Proteus仿真技术在光电传感器教学中的应用

摘要：在光电传感器教学中，利用Proteus软件模拟各种光电器件，分析和设计实际的光控电路，使学生对光电传感器及其应用有直观的了解。实践证明，通过仿真教学能够提高学生的学习兴趣，降低学习难度，提升教学效果。

关键词：Proteus；仿真；光电传感器；教学

作者简介：刘丹（1976-），男，湖南长沙人，湖南商务职业技术学院电信系，讲师。（湖南 长沙 410205）

基金项目：本文系高等职业学校专业骨干教师国家级培训项目电气自动化技术企业顶岗培训（项目编号：18122302）的研究成果。

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）30-0130-02

光电传感器是传感器与检测技术的一项重要内容，广泛应用于各种光控电路。光电传感器能够将光信号转换为电信号，利用一些特定材料的光电效应来实现对光信号的检测。由于是对光信号的检测，光电传感器在教学中搭建实物试验比较困难，内容显得较为抽象，有一定的教学难度，学生学习也有难度。笔者经过教学实践，利用计算机仿真技术，通过Proteus软件，搭建光电传感器虚拟实验，取得了较好的教学效果。

一、Proteus仿真教学简介

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。使用Proteus 软件进行传感器及其检测电路设计是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在教学实践中，通过使用 Proteus 软件对学生进行教学，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映对传感器的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，使用 Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作能极大提高系统设计效率。

二、光电效应及光电器件的Proteus仿真

1.光电效应

光可以认为是一种能量传递的方式，它是由一定能量的粒子组成，这种粒子叫做光子。光的频率越高，光子的能量越大，用光照射物体，可以看做是光子对该物体的一系列撞击，物体的粒子接受光子的撞击后获得能量，产生的电效应就是光电效应。光电效应分为内光电效应和外光电效应。光照射在某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电现象，也叫做光电发射。当光照射于某一物体上，使物体的导电能力发生变化，这种现象叫做内光电效应，也叫做光电导现象。利用内光电效应可以制成光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等光电转换器件，这些都是常见的光电传感器。

2.光电器件的Proteus仿真

利用光电效应可以制作出各种类型的光电转换器件，即光电传感器。常见的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电管等。

（1）光敏电阻。光敏电阻是基于内光电效应的光敏传感器，当有光照射时，其电阻值降低；光照越强，阻值越小。其暗电阻一般为1MΩ，其亮电阻（当光照为10lX时）一般为几百欧姆到几千欧姆。光敏电阻一般是将半导体材料粉末烧结在陶瓷衬底上面，形成一层膜，用两个引线引出。有的在外部用防潮材料或者玻璃外壳将其密封，起到保护作用。按照光谱特性及其工作波长，光敏电阻可分为紫外光、红外光和可见光光敏电阻。通过Proteus提供的光电元件，搭建的光敏电阻电路如图1所示，可以通过调节图中模拟的灯照强度来仿真光照的强度，箭头向上调节是光照加强，向下调节是光照减弱。通过调节光照强度可以在LDR1中获得一个随光照变化的电流，加上电阻分压电路，就可以构成一个光电电阻的仿真模型。当光照强度越大时，电流越大，电阻越小。此电路中，电流经电阻转换成电压，光照越强，输出电压越大。

（2）光敏二极管和光敏三极管。光敏二极管是一种利用PN结的单向导电性的结型光敏传感器，与一般的二极管不同的是，PN结上装有透明的外壳，用来接受光照。光敏三极管与普通三极管一样，有PNP和NPN两种类型，有两个PN结，其中集电结具有光敏特性，相当于一个光敏二极管。在应用时，集电结反偏、发射结正偏，在光照的影响下可以等效看成是光敏二极管产生的光电流在三极管中进行放大，其光电流比光敏二极管的光电流要大很多，也就是光敏三极管的灵敏度比光敏二极管要高。光敏三极管常用的材料一般是硅，一般只引出集电结和发射结，外形和发光二极管相同。光敏三极管的Proteus仿真电路如图2所示，光敏三极管跟光敏二极管类似，一般只有E和C极，没有光照时暗电流非常小，有光照时，电流随着光照强度增大而增大。在本电路中，发光二极管与光敏三极管是成对出现的，通过RV1来调节发光二极管中的电流，从而达到模拟调节光照强度的目的。电流越大，说明光照越强。光敏三极管感受发光二极管中的光照强度变化，E极和C极间的电流随着光照强度进行相应变化，通过调节RV1就可以调节光敏三极管的输出电流。

