實(shí)用光敏電阻—構(gòu)建LDR光敏電阻電路實(shí)際操作指南

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。目錄
1 實(shí)用光敏電阻
1.1 什么是LDR/光敏電阻？
1.2 您將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容

2 示例電路
2.1 模擬黑暗緩解器
2.1.1 BOM
2.1.2 開始構(gòu)建！
2.2 數(shù)字黑暗緩解器
2.2.1 BOM
2.2.2 開始構(gòu)建！

1 實(shí)用光敏電阻
1.1 什么是光敏電阻（LDR）？

LDR依賴于光電導(dǎo)性，就本項(xiàng)目來說，光電導(dǎo)性可以概括光敏電阻受到光線照射時(shí)具有低電阻值，沒有受到光線照射時(shí)具有高電阻值。
在這兩個(gè)臨界點(diǎn)之間，有很大的空間來感知LDR所受到的實(shí)際光照強(qiáng)度。我使用的型號(hào)在完全無光的條件下電阻僅為~500千歐，在強(qiáng)烈的中午陽光下為~100歐姆。LDR的特點(diǎn)是其本身的溫度會(huì)影響環(huán)境的溫度，這導(dǎo)致光敏電阻不適合用于高精度光測(cè)量，但是還是可以用于很多應(yīng)用程序中。
此外，請(qǐng)注意光敏電阻對(duì)光線變化的響應(yīng)時(shí)間為~10ms，這也許會(huì)成為您應(yīng)用中的影響因素。
另一個(gè)值得注意的事情是，LDR在較暗的環(huán)境下具有很高的電阻值，這種情況下您無法用手握住它們進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。您自身身體的電阻值相當(dāng)高，約為2-3 兆歐，如果您用一只手握住一個(gè)萬用表探頭，觸摸一根導(dǎo)線，同時(shí)與另外一個(gè)導(dǎo)線上的探頭有皮膚接觸，LDR將與您的身體并聯(lián)連接。如果LDR會(huì)從手中滑脫，請(qǐng)使用靈活的鉗形夾具。

在示例電路部分，我將演示路燈驅(qū)動(dòng)的原理（在集中控制出現(xiàn)之前），以及許多其他需要感知光照強(qiáng)度的系統(tǒng)。需要提前說明的一點(diǎn)是，在一個(gè)復(fù)雜電路中，LDR無法只依靠自身來發(fā)揮作用，經(jīng)常需要使用分壓器，以在驅(qū)動(dòng)FET和讀取光照強(qiáng)度（例如使用了Arduino）時(shí)提供更好的粒度。分壓器由兩個(gè)串聯(lián)的電阻組成。在這兩個(gè)電阻之間，我們會(huì)測(cè)量出一個(gè)有用的電壓值。嘗試測(cè)量R1和R2之間的點(diǎn)，其中R1是串聯(lián)電路中的第一個(gè)電阻，R2是第二個(gè)電阻。使用以下公式：

  V_out = V_in * ( R2 / ( R1 + R2 ) )
For example:
  V_out = 5 * ( 330 / ( 1000 + 330 ) ) = 1.24V

電路圖如下：

實(shí)際上，如果您向該分壓器輸入5V，并測(cè)量從R1（1000歐姆）和R2（330歐姆）之間的點(diǎn)到接地點(diǎn)之間的點(diǎn)位，您將在萬用表上讀到~1.24V。
更有趣的是，如果R1像LDR那樣在不同光照條件下具有可變電阻，并且R2是一個(gè)10千歐的電位計(jì)，那么您可以對(duì)分壓器的輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，從而使輸出電壓在FET柵極/BJT基極或微控制器ADC的耐受電壓范圍內(nèi)，并將保持足夠的分辨率來確定LDR上的光照強(qiáng)度。
這有時(shí)候非常有用，比如使用耐壓為1V的ESP8266 ADC的時(shí)候?；赼tmega328p的Arduinos耐壓不超過5V，而基于atmega168的Arduinos耐壓不超過3.3V。如果您想通過Arduino 讀取一個(gè)12V的信號(hào)，請(qǐng)使用分壓器。
請(qǐng)注意，分壓器不適合用于負(fù)載，僅可用于信號(hào)控制和測(cè)量。過大的負(fù)載將會(huì)對(duì)分壓器產(chǎn)生影響并使電阻升溫，好的方法是使用穩(wěn)壓器或降壓轉(zhuǎn)換器來降壓，從而為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。
紅外Raspberry Pi NoIR相機(jī)模塊使用了一個(gè)簡單的分壓器電路。它僅在環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)才會(huì)打開其紅外LED。您需要一個(gè)P溝道MOSFET或PNP晶體管以一種盡可能簡單的方式來使用它。
實(shí)際應(yīng)用中，您只需要知道P溝道MOSFET或PNP晶體管在其柵極或基極為高電平時(shí)會(huì)關(guān)閉就可以了。高電平的電壓值是可變的，但是在Arduinos上，通常施加5V或3V的電壓就足以斷開電路以及中斷電子流動(dòng)了。當(dāng)拉至低電平時(shí)（0V），P溝道MOSFET或PNP晶體管會(huì)接通電路，電子可以流動(dòng)。通常會(huì)需要使用一個(gè)上拉電阻來防止此類晶體管一直導(dǎo)通！

