái)遙控了。航空愛(ài)好者用無(wú)線電收發(fā)裝置來(lái) 操縱模型飛機(jī)，艦?zāi)?ài)好者用無(wú)線電來(lái)操縱模型艦艇。聲音、超聲波、無(wú)線電波都 可以用作傳遞信號(hào)的媒體，傳遞命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱。這些方法在一定程度上節(jié) 省了電能。針對(duì)問(wèn)題，市場(chǎng)上的照明開(kāi)關(guān)也是層出不窮，主要有聲光控開(kāi)關(guān)、觸摸 式延時(shí)開(kāi)關(guān)、紅外開(kāi)關(guān)，感應(yīng)式開(kāi)關(guān)等、經(jīng)過(guò)多年的使用，就對(duì)其特點(diǎn)、價(jià)格、性 能、市場(chǎng)品牌、使用效果、安裝、 壽命等進(jìn)行了比較，其中觸摸式、聲光控在各方 面表現(xiàn)非常一般，而紅外開(kāi)關(guān)，感應(yīng)式開(kāi)關(guān)卻表現(xiàn)優(yōu)異。 走廊里的聲控電燈是一種遙控裝置。當(dāng)人們走路的聲音，說(shuō)話的聲音傳到燈頭 上的聲控開(kāi)關(guān)時(shí)，電路就被自動(dòng)接通了。當(dāng)然，聲控開(kāi)關(guān)旁邊還要有個(gè)延時(shí)開(kāi)關(guān)， XXXXX 3 就是使電路只能接通幾分鐘，然后再自然地?cái)嗟簟＿@樣既可以省電，又可以延長(zhǎng)電 燈的壽命。聲控電燈，只有一個(gè)命令：接通！這很簡(jiǎn)單。但其品種多，市場(chǎng)較亂， 價(jià)格從幾元到二十多元不等，由于聲控本身感應(yīng)元器件屬于機(jī)械式，所以易受機(jī)械 疲勞影響，很難克服初裝時(shí)靈敏度較好而后期靈敏度低形象。因此，聲光控開(kāi)關(guān)在 使用的后期，只有靠人為制造噪聲才能觸發(fā)，如想要燈亮需要大聲咳嗽，或跺腳這 顯然打擾了別人的安靜，特別是夜間往往影響睡覺(jué)的人。另外聲光控易響應(yīng)于自然 界所有較大聲響（如雷聲、汽車?yán)嚷?、汽車?jīng)過(guò)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)聲、裝修房間的電鉆聲、 開(kāi)關(guān)防盜門聲等），誤動(dòng)作較多。有的住戶在房屋裝修時(shí)就對(duì)開(kāi)關(guān)有很大影響，人 未住進(jìn)就有開(kāi)關(guān)損壞。由于部分價(jià)低質(zhì)劣的聲光控開(kāi)關(guān)混入市場(chǎng)，給用戶造成電子 開(kāi)關(guān)都?jí)勖?，都不可靠的印象。而觸摸式除了易受損壞，不安全外，還有傳染病 菌的弊病，很難在公關(guān)場(chǎng)所應(yīng)用，特別是在醫(yī)院這樣人員復(fù)雜的場(chǎng)所。因此要真正 用好自熄開(kāi)關(guān)，改善人們居住條件，必須要在市場(chǎng)中尋求真正高效節(jié)電，方便照明， 性能穩(wěn)定，經(jīng)久耐用，價(jià)格合理的產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)人來(lái)燈亮，人離燈滅，白天不亮這一 基本功能。 縱觀照明控制技術(shù)的發(fā)展，從原始的開(kāi)關(guān)控制到接觸器繼電器控制，發(fā)展到 PLC 控制；隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，照明控制也跟隨著一起發(fā)展。在實(shí)際工 程案例中出現(xiàn)了集散型控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，尤其是近幾年，國(guó)內(nèi)外陸續(xù) 開(kāi)發(fā)出專業(yè)性強(qiáng)的智能型照明控制系統(tǒng)。例如：奇勝 C-BUS 智能照明控制系統(tǒng)，澳 洲邦奇智能照明，美國(guó)路創(chuàng)智能照明系統(tǒng)；還有些像索恩、飛利浦等專業(yè)照明公司 也推出自己的智能照明控制系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)也有很多智能照明的廠家，推出智能家居、 智能小區(qū)、智能辦公室、智能樓宇等專業(yè)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)代建筑中的照明不僅要求能為人們的工作、學(xué)習(xí)、生活提供良好的視察條件， 能利用燈具造型和光色協(xié)調(diào)營(yíng)造出具有一定風(fēng)格和美感的室內(nèi)環(huán)境以滿足人們和心 理和生理要求，而且還要考慮到管理智能化和操作簡(jiǎn)單化以及靈活適應(yīng)未來(lái)照明布 局和控制方式變更要求。一個(gè)優(yōu)秀的智能照明系統(tǒng)有僅可以提升照明環(huán)境的品質(zhì)， 還必須做到充分利用和節(jié)約能源。 XXXXX 4 2 光電開(kāi)關(guān)介紹 2.1 光電開(kāi)關(guān)的介紹 光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的 遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有 能反 射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出， 接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。安防系統(tǒng)中常見(jiàn)的 光 電開(kāi)關(guān)煙霧報(bào)警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來(lái)記數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。 