現行的光控儀，如光強測量儀，光控報警系統等，種類繁多。但存在性能不穩定，靈敏度低，制作繁瑣等不少弊端。本文主要是以光電池特性的實驗為基本理論，通過光強度控制電路、光強度測量電路和光強度報警系統的設計和裝配，對光測控儀作進一步的探索和實踐，實踐證明本光強度自動控制報警系統克服了以上弊端，具有較強的實用性。

1、光電池的工作原理及其特性

1.1 光電池的工作原理

在一塊N形硅片表面，用擴散的方法摻入一些P型雜質，形成PN結，光這就是一塊硅光電池。當照射在PN上時，如光子能量hv大于硅的禁帶寬度E時，則價帶中的電子躍遷到導帶，產生電子空穴對。因為PN結阻擋層的電場方向指向P區，所以，任阻擋層電場的作用下，被光激發的電子移向N區外側，被光激發的空穴移向P區外側，從而在硅光電池與PN結平行的兩外表而形成電勢差，P區帶正電，為光電池的正極，N區帶負電，為光電池的負極。照在PN結上的光強增加，就有更多的空穴流向P區，更多的電子流向N區，從而硅光電池兩外側的電勢差增加。如上所述，在光的作用下，產生一定方向一定大小的電動勢的現象，叫作光生伏特效應。

1.2 硅光電池特性

1.2.1 光照特性

不同強度的光照射在光電池上，光電池有不同的短路電流Isc和開路電在Voc，如圖1所示。由圖1可知短路電流Isc—光強Ev特性是一條直線，即短路電流在很寬的光強范圍內，與光強成線性關系，而開路電壓是非線性的，而且，在當光強較小，約20mW／cm2時，短路電壓就趨于飽和。因此，要想用光電池來測量或控制光的強弱，應當用光電池的短路電流特性。

1.2.2 硅光電池的光譜特性：

圖2是硅光電池、硒光電池的光譜特性曲線。顯而易見，不同的光電池，光譜曲線峰值的位置不同，例如硅光電池峰值波長在0.8μm左右，硒光電池在0.54μm左右。硅光電池的光譜范圍寬，在0.45～1.1μm之間，硒光電池的光譜范圍在0.34～0.75μm之間，只對可見光敏感。

值得注意的是，光電池的光譜曲線形狀，復蓋范圍，不僅與光電池的材料有關，還與制造工藝有關，而且還隨著環境溫度的變化而變化。

1.2.3 光電池的溫度特性

光電池的溫度特性如圖3所示。由圖可知，開路電壓隨溫度的升高而快速下降，短流電流隨溫度升高而緩緩增加。所以，用光電池作傳感器制作的測量儀器，即使采用Isc—Ev特性，在被測參量恒定不變時，儀器的讀數也會隨環境溫度的變化而漂移，所以，儀器必須采用相應的溫度補償措施。

2、光強度自動報警控制系統的設計

2.1 設計思想

通過上面對光電池的各項特性的研究，我們發現，硅光電池的頻譜響應范圍寬，并且其短路電流與光照強度成線性關系，應用Isc與Ev的線性關系設計的光強測控儀線路簡單，容易實現。且由于線性關系，進行光強測量會減小誤差。所以本儀器的光電轉換器件是光電池。

一個完整的光強測控儀應包括的電路有穩壓電源，電流電壓轉換電路，光強度控制電路，數碼顯示電路，報警電路等幾部分。下面分別進行原理設計。

2.2 電流電壓轉換電路及光強度控制電路

電流電壓轉換電路是一個簡單的電路，圖4是原理圖，其原理在此不再贅述。光強度控制電路以光電池的短路電流特性曲線為依據。當環境光照強度減弱到一定程度時，即光電池短路電流減小到一定程度，光強度控制電路接通環境內照明燈；而當環境光強超過某一值時，光強度控制電路自動熄滅照明燈。光強度控制電路的主要功能是實現區間控制，特性與施密特觸發器一致，所以施密特觸發器時光強度控制電路的主體。

我們使用電流轉換電壓電路，將光電池短路電流放大并轉換成電壓信號。電流區間控制就轉換為相應的電壓區間控制，然后輸入到我們使用的施密特觸發器中。我們設計比較了多種施密特觸發器，最終使用的施密特觸發器電路組成如圖5所示，其電壓區間控制原理如下：在環境光強度很弱的情況下，Vin較低。由于R1和R2的分壓，B點有一個電位值VB。此時Vin 《 VB，所以集成運放輸出為高電平，即C點的電位Vc為高電平。而VC為高電平使VB的電位進一步上升，又進一步確保VC為高電平。此時，VC的高電平去控制接通環境照明燈。

當環境光強度逐漸變大時，Vin升高，至Vin》VB，VC躍變為低電平。而VC的下降造成VB的下降，使VC的進一步保持在低電平。此時VB》VC，由于二極管的反向截至特性，VB不對VC造成影響，B點的電位單純由R1和R2的分壓決定。VC為低電平去控制斷開環境照明燈。

