光強度自動報警控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　現(xiàn)行的光控儀，如光強測量儀，光控報警系統(tǒng)等，種類繁多。但存在性能不穩(wěn)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驗為基本理論，通過光強度控制電路、光強度測量電路和光強度報警系統(tǒng)的設(shè)計和裝配，對光測控儀作進一步的探索和實踐，實踐證明本光強度自動控制報警系統(tǒng)克服了以上弊端，具有較強的實用性。

　　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(jié)，光這就是一塊硅光電池。當照射在PN上時，如光子能量hv大于硅的禁帶寬度E時，則價帶中的電子躍遷到導帶，產(chǎn)生電子空穴對。因為PN結(jié)阻擋層的電場方向指向P區(qū)，所以，任阻擋層電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而在硅光電池與PN結(jié)平行的兩外表而形成電勢差，P區(qū)帶正電，為光電池的正極，N區(qū)帶負電，為光電池的負極。照在PN結(jié)上的光強增加，就有更多的空穴流向P區(qū)，更多的電子流向N區(qū)，從而硅光電池兩外側(cè)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勢的現(xiàn)象，叫作光生伏特效應(yīng)。

　　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，即短路電流在很寬的光強范圍內(nèi)，與光強成線性關(guān)系，而開路電壓是非線性的，而且，在當光強較小，約20mW/cm2時，短路電壓就趨于飽和。因此，要想用光電池來測量或控制光的強弱，應(yīng)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。顯而易見，不同的光電池，光譜曲線峰值的位置不同，例如硅光電池峰值波長在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，只對可見光敏感。

　　值得注意的是，光電池的光譜曲線形狀，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儀器，即使采用Isc—Ev特性，在被測參量恒定不變時，儀器的讀數(shù)也會隨環(huán)境溫度的變化而漂移，所以，儀器必須采用相應(yīng)的溫度補償措施。

　　2 光強度自動報警控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　2.1 設(shè)計思想

　　通過上面對光電池的各項特性的研究，我們發(fā)現(xiàn)，硅光電池的頻譜響應(yīng)范圍寬，并且其短路電流與光照強度成線性關(guān)系，應(yīng)用Isc與Ev的線性關(guān)系設(shè)計的光強測控儀線路簡單，容易實現(xiàn)。且由于線性關(guān)系，進行光強測量會減小誤差。所以本儀器的光電轉(zhuǎn)換器件是光電池。

　　一個完整的光強測控儀應(yīng)包括的電路有穩(wěn)壓電源，電流電壓轉(zhuǎn)換電路，光強度控制電路，數(shù)碼顯示電路，報警電路等幾部分。下面分別進行原理設(shè)計。

　　2.2 電流電壓轉(zhuǎn)換電路及光強度控制電路

　　電流電壓轉(zhuǎn)換電路是一個簡單的電路，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為依據(jù)。當環(huán)境光照強度減弱到一定程度時，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(nèi)照明燈;而當環(huán)境光強超過某一值時，光強度控制電路自動熄滅照明燈。光強度控制電路的主要功能是實現(xiàn)區(qū)間控制，特性與施密特觸發(fā)器一致，所以施密特觸發(fā)器時光強度控制電路的主體。

　　我們使用電流轉(zhuǎn)換電壓電路，將光電池短路電流放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號。電流區(qū)間控制就轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓區(qū)間控制，然后輸入到我們使用的施密特觸發(fā)器中。我們設(shè)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(qū)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點有一個電位值VB。此時Vin

　　當環(huán)境光強度逐漸變大時，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的進一步保持在低電平。此時VB>VC，由于二極管的反向截至特性，VB不對VC造成影響，B點的電位單純由R1和R2的分壓決定。VC為低電平去控制斷開環(huán)境照明燈。

　　我們對電路各參數(shù)作以下設(shè)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點為高電平時，根據(jù)等效電路我們計算B點的理論電位值為2.18V。

　　2)當C點為低電平時，B點的理論電位值為1.11V，我們可以得出電路電壓傳輸特性圖如圖6所示。可知，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。

　　而在實驗室使用萬用電表對該電路進行實際測量時，發(fā)現(xiàn)測量值與理論值有一定偏差。(1)C點為高電平時，VB=1.932V，Vin上升至1.910V便發(fā)生電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換。(2)C點為低電平時，VB=1.097V，Vin下降至1.480V便發(fā)生電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換。實際回差電壓僅為0.45V。

　　根據(jù)我們的實驗和計算，在實際連接電路時，我們選用器件的參數(shù)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，VB=2.02V。VC為低電平時，VB=0.63V。在對計算值進行修正后，我們得到電路實際正向閾值電壓VT+=1.96V，電路實際負向閾值電壓VT_=1.03V。回差電壓VT=VT+—VT=0.97V，實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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。所以使用三極管去驅(qū)動繼電器還是相當可靠的。

　　2.3 自動報警電路工作原理

　　圖8自動報警電路的原理圖。

　　改變光電池光強，測出光強較大、較小時對應(yīng)的VOH、VOL，再調(diào)W1和W2，使IC1+和IC2+輸入分別對應(yīng)VOH和VOL。當VO>VOH時，IC1輸出低電平，發(fā)光二極管LED2正向?qū)òl(fā)光報警，同時使555時基電路輸出低電平，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(shù)顯電路的基本工作原理

　　圖9是數(shù)顯電路原理圖

　　CL7107計數(shù)器的最大計數(shù)值為1999，當計數(shù)器滿2000個數(shù)時計數(shù)器便產(chǎn)生進位信號而且計數(shù)器自動歸零。這段時間是0～t1(如圖10所示)。若已知時鐘脈沖的周期為TC，則0～t1這段對Ui的積分時間為T1=2000Tc，0～t1時間內(nèi)，積分器的輸入電壓U0(t1)=2000Ui/RCT。

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

　　當t=t2時，積分器輸出電壓U0升至0V，使比較器輸出為低電平，控制門G關(guān)閉，時鐘脈沖不能進入計數(shù)器，這樣計數(shù)器在t1～t2間隔內(nèi)所計數(shù)值N(12)被保留一段時間，并由二進制轉(zhuǎn)換為十進制，由驅(qū)動器驅(qū)動LED顯示為十進數(shù)。反向積分時間T2=t2-t1=N(12)Tc，UREF為恒定電壓，在t1～t2時間內(nèi)，積分器電壓的變化量U0(t1～t2)為U0(t1～t2)=(UREF/RC)