實用光敏電阻—構建LDR光敏電阻電路實際操作指南

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。目錄
1 實用光敏電阻
1.1 什么是LDR/光敏電阻？
1.2 您將要學習的內容

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

1 實用光敏電阻
1.1 什么是光敏電阻（LDR）？

LDR依賴于光電導性，就本項目來說，光電導性可以概括光敏電阻受到光線照射時具有低電阻值，沒有受到光線照射時具有高電阻值。
在這兩個臨界點之間，有很大的空間來感知LDR所受到的實際光照強度。我使用的型號在完全無光的條件下電阻僅為~500千歐，在強烈的中午陽光下為~100歐姆。LDR的特點是其本身的溫度會影響環(huán)境的溫度，這導致光敏電阻不適合用于高精度光測量，但是還是可以用于很多應用程序中。
此外，請注意光敏電阻對光線變化的響應時間為~10ms，這也許會成為您應用中的影響因素。
另一個值得注意的事情是，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行準確測量。您自身身體的電阻值相當高，約為2-3 兆歐，如果您用一只手握住一個萬用表探頭，觸摸一根導線，同時與另外一個導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會從手中滑脫，請使用靈活的鉗形夾具。

在示例電路部分，我將演示路燈驅動的原理（在集中控制出現(xiàn)之前），以及許多其他需要感知光照強度的系統(tǒng)。需要提前說明的一點是，在一個復雜電路中，LDR無法只依靠自身來發(fā)揮作用，經(jīng)常需要使用分壓器，以在驅動FET和讀取光照強度（例如使用了Arduino）時提供更好的粒度。分壓器由兩個串聯(lián)的電阻組成。在這兩個電阻之間，我們會測量出一個有用的電壓值。嘗試測量R1和R2之間的點，其中R1是串聯(lián)電路中的第一個電阻，R2是第二個電阻。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：

實際上，如果您向該分壓器輸入5V，并測量從R1（1000歐姆）和R2（330歐姆）之間的點到接地點之間的點位，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10千歐的電位計，那么您可以對分壓器的輸出電壓進行微調，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，并將保持足夠的分辨率來確定LDR上的光照強度。
這有時候非常有用，比如使用耐壓為1V的ESP8266 ADC的時候?；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12V的信號，請使用分壓器。
請注意，分壓器不適合用于負載，僅可用于信號控制和測量。過大的負載將會對分壓器產(chǎn)生影響并使電阻升溫，好的方法是使用穩(wěn)壓器或降壓轉換器來降壓，從而為負載提供穩(wěn)定的電壓。
紅外Raspberry Pi NoIR相機模塊使用了一個簡單的分壓器電路。它僅在環(huán)境光照強度達到一定值時才會打開其紅外LED。您需要一個P溝道MOSFET或PNP晶體管以一種盡可能簡單的方式來使用它。
實際應用中，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會關閉就可以了。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了。當拉至低電平時（0V），P溝道MOSFET或PNP晶體管會接通電路，電子可以流動。通常會需要使用一個上拉電阻來防止此類晶體管一直導通！

1.2 您將要學習的內容

在第2節(jié)中，您將學習如何構建模擬LDR電路以及數(shù)字LDR電路。2.1中的模擬LDR電路可以被構建為一個插件硬件模塊，來對現(xiàn)有硬件的行為進行修改（將會是很小幅度的修改），并且可以很容易地驅動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分壓器讀取LDR，但是可以輕松實現(xiàn)擴展。一個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，您可以在其中構建一個帶有microSD的電池供電Arduino，設置為在特定位置以及特定角度記錄光照強度。
對于下面的電路，雖然P 溝道MOSFET使用起來會更簡潔，但是我們會使用PNP晶體管。需要注意的是，在實際應用中，雖然MOSFET消耗的電流要少得多，而且開關取決于所提供的電壓，而非電流，但是關鍵性的區(qū)別在于PNP會對流向其基極的電流作出響應。
這意味著必須始終有一個限流電阻與PNP基極串聯(lián)，否則它將會被燒毀。在使用Arduino的情況下，具有5V的數(shù)字引腳輸出，那么一個220歐姆的電阻就足夠了（5V / 220R = ~23mA），或者，如果您想更保險一點的話，可以使用一個270歐姆的電阻（5V/270R = ~18mA）。通常，您只能從一個Arduino（atmega328p 以及atmega168）獲取~20mA電流，雖然獲取~40mA的情況也并不少見，但是這樣會大大縮短電路板的壽命。建議不要這樣做。
除了這些技術層面的特點，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。在以下內容中，為了延長電池壽命，對新型LED燈（3個 LR44 1.5V電池、一個LED、一個電阻和一個開關）進行修改?？梢酝ㄟ^電位計調節(jié)光敏度，同時LDR放置于面對窗戶的位置。