我們對電路各參數作以下設置。R1=35k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=41.8k。集成運放輸出高電平為4.3V，低電平為-3.7V。

當C點為高電平時，根據等效電路我們計算B點的理論電位值為2.18V。

2）當C點為低電平時，B點的理論電位值為1.11V，我們可以得出電路電壓傳輸特性圖如圖6所示。可知，正向閡值電壓VT+=2.18V，負向閾值電壓VT=1.11V，回差電壓VT=VT+—VT-=1.07V。

而在實驗室使用萬用電表對該電路進行實際測量時，發現測量值與理論值有一定偏差。（1）C點為高電平時，VB=1.932V，Vin上升至1.910V便發生電路狀態轉換。（2）C點為低電平時，VB=1.097V，Vin下降至1.480V便發生電路狀態轉換。實際回差電壓僅為0.45V。

根據我們的實驗和計算，在實際連接電路時，我們選用器件的參數如下：R1=69k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=30k。經理論計算得，（1）VC為高電平時，VB=2.02V。VC為低電平時，VB=0.63V。在對計算值進行修正后，我們得到電路實際正向閾值電壓VT+=1.96V，電路實際負向閾值電壓VT_=1.03V。回差電壓VT=VT+—VT=0.97V，實際電路電壓傳輸特性如圖7所示。

值得一提的是，由于VC快速躍變，使得三極管在截止和深度飽和狀態之間轉換。三極管的工作狀態易受溫度影響，但是三極管的截止電壓和深度飽和電壓受溫度變化影響較小，且集成運放的高低電平4.3V和-3.7V足夠使三極管在截止和深度飽和狀態之間發生轉換。所以使用三極管去驅動繼電器還是相當可靠的。

2.3 自動報警電路工作原理

圖8自動報警電路的原理圖。

改變光電池光強，測出光強較大、較小時對應的VOH、VOL，再調W1和W2，使IC1+和IC2+輸入分別對應VOH和VOL。當VO》VOH時，IC1輸出低電平，發光二極管LED2正向導通發光報警，同時使555時基電路輸出低電平，對CD4017（上跳沿有效）的腳14而言輸入是下降沿，故CD4017不工作。IC2輸出低電平，發光二極管LED1和蜂鳴器不工作。當VO 《 VOL時，IC1輸出高電平，發光二極管LED2截止，555時基電路輸出高電平，而IC2輸出高電平，發光二極管LED1和蜂鳴器工作，同時使CD4017的腳13端置1，計數器停止。當VOL 《 VO 《 VOH時，IC1輸出高電平，IC2輸出低電平，發光二極管LED1和蜂鳴器都不工作，同時555時基電路輸出高電平，CD4017的端為低電平，CD4017計數，它控制的十個二極管順次發光，表示正常工作。

2.4 數顯電路的基本工作原理

圖9是數顯電路原理圖

CL7107計數器的最大計數值為1999，當計數器滿2000個數時計數器便產生進位信號而且計數器自動歸零。這段時間是0～t1（如圖10所示）。若已知時鐘脈沖的周期為TC，則0～t1這段對Ui的積分時間為T1=2000Tc，0～t1時間內，積分器的輸入電壓U0（t1）=2000Ui/RCT。

t=t1時，計數器產生的進位信號觸發控制邏輯門把S1從Ui打向-UREF，電容C開始反向充電，使U0逐漸升高，并不斷向零伏接近，計數器仍持續計數。因比較器輸出從t=0開始一直保持為高電平。

當t=t2時，積分器輸出電壓U0升至0V，使比較器輸出為低電平，控制門G關閉，時鐘脈沖不能進入計數器，這樣計數器在t1～t2間隔內所計數值N（12）被保留一段時間，并由二進制轉換為十進制，由驅動器驅動LED顯示為十進數。反向積分時間T2=t2-t1=N（12）Tc，UREF為恒定電壓，在t1～t2時間內，積分器電壓的變化量U0（t1～t2）為U0（t1～t2）=（UREF／RC）×N（12）Tc，由上述已知t2時刻積分器的輸出電壓U0（t2）為零，又U0（t2）=U0（t1）+U0（t1～t2）=（-Ui／RC）×2000Tc+UREF／RC）×N（12）T2=0。整理得N（12）=（Ui／UREF）×2000。N（12）是LED數碼塊上顯示的讀數。它與Ui成線性關系。如（UREF／2000）=0.1mV，那么N（12）的值就是被測電壓Ui的0.1mv的倍數。如（UREF／2000）=1mV，則N（12）為Ui的毫伏數，此時7107的量程為199mV。圖10上的U0積分曲線是由兩段斜率不同的直線組成的，因此又成為雙斜率積分型A／D轉換器。

從t～t2，U0=0開始，控制門G關閉，并觸發計數器向外輸出讀數。使S2合上保持U0=0，時間間隔為（t2～t3），在（t=t3）時，控制邏輯單元使N位計數器復零，使S2打開，S1與Ui相連，積分器重新開始積分。

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