光電開(kāi)關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn) 化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開(kāi)關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的 （即電緣絕），所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。光電開(kāi)關(guān)采用集成電路技術(shù)和 SMT 表面安裝工藝而制造的新一代光電開(kāi)關(guān)器件，具有延時(shí)、展寬、外同步、抗相 互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開(kāi)關(guān)是 一種采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)型電子開(kāi)關(guān)，它所使用的冷光源有紅外光、 紅色光、綠色光和藍(lán)色光等，可非接觸，無(wú)損傷地迅速和控制各種固體、液體、透 明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。 接觸式行程開(kāi)關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測(cè)容易損壞被檢測(cè)物及壽命 短等缺點(diǎn)，而晶體管接近開(kāi)關(guān)的作用距離短，不能直接檢測(cè)非金屬材料。但是，新 型光電開(kāi)關(guān)則克服了它們的上述缺點(diǎn)，而且體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響 應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)。 目前，這種新型的光電開(kāi)關(guān)已被用作物位檢測(cè)、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判 別、速度檢測(cè)、定長(zhǎng)剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和 剪切機(jī)以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉(cāng)庫(kù)、 商店、辦公室以及其它需要的場(chǎng)合作為防盜警戒之用。 XXXXX 5 圖 2-1 開(kāi)關(guān)傳感器 2.2 光電開(kāi)關(guān)的分類 2.2.1 按檢測(cè)方式分 常用光電開(kāi)關(guān)的分類方法：按檢測(cè)方式可分為反射式、對(duì)射式和鏡面反射式三 種類型。對(duì)射式檢測(cè)距離遠(yuǎn)，可檢測(cè)半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作 距離被限定在光束的交點(diǎn)附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠(yuǎn)，適 宜作遠(yuǎn)距離檢測(cè)，也可檢測(cè)透明或半透明物體。 表 2-1 給出了光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)分類方式及特點(diǎn)說(shuō)明。 表 2-1 光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)分類方式及特點(diǎn)說(shuō)明 1.漫反射式光電開(kāi)關(guān) 漫反射光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于 一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將 光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到 接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。 當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)， 漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。 2.鏡反射式光電開(kāi)關(guān) 鏡反射式光電開(kāi)關(guān)亦是集發(fā)射器與接收 器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò) 反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò) 且完全阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè) 開(kāi)關(guān)信號(hào)。 3.對(duì)射式光電開(kāi)關(guān) XXXXX 6 對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離 且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器 發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體 經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光 電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不 透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)模 式 4.槽式光電開(kāi)關(guān) 槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的 U 字型結(jié)構(gòu)， 其發(fā)射器和接收器分別位于 U 型槽的兩邊， 并形成一光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò) U 型槽且 阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi) 關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較安全可靠的適 合檢測(cè)高速變化，分辨透明與半透明物體。 