光敏電阻綜合演示儀的設計

關海艷，馮 毅，何春鳳，林曉瓏

（吉林大學 物理學院，吉林 長春130022）

1 引 言

大學物理是工學、地學、信息學科各專業本科生重要的基礎課程，通過對大學物理的學習，可以為后續的專業基礎課和專業課的學習奠定堅實的理論基礎.物理演示實驗是大學物理教學中不可缺少的重要教學手段和方法，理論講授時，在課堂中插入一些物理演示實驗，使理論教學更為生動、形象.而演示實驗儀器的制作，不僅可以豐富演示的內容，還可以讓盡可能多的學生參加到科技制作活動中去，提高學生的綜合能力.

2 綜合演示儀器的設計思想

2.1 光敏電阻工作原理

半導體材料受光照射時，如果光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，就會產生電子空穴對，被光激發所產生的這些載流子留在物體內部，使物體的電阻率變小的現象稱為內光電效應.依據內光電效應的傳感器是光敏電阻.光敏電阻受到光照時，光照愈強，阻值愈低.入射光消失，電子空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值.

2.2 光敏電阻傳感原理驗證

實驗中把光敏電阻放置在暗室中（如圖1所示），控制光源的光照值，并用照度計把當前的照度值測量出來，光敏電阻的輸出直接由歐姆表測量，不斷改變光源照度，同時記錄照度計的讀數和歐姆表讀數，可驗證被測量（照度）和傳感器讀數（光敏電阻阻值）之間的關系，其結構框圖如圖2所示.

圖1 演示儀器光路圖

圖2 光敏電阻物理原理驗證實驗框圖

光敏電阻阻值變化最大，為了保證讀數精度，演示儀器設計了2個不同量程的表頭，量程分別為2MΩ和200kΩ，通過換擋開關手動進行切換，表頭換擋如圖3所示.

圖3 表頭換擋電路圖

2.3 光敏電阻照度測試應用

實驗中把光敏電阻放置在暗室中，旋轉光度旋鈕可以調節光源的光亮度，并用照度計把當前的照度值測量出來，通過偏置放大電路把阻值的變化轉變為電壓值.該電壓值經放大、A／D轉換及單片機處理后可轉換成照度值顯示（結構框圖如圖4所示）.可用光敏電阻傳感器直接測量出光源的照度（需經過標定）.

圖4 光敏電阻照度測試應用實驗框圖

由于光敏電阻的阻值隨著光強的變化范圍比較大，采用恒流源電路獲得穩定的電壓輸出，保證電路正常工作.輸出電壓經過偏置放大電路進行放大.

電壓值需經過A／D轉換器件轉換成數字量才能由單片機處理，A／D轉換器件使用AD574，器件電路如圖5所示，它是12位逐次比較型A／D轉換器.邏輯控制信號由8051單片機的數據口P0端口發出，用于控制AD574的工作過程.A／D轉換器的數據輸出也通過P0數據端口連至8051單片機，由于只使用了8位數據口，12位數據分2次（首先為低8位，然后為高4位）讀進8051，使能端CE都必須保持為1.

圖5 AD574器件電路連接圖

A／D轉換電路的數據分2次送入單片機后，經過單片機內部處理轉換為電壓值.通過電壓與電阻的線性關系，可以計算出相應的當前照度值下的光敏電阻阻值.

單片機得到的光敏電阻值送至顯示電路顯示.顯示電路利用HD7279A元件驅動數碼管，它是一種管理鍵盤和數碼管顯示器的專用智能控制芯片，可用它來管理和驅動8位共陰極LED顯示器.DIG0-DIG7為8個數碼管的位信號控制端.SA-SG為數碼管的7段信號輸出端.DP為小數點的信號輸出端.CS為芯片的片選信號，低電平時有效.DATA為芯片的數據端，當向HD7279A發送數據時，DATA為輸入端；當HD7279A輸出鍵盤代碼時，DATA為輸出端.CLK為芯片的同步時鐘輸入端，上升沿表示數據有效.KEY為芯片按鍵有效輸出端，當檢測到有效按鍵時，由高電平變為低電平.

圖6是由演示實驗儀器測得的光敏電阻阻值隨光照度變化的曲線圖，比較好地反映出光敏電阻的阻值隨照度變化的關系.

圖6 光敏電阻阻值隨光照度變化曲線

2.4 光敏電阻照度控制應用

基于光敏電阻的阻值隨光照變化而變化這一特點，把光敏電阻接在實際的電路中，就可以把阻值改變轉變成電壓的變化，然后用這個電壓信號去控制三極管的開關就可以實現光控.在綜合演示儀器中設計了基于光敏電阻的路燈（用臺燈替代）控制系統演示環節，可以實現白天環境光亮的時候自動關燈，晚上環境黑暗的時候自動開燈，電路圖如圖7所示.

圖7 光控開關電路原理圖

根據光敏電阻的工作原理，當白天環境光亮時，光敏電阻R的阻值很小，于是加載在三極管N1基極的電壓小于基極與集電極的導通電壓，此時三極管N1處于斷開狀態，相應的三極管N2也處在斷開狀態，所以繼電器沒有電流流過，處于關閉狀態，常開觸點斷開，交流電壓就不能加載于模擬路燈的兩端，此時路燈處于關閉狀態.當晚上環境黑暗時，光敏電阻的阻值R很大，所以加載在三極管N1基極的電壓大于基極與集電極的導通電壓，此時三極管N1工作于放大狀態，相應的三極管N2也處在放大狀態，所以繼電器此時導通，常開觸點連通，相當于把開關打開，路燈會被點亮.

由于是演示儀器，因此在電路中沒有加入滯回穩定功能部分，當學生用手在光敏電阻上方來回滑動時，繼電器快速響動，路燈也閃耀，增加學生對光敏電阻阻值變化的理解，也能更直觀地演示出光敏電阻的原理.

3 結束語

通過對驗證光敏電阻原理、照度測試、照度控制的綜合演示儀器的設計，有利于學生們更直觀地了解光敏電阻原理及光照度對光敏電阻的影響.另外，通過演示實驗儀器的制作與開發，讓學生積極的參與到科技活動中，有利于促進學生的主動學習性，讓學生受到基本科研工作的訓練，全面提高學生的科學素養和動手能力.

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