光强度自动报警控制系统的设计

现行的光控仪，如光强测量仪，光控报警系统等，种类繁多。但存在性能不稳定，灵敏度低，制作繁琐等不少弊端。

本文主要是以光电池特性的实验为基本理论，通过光强度控制电路、光强度测量电路和光强度报警系统的设计和装配，对光测控仪作进一步的探索和实践，实践证明本光强度自动控制报警系统克服了以上弊端，具有较强的实用性。  

1 光电池的工作原理及其特性  

1.1 光电池的工作原理  

在一块N形硅片表面，用扩散的方法掺入一些P型杂质，形成PN结，光这就是一块硅光电池。当照射在PN上时，如光子能量hv大于硅的禁带宽度E时，则价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对。因为PN结阻挡层的电场方向指向P区，所以，任阻挡层电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而在硅光电池与PN结平行的两外表而形成电势差，P区带正电，为光电池的正极，N区带负电，为光电池的负极。照在PN结上的光强增加，就有更多的空穴流向P区，更多的电子流向N区，从而硅光电池两外侧的电势差增加。如上所述，在光的作用下，产生一定方向一定大小的电动势的现象，叫作光生伏特效应。  

1.2 硅光电池特性  

1.2.1 光照特性  

不同强度的光照射在光电池上，光电池有不同的短路电流Isc和开路电在Voc，如图1所示。由图1可知短路电流Isc—光强Ev特性是一条直线，即短路电流在很宽的光强范围内，与光强成线性关系，而开路电压是非线性的，而且，在当光强较小，约20mW／cm2时，短路电压就趋于饱和。因此，要想用光电池来测量或控制光的强弱，应当用光电池的短路电流特性。  

1.2.2 硅光电池的光谱特性：  

图2是硅光电池、硒光电池的光谱特性曲线。显而易见，不同的光电池，光谱曲线峰值的位置不同，例如硅光电池峰值波长在0.8μm左右，硒光电池在0.54μm左右。硅光电池的光谱范围宽，在0.45～1.1μm之间，硒光电池的光谱范围在0.34～0.75μm之间，只对可见光敏感。  
值得注意的是，光电池的光谱曲线形状，复盖范围，不仅与光电池的材料有关，还与制造工艺有关，而且还随着环境温度的变化而变化。  

1.2.3 光电池的温度特性  

光电池的温度特性如图3所示。由图可知，开路电压随温度的升高而快速下降，短流电流随温度升高而缓缓增加。所以，用光电池作传感器制作的测量仪器，即使采用Isc—Ev特性，在被测参量恒定不变时，仪器的读数也会随环境温度的变化而漂移，所以，仪器必须采用相应的温度补偿措施。  

2 光强度自动报警控制系统的设计  

2.1 设计思想  

通过上面对光电池的各项特性的研究，我们发现，硅光电池的频谱响应范围宽，并且其短路电流与光照强度成线性关系，应用Isc与Ev的线性关系设计的光强测控仪线路简单，容易实现。且由于线性关系，进行光强测量会减小误差。所以本仪器的光电转换器件是光电池。  

一个完整的光强测控仪应包括的电路有稳压电源，电流电压转换电路，光强度控制电路，数码显示电路，报警电路等几部分。下面分别进行原理设计。  

2.2 电流电压转换电路及光强度控制电路  

电流电压转换电路是一个简单的电路，图4是原理图，其原理在此不再赘述。光强度控制电路以光电池的短路电流特性曲线为依据。当环境光照强度减弱到一定程度时，即光电池短路电流减小到一定程度，光强度控制电路接通环境内照明灯；而当环境光强超过某一值时，光强度控制电路自动熄灭照明灯。光强度控制电路的主要功能是实现区间控制，特性与施密特触发器一致，所以施密特触发器时光强度控制电路的主体。  

我们使用电流转换电压电路，将光电池短路电流放大并转换成电压信号。电流区间控制就转换为相应的电压区间控制，然后输入到我们使用的施密特触发器中。我们设计比较了多种施密特触发器，最终使用的施密特触发器电路组成如图5所示，其电压区间控制原理如下：在环境光强度很弱的情况下，Vin较低。由于R1和R2的分压，B点有一个电位值VB。此时Vin



当环境光强度逐渐变大时，Vin升高，至Vin>VB，VC跃变为低电平。而VC的下降造成VB的下降，使VC的进一步保持在低电平。此时VB>VC，由于二极管的反向截至特性，VB不对VC造成影响，B点的电位单纯由R1和R2的分压决定。VC为低电平去控制断开环境照明灯。  
我们对电路各参数作以下设置。R1=35k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=41.8k。集成运放输出高电平为4.3V，低电平为-3.7V。  
当C点为高电平时，根据等效电路我们计算B点的理论电位值为2.18V。  

2)当C点为低电平时，B点的理论电位值为1.11V，我们可以得出电路电压传输特性图如图6所示。可知，正向阂值电压VT+=2.18V，负向阈值电压VT=1.11V，回差电压VT=VT+—VT-=1.07V。