一、介绍

光传感器是根据半导体的光电效应原理研制的。它可以用来检测环境光的强度，也可以用来检测不同颜色表面之间的光线差异。用户可以制作与光互动的项目，例如智能调光灯、激光通信系统或更棒的东西。

使用Arduino和LDR的光传感器| Arduino 光传感器

二、定义

2.1 什么是传感器？

从广义上讲，传感器是将测量值转换为可感知或可量化的信号的传感器。狭义上的一种装置，它感应测量并按照一定的规律将其转换成相同或不同性质的输出信号。传感器一般由传感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成。传感器元件和转换元件可以合二为一，有些传感器不需要辅助电源。

2.2 光传感器的定义

光传感器通常是指能够灵敏地感知紫外光到红外光的光能，并将光能转化为电信号的装置。

光传感器是一种传感装置，主要由光敏元件组成。主要分为四类：环境光传感器、红外光传感器、阳光传感器和紫外光传感器。主要应用于换体电子应用和智能照明系统领域。现代电气测量技术日趋成熟。由于其精度高、易于与微机连接进行自动实时处理等优点，在电量和非电量的测量中得到了广泛的应用。

然而，电测量方法容易受到干扰。在交流测量中，频率响应不够宽，对耐压和绝缘有一定的要求。在激光技术飞速发展的今天，已经能够解决上述问题。

图1：光传感器

III 光谱和光度物理量

3.1 频谱

光谱是由色散系统（如棱镜和光栅）色散的单色光按照波长（或频率）的大小依次排列的图案。可见光谱的最大部分是人眼电磁光谱的可见部分。这个波长范围内的电磁辐射称为可见光。光谱不包括人类大脑可以区分的所有颜色，例如棕色和粉红色。

图2：光谱

3.2 光度物理量

3.2.1 光强（I/Intensity）

(1)定义：单色光源（频率540×1012Hz，波长555nm）在给定方向单位立体角内发出的光强度（该方向的辐射强度为每球度1/683瓦）。

(2) 单位：cd（坎德拉）

(3) 常见光源的发光强度：

● 太阳，2.8E27 cd

● 高亮手电筒，10000 cd

● 5mm 超高亮 LED，15 cd

3.2.2 光通量（F/Flux）

(1)定义：点光源或非点光源在单位时间内发出的能量。其中，视觉人（人能感觉到的辐射通量）称为光通量。

(2) 单位：Lm（流明）

(3)常见光源的效率（流明/瓦、Lm/W）

● 白炽灯，15

● 白光 LED，20

● 荧光灯，50

● 太阳，94

● 钠灯，120

3.2.3 E/照度

(1) 定义：照射到单位面积上的光通量。

(2) 单位：Lx / Lux (1), 1 (Lx) = 1 Lm / m2。

(3) 普通照明 (Lx)：

● 阳光直射（中午），110,000

● 阴天，1000

● 商场内，500

● 有窗的阴天房间，100

● 在正常房间照明下，100

● 满月，0.2

3.2.4 升/亮度

(1)定义：单位光源区域在法线方向和单位立体角内发出的光强。

（2）单位：nt（尼特），1（nt）=1cd/m2。

(3)普通发光体亮度(nt)：

● 太阳表面，2,000,000,000

● 白炽灯丝，10,000,000

● 阳光下的白纸，30,000

● 人眼可以适应的亮度，3,000

● 人眼可以更好地分辨颜色的明暗，1

● 无月夜空，0.0001

3.3 不同照度下MID显示屏对背光亮度的感知

图3：环境照明-LUX

IV 光传感器的工作原理

光传感器实际上是根据光电效应原理工作的。所谓光电效应，是指某些特殊物质吸收光后，能将光能转化为电能的现象。光电效应可分为外光电效应和内光电效应两种。外光电效应是指在光的照射下，可以从材料内部发射电子以产生电能。光电管和光电倍增管是基于外部光电效应的原创。

