光敏电阻综合演示仪的设计

关海艳，冯 毅，何春凤，林晓珑

（吉林大学 物理学院，吉林 长春130022）

1 引 言

大学物理是工学、地学、信息学科各专业本科生重要的基础课程，通过对大学物理的学习，可以为后续的专业基础课和专业课的学习奠定坚实的理论基础.物理演示实验是大学物理教学中不可缺少的重要教学手段和方法，理论讲授时，在课堂中插入一些物理演示实验，使理论教学更为生动、形象.而演示实验仪器的制作，不仅可以丰富演示的内容，还可以让尽可能多的学生参加到科技制作活动中去，提高学生的综合能力.

2 综合演示仪器的设计思想

2.1 光敏电阻工作原理

半导体材料受光照射时，如果光子能量大于半导体材料的禁带宽度，就会产生电子空穴对，被光激发所产生的这些载流子留在物体内部，使物体的电阻率变小的现象称为内光电效应.依据内光电效应的传感器是光敏电阻.光敏电阻受到光照时，光照愈强，阻值愈低.入射光消失，电子空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值.

2.2 光敏电阻传感原理验证

实验中把光敏电阻放置在暗室中（如图1所示），控制光源的光照值，并用照度计把当前的照度值测量出来，光敏电阻的输出直接由欧姆表测量，不断改变光源照度，同时记录照度计的读数和欧姆表读数，可验证被测量（照度）和传感器读数（光敏电阻阻值）之间的关系，其结构框图如图2所示.

图1 演示仪器光路图

图2 光敏电阻物理原理验证实验框图

光敏电阻阻值变化最大，为了保证读数精度，演示仪器设计了2个不同量程的表头，量程分别为2MΩ和200kΩ，通过换挡开关手动进行切换，表头换挡如图3所示.

图3 表头换挡电路图

2.3 光敏电阻照度测试应用

实验中把光敏电阻放置在暗室中，旋转光度旋钮可以调节光源的光亮度，并用照度计把当前的照度值测量出来，通过偏置放大电路把阻值的变化转变为电压值.该电压值经放大、A／D转换及单片机处理后可转换成照度值显示（结构框图如图4所示）.可用光敏电阻传感器直接测量出光源的照度（需经过标定）.

图4 光敏电阻照度测试应用实验框图

由于光敏电阻的阻值随着光强的变化范围比较大，采用恒流源电路获得稳定的电压输出，保证电路正常工作.输出电压经过偏置放大电路进行放大.

电压值需经过A／D转换器件转换成数字量才能由单片机处理，A／D转换器件使用AD574，器件电路如图5所示，它是12位逐次比较型A／D转换器.逻辑控制信号由8051单片机的数据口P0端口发出，用于控制AD574的工作过程.A／D转换器的数据输出也通过P0数据端口连至8051单片机，由于只使用了8位数据口，12位数据分2次（首先为低8位，然后为高4位）读进8051，使能端CE都必须保持为1.

图5 AD574器件电路连接图

A／D转换电路的数据分2次送入单片机后，经过单片机内部处理转换为电压值.通过电压与电阻的线性关系，可以计算出相应的当前照度值下的光敏电阻阻值.

单片机得到的光敏电阻值送至显示电路显示.显示电路利用HD7279A元件驱动数码管，它是一种管理键盘和数码管显示器的专用智能控制芯片，可用它来管理和驱动8位共阴极LED显示器.DIG0-DIG7为8个数码管的位信号控制端.SA-SG为数码管的7段信号输出端.DP为小数点的信号输出端.CS为芯片的片选信号，低电平时有效.DATA为芯片的数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端.CLK为芯片的同步时钟输入端，上升沿表示数据有效.KEY为芯片按键有效输出端，当检测到有效按键时，由高电平变为低电平.

图6是由演示实验仪器测得的光敏电阻阻值随光照度变化的曲线图，比较好地反映出光敏电阻的阻值随照度变化的关系.

图6 光敏电阻阻值随光照度变化曲线

2.4 光敏电阻照度控制应用

基于光敏电阻的阻值随光照变化而变化这一特点，把光敏电阻接在实际的电路中，就可以把阻值改变转变成电压的变化，然后用这个电压信号去控制三极管的开关就可以实现光控.在综合演示仪器中设计了基于光敏电阻的路灯（用台灯替代）控制系统演示环节，可以实现白天环境光亮的时候自动关灯，晚上环境黑暗的时候自动开灯，电路图如图7所示.

图7 光控开关电路原理图

根据光敏电阻的工作原理，当白天环境光亮时，光敏电阻R的阻值很小，于是加载在三极管N1基极的电压小于基极与集电极的导通电压，此时三极管N1处于断开状态，相应的三极管N2也处在断开状态，所以继电器没有电流流过，处于关闭状态，常开触点断开，交流电压就不能加载于模拟路灯的两端，此时路灯处于关闭状态.当晚上环境黑暗时，光敏电阻的阻值R很大，所以加载在三极管N1基极的电压大于基极与集电极的导通电压，此时三极管N1工作于放大状态，相应的三极管N2也处在放大状态，所以继电器此时导通，常开触点连通，相当于把开关打开，路灯会被点亮.

由于是演示仪器，因此在电路中没有加入滞回稳定功能部分，当学生用手在光敏电阻上方来回滑动时，继电器快速响动，路灯也闪耀，增加学生对光敏电阻阻值变化的理解，也能更直观地演示出光敏电阻的原理.

3 结束语

通过对验证光敏电阻原理、照度测试、照度控制的综合演示仪器的设计，有利于学生们更直观地了解光敏电阻原理及光照度对光敏电阻的影响.另外，通过演示实验仪器的制作与开发，让学生积极的参与到科技活动中，有利于促进学生的主动学习性，让学生受到基本科研工作的训练，全面提高学生的科学素养和动手能力.

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