淺談簡(jiǎn)易光電智能定時(shí)器的設(shè)計(jì)

康愛(ài)梅

摘 要：近些年，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子信息行業(yè)也突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)電子產(chǎn)品應(yīng)用的要求越來(lái)越高。一般機(jī)械定時(shí)器采用發(fā)條驅(qū)動(dòng)、電機(jī)傳動(dòng)或者電鐘等定時(shí)方式，電子定時(shí)器相對(duì)傳統(tǒng)定時(shí)器而言，因其采用光電置入方式，具有體積小，重量輕，成本低，精度高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在使用性能方面更安全可靠，易調(diào)試，應(yīng)用范圍廣。本文主要闡述了簡(jiǎn)易光電智能定時(shí)器的設(shè)計(jì)過(guò)程，論述了定時(shí)器的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，闡述了簡(jiǎn)易光電智能定時(shí)器的兩種主要時(shí)間置入方式，簡(jiǎn)述了智能定時(shí)器的硬件設(shè)計(jì)，完成光電智能定時(shí)器的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：光電定時(shí)器;光電傳感器;光敏電阻

一、定時(shí)器的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

沙漏或水漏是人類最早使用的定時(shí)工具。早在1876年，英國(guó)外科醫(yī)生索加發(fā)明了一項(xiàng)定時(shí)裝置，是一種控制煤氣街燈的開(kāi)關(guān)，該項(xiàng)裝置當(dāng)時(shí)獲得專利。其工作原理是利用機(jī)械鐘帶動(dòng)開(kāi)關(guān)控制煤氣閥門，上發(fā)條頻率高，1918年之后電子鐘逐漸取代了機(jī)械發(fā)條。隨著鐘表的出現(xiàn)、發(fā)展而后成熟，人們?yōu)榱藴?zhǔn)確控制好時(shí)間，開(kāi)始改進(jìn)現(xiàn)有的定時(shí)器。現(xiàn)在被人們廣泛使用的電子定時(shí)器主要應(yīng)用于家用電器中，也被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、科技、航天軍事、信息等多領(lǐng)域。家用電器方面應(yīng)用最廣泛，照相機(jī)中的定時(shí)曝光和定時(shí)閃光，功放中的定時(shí)放大和定時(shí)調(diào)速，家用冰箱門的開(kāi)關(guān)定時(shí)報(bào)警，空調(diào)的定時(shí)自動(dòng)開(kāi)關(guān)等，極大地方便了人們的日常生活。

二、簡(jiǎn)易智能光電定時(shí)器時(shí)間置入方式

智能光電定時(shí)器的時(shí)間置入方式有兩種，分別是撥碼開(kāi)關(guān)置入方式和光電置入方式。

1.撥碼開(kāi)關(guān)置入方式。撥碼開(kāi)關(guān)置入方式有兩個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，分別設(shè)置為分鐘位和秒鐘位，其定時(shí)的時(shí)間精度為1秒鐘。撥碼開(kāi)關(guān)具有的另一個(gè)功能，就是當(dāng)光電置入方式定時(shí)時(shí)間到了之后進(jìn)行音樂(lè)曲目的選擇。

2.光電置入方式。光電置入方式選則幾種光電傳感器。含光敏電阻的電路設(shè)置為時(shí)間置入結(jié)束的輸入位，

含紅外光電對(duì)管的電路設(shè)置為分鐘的輸入位，含反射式光電開(kāi)關(guān)的電路設(shè)置為秒鐘位的輸入位。光電置入時(shí)，每置入一次，指示燈提示一次，其定時(shí)的時(shí)間精度為1秒鐘。

三、簡(jiǎn)易智能光電定時(shí)器硬件設(shè)計(jì)

1.光電傳感器。光電傳感器的主要作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是利用光敏器件作為檢測(cè)元件的傳感器。光電傳感器利用光電效應(yīng)原理，即利用半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性受光照射后發(fā)生變化的原理。光電效應(yīng)可分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)，所謂內(nèi)光電效應(yīng)是指受光照射的物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)是電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為自由狀態(tài)，從而引起電阻率變化。光生伏特效應(yīng)是物體在光線作用下產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。所謂外光電效應(yīng)是在光線作用下，物體內(nèi)的電子受激逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，以光電管、光電倍增管為典型元件。

2.光敏電阻

（1）工作原理。光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件，是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的。光敏電阻沒(méi)有極性，是純電阻器件，使用時(shí)可加直流偏壓或交流電壓。光敏電阻無(wú)光照時(shí)，阻值很大，電路中電流很小。光敏電阻受光照時(shí)，阻值急劇減少，電路中電流迅速增加。光敏電阻靈敏度高，光譜特性好，且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。

（2）基本特性。①伏安特性，在一定光照強(qiáng)度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性。②光照特性，光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系稱為光敏電阻的光照特性。③光譜特性，光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度不同。④響應(yīng)時(shí)間和頻率特性，光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流并不迅速上升到最大飽和值，在無(wú)光照條件下光電流并不迅速下降到零，說(shuō)明光電流的變化相對(duì)于光的變化存在時(shí)間滯后，稱為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。

（3）應(yīng)用。綜上所述，光敏電阻具有靈敏度高、工作電流大、光譜響應(yīng)范圍與所測(cè)光強(qiáng)范圍寬、無(wú)極性使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但也具有響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、頻率特性差、強(qiáng)光線性差與受溫度影響大等缺點(diǎn)，應(yīng)用于紅外的弱光探測(cè)與開(kāi)關(guān)控制。

