Proteus仿真技術(shù)在光電傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：在光電傳感器教學(xué)中，利用Proteus軟件模擬各種光電器件，分析和設(shè)計(jì)實(shí)際的光控電路，使學(xué)生對(duì)光電傳感器及其應(yīng)用有直觀的了解。實(shí)踐證明，通過仿真教學(xué)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)習(xí)難度，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Proteus；仿真；光電傳感器；教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：劉丹（1976-），男，湖南長(zhǎng)沙人，湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系，講師。（湖南 長(zhǎng)沙 410205）

基金項(xiàng)目：本文系高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)骨干教師國家級(jí)培訓(xùn)項(xiàng)目電氣自動(dòng)化技術(shù)企業(yè)頂崗培訓(xùn)（項(xiàng)目編號(hào)：18122302）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）30-0130-02

光電傳感器是傳感器與檢測(cè)技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，廣泛應(yīng)用于各種光控電路。光電傳感器能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，利用一些特定材料的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)。由于是對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)，光電傳感器在教學(xué)中搭建實(shí)物試驗(yàn)比較困難，內(nèi)容顯得較為抽象，有一定的教學(xué)難度，學(xué)生學(xué)習(xí)也有難度。筆者經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過Proteus軟件，搭建光電傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果。

一、Proteus仿真教學(xué)簡(jiǎn)介

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。使用Proteus 軟件進(jìn)行傳感器及其檢測(cè)電路設(shè)計(jì)是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力；在教學(xué)實(shí)踐中，通過使用 Proteus 軟件對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映對(duì)傳感器的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，使用 Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作能極大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

二、光電效應(yīng)及光電器件的Proteus仿真

1.光電效應(yīng)

光可以認(rèn)為是一種能量傳遞的方式，它是由一定能量的粒子組成，這種粒子叫做光子。光的頻率越高，光子的能量越大，用光照射物體，可以看做是光子對(duì)該物體的一系列撞擊，物體的粒子接受光子的撞擊后獲得能量，產(chǎn)生的電效應(yīng)就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。光照射在某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電現(xiàn)象，也叫做光電發(fā)射。當(dāng)光照射于某一物體上，使物體的導(dǎo)電能力發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，也叫做光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用內(nèi)光電效應(yīng)可以制成光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等光電轉(zhuǎn)換器件，這些都是常見的光電傳感器。

2.光電器件的Proteus仿真

利用光電效應(yīng)可以制作出各種類型的光電轉(zhuǎn)換器件，即光電傳感器。常見的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電管等。

（1）光敏電阻。光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光敏傳感器，當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值降低；光照越強(qiáng)，阻值越小。其暗電阻一般為1MΩ，其亮電阻（當(dāng)光照為10lX時(shí)）一般為幾百歐姆到幾千歐姆。光敏電阻一般是將半導(dǎo)體材料粉末燒結(jié)在陶瓷襯底上面，形成一層膜，用兩個(gè)引線引出。有的在外部用防潮材料或者玻璃外殼將其密封，起到保護(hù)作用。按照光譜特性及其工作波長(zhǎng)，光敏電阻可分為紫外光、紅外光和可見光光敏電阻。通過Proteus提供的光電元件，搭建的光敏電阻電路如圖1所示，可以通過調(diào)節(jié)圖中模擬的燈照強(qiáng)度來仿真光照的強(qiáng)度，箭頭向上調(diào)節(jié)是光照加強(qiáng)，向下調(diào)節(jié)是光照減弱。通過調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度可以在LDR1中獲得一個(gè)隨光照變化的電流，加上電阻分壓電路，就可以構(gòu)成一個(gè)光電電阻的仿真模型。當(dāng)光照強(qiáng)度越大時(shí)，電流越大，電阻越小。此電路中，電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成電壓，光照越強(qiáng)，輸出電壓越大。

（2）光敏二極管和光敏三極管。光敏二極管是一種利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光敏傳感器，與一般的二極管不同的是，PN結(jié)上裝有透明的外殼，用來接受光照。光敏三極管與普通三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，有兩個(gè)PN結(jié)，其中集電結(jié)具有光敏特性，相當(dāng)于一個(gè)光敏二極管。在應(yīng)用時(shí)，集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏，在光照的影響下可以等效看成是光敏二極管產(chǎn)生的光電流在三極管中進(jìn)行放大，其光電流比光敏二極管的光電流要大很多，也就是光敏三極管的靈敏度比光敏二極管要高。光敏三極管常用的材料一般是硅，一般只引出集電結(jié)和發(fā)射結(jié)，外形和發(fā)光二極管相同。光敏三極管的Proteus仿真電路如圖2所示，光敏三極管跟光敏二極管類似，一般只有E和C極，沒有光照時(shí)暗電流非常小，有光照時(shí)，電流隨著光照強(qiáng)度增大而增大。在本電路中，發(fā)光二極管與光敏三極管是成對(duì)出現(xiàn)的，通過RV1來調(diào)節(jié)發(fā)光二極管中的電流，從而達(dá)到模擬調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的目的。電流越大，說明光照越強(qiáng)。光敏三極管感受發(fā)光二極管中的光照強(qiáng)度變化，E極和C極間的電流隨著光照強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)變化，通過調(diào)節(jié)RV1就可以調(diào)節(jié)光敏三極管的輸出電流。

