Proteus仿真技術在光電傳感器教學中的應用

摘要：在光電傳感器教學中，利用Proteus軟件模擬各種光電器件，分析和設計實際的光控電路，使學生對光電傳感器及其應用有直觀的了解。實踐證明，通過仿真教學能夠提高學生的學習興趣，降低學習難度，提升教學效果。

關鍵詞：Proteus；仿真；光電傳感器；教學

作者簡介：劉丹（1976-），男，湖南長沙人，湖南商務職業技術學院電信系，講師。（湖南 長沙 410205）

基金項目：本文系高等職業學校專業骨干教師國家級培訓項目電氣自動化技術企業頂崗培訓（項目編號：18122302）的研究成果。

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）30-0130-02

光電傳感器是傳感器與檢測技術的一項重要內容，廣泛應用于各種光控電路。光電傳感器能夠將光信號轉換為電信號，利用一些特定材料的光電效應來實現對光信號的檢測。由于是對光信號的檢測，光電傳感器在教學中搭建實物試驗比較困難，內容顯得較為抽象，有一定的教學難度，學生學習也有難度。筆者經過教學實踐，利用計算機仿真技術，通過Proteus軟件，搭建光電傳感器虛擬實驗，取得了較好的教學效果。

一、Proteus仿真教學簡介

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。使用Proteus 軟件進行傳感器及其檢測電路設計是虛擬仿真技術和計算機多媒體技術相結合的綜合運用，有利于培養學生的電路設計能力及仿真軟件的操作能力；在教學實踐中，通過使用 Proteus 軟件對學生進行教學，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映對傳感器的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，使用 Proteus進行系統仿真開發成功之后再進行實際制作能極大提高系統設計效率。

二、光電效應及光電器件的Proteus仿真

1.光電效應

光可以認為是一種能量傳遞的方式，它是由一定能量的粒子組成，這種粒子叫做光子。光的頻率越高，光子的能量越大，用光照射物體，可以看做是光子對該物體的一系列撞擊，物體的粒子接受光子的撞擊后獲得能量，產生的電效應就是光電效應。光電效應分為內光電效應和外光電效應。光照射在某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現象稱為外光電現象，也叫做光電發射。當光照射于某一物體上，使物體的導電能力發生變化，這種現象叫做內光電效應，也叫做光電導現象。利用內光電效應可以制成光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等光電轉換器件，這些都是常見的光電傳感器。

2.光電器件的Proteus仿真

利用光電效應可以制作出各種類型的光電轉換器件，即光電傳感器。常見的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電管等。

（1）光敏電阻。光敏電阻是基于內光電效應的光敏傳感器，當有光照射時，其電阻值降低；光照越強，阻值越小。其暗電阻一般為1MΩ，其亮電阻（當光照為10lX時）一般為幾百歐姆到幾千歐姆。光敏電阻一般是將半導體材料粉末燒結在陶瓷襯底上面，形成一層膜，用兩個引線引出。有的在外部用防潮材料或者玻璃外殼將其密封，起到保護作用。按照光譜特性及其工作波長，光敏電阻可分為紫外光、紅外光和可見光光敏電阻。通過Proteus提供的光電元件，搭建的光敏電阻電路如圖1所示，可以通過調節圖中模擬的燈照強度來仿真光照的強度，箭頭向上調節是光照加強，向下調節是光照減弱。通過調節光照強度可以在LDR1中獲得一個隨光照變化的電流，加上電阻分壓電路，就可以構成一個光電電阻的仿真模型。當光照強度越大時，電流越大，電阻越小。此電路中，電流經電阻轉換成電壓，光照越強，輸出電壓越大。

（2）光敏二極管和光敏三極管。光敏二極管是一種利用PN結的單向導電性的結型光敏傳感器，與一般的二極管不同的是，PN結上裝有透明的外殼，用來接受光照。光敏三極管與普通三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，有兩個PN結，其中集電結具有光敏特性，相當于一個光敏二極管。在應用時，集電結反偏、發射結正偏，在光照的影響下可以等效看成是光敏二極管產生的光電流在三極管中進行放大，其光電流比光敏二極管的光電流要大很多，也就是光敏三極管的靈敏度比光敏二極管要高。光敏三極管常用的材料一般是硅，一般只引出集電結和發射結，外形和發光二極管相同。光敏三極管的Proteus仿真電路如圖2所示，光敏三極管跟光敏二極管類似，一般只有E和C極，沒有光照時暗電流非常小，有光照時，電流隨著光照強度增大而增大。在本電路中，發光二極管與光敏三極管是成對出現的，通過RV1來調節發光二極管中的電流，從而達到模擬調節光照強度的目的。電流越大，說明光照越強。光敏三極管感受發光二極管中的光照強度變化，E極和C極間的電流隨著光照強度進行相應變化，通過調節RV1就可以調節光敏三極管的輸出電流。