相应地，内部光电效应发生在物质内部。当光照射到物质上时，物质内部的电阻率发生变化，从而产生电动势。光敏电阻、光伏电池等光电元件是利用内部光电效应制成的。

以手机上的光线传感器为例：

手机中的光传感器其实应该是环境光传感器，主要由投光器和受光器两部分组成。前置摄像头旁边的白点充当镜头，将环境中的光线聚焦并通过投影仪将其传输到接收器。根据光电效应，光接收器可以将各种光信号转换成相应的电信号，再进一步处理成各种开关和控制动作，实现手机的灵敏度调节。

环境光传感器的芯片上常贴有红外截止膜，以消除红外光的干扰，使我们的手机、笔记本电脑等电子设备能够准确检测环境中的可见光强度。当显示器耗电过多时，光线感应器还可以自动降低屏幕亮度以延长电池的工作时间。

图4：手机中的光传感器

V 光传感器的类型和特性

5.1 光电二极管类型

光电二极管与半导体二极管结构相似，其管芯是具有光敏特性的PN结，具有单向导电性，因此工作时需要加反向电压。

无光时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光电二极管关断。当暴露在光线下时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，随着入射光的强度而变化。

当光照射到 PN 结时，可以在 PN 结中产生电子-空穴对，从而增加少数载流子的密度。这些载流子在反向电压下漂移，导致反向电流增加。所以你可以利用光强来改变电路中的电流。无光时关闭，有光时开启。

特征：

(1) 高灵敏度可减少杂散光的影响

(2)光电二极管(photodiode)是一种光电转换器件，可以将接收到的光转换成电流变化

(3)光电二极管(photodiode)的工作方式是增加反向电压或不增加电压。当对其施加反向偏压时，管内的反向电流会随着光强的变化而变化。光强越大，反向电流越大。

图5：光电二极管

5.2 光敏电阻类型

（一）原理

它的工作原理是基于半导体光电效应。光敏电阻是非极性的，纯粹是一种电阻元件。它可以施加直流电压或交流电压。

(2)光敏电阻的工作特性：灯亮时，电阻小；灯灭时，电阻大。光线越强，电阻越小；当光线停止时，电阻恢复到原来的值。

(3)光谱范围：从紫外到红外。

(4) 特点：

● 内部光电效应与电极无关（只与光电二极管有关），即可以使用直流电源。

● 灵敏度与半导体材料和入射光的波长有关

● 环氧树脂封装，可靠性高，体积小，灵敏度高，响应速度快，光谱特性好。

图6：光敏电阻

六、光传感器的应用

6.1 光传感器应用类型

(1) 环境光传感器

环境光传感器可以感知周围的光线情况，并告诉处理芯片自动调整显示器的背光亮度，以降低产品的功耗。

另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调整到高亮度。当外界环境较暗时，显示屏会调至低亮度，实现自动亮度调节。

(2) 红外光传感器

红外光传感器使用带电热电堆和溴化钪碘化 (KRS-5) 窗口来感应 580 至 40,000 nm 的波长。该传感器可用于测量一系列现象，包括来自手掌的红外辐射。

(3) 阳光传感器

太阳能传感器。它可以识别水平和垂直 360 度。太阳的位置，识别，阴天，阴天，半阴天，晴天和傍晚。跟踪轴承识别。识别电路处理和服务器驱动。数字芯片用于完成上述信息的处理。可服务于各种普通电机、步进电机。整机功耗3mA，芯片工作电压5V。

国际先进的太阳跟踪设备采用计算机数据理论，需要地球经纬度的数据和设置。电路原理和设备技术复杂。智能太阳追踪器采用识别理论技术，电路简单，元器件少，无需经纬度理论和数据信息。无需考虑太阳贯穿全年的路线。太阳从哪个方向升起，从哪个方向落下，可以准确识别太阳升起和落下的位置。如果将他放在步行的汽车或船上，跟踪器无论走到哪里都可以面对太阳。

(4) 紫外光传感器

紫外光传感器使用滤光片来测量紫外光波段（315nm-400nm）。取下滤光片，传感器可以同时感应可见光。该传感器包括一个紫外线过滤器、一个瞄准器和一个传感器手柄。

