成绩评定：

传感器技术

课程设计

题 目 自动调光台灯的设计

摘要

台灯在当今社会已经相当普及，它主要用于卧室床头柜或书房写字台，造型色彩千变万化。本课程设计的是一种供夜间阅读和书写的台灯，它可使得周围书写区域的照度免受电源电压、环境光变化的影响，使台灯周围的光线保持在人眼适宜的范围内，具有亮度自控制的功能。从而实现台灯的光线可以随着台灯周围光线的变化而自动调节自身的亮度。当环境照度弱时，它发光亮度大,环境照度强时，它发光亮度就暗，从而起到节能和保护眼睛的作用。

现在的台灯不仅在功能上日趋向智能化，同时在外观上已逐步向组合化、装饰化、情趣化方向发展。自动调光台灯是自动调节光照亮度的照明灯具。它通过光敏传感器来实现自动控制，是由电源插头、开关、灯泡和聚光灯罩构成，一般使用220V交流电供电。在上述台灯底座的上面设置一个光敏传感器，内有光敏电阻，它随桌面上的亮度变化而变化，从而调整台灯亮度的变化，从而保护人的眼睛。

关键词：台灯 自动调光 光敏电阻

目 录

一、设计目的 -------------------------- 1

二、设计任务与要求 --------------------- 1

2.1设计任务 ------------------------- 1

2.2设计要求 ------------------------- 1

三、设计步骤及原理分析 ----------------- 1

3.1设计方法 ------------------------- 1

3.2设计步骤 ------------------------- 6

3.3设计原理分析 ---------------------- 7

四、课程设计小结与体会 ----------------- 8

五、参考文献 -------------------------- 8

一、设计目的

本设计的目的主要是从用户的实际需要出发，设计一个可以自动调光的台灯，以保护人的视力，从而提高实用价值，降低成本，并且做到美观。

二、设计任务与要求

2.1设计任务

用光敏电阻制作一个自动调光台灯。使台灯的亮度根据周围环境的照度自动调节，当周围环境照度较弱，台灯亮度增大，反之则减小。

2.2设计要求

1．可工作在常温、常压、静态、良好的环境中；

2．精度：0.1%FS；

3．分辨率：按参考文献上常用传感器类比；

4．测量范围：按参考文献上常用传感器类比；

5．传感器及其辅助结构设计；

6．拟定实施方案,描述设计思路；

7．详尽规划内容。

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法

（一）检测光的传感器称为光传感器，通常是指将光信号转换为电信号的一种传感器。用光电传感器进行非电量的测量时，只需将非电量信号转化成为光信号即可。由于光传感器都具有结构简单、非接

触性、可靠性高、反应快等优点，在军用及民用中极为广泛，因此，其种类繁多，常用的光传感器包括：光敏电阻、光电管、光电倍增管、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

图1 光电式传感器的组成

光传感器的物理基础是光电效应。光电效应通常分为内光电效应、外光电效应和光生伏特效应。

光敏电阻主要是根据敏感材料CdS、CdSe的内光电效应（光电导效应：高电阻率半导体受光照吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象）制成的。它是一种物质半导体充电器件，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。

内光电效应的物理过程是：光照射到半导体材料上，

材料中处于

价带的电子吸收光子能量，越过禁带跃入导带，从而形成自由电子，与此同时价带也会相应地形成自由空穴，即激发出电子—空穴对，从而使导电性能增强，光线越强，阻值越低。

图2所示，为了使电子能从键合状态过渡到自由状态，即实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电材料的禁带宽度 Eg，亦即入射光的频率应高于由 Eg决定的红限频率 。

h hc 1.24 Eg

式中，h为普朗克常数, 、 分别为入射光的频率和波长。

图2 半导体能带图及内光电效应

图3 光敏电阻工作原理图

图4 光敏电阻结构图

光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和温度特性等。

１．伏安特性：一定光照下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系曲线，如图5。

2．光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流I与光通量之间的关系特性曲线，如图6。

图5 光敏电阻的伏安特性 图6 光敏电阻的光照特性

3．光电灵敏度：单位光通量入射时能输出的光电流的大小，即r dI/d 。光照不同，灵敏度也发生变化。光照增大，灵敏度下降。最大灵敏度是在光敏电阻上加以最大电压时，光电流Im

与光通量之

比值。

相对灵敏度是指在单位外加电压下，入射单位光通量时对应的光电流输出，即K=r/V=I/( V)