5.光纖式光電開(kāi)關(guān) 光纖式光電開(kāi)關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感 器來(lái)引導(dǎo)光線，以實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物體不在相近 區(qū)域的檢測(cè)。通常光纖傳感器分為對(duì)射式和 漫反射式。 2.2.2 按結(jié)構(gòu)分類 光電開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)可分為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類。 放大器分離型是將放大器與傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝 制成，由于傳感器具有超小型和多品種的特點(diǎn)，而放大器的功能較多。因此，該類 型采用端子臺(tái)連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開(kāi)延時(shí)功能，可設(shè) 置亮、音動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，能控制 6 種輸出狀態(tài)，兼有接點(diǎn)和電平兩種輸出方式。 放大器內(nèi)藏型是將放大器與傳感一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制 成，使用直流電源工作。其響應(yīng)速度局面（有 0.1ms 和 1ms 兩種），能檢測(cè)狹小和 高速運(yùn)動(dòng)的物體。改變電源極性可轉(zhuǎn)換亮、暗動(dòng)，并可設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示 燈。兼有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系統(tǒng)安裝中十分方便。 電源內(nèi)藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化，采用專用集成電路和表面 安裝工藝制成。它一般使用交流電源，適用于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取代接觸式行程開(kāi)關(guān)，可 直接用于強(qiáng)電控制電路。也可自行設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈，輸出備有 SSR 固 態(tài)繼電器或繼電器常開(kāi)、常閉接點(diǎn)，可防止相互干擾，并可緊密安裝在系統(tǒng)中。 XXXXX 7 2.3 光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn) 1、檢測(cè)距離長(zhǎng) 如果在對(duì)射型中保留 10m 以上的檢測(cè)距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段（磁性、 超聲波等） 無(wú)法離檢測(cè)。 2、對(duì)檢測(cè)物體的限制少 由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理，所以不象接近傳感器等將檢測(cè) 物體限定 在金屬，它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。 3、響應(yīng)時(shí)間短 光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作 時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常 短。 4、分辨率高 能通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系 統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。 也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。 5、可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè) 可以無(wú)須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成 損傷。因此，傳感器能 長(zhǎng)期使用。 6、可實(shí)現(xiàn)顏色判別 通過(guò)檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的 顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。 7、便于調(diào)整 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見(jiàn)的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行 調(diào)整。 XXXXX 8 3 光電開(kāi)關(guān)的原理 3.1 光電效應(yīng) 用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串光子的轟擊，組成這物體的材料 吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為 3 類，如表 3-1 所示。 