淺談簡易光電智能定時器的設計

康愛梅

摘 要：近些年，隨著現代科學技術的飛速發展，電子信息行業也突飛猛進的發展，人們在日常生活中對電子產品應用的要求越來越高。一般機械定時器采用發條驅動、電機傳動或者電鐘等定時方式，電子定時器相對傳統定時器而言，因其采用光電置入方式，具有體積小，重量輕，成本低，精度高，壽命長等優點，在使用性能方面更安全可靠，易調試，應用范圍廣。本文主要闡述了簡易光電智能定時器的設計過程，論述了定時器的發展歷史與現狀，闡述了簡易光電智能定時器的兩種主要時間置入方式，簡述了智能定時器的硬件設計，完成光電智能定時器的簡單設計。

關鍵詞：光電定時器;光電傳感器;光敏電阻

一、定時器的發展歷史與現狀

沙漏或水漏是人類最早使用的定時工具。早在1876年，英國外科醫生索加發明了一項定時裝置，是一種控制煤氣街燈的開關，該項裝置當時獲得專利。其工作原理是利用機械鐘帶動開關控制煤氣閥門，上發條頻率高，1918年之后電子鐘逐漸取代了機械發條。隨著鐘表的出現、發展而后成熟，人們為了準確控制好時間，開始改進現有的定時器。現在被人們廣泛使用的電子定時器主要應用于家用電器中，也被廣泛地應用于工業、農業、服務業、科技、航天軍事、信息等多領域。家用電器方面應用最廣泛，照相機中的定時曝光和定時閃光，功放中的定時放大和定時調速，家用冰箱門的開關定時報警，空調的定時自動開關等，極大地方便了人們的日常生活。

二、簡易智能光電定時器時間置入方式

智能光電定時器的時間置入方式有兩種，分別是撥碼開關置入方式和光電置入方式。

1.撥碼開關置入方式。撥碼開關置入方式有兩個撥碼開關，分別設置為分鐘位和秒鐘位，其定時的時間精度為1秒鐘。撥碼開關具有的另一個功能，就是當光電置入方式定時時間到了之后進行音樂曲目的選擇。

2.光電置入方式。光電置入方式選則幾種光電傳感器。含光敏電阻的電路設置為時間置入結束的輸入位，

含紅外光電對管的電路設置為分鐘的輸入位，含反射式光電開關的電路設置為秒鐘位的輸入位。光電置入時，每置入一次，指示燈提示一次，其定時的時間精度為1秒鐘。

三、簡易智能光電定時器硬件設計

1.光電傳感器。光電傳感器的主要作用是將光信號轉換為電信號，是利用光敏器件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器利用光電效應原理，即利用半導體材料的電學特性受光照射后發生變化的原理。光電效應可分為內光電效應和外光電效應，所謂內光電效應是指受光照射的物體電導率發生變化或產生光電動勢的效應。又分為光電導效應和光生伏特效應，光電導效應是電子吸收光子能量從鍵合狀態轉換為自由狀態，從而引起電阻率變化。光生伏特效應是物體在光線作用下產生一定方向的電動勢。所謂外光電效應是在光線作用下，物體內的電子受激逸出物體表面向外發射的現象，以光電管、光電倍增管為典型元件。

2.光敏電阻

（1）工作原理。光敏電阻是用光電導體制成的光電器件，是基于半導體光電效應工作的。光敏電阻沒有極性，是純電阻器件，使用時可加直流偏壓或交流電壓。光敏電阻無光照時，阻值很大，電路中電流很小。光敏電阻受光照時，阻值急劇減少，電路中電流迅速增加。光敏電阻靈敏度高，光譜特性好，且體積小、重量輕、性能穩定，應用廣泛。

（2）基本特性。①伏安特性，在一定光照強度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系，稱為伏安特性。②光照特性，光敏電阻的光電流與光強之間的關系稱為光敏電阻的光照特性。③光譜特性，光敏電阻對不同波長的光，其靈敏度不同。④響應時間和頻率特性，光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流并不迅速上升到最大飽和值，在無光照條件下光電流并不迅速下降到零，說明光電流的變化相對于光的變化存在時間滯后，稱為光電導的弛豫現象。