三、光電傳感器的應(yīng)用仿真

光電傳感器的應(yīng)用非常廣泛，直接影響被測(cè)對(duì)象的光量變化的參數(shù)都可以直接檢測(cè)，而現(xiàn)實(shí)中引起光亮變化的因素有很多，可以是光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可以把其他被測(cè)的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換成光量變化來進(jìn)行檢測(cè)，這些參數(shù)可以是零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度。光電傳感器還可以應(yīng)用于物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得了廣泛應(yīng)用。

上面已經(jīng)搭建好了光敏電阻和光敏三極管兩個(gè)光敏器件的仿真模型，利用這兩個(gè)光敏器件再設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐鈬娐肪涂梢灾谱鞒龉饷魝鞲衅鞯膽?yīng)用電路。在實(shí)際教學(xué)中，通過分析兩個(gè)光控電路實(shí)例可以加深對(duì)光敏傳感器的理解，掌握被測(cè)參數(shù)怎樣轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)掌握光敏器件的使用、光電傳感器的實(shí)際應(yīng)用、掌握光控電路的設(shè)計(jì)方法都有很大的幫助，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制作出光電傳感器應(yīng)用的實(shí)際產(chǎn)品。

1.光電報(bào)警電路

很多場(chǎng)合需要根據(jù)光照的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)不同控制，完成不同的工作。本實(shí)例是利用光敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)弱光報(bào)警電路，可以根據(jù)光線的強(qiáng)度發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如圖3所示，LDR1為光敏電阻，可以通過調(diào)節(jié)強(qiáng)、弱按鈕來調(diào)節(jié)光照的強(qiáng)度，同時(shí)調(diào)節(jié)光敏電阻內(nèi)電流的大小。LDR1、RV1、R1構(gòu)成了光電測(cè)量電路，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。Q1、Q2組成的是開關(guān)電路，控制下一級(jí)自激振蕩電路，Q3、Q4是自激振蕩電路，輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻內(nèi)的電流較大，經(jīng)過電阻RV1轉(zhuǎn)換為電壓后，輸出的電壓較?。妷号c光照強(qiáng)度成反比），此時(shí)三極管Q1、Q2截止，Q3、Q4電路不工作。當(dāng)光照變?nèi)酰敵龅碾妷鹤兇螅谠撾娐分?，電壓約為2.1V，三極管Q1、Q2導(dǎo)通，Q3、Q4電路工作。Q3、Q4電路為自激振蕩電路，電路工作時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，如圖4所示，此信號(hào)加載在揚(yáng)聲器上，發(fā)出“滴滴”的報(bào)警聲音。這樣就實(shí)現(xiàn)了光照較弱時(shí)自動(dòng)報(bào)警的功能。

2.光電路燈控制電路

利用光敏三極管來實(shí)現(xiàn)路燈的控制，白天光線較強(qiáng)，路燈熄滅，晚上光照弱，路燈亮。該電路也可以采用光敏二極管來實(shí)現(xiàn)，光敏二極管和光敏三極管在應(yīng)用上除了光電流不同之外，其應(yīng)用的電路的結(jié)構(gòu)基本是一樣的。不管是光敏二極管還是光敏三極管都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，其檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該是將電流轉(zhuǎn)換成電壓，利用電壓來控制相應(yīng)的電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。電路設(shè)計(jì)如圖5所示，U1（OPTOCOUPLER-NPN）為光電耦合型NPN三極管模型，可以通過調(diào)節(jié)輸入電流模擬光照強(qiáng)度的變化來控制光敏三極管的輸出電流。RV1、U1組成光電檢測(cè)電路，通過RV1來調(diào)節(jié)光電三極管的輸入電流，模擬光照變化。U2（施密特非門40106）、三極管Q1構(gòu)成開關(guān)電路，直流繼電器LR1是驅(qū)動(dòng)電路，作用是驅(qū)動(dòng)路燈D2。

電路工作原理分析：在白天，光照較強(qiáng)，光敏三極管輸出的電流較大，轉(zhuǎn)換成電壓后輸出的電壓比較高，經(jīng)過40106這個(gè)施密特非門，變成低電平加在三極管的基極，此時(shí)三極管截止，路燈不亮。在晚上，光照較弱，光敏傳感器輸出地電壓較低，經(jīng)40106非門后變成高電平加在三極管基極，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，路燈被點(diǎn)亮。

四、小結(jié)

光敏傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)物實(shí)驗(yàn)搭建比較困難，學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象，不易理解。通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，用Proteus軟件設(shè)計(jì)光電器件的模型，模擬其將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程，能夠很好地理解光電傳感器的性能及其工作原理。在兩個(gè)實(shí)例電路的分析中，光電傳感器的使用方法、光控電路的設(shè)計(jì)、電路參數(shù)的調(diào)節(jié)、變化規(guī)律都很直觀。通過教學(xué)實(shí)踐證明，在光電傳感器的教學(xué)中采用Proteus仿真教學(xué)能夠降低教學(xué)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果有較大提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]百度百科. Protues[EB/OL]. http：//baike.baidu.com/link？url=Xrw

bqeAcGIFvVyMirQD6cgjGNIGJXh6QQLCGzibiHKPor_RcESzQdEBUMwb

TPqIKwg309D2dJ5koAH-cAsymB_.

[2]馮成龍，劉洪恩.傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目化教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]吳小花，龔蘭芳，袁天云.電子技能訓(xùn)練與EDA技術(shù)應(yīng)用[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009.

[4]張艷，樊莉，方秦.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，（20）：25-27.