表 3-1 光電效應(yīng)的分類即相關(guān)元件 光電效應(yīng)名稱 現(xiàn)象 對(duì)應(yīng)元件 外光電效應(yīng) 在光線的作用下，能使電子逸出物體的表面 光電管、光電倍增管 內(nèi)光電效應(yīng) 在光線的作用下，能使物體的電阻率變小 光敏電阻、光敏二極管、光 敏三極管、 光敏達(dá)林頓管及光敏晶閘管 光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下，物體能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì) 光電池 3.2 光電開(kāi)關(guān)中的主要光電元件 3.2.1 光敏電阻 光敏電阻如圖 3-1 所示。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在 帶有透明窗的管殼里。兩電極常做成梳狀，可增加靈敏度，如圖 3-1b 所示。 圖 3-1 光敏電阻 a）原理圖 b）外形圖 c）圖形符號(hào) XXXXX 9 3.2.2 光敏二極管 光敏二極管如圖 3-2 所示。從圖 3-2c 可以看出，光敏二極管在電路中，處于反 向偏置狀態(tài)。 當(dāng)光照射在光敏二極管的 PN 結(jié)（又稱阻擋層）上時(shí)，在 PN 結(jié)附近產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，當(dāng)在光敏二極管兩端施加電壓后，流過(guò) PN 結(jié)的光電流 I 也相應(yīng)增大，光電流與光照度 E 成正比。 圖 3-2 光敏二極管 a）外形圖 b）內(nèi)部結(jié)構(gòu) c）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 d）圖形符號(hào) 1負(fù)極引腳 2管芯 3外殼 4聚光鏡 5正極引腳 3.2.3 光敏三極管 光敏三極管與普通三極管相似，也有電流放大作用。NPN 型光敏三極管示意圖 如圖 3-3 所示。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（C、E）兩個(gè)引腳， 所以其外形與光敏二極管相似，從外觀上較難區(qū)別。 XXXXX 10 圖 3-3 光敏三極管示意圖 a）內(nèi)部組成 b)原理電路 c）圖形符號(hào) 1集電極引腳 2管芯 3外殼 4聚光鏡 5發(fā)射極引腳 光線通過(guò)透明窗口落在集電結(jié)上，當(dāng)電路按圖 4b 所標(biāo)示的電壓極性連接時(shí)，集 電極電流 I C 是原始光電流的 倍 3.3 光電開(kāi)關(guān)的基本原理 在圖中，當(dāng)無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，三極管 BG 處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管無(wú)電流流 過(guò)不發(fā)光，則 a、 b 兩端電阻非常大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”。當(dāng)輸入端加有脈沖信 號(hào)時(shí)，BG 導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，則 a、b 兩端電阻變得很小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通” 。故稱無(wú)信號(hào)時(shí)開(kāi)關(guān)不通，為常開(kāi)狀態(tài)。 下圖中（b）所示電路則為“帶閉”狀態(tài)，因?yàn)闊o(wú)信號(hào)輸入時(shí)，雖 BG 截止，但 發(fā)光二極管有電流通過(guò)而發(fā)光，使 a、b 兩端處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通”。 當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，BG 導(dǎo)通，由于 BG 的集電結(jié)壓降在 03V 以下，遠(yuǎn)小于發(fā)光二極 管的正向?qū)妷海园l(fā)光二極管無(wú)電流流過(guò)不發(fā)光，則 a、b 兩端電阻極大，相 當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”，故稱“常閉”式。 XXXXX 11 圖 3-4 光點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)原理 3.4 光電接近開(kāi)關(guān) 光電接近開(kāi)關(guān)電路原理圖如圖 3-5 所示，圖 3-5 中的元件參數(shù)見(jiàn)附表。由 555 構(gòu)成多諧振蕩器，從腳輸出 38kHz 的方波信號(hào)。經(jīng) VT1 驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管 VD2 向外 發(fā)射頻率為 38kHz 紅外調(diào)制信號(hào)。之所以選用 38kHz 的紅外調(diào)制信號(hào)，是由于選用 的紅外接收頭 U1 的頻率響應(yīng)為 38kHz。當(dāng)有障礙物靠近時(shí)，紅外線反射回來(lái)被 U1 所接收，當(dāng)接收到的紅外信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)輸出(OUT)為低電平，否則為高電平。如果用 5V 供電，輸出(OUT)為 TTL 電平可直接與微處理器相接。多諧振蕩器的振蕩頻率計(jì) 算公式為： t10.7(R1+R2)C1； t20.7(R3+R4)C1； f=1/(t1+t2)。 調(diào)試時(shí)使輸出波形的占空比盡量為 1:1，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只要占空比偏離 1:1 不 太多則無(wú)影響，但頻率不要偏離 38kHz 太多，否則探測(cè)精度會(huì)下降，頻率偏離太大 時(shí)則 U1 無(wú)響應(yīng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算在 R1、R3 為 1k 時(shí) R2、R4 調(diào)到 880 左右（實(shí)際有所偏 差）。 