（3）應用。綜上所述，光敏電阻具有靈敏度高、工作電流大、光譜響應范圍與所測光強范圍寬、無極性使用方便等優點。但也具有響應時間長、頻率特性差、強光線性差與受溫度影響大等缺點，應用于紅外的弱光探測與開關控制。

3.發光二極管

（1）結構與工作原理。發光二極管是由P型和N型半導體組合而成。當PN結加上正向電壓時，發光二極管導通，P與N在PN結區相遇復合釋放能量而發光。

（2）工作特性。發光二極管加正向電流，發光二極管就會發光。發光二極管的外部電壓與電流的關系，即伏安特性。砷化鎵紅外發光二極管的開啟電壓約為1.6V-1.8V;發綠光的約為2V。發光二極管的反向電流很小，約10uA-100uA。發光二極管的反向擊穿電壓約為5V左右。

（3）主要參數。①發光光譜。發光光譜是指發光的相對強度（或能量）隨波長（或頻率）變化的分布曲線。該曲線決定發光二極管的顏色，并影響它的流明效率。②發光亮度與電流的關系。發光二極管的發光亮度B是單位面積發光強度的量度，亮度隨電流密度近似成正比增加。③壽。發光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度的一半時所經歷的時間。隨著工作的時間加長，亮度下降的現象叫老化。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。④響應時間。在快速顯示時，標志器件對信息反應速度的物理量叫響應時間，即指器件啟亮（上升）與熄滅（衰減）時間的延遲。

（4）應用。發光二極管一般可用作電源電路的通斷電指示和照明，還可作為儀器指示燈、示波器標尺、收音機刻度及鐘表中的文字照明等。目前有雙色、多色和變色的單個發光二極管，具有體積小、耐沖擊、壽命長、顏色鮮明、易和集成電路匹配等特點，應用廣泛。

4.光源。紅外發光二極管多用于光纖通信與光纖傳感器中，LED作為信號光源多用在光電尺寸測量等光電檢測中。

5.光耦合器。半導體光敏器件的重要應用之一，是與發光二極管組合而成的一種新的器件，即半導體光耦合器。光耦合器的主要功能，是利用光來實現電信號的傳遞。實際電路中用光實現級間耦合。工作時，把電信號加到輸入端，使發光器件管芯發光，而受光器件管芯在此光輻射的作用下輸出光電流，從而實現電-光-電兩次轉換，通過光耦合輸入端和輸出端。

6.光敏二極管與光敏三極管。光敏二極管與光敏三極管均為近紅外接收管。這種管子把接收到光的變化變成電流的變化，再經放大和處理，達到各種控制的目的。

（1）光敏二極管。光敏二極管的基本原理是當光照射到P-N結上時，P-N結便吸收光能并將其轉變為電能。

（2）光敏三極管。光敏三極管是依靠光照射來使輸出電流發生變化的器件。光敏三極管的發射極電流或集電極電流與光強近似成正比。

7.撥碼開關。單片機系統中，人們可以采用鍵盤對單片機發送命令或輸入數據，鍵盤輸入靈活性大，操作方便。但會導致誤操作率高，引起不良后果。因此設定靜態開關執行功能或輸入數據，因為靜態開關設定后將不再改變，始終維持原狀態。開關的狀態是在單片機系統通電之初通過CPU讀入RAM中，此后CPU與開關的狀態無關，所以，通電后即使開關的狀態發生變化對計算機的操作不會造成影響，當再次通電后，新的開關狀態才能生效。

數字撥碼盤輸出有BCD編碼的四線輸出和單片十位的十線輸出兩種方式。十線撥碼盤實際上是一種單刀十擲的轉化開關。該撥碼盤結構簡單，A端接地，0-9線與8031的有關輸入口線相接，完成撥盤與8031的接口，通過8031讀入口線電平狀態時，可判斷開關處于何種檔位。BCD撥碼盤，是十進制數輸入，BCD碼輸出。它有0-9十個位置，每個位置有相應的數字顯示，代表一位十進制數的輸入。而每片撥盤代表一位十進制數，n位十進制數，可用n片撥盤并聯安裝組成。

四、結語

設計光電定時器的過程中，需要在模擬電路、數字電路和單片機方面的知識進行進一步思考和研究，于此同時，因為設計的光電定時器還存在很多不足，因此在系統工程開發的過程中，尤其對軟件部分探究需要更深入的研究。

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