還可以使用LDR為太陽能電池板構建簡單的導向系統(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）。
為了實現(xiàn)這一點，可以在單軸和雙軸太陽能追蹤機器人的交叉配置中使用兩個或四個LDR。

請參閱此視頻獲取視覺速成課程。
這里確實需要一個帶有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，但是代價是有時會需要幾個步進電機微步。在其它時間，微控制器會處于休眠狀態(tài)。可以試試能夠在此類中等復雜的電路中實現(xiàn)電機完美控制的A4988電機驅動器。

2 示例電路

當LDR受到~400nm至~600nm范圍內的光照射時，它的電阻會大大降低，而在沒有光照的情況下，它的電阻會變得非常高，我們甚至可以認為是不導電的。當然，它仍然是導電的，但是只能流通5V / 1000000R = 1uA的電流，也就是1兆歐電阻時是1微安。這個電流值太小了，以至于需要一個運算放大器才能對該電流加以利用。如果您不熟悉歐姆定律，請閱讀本指南。
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 開始構建！

如圖所示，將所有部件連接起來。
四個ROHM SLR343BC4TT32 3mm LED使用LDR和電位計進行控制，電位計依次切換BC557 PNP晶體管。因為它不依賴于任何數(shù)字設備，所以具有小尺寸、易于實施的特點，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10千歐電位計調低到接近0歐，而您的LDR具有超低電阻值時燒壞您的晶體管。這是可以省略的。當LDR的頭部受到正常強度的光線照射時，LED會打開。
將電路連接到面包板上，將10千歐電位計調整到所需的靈敏度。把LDR暴露在不同強度的光照下，直到您滿意為止。
請注意負載的位置。在NPN晶體管上，負載通常與集電極串聯(lián)，而在N溝道MOSFET上，負載通常與漏極串聯(lián)。PNP和N溝道MOSFET的這些極性是相反的，在上面的電路圖中，負載在發(fā)射極一側，集電極直接連接到了5V上。
在過去，這種電路用于路燈驅動，而現(xiàn)在也完全沒有過時。也就是說，您可以將其用作繼電器驅動電路，并且可以替換掉LED，使用5V繼電器來啟用更大的負載，例如交流電燈或者滅蟲器。夏天的時候，會飛的咬人蟲子會經(jīng)常困擾你?？梢允褂眠@種滅蟲器來對付它們：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，但是您還是應該學習使用ADC（數(shù)模轉換器）來讀取光照強度。在本項目中，我們使用Arduino Uno或Nano。

2.2.1 BOM

您將會需要以下部件：

2.2.2 開始構建！

將10千歐電位計和LDR連接到您的Arduino Uno 或 Nano，形成一個分壓器，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)的相關說明進行操作，在安裝Arduino Desktop IDE下面的章節(jié)。
Arduino IDE不在本教程范圍內，您只需要按下CTRL+U組合鍵進行上傳，按下CTRL+SHIFT+M組合鍵查看串行輸出即可。
請將以下內容粘貼到一個新草圖中，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)送一些隨機字符，對于每次“發(fā)送”，您都會看到類似以下內容的輸出：

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

我們在這里很少使用loop()函數(shù)，因為serialEvent()函數(shù)效率更高。只有在連接后按下一個鍵（任意鍵）才會有串口輸出。這可以防止調試輸出使您的Arduino工作停滯，因為除非您首先向Arduino發(fā)送一些數(shù)據(jù)，否則任何數(shù)據(jù)都不會通過串行端口輸出。
在這個小程序中，Arduino將讀取A0引腳上的電壓，分辨率為10位，在0到1023范圍內產(chǎn)生1024（2**10）個可能值。每一個值對應于一個0到5V之間的電壓。每一步約為~0.0048V，因此讀數(shù)為512時電壓為~2.46V。
現(xiàn)在您已經(jīng)學會了如何使用LDR，以及一些關于晶體管和Arduino的知識，嘗試將光感測功能添加到現(xiàn)有的電路中，或者從頭開始構建您自己的電路。
去嘗試獲取駕馭光明和黑暗的力量吧！

審核編輯黃宇