圖 3-5 光點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)工作原理圖 R1 1K C1 0.01 uF R2 1K （微調(diào)電阻） C2 100uF/16V R3 1K（微調(diào)電阻） VD1 二極管 R4 1K VD2 紅外發(fā)射管 R5 1K（微調(diào)電阻） VT1 9014 R6 100 U1 AT138B R7 2.2K（微調(diào)電阻） IC 555 附表 元件參數(shù) XXXXX 12 紅外發(fā)射管的發(fā)射功率可通過(guò)改變 R5 的阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)射管的發(fā)射電流大小 決定了探測(cè)距離的大小。如果不需調(diào)節(jié)探測(cè)距離的大小，R5、R6 可用一固定阻值的 電阻代替。 紅外接近開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵并不在于電路，而是在結(jié)構(gòu)上，特別是 U1 和 VD2 的位置不 能隨便放置。該紅外接接近開(kāi)關(guān)做成探頭狀，把整個(gè)電路板安裝在一根塑料管內(nèi)， 并引出三根導(dǎo)線：電源、地、輸出(OUT)。U1、VD2 放置在塑料管的前端，并用不透 光的塑料片把 U1、VD2 隔開(kāi)，為了防止 VD2 向旁邊漏射出紅外線可用黑色電膠布在 VD2 的周圍繞一兩圈，只讓紅外線從 VD2 的前方發(fā)出(電路板、隔光塑料片、 U1、VD2 可用硅膠進(jìn)行固定)，其結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示。 圖 3-6 光電接近開(kāi)關(guān)原理圖 3.5 光電開(kāi)關(guān)與光電耦合器的區(qū)別 光電耦合器就是我們所說(shuō)的光耦，它的原理是通過(guò)發(fā)光二極管照射三極管從而 使得三極管導(dǎo)通和關(guān)短，通過(guò)調(diào)節(jié)二極管電壓大小調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度，從而使流過(guò)三極 管的電流變化，常常用光藕是來(lái)反饋用。 而光電開(kāi)關(guān)原理類似，不過(guò)它只是用來(lái)當(dāng)作開(kāi)關(guān)用的，也就是發(fā)光就三極管開(kāi) 通就是，z 這需要一個(gè)擋光的東西,但并不需要調(diào)節(jié)電流大小，一般用在一般控制上， 不能精確表針。 XXXXX 13 4 樓道光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 4.1 照明系統(tǒng)的構(gòu)成 傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)比如說(shuō),以前的工廠, 公司,學(xué)校等. 是人為控制的。是以照 明配電箱通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制照明燈具的通斷，或通過(guò)回路中串入接觸器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 距離控制。傳統(tǒng)的照明電路只是為燈提供一定的電壓使其發(fā)光,這種燈只,具有很大 弊端,特別是在一些集體工作地。而今出現(xiàn)的建筑物自控(BA)系統(tǒng)，是以電氣觸點(diǎn)來(lái) 實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制、定時(shí)通斷、中央監(jiān)控等功能。 4.2 光電開(kāi)關(guān)系統(tǒng)電路 對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)，因其抗干擾性好、探測(cè)靈敏度高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被 廣泛應(yīng)用于防盜報(bào)警、自動(dòng)門、 感應(yīng)燈等工業(yè)和生產(chǎn)領(lǐng)域 。具有性能指標(biāo)高、一 致性好、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便、工作可靠性高等優(yōu)。 圖 4-1 光電開(kāi)關(guān)電路 4.3 樓道光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本電路主要用到的元件是兩對(duì)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)，每對(duì)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)由發(fā)射器 和接收器主成。這里我們假設(shè)把一對(duì)開(kāi)關(guān)安裝在上一樓的樓梯口，另一對(duì)光電開(kāi)關(guān) XXXXX 14 安裝在上二樓的樓梯口。每當(dāng)天黑的時(shí)候當(dāng)住戶從一樓的樓梯口經(jīng)過(guò)時(shí)，觸發(fā)第一 對(duì)光電開(kāi)關(guān)，這時(shí)處在一樓的樓道燈被點(diǎn)亮。當(dāng)戶主走到二樓的樓梯口，觸發(fā)第二 隊(duì)光電開(kāi)關(guān)，這時(shí)處在一樓的樓道燈被關(guān)閉。 這里我們要用到一種電子元件干簧繼電器，它由干簧管和繞在干簧管外的 線圈組成。當(dāng)線圈內(nèi)有電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使密封在干簧管內(nèi)的兩個(gè)鐵質(zhì)簧片 磁化，兩個(gè)簧片在磁力作用下由原來(lái)的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài)，線圈內(nèi)沒(méi)有電流時(shí)， 磁場(chǎng)消失，瓷片在彈力的作用下，回復(fù)到分離狀態(tài)。