1.2 您將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容

在第2節(jié)中，您將學(xué)習(xí)如何構(gòu)建模擬LDR電路以及數(shù)字LDR電路。2.1中的模擬LDR電路可以被構(gòu)建為一個(gè)插件硬件模塊，來對(duì)現(xiàn)有硬件的行為進(jìn)行修改（將會(huì)是很小幅度的修改），并且可以很容易地驅(qū)動(dòng)繼電器或其他類似的部件，而2.2中的電路和代碼可以用作您使用Arduino創(chuàng)建的任何類型電路的模板。后者僅可以通過一個(gè)分壓器讀取LDR，但是可以輕松實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。一個(gè)廣泛使用的電路是部署太陽能電池板之前使用的光記錄器，您可以在其中構(gòu)建一個(gè)帶有microSD的電池供電Arduino，設(shè)置為在特定位置以及特定角度記錄光照強(qiáng)度。
對(duì)于下面的電路，雖然P 溝道MOSFET使用起來會(huì)更簡潔，但是我們會(huì)使用PNP晶體管。需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，雖然MOSFET消耗的電流要少得多，而且開關(guān)取決于所提供的電壓，而非電流，但是關(guān)鍵性的區(qū)別在于PNP會(huì)對(duì)流向其基極的電流作出響應(yīng)。
這意味著必須始終有一個(gè)限流電阻與PNP基極串聯(lián)，否則它將會(huì)被燒毀。在使用Arduino的情況下，具有5V的數(shù)字引腳輸出，那么一個(gè)220歐姆的電阻就足夠了（5V / 220R = ~23mA），或者，如果您想更保險(xiǎn)一點(diǎn)的話，可以使用一個(gè)270歐姆的電阻（5V/270R = ~18mA）。通常，您只能從一個(gè)Arduino（atmega328p 以及atmega168）獲取~20mA電流，雖然獲取~40mA的情況也并不少見，但是這樣會(huì)大大縮短電路板的壽命。建議不要這樣做。
除了這些技術(shù)層面的特點(diǎn)，LDR電路還可以以低成本、易操作的方式部署在幾乎所有電路中以控制其行為。在以下內(nèi)容中，為了延長電池壽命，對(duì)新型LED燈（3個(gè) LR44 1.5V電池、一個(gè)LED、一個(gè)電阻和一個(gè)開關(guān)）進(jìn)行修改。可以通過電位計(jì)調(diào)節(jié)光敏度，同時(shí)LDR放置于面對(duì)窗戶的位置。


還可以使用LDR為太陽能電池板構(gòu)建簡單的導(dǎo)向系統(tǒng)，來使其能夠盡可能垂直于太陽光線（電池板在90°的角度上可以產(chǎn)生最大功率）。
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以在單軸和雙軸太陽能追蹤機(jī)器人的交叉配置中使用兩個(gè)或四個(gè)LDR。

請(qǐng)參閱此視頻獲取視覺速成課程。
這里確實(shí)需要一個(gè)帶有ADC的微控制器，雖然它是從面板獲取所有可用功率的可靠方法，但是代價(jià)是有時(shí)會(huì)需要幾個(gè)步進(jìn)電機(jī)微步。在其它時(shí)間，微控制器會(huì)處于休眠狀態(tài)?？梢栽囋嚹軌蛟诖祟愔械葟?fù)雜的電路中實(shí)現(xiàn)電機(jī)完美控制的A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

2 示例電路

當(dāng)LDR受到~400nm至~600nm范圍內(nèi)的光照射時(shí)，它的電阻會(huì)大大降低，而在沒有光照的情況下，它的電阻會(huì)變得非常高，我們甚至可以認(rèn)為是不導(dǎo)電的。當(dāng)然，它仍然是導(dǎo)電的，但是只能流通5V / 1000000R = 1uA的電流，也就是1兆歐電阻時(shí)是1微安。這個(gè)電流值太小了，以至于需要一個(gè)運(yùn)算放大器才能對(duì)該電流加以利用。如果您不熟悉歐姆定律，請(qǐng)閱讀本指南。
觀察LED手電筒（非全光譜光源）光照下以及遮蔽該光照下的電阻差異。