3.發(fā)光二極管

（1）結(jié)構(gòu)與工作原理。發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，P與N在PN結(jié)區(qū)相遇復(fù)合釋放能量而發(fā)光。

（2）工作特性。發(fā)光二極管加正向電流，發(fā)光二極管就會(huì)發(fā)光。發(fā)光二極管的外部電壓與電流的關(guān)系，即伏安特性。砷化鎵紅外發(fā)光二極管的開(kāi)啟電壓約為1.6V-1.8V;發(fā)綠光的約為2V。發(fā)光二極管的反向電流很小，約10uA-100uA。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約為5V左右。

（3）主要參數(shù)。①發(fā)光光譜。發(fā)光光譜是指發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度（或能量）隨波長(zhǎng)（或頻率）變化的分布曲線。該曲線決定發(fā)光二極管的顏色，并影響它的流明效率。②發(fā)光亮度與電流的關(guān)系。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度B是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度，亮度隨電流密度近似成正比增加。③壽。發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度的一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。隨著工作的時(shí)間加長(zhǎng)，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。④響應(yīng)時(shí)間。在快速顯示時(shí)，標(biāo)志器件對(duì)信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時(shí)間，即指器件啟亮（上升）與熄滅（衰減）時(shí)間的延遲。

（4）應(yīng)用。發(fā)光二極管一般可用作電源電路的通斷電指示和照明，還可作為儀器指示燈、示波器標(biāo)尺、收音機(jī)刻度及鐘表中的文字照明等。目前有雙色、多色和變色的單個(gè)發(fā)光二極管，具有體積小、耐沖擊、壽命長(zhǎng)、顏色鮮明、易和集成電路匹配等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

4.光源。紅外發(fā)光二極管多用于光纖通信與光纖傳感器中，LED作為信號(hào)光源多用在光電尺寸測(cè)量等光電檢測(cè)中。

5.光耦合器。半導(dǎo)體光敏器件的重要應(yīng)用之一，是與發(fā)光二極管組合而成的一種新的器件，即半導(dǎo)體光耦合器。光耦合器的主要功能，是利用光來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞。實(shí)際電路中用光實(shí)現(xiàn)級(jí)間耦合。工作時(shí)，把電信號(hào)加到輸入端，使發(fā)光器件管芯發(fā)光，而受光器件管芯在此光輻射的作用下輸出光電流，從而實(shí)現(xiàn)電-光-電兩次轉(zhuǎn)換，通過(guò)光耦合輸入端和輸出端。

6.光敏二極管與光敏三極管。光敏二極管與光敏三極管均為近紅外接收管。這種管子把接收到光的變化變成電流的變化，再經(jīng)放大和處理，達(dá)到各種控制的目的。

（1）光敏二極管。光敏二極管的基本原理是當(dāng)光照射到P-N結(jié)上時(shí)，P-N結(jié)便吸收光能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

（2）光敏三極管。光敏三極管是依靠光照射來(lái)使輸出電流發(fā)生變化的器件。光敏三極管的發(fā)射極電流或集電極電流與光強(qiáng)近似成正比。

7.撥碼開(kāi)關(guān)。單片機(jī)系統(tǒng)中，人們可以采用鍵盤對(duì)單片機(jī)發(fā)送命令或輸入數(shù)據(jù)，鍵盤輸入靈活性大，操作方便。但會(huì)導(dǎo)致誤操作率高，引起不良后果。因此設(shè)定靜態(tài)開(kāi)關(guān)執(zhí)行功能或輸入數(shù)據(jù)，因?yàn)殪o態(tài)開(kāi)關(guān)設(shè)定后將不再改變，始終維持原狀態(tài)。開(kāi)關(guān)的狀態(tài)是在單片機(jī)系統(tǒng)通電之初通過(guò)CPU讀入RAM中，此后CPU與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)無(wú)關(guān)，所以，通電后即使開(kāi)關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化對(duì)計(jì)算機(jī)的操作不會(huì)造成影響，當(dāng)再次通電后，新的開(kāi)關(guān)狀態(tài)才能生效。

數(shù)字撥碼盤輸出有BCD編碼的四線輸出和單片十位的十線輸出兩種方式。十線撥碼盤實(shí)際上是一種單刀十?dāng)S的轉(zhuǎn)化開(kāi)關(guān)。該撥碼盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，A端接地，0-9線與8031的有關(guān)輸入口線相接，完成撥盤與8031的接口，通過(guò)8031讀入口線電平狀態(tài)時(shí)，可判斷開(kāi)關(guān)處于何種檔位。BCD撥碼盤，是十進(jìn)制數(shù)輸入，BCD碼輸出。它有0-9十個(gè)位置，每個(gè)位置有相應(yīng)的數(shù)字顯示，代表一位十進(jìn)制數(shù)的輸入。而每片撥盤代表一位十進(jìn)制數(shù)，n位十進(jìn)制數(shù)，可用n片撥盤并聯(lián)安裝組成。

四、結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)光電定時(shí)器的過(guò)程中，需要在模擬電路、數(shù)字電路和單片機(jī)方面的知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步思考和研究，于此同時(shí)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的光電定時(shí)器還存在很多不足，因此在系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，尤其對(duì)軟件部分探究需要更深入的研究。

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