三、光電傳感器的應用仿真

光電傳感器的應用非常廣泛，直接影響被測對象的光量變化的參數都可以直接檢測，而現實中引起光亮變化的因素有很多，可以是光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可以把其他被測的非電量參數轉換成光量變化來進行檢測，這些參數可以是零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度。光電傳感器還可以應用于物體的形狀、工作狀態的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得了廣泛應用。

上面已經搭建好了光敏電阻和光敏三極管兩個光敏器件的仿真模型，利用這兩個光敏器件再設計出適當的外圍電路就可以制作出光敏傳感器的應用電路。在實際教學中，通過分析兩個光控電路實例可以加深對光敏傳感器的理解，掌握被測參數怎樣轉換為電信號進行處理，對掌握光敏器件的使用、光電傳感器的實際應用、掌握光控電路的設計方法都有很大的幫助，可以引導學生進一步設計和制作出光電傳感器應用的實際產品。

1.光電報警電路

很多場合需要根據光照的實際情況實現不同控制，完成不同的工作。本實例是利用光敏電阻設計一個弱光報警電路，可以根據光線的強度發出報警信號。如圖3所示，LDR1為光敏電阻，可以通過調節強、弱按鈕來調節光照的強度，同時調節光敏電阻內電流的大小。LDR1、RV1、R1構成了光電測量電路，將光信號轉換為電壓信號。Q1、Q2組成的是開關電路，控制下一級自激振蕩電路，Q3、Q4是自激振蕩電路，輸出脈沖信號。當光照較強時，光敏電阻內的電流較大，經過電阻RV1轉換為電壓后，輸出的電壓較小（電壓與光照強度成反比），此時三極管Q1、Q2截止，Q3、Q4電路不工作。當光照變弱，輸出的電壓變大，在該電路中，電壓約為2.1V，三極管Q1、Q2導通，Q3、Q4電路工作。Q3、Q4電路為自激振蕩電路，電路工作時產生脈沖信號，如圖4所示，此信號加載在揚聲器上，發出“滴滴”的報警聲音。這樣就實現了光照較弱時自動報警的功能。

2.光電路燈控制電路

利用光敏三極管來實現路燈的控制，白天光線較強，路燈熄滅，晚上光照弱，路燈亮。該電路也可以采用光敏二極管來實現，光敏二極管和光敏三極管在應用上除了光電流不同之外，其應用的電路的結構基本是一樣的。不管是光敏二極管還是光敏三極管都是將光信號轉換成電流，其檢測電路的設計應該是將電流轉換成電壓，利用電壓來控制相應的電路，實現自動控制的目的。電路設計如圖5所示，U1（OPTOCOUPLER-NPN）為光電耦合型NPN三極管模型，可以通過調節輸入電流模擬光照強度的變化來控制光敏三極管的輸出電流。RV1、U1組成光電檢測電路，通過RV1來調節光電三極管的輸入電流，模擬光照變化。U2（施密特非門40106）、三極管Q1構成開關電路，直流繼電器LR1是驅動電路，作用是驅動路燈D2。

電路工作原理分析：在白天，光照較強，光敏三極管輸出的電流較大，轉換成電壓后輸出的電壓比較高，經過40106這個施密特非門，變成低電平加在三極管的基極，此時三極管截止，路燈不亮。在晚上，光照較弱，光敏傳感器輸出地電壓較低，經40106非門后變成高電平加在三極管基極，三極管導通，繼電器線圈得電，路燈被點亮。

四、小結

光敏傳感器是將光信號轉換為電信號的器件，在實際教學中，實物實驗搭建比較困難，學習內容抽象，不易理解。通過計算機仿真技術，用Proteus軟件設計光電器件的模型，模擬其將光信號轉換為電信號的過程，能夠很好地理解光電傳感器的性能及其工作原理。在兩個實例電路的分析中，光電傳感器的使用方法、光控電路的設計、電路參數的調節、變化規律都很直觀。通過教學實踐證明，在光電傳感器的教學中采用Proteus仿真教學能夠降低教學難度，提高學生的學習興趣，教學效果有較大提高。

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