第一章 传感器相关介绍
第一节 传感器概述
一、传感器的定义
传感器是现实生活中的力、光、电、声音、温度等模拟量转换为数字量的一种媒介；也可以理解为传感器是接收日常生活中的力、光、电、声音、温度等模拟量，经过相应的运算处理，按照一定的规律，将其转换为可参处理运算等要求数字信号的一种器件。它是自动检测与控制中的核心部分，其功能不可替代。
二、传感器的特性
传感器的输入与输出的关系，称为传感器的特性，一般情况下包括静态与动态两种。顾名思义，静态特性是指传感器的输入与时间无关，即指传感器的输入输出量是在被测量量处于稳定状态下进行的。与之相反，输入随着时间不断变化的特性称之为动态特性，它可以拟就传感器的输入与输出的实时变化关系。
一般来说，可以用微分方程式来描述这种关系，当微分方程中只有零阶方程不为零时，便可得到其静态特性，因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。除此之外，使用条件、使用环境、使用要求等也可作为传感器的特性描述。
三、传感器的组成
一般来说，传感器主要由敏感元件，传感元件和其他辅助元件构成。组成一个完整的传感器系统还包括信号调节与转换电路、辅助电源等部分，如图1.1所示
图1.1 传感器的组成
敏感元件：直接接触被测量量的器件，并可以将外界的模拟量按照一定规律进行转换。 转换元件：负责接收敏感元件的输出，并将其转换成相应的电路参数。 转换电路：将转换元件输出的电路参数进行运算处理，转换成数字量输出。
2
第二节 光敏传感器
一、 光照强度相关知识
光照强度:是指光照的强弱,它以单位面积上所能接受可见光的能量来量度。简称为照度，单位为勒克斯（Lux或Lx）。被光线均匀照射的物体，在1平方米上得到的光通量是1流明时，此时的照度是1勒克斯。流明为光通量的单位。
二、光敏传感器的定义
光敏传感器是指可将光信号转换为电信号的一类元件的总称，其第三波长在可见光波长区间内，包括红外线波长和紫外线波长，通过检测光照强度的不同从而输出不同的电信号，从而达到光信号与电信号之间的转化。光敏传感器种类繁多，目前应该比较广泛的包括：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管等。
三、光敏电阻的结构与原理
光敏电阻器的工作原理是内光电效应，它是利用光电效应制作而成的一类特殊电阻，其阻值随入射光的强度变化而变化：入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻的符号如图1.2所示。
图1.2 光敏电阻符号
在无光的情况下，光敏电阻的阻值很高一般在1 MΩ以上；有光线射入时，当光子能量大于其半导体材料的导通能量，则半导体材料中的电子吸收一个光子的能量便成为导体，光照强度越大，则进入的光子的数量越多，于是半导体中的电子变为可导体的数量就越多，导电能力就越好，即光敏电阻的阻值就越小。光照消失后，由光子
3
激发的空穴对逐渐复合，光敏电阻便恢复其不可导的状态，阻值急剧增大。
光电特性是指在光敏电阻两级电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系。光电特性曲线如图1.3所示：
图1.3 光敏电阻特性曲线
四、 光敏传感器的应用
光敏传感器阻值随着光照强度的变化而变化，因此光照强度这一比较抽象而难以测量的物理量可以通过光敏传感器进行简单有效的测量，因此感光特性，在现代社会中有着广泛的应用。
例如光开关是最简单的一个例子了，其原理是利用感光元件，对光线进行只收，将光信号转换成电流信号，通过电路的放大，变成电压开关电平信号，利用此原理制成的声光控开关在人们的日常生活中屡见不鲜，其主要工作原理如图1.4所示：
4
声音信号 MIC 光敏电阻 与非门控制电路 延时电路 整流电路 电子开关
图1.4 声光控开关原理框图
声控电路它是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：小信号放大电路、声波控制电路等。而常用的声控电路使用的是声波控制电路为主要的声控电路部分。
光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。
除此之外，光开关还广泛用于自动化控制，如火焰探测器，民用的光控照明灯电路等。光电传感器应用的实例很多，还如照相机的CCD传感器、基于光敏传感器的照度计，光敏电阻的一些应用。
第三节 传感器的发展
传感器的发展对各行业有着巨大的推动与促进作用，在科技为主导的现代社会显得尤为重要。传感器的运用范围很广，因此所涉及到的知识也很广，与各个学科领域的发展都有密切的关系。另外近年来，IT行业的飞速发展，使得传感器的技术要求越来越高，工业自动化的程度也越来越高，传感器也逐渐发挥出越来越大的作用。由此可见，传感器的发展主要朝着以下几个方向进行：
1、高精度
传感器的精度直接影响着测控的精度，因此要提高测控精度，必须先提高传感器的精度。例如医学上对疾病的检测，军事上对于火箭发动机燃烧室的压力测量等都要
5
求相当高的精度，若精度达不到相应的要求，会产生难以估量的后果。因此为满足测量的需要，必须要研制出相应的高精度的传感器。
2、小型化
很多场合要对传感器的大小尺寸有严格的要求，其尺寸要尽可能的小才能达到要求。在医学中测量血压与血小板含量的测量，以及物理学中对于风洞压力的测量等等均要求其尺寸要尽可能的小。为了适应这一要求，压阻传感器应运而生，使压力传感器在小型化方面取得重大进展。
3、数字化
传感器的最终目的是实现信号的数字化，便于运算处理，因此数字化显得尤为重要，数字化传感器可直接与计算机相联，对于外界信息进行数字化的运算处理。
4. 智能化
智能化是传感器发展的必然趋势，它不仅可以达到检测信息的功能，并可对信息进行有效的运算处理，是传感器发展史上的一次质的飞越，使实现人功智能成为了可能，在宇宙航天、医学等方面发挥了重要的作用。
传感器的研究与发展已成为各个行业发展前进的先驱动力学科，各国对其重视程度日益增加。
第二章 相关芯片知识介绍
第一节 整体框架设计
本设计主要实现了对光照强度的检测功能，其功能模块主要包括以下三个：光照强度检测模块、信息处理模块和显示模块。其整体设计思路如下图2.1所示：
光敏电阻 AD转换 信号处理 LED显示
3
图2.1 整体设计框图
6