4.光谱特性:光敏电阻对于不同波长的光，其灵敏度不同。

图7 光敏电阻的光谱特性

5.频率特性：光敏电阻具有延时特性，当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不会马上为零。不同材料的延时特性不同，它们的频率特性也不同。图8为相对灵敏度与光强变化频率之间的关系曲线。

图8 光敏电阻的频率特性

6.光谱温度特性：随着温度变化，光敏电阻的暗电阻和亮电阻都会发生变化，光敏电阻受温度影响大，光谱特性也受到影响。

3.2设计步骤

（一）自动光控台灯控制电路的实体设计

由底座：软管、灯罩、照明灯、手动亮度调节器、和亮度检测

器、所构成的亮度自动控制台灯。其特征在于台灯里设有亮度自动控制装置、亮度控制选择器、磁性电源开关。

（二）自动台灯亮度控制电路

光控自动调光台灯电路的原理是用台灯发光情况来调整自己的

灯光亮度。开灯之初，灯光处于最暗的挡位，利用开灯后电灯发出的光线来自行调整电灯的亮度，形成一种正反馈的调节状态。随着电灯发光强度的增大，对电路的调整强度也在增大，

直到灯光达到最高亮

度为止。这一种自动调光台灯，它有一只光电探头放在书本附近，可使书本上的照度自动调到合适的数值，既可减少手动调光的麻烦，又可保护视力。同时，它具有稳定光照的功能，当电源电压波动时，台灯亮度保持不变。如果要像普通调光台灯一样调光，只要改变探头和灯泡的距离即可，使用起来十分有效。这种自动调光电路既可以防止开灯时的强光对眼睛的刺激，又可以起到保护灯泡的作用。

3.3设计原理分析

工作原理 ：该灯电路原理图见图9。当开关S拨向位置2时，它是一个普通调光台灯。RP、C和氖泡N组成张弛振荡器，用来产生脉冲触发可控硅VS。一般氖泡辉光导通电压为60－80V，当C充电到辉光（辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式）电压时，N辉光导通，VS被触发导通。调节RP能改变C充电速率，从而能改变VS导通角，达到调光的目的。R2、R3构成分压器通过VD5也向C充电，改变R2、R3分压也能改变VS导通角，使灯的亮度发生变化。 当S拨向位置1时，光敏电阻RG取代R3，当周围光线较弱时，RG呈现高电阻，VD5右端电位升高，电容C充电速率加快，振荡频率变高，VS(单向可控硅)导通角增大，电灯两端电压升高、亮度就增大。当周围光线增强时，RG电阻变小，与上述相反，电灯两端电压变低，高度减小。

图9 原理图

这个自动调光台灯能根据周围环境照度强弱自动调整台灯发光量。当环境照度弱，它发光亮度就增大；环境照度强，发光亮度就减暗。

四、课程设计小结与体会

在选题中感觉这个课题可查阅的资料挺多，也在生活中经常用到，但是现代人对外观、智能化的要求越来越高，所以我选择了自动调光台灯的设计，不过过程中会出现很多问题，比如灯泡不亮，不可调光。由BT33组成的单结晶体管张弛振荡器停振，可造成灯泡不亮，不可调光。可检测BT33是否损坏，C是否漏电或损坏等。电位器顺时针旋转时，灯泡逐渐变暗。这是电位器中心抽头接错位置所致。 调节电位器RP至最小位置时，灯泡突然熄灭。可检测R4的阻值，若R4的实际阻值太小或短路，则应更换R4。以后自动调光台灯会更普遍应用于生活中。

五、参考文献

[1] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社

,2001.

[2]牛强军,高峰.基于单片机的通信系统控制器[J].微计算机信息,2004,8:21-22.

[3]聂毅,聂辉.植物温室单片机控制系统[J].微计算机信息,2002,8:36-37.

[4] Roger Bate, Sandy Shrum, CMM Integration Framework[J], CMU/SEI Spotlight 1998.9

[5] J P Kuilboer,N Ashrafi, Software Process and Produt Improvement[J]. An Empirical Assessment,2000.4

[6] 冯民昌，北方交通大学,模拟集成电路系统(第2版)[H]。北京中国铁道出版社1998

[7]杨素行，模拟电子电路[J],北京.中央广播电视大学出版社.1994

[8] 杨素行，清华大学电子学教研室组编,模拟电子技术简明教程(第二版)[M],北京,高等教育出版社,1998

[9] 童诗白，清华大学电子学教研组编,模拟电子技术基础(第二版)][J]。北京高等教育出版社,1988

[10] 童诗白，清华大学电子学教研组编,模拟电子技术基础(上下册)[J]。北京人民教育出版社,1983