三、光电传感器的应用仿真

光电传感器的应用非常广泛，直接影响被测对象的光量变化的参数都可以直接检测，而现实中引起光亮变化的因素有很多，可以是光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可以把其他被测的非电量参数转换成光量变化来进行检测，这些参数可以是零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度。光电传感器还可以应用于物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得了广泛应用。

上面已经搭建好了光敏电阻和光敏三极管两个光敏器件的仿真模型，利用这两个光敏器件再设计出适当的电路就可以制作出光敏传感器的应用电路。在实际教学中，通过分析两个光控电路实例可以加深对光敏传感器的理解，掌握被测参数怎样转换为电信号进行处理，对掌握光敏器件的使用、光电传感器的实际应用、掌握光控电路的设计方法都有很大的帮助，可以引导学生进一步设计和制作出光电传感器应用的实际产品。

1.光电报警电路

很多场合需要根据光照的实际情况实现不同控制，完成不同的工作。本实例是利用光敏电阻设计一个弱光报警电路，可以根据光线的强度发出报警信号。如图3所示，LDR1为光敏电阻，可以通过调节强、弱按钮来调节光照的强度，同时调节光敏电阻内电流的大小。LDR1、RV1、R1构成了光电测量电路，将光信号转换为电压信号。Q1、Q2组成的是开关电路，控制下一级自激振荡电路，Q3、Q4是自激振荡电路，输出脉冲信号。当光照较强时，光敏电阻内的电流较大，经过电阻RV1转换为电压后，输出的电压较小（电压与光照强度成反比），此时三极管Q1、Q2截止，Q3、Q4电路不工作。当光照变弱，输出的电压变大，在该电路中，电压约为2.1V，三极管Q1、Q2导通，Q3、Q4电路工作。Q3、Q4电路为自激振荡电路，电路工作时产生脉冲信号，如图4所示，此信号加载在扬声器上，发出“滴滴”的报警声音。这样就实现了光照较弱时自动报警的功能。

2.光电路灯控制电路

利用光敏三极管来实现路灯的控制，白天光线较强，路灯熄灭，晚上光照弱，路灯亮。该电路也可以采用光敏二极管来实现，光敏二极管和光敏三极管在应用上除了光电流不同之外，其应用的电路的结构基本是一样的。不管是光敏二极管还是光敏三极管都是将光信号转换成电流，其检测电路的设计应该是将电流转换成电压，利用电压来控制相应的电路，实现自动控制的目的。电路设计如图5所示，U1（OPTOCOUPLER-NPN）为光电耦合型NPN三极管模型，可以通过调节输入电流模拟光照强度的变化来控制光敏三极管的输出电流。RV1、U1组成光电检测电路，通过RV1来调节光电三极管的输入电流，模拟光照变化。U2（施密特非门40106）、三极管Q1构成开关电路，直流继电器LR1是驱动电路，作用是驱动路灯D2。

电路工作原理分析：在白天，光照较强，光敏三极管输出的电流较大，转换成电压后输出的电压比较高，经过40106这个施密特非门，变成低电平加在三极管的基极，此时三极管截止，路灯不亮。在晚上，光照较弱，光敏传感器输出地电压较低，经40106非门后变成高电平加在三极管基极，三极管导通，继电器线圈得电，路灯被点亮。

四、小结

光敏传感器是将光信号转换为电信号的器件，在实际教学中，实物实验搭建比较困难，学习内容抽象，不易理解。通过计算机仿真技术，用Proteus软件设计光电器件的模型，模拟其将光信号转换为电信号的过程，能够很好地理解光电传感器的性能及其工作原理。在两个实例电路的分析中，光电传感器的使用方法、光控电路的设计、电路参数的调节、变化规律都很直观。通过教学实践证明，在光电传感器的教学中采用Proteus仿真教学能够降低教学难度，提高学生的学习兴趣，教学效果有较大提高。

参考文献：

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[4]张艳，樊莉，方秦.基于虚拟现实技术的虚拟实验室建设[J].科技创新导报，2008，（20）：25-27.