图7：光传感器的类型

6.2 典型应用

背光调节：电视、电脑显示器、液晶背光、手机、数码相机、MP4、PDA、GPS；

节能控制：户外广告机、感应照明电器、玩具；仪器仪表：用于测量光强的仪器和工业控制；

环保替代：替代传统光敏电阻、光电二极管、光电晶体管

6.3 实际应用案例

6.3.1 改变车身电子应用

(1) 环境光检测

在车身电子应用中，环境光传感器用于调节仪表板的背光强度，以及导航系统 (GPS)、温度控制和 DVD 屏幕中的 LCD 背光强度。这对于像宝马的 iDrive 和普锐斯的 Multi-Info 这样的显示器来说尤其重要。例如，当日光变得昏暗时，仪表板背光会进行不同程度的调整，以达到最佳视野，减少可能对驾驶员造成的眩光。使用这些传感器可以消除白天打开大灯的问题，显示屏会自动调节亮度。环境光传感器的关键功能是利用380nm~780nm的灵敏度可见光波长来复制人眼的灵敏度。

(2)隧道检测

隧道检测需要两个传感器的输入。第一个传感器具有更宽的“仰视”视野和相对较长的平均移动周期，可以防止灯的打开和关闭。第二个传感器具有更窄的“向前看”视野和相对较短的平均移动时间。这使得隧道传感器能够快速响应日光的突然变化，打开汽车前灯，并在进入隧道时调整显示器的背光亮度。当进入桥下或遮蔽太阳的树下时，前向传感器无需打开和关闭灯。在这些情况下，传感器仍将“看到”前方的光线。

进入隧道时，隧道传感器的信号会下降，而宽场传感器的信号会保持高电平；汽车的大灯将打开。离开隧道时，隧道传感器的信号会增加，宽视场传感器的信号会减少；车辆的大灯将关闭。对于不同的平均移动周期，控制器有明确的区分。

6.3.2 智能照明系统

为提高工作环境的舒适度，照明控制系统采用光传感器根据当前环境的照度自动控制照明设备，使照度控制在舒适的范围内。在传统的照明控制系统中，普通的光传感器往往与 A/D 转换器 (ADC) 结合使用。由于光传感器检测到的光信号同时包含可见光成分和红外光成分，因此过滤红外光以检测光传感器检测结果。

七、光传感器电路图

7.1 型号介绍

下图所示的光传感器是一种低成本的 I2C 数字光传感器 (ALS)，它可以将光强转换为可以直接与 I2C 接口的数字输出信号，提供从 0.01lux 到 64K lux 的宽动态范围，线性响应为非常适合高环境亮度下的应用。

图8：模型

7.2 外观尺寸

图9：模型外观及尺寸

7.3 应用

(1) 移动/便携设备中的背光控制

(2) 移动/便携设备中的触摸屏控制

7.4 功能框架图

图 10：功能框架图

7.5 应用电路

图 11：应用电路

八、编程指南

下面描述的编程基于基于半导体光电效应原理开发的 Me 光传感器。

8.1 mBlock 编程

光传感器模块支持 mBlock 编程环境。以下是模块指令的简要说明：

图 12：编程指南

以下是如何使用 mBlock 控制光传感器模块的示例

当LED接收到光线时，M-Panda会左右移动说我爱阳光；盖住 LED 灯，M-Panda 会停止移动并说我爱夜晚。结果如下：

图 13：结果

8.2 Arduino 编程

如果您使用 Arduino 编写程序，您应该调用库 Makeblock-Library-master 来控制 Me Light Sensor。该程序通过Arduino编程指示Me Light Sensor读取当前光强度。