由于光電開(kāi)關(guān)一般只能用到電 壓為 0-30V 的直流電壓，而一般的照明燈的電壓是 220V 交流，為了保證光電開(kāi)關(guān)的 正常使用，所以這里我們用到中間繼電器，起到光電開(kāi)關(guān)保護(hù)作用。 4.4 樓道光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)照明系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 按照上述控制要求，本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成。主電路和控制電 路的電路圖分別如圖 4-2 和 4-3 所示： 圖 4-1 主電路 XXXXX 15 圖 4-3 控制電路 如圖 4-3 所示，在沒(méi)有人通過(guò)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光束被接受器接受， 這是常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，中間繼電器線圈不得電，整個(gè)主電路的電燈處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng) 住戶從一樓的樓梯口經(jīng)過(guò)時(shí)，觸發(fā)第一對(duì)光電開(kāi)關(guān)，KA1 繼電器通電，同時(shí) KA1 的 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，完成自鎖，這時(shí)處在一樓的樓道燈被點(diǎn)亮。當(dāng)戶主走到二樓的樓梯 口，觸發(fā)第二隊(duì)光電開(kāi)關(guān)，KA2 繼電器得電，KA2 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而導(dǎo)致 KA1 線圈 斷電，KA1 常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，這時(shí)處在一樓的樓道燈被關(guān)閉。 XXXXX 16 結(jié) 論 現(xiàn)代化的生活離不開(kāi)電能的使用,但目前電能的浪費(fèi)已成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題, 隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化水平的不斷提高,以及各種高準(zhǔn)確度,高性能傳感器的應(yīng)用,自 動(dòng)節(jié)能燈具成為人們理想的選擇.光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)燈與其他自動(dòng)控制燈( 如,聲控等) 相比, 具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn):可以避免自然界的聲音引起誤操作 ,所以光電開(kāi)關(guān)控制燈必將成 為自動(dòng)照明系統(tǒng)的主流. 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識(shí)，將自己學(xué)到的理論知識(shí)與 實(shí)際相結(jié)合。但由于是初次自己設(shè)計(jì)電路,在整個(gè)過(guò)程中也存不少問(wèn)題,碰到問(wèn)題是件 麻煩的事,但解決問(wèn)題本身又是充滿樂(lè)趣的. XXXXX 17 參 考 文 獻(xiàn) 1 趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)M.北京:科學(xué)出版社,2002. 2 沈聿農(nóng).傳感器及應(yīng)用技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001. 3 郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001. 4 嚴(yán)鐘豪,譚祖根 .非電量電測(cè)技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001. 5 周樂(lè)挺. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005. 6 范晶彥.傳感器與檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005. 7 梁 森,王侃夫,黃杭美.自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)(第二版)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版 社,2007. 8 王俊峰,孟令啟 .現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007. 9 宋文緒,楊 帆.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2000. 10楊清梅,孫建民 .傳感器與測(cè)試技術(shù)M.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005. 11孫心若.傳感器基本電路實(shí)驗(yàn)M.北京:北京師范大學(xué)出版社,2007. 12金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用(第二版)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ,2006. 13高曉蓉.傳感器技術(shù) M.成都:西南交通大學(xué)出版社,2003. 14吳桂秀.傳感器應(yīng)用制作入門M.杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2 003.