2.1 模擬黑暗緩解器

2.1.1 BOM

您將需要以下部件：

2.1.2 開始構(gòu)建！

如圖所示，將所有部件連接起來。
四個(gè)ROHM SLR343BC4TT32 3mm LED使用LDR和電位計(jì)進(jìn)行控制，電位計(jì)依次切換BC557 PNP晶體管。因?yàn)樗灰蕾囉谌魏螖?shù)字設(shè)備，所以具有小尺寸、易于實(shí)施的特點(diǎn)，您可以將其很輕松地安裝在諸如您花園或車庫的燈光系統(tǒng)這樣的電路中。
將一個(gè)220歐姆電阻與BC557基極串聯(lián)的電氣原理是為了防止在10千歐電位計(jì)調(diào)低到接近0歐，而您的LDR具有超低電阻值時(shí)燒壞您的晶體管。這是可以省略的。當(dāng)LDR的頭部受到正常強(qiáng)度的光線照射時(shí)，LED會(huì)打開。
將電路連接到面包板上，將10千歐電位計(jì)調(diào)整到所需的靈敏度。把LDR暴露在不同強(qiáng)度的光照下，直到您滿意為止。
請(qǐng)注意負(fù)載的位置。在NPN晶體管上，負(fù)載通常與集電極串聯(lián)，而在N溝道MOSFET上，負(fù)載通常與漏極串聯(lián)。PNP和N溝道MOSFET的這些極性是相反的，在上面的電路圖中，負(fù)載在發(fā)射極一側(cè)，集電極直接連接到了5V上。
在過去，這種電路用于路燈驅(qū)動(dòng)，而現(xiàn)在也完全沒有過時(shí)。也就是說，您可以將其用作繼電器驅(qū)動(dòng)電路，并且可以替換掉LED，使用5V繼電器來啟用更大的負(fù)載，例如交流電燈或者滅蟲器。夏天的時(shí)候，會(huì)飛的咬人蟲子會(huì)經(jīng)常困擾你?？梢允褂眠@種滅蟲器來對(duì)付它們：這就是完美的用于消滅蚊蟲的“Hello World”電路！

2.2 數(shù)字黑暗緩解器

雖然上述電路是很有用的，但是您還是應(yīng)該學(xué)習(xí)使用ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）來讀取光照強(qiáng)度。在本項(xiàng)目中，我們使用Arduino Uno或Nano。

2.2.1 BOM

您將會(huì)需要以下部件：

2.2.2 開始構(gòu)建！

將10千歐電位計(jì)和LDR連接到您的Arduino Uno 或 Nano，形成一個(gè)分壓器，方法如下：

然后，在此處下載最新的Arduino IDE，并按照適用于您系統(tǒng)的相關(guān)說明進(jìn)行操作，在安裝Arduino Desktop IDE下面的章節(jié)。
Arduino IDE不在本教程范圍內(nèi)，您只需要按下CTRL+U組合鍵進(jìn)行上傳，按下CTRL+SHIFT+M組合鍵查看串行輸出即可。
請(qǐng)將以下內(nèi)容粘貼到一個(gè)新草圖中，并將其另存為LDR_analogRead.ino。然后上傳草圖，并打開您的串行監(jiān)視器。

void setup( void ) {
   Serial.begin( 9600 ) ;
   // Declaring this an input is
   // only to keep
   // track of pin usage in setup().
   pinMode( A0, INPUT ) ;
}
void loop( void ) {
  delay( 100 ) ;
  //Serial.println( F( "[!] Looping" ) ) ;
}
void serialEvent( void ) {
  Serial.print(
    F( "[!] analogRead( A0 ) => " ) ) ;
  Serial.println( analogRead( A0 ) ) ;
  // Flush the Serial buffer ...
  while ( Serial.available() )
    Serial.read() ;
}

在串行監(jiān)視器中，發(fā)送一些隨機(jī)字符，對(duì)于每次“發(fā)送”，您都會(huì)看到類似以下內(nèi)容的輸出：

[!] analogRead( A0 ) => 607
[!] analogRead( A0 ) => 610
[!] analogRead( A0 ) => 604
[!] analogRead( A0 ) => 610
[!] analogRead( A0 ) => 597

我們?cè)谶@里很少使用loop()函數(shù)，因?yàn)閟erialEvent()函數(shù)效率更高。只有在連接后按下一個(gè)鍵（任意鍵）才會(huì)有串口輸出。這可以防止調(diào)試輸出使您的Arduino工作停滯，因?yàn)槌悄紫认駻rduino發(fā)送一些數(shù)據(jù)，否則任何數(shù)據(jù)都不會(huì)通過串行端口輸出。
在這個(gè)小程序中，Arduino將讀取A0引腳上的電壓，分辨率為10位，在0到1023范圍內(nèi)產(chǎn)生1024（2**10）個(gè)可能值。每一個(gè)值對(duì)應(yīng)于一個(gè)0到5V之間的電壓。每一步約為~0.0048V，因此讀數(shù)為512時(shí)電壓為~2.46V。
現(xiàn)在您已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何使用LDR，以及一些關(guān)于晶體管和Arduino的知識(shí)，嘗試將光感測(cè)功能添加到現(xiàn)有的電路中，或者從頭開始構(gòu)建您自己的電路。
去嘗試獲取駕馭光明和黑暗的力量吧！

審核編輯黃宇