图 14：Arduino 编程

光传感器功能列表：

图 15：Me光传感器功能列表

8.3 示意图

图 16：示意图

IX 一个关于光传感器的相关问题

9.1 问题

如何将这两个电路组合在一起，以便在 LDR 完全黑暗的情况下，LED 会立即打开，当光线落在 LDR 上时，在完全关闭之前会有大约 1 或 2 秒的延迟？

该电路将在 5V 直流电源上运行并为 LED 阵列供电。

如何将它们组合在一起？

图17：电路1

图 18：电路 2

9.2 答案

在555电路中，电容器控制等待时间，如果电容器短路，电路将永远等待。

在 LDR 电路中，晶体管就像一个开关，但不幸的是它正在切换到地，但 555 电路中的电容器连接到 +9V

为了解决这个问题，我将 555 电路中的部件倒过来交换，使电容器接地。然后我合并两个电路很简单。

图 19：回答

在黑暗中，R1 将 Q1 上的 keesp C1 放电，因此 555 输出将是高电平。

当有光时，LDR 关闭 Q1 并为 C1 充电，一旦获得足够的电量，555 输出就会变低。

我们本可以使用一个倒置的 LDR 电路 BC557 晶体管（或其他类似的 PNP 类型）而不是 BC547 NPN晶体管并将其与原始555电路合并。

Ⅹ 常见问题

1、光感电路中如何加继电器？

据推测，您的光传感器将根据有多少光照射到它而产生可变电压信号，并且您希望在该光高于（或可能低于）阈值时触发继电器。一种方法是使用比较器电路，该电路将比较两个电压并根据哪个电压更高输出高电平或低电平。然后，您将来自光传感器的信号与您可以使用电位计设置的参考电压进行比较，并从中生成高或低输出信号。

您还可以使用微控制器并通过模拟输入引脚读取来自光传感器的信号。如果您想在比较中实现滞后等功能，这会更复杂但很有用。

现在，逻辑电平信号不能直接驱动继电器线圈，因此您需要使用晶体管来切换继电器线圈电流。使用哪种晶体管取决于所涉及的电压和您需要切换的电流量，但它将是某种小信号晶体管。您还需要在栅极上有一个限流电阻，也可能在栅极上有一个下拉电阻，以及跨继电器线圈的回扫二极管。

2. 什么是光传感器？

光传感器响应红外光的变化以检测运动或与另一个物体的接近程度。接近传感器可帮助机器人机器导航障碍物并避免撞到物体。它们还用于车辆中的设备，当车辆接近撞到物体时会发出警报。

3. 光传感器的缺点是什么？

以下是光传感器的缺点：

· LDR 非常不准确，响应时间很长（大约 10 秒或 100 毫秒）。

· 光敏电阻中的电阻连续（模拟）变化并且本质上是坚固的。

· 光电二极管对温度敏感并且是单向的，这与光敏电阻不同。

4. 光传感器有什么作用？

光传感器是指示日光或人造光强度的电子设备。它们将光能转换为电信号输出。光传感器在工业和日常消费应用中有多种用途。

5. 光传感器用在什么地方？

光传感器有很多用途。我们日常生活中最常见的用途是手机和平板电脑。大多数便携式个人电子产品现在都有用于调节亮度的环境光传感器。

6. 光传感器有多少种类型？

通过使用 LDR 作为电路，我们可以校准其电阻的变化来测量光的强度。还有另外两种光传感器（或光传感器）常用于复杂的电子系统设计。它们是光电二极管和光电晶体管。所有这些都是模拟传感器。

7. 光传感器的使用寿命是多久？

长时间设置 – 在大多数情况下，您的运动检测器灯在触发后应该只保持 20 到 30 秒。但是，您可以操纵设置，使其保持更长时间。例如，许多灯的设置范围从几秒到一小时或更长时间。

8. 光传感器是模拟的还是数字的？

用于检测撞击传感器的光量的模拟传感器称为光传感器。这些模拟光传感器又分为各种类型，例如光敏电阻、硫化镉 (CdS) 和光电管。

9. 什么是手机中的光传感器？

环境光传感器 (ALS) 广泛用于智能手机，以提供有关环境光级别的信息，以支持背光 LED 电源电路。

10. 如何将光传感器连接到外部灯？

将光电管上的一根黑线连接到来自建筑物的黑线。务必扭绞裸露的铜线，使其形成紧密的连接。将光电管上的第二根黑线连接到灯具上的黑线，确保铜线完全扭在一起。

什么是光传感器？