实验二 光电传感器
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实验二 光电传感器特性实验
一、实验目标
1.熟悉电压控制电流源原理和各种光电传感器；
2.调用EPI提供的子vi编写控制LED灯亮度程序；
3.通过万用表和示波器观测传感器输出动态变化。
二、硬件介绍
光电实验板可以支持的内容：光敏电阻，硅光电池，光敏二极管，光敏三极管。这4种光电元件在配套的器件包中。光电元件是通过螺钉式PCB端子连接，可替换。支持换装其它种类的两引脚光电元件。
实验板分为两部分。左边是光源部分，右边是传感器和电阻部分。右边有电流和电压测试点。板子的供电由底部的排母提供。不用再插接电源线。只需要连接必要的信号线。
光电实验板的光源LED是一个高亮度灯珠，通过实验板上自带的电压控制恒流源来调节LED的驱动电流，从而控制LED亮度。压控恒流源的输入调节电压可以通过易派的信号源S1控制或者可调电位器分压输出控制，输入调节电压越高，输出电流越大，LED就越亮。接收端可以连接光敏电阻/光明二极管/硅光电池等，通过上拉下拉电阻配合传感器来进行测量。
实验板电路图
输入电压和输出电流对应关系
| Vin(V) | Iout(mA) |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 3 | 100 |
2.1 压控恒流源 - 光源驱动
光源采用线性压控恒流源进行亮度调节。从Vin插座上输入0-3V直流电压，由于运放的负反馈作用，即可得到输出恒流，计算公式为
I = Vin / 30Ω 。例如Vin=300mV，则I=
10mA。可硬木课堂平台的信号源S1或者可调电位器来提供直流。
如上图，是我们使用EWB204+时的硬件连接方式。
光源恒流源的下方，有电位器，可以提供0-5V的电压。这个电压也可以作为Vin的输入。调节电位器后，可以用硬木课堂的DMM（数字万用表）测量输出的电压，然后给Vin使用。
2.2 传感器安装
安装时，需要将传感器的管脚弯折一下，方便接入螺钉式PCB端子。光敏电阻不分极性，但光敏二极管、光敏三极管、硅光电池是有极性的，注意区分。
光敏二极管 光敏三极管 硅光电池 光敏电阻
传感器弯一下管脚插入插座
传感器按极性接入PCB端子
安装完毕后的图片，使传感器对着光源。实验过程中，传感器位置不要发生变化，这样才可以排除位置变化导致的进光量变化。
光敏二极管 光敏三极管 硅光电池 光敏电阻
2.3 电阻选择
实验板右侧的电阻有两个作用。上方的电阻是提供直流偏置。下方的电阻是提供负载。用开关进行通断控制，选择接入或者不接入，或者并联接入。
需要上拉电阻提供偏置的实验：光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管
需要负载电阻的实验：硅光电池
三、EWB304和传感器板连接
3.1 模块与底座连接方式
传感器实验板套件由EPI设备、传感器底板和各个传感器小板组成。各个部分的功能如下
- EPI-EWB设备：与电脑通过USB连接，提供数据采集、信号源、电源、数字IO等可编程IO功能；
- 传感器底板：提供±12V电源，提供传感器小板、FPGA板、MCU板插槽；传感器底板通过磁吸附着在EPI-EWB设备上。
- 传感器小板：提供各个传感器的激励和信号调理电路，传感器小板插在传感器底板上实现供电，传感器小板的输出通过跳线与EPI设备相连。
传感器小板插件在传感器底板上
搭载了传感器小板的传感器底板磁吸在EPI设备上
注意：传感器小板背面通过防呆排母插在传感器底板的简牛插座上，两个座子的简牛凸点需要对应：
传感器小板背部图
3.2 电路和信号连接
下面以光敏电阻为例，列出传感器板和EPI设备连接关系：
| 传感器板需要功能 | 传感器板接口 | EPI对应接口 | EPI接口功能 |
|---|---|---|---|
| 输入电压源控制电流 | Vin | S1 | 信号源S1-产生直流 |
| 传感器输出检测 | 电压检测 | COM/V | 万用表-测量输出电压 |
| 传感器输出检测 | 电压检测 | AIN1 | 同时使用示波器测量输出电压 |
| 共地 | GND | GND | EPI设备和传感器小板共地 |
下图是信号连接图：
光电传感器模块连接
下表列出了EPI对应功能的说明：
表 1 端口说明
| 插孔名称 | 说明 |
|---|---|
| S1 | 信号源输出端，可以出直流、交流电压。 |
| COM | 万用表公共接线端 |
| V | 万用表电压测量端 |
| AIN1 | 示波器通道1输入端 |
| GND | 电路的公共参考点 |
四、实验步骤
按照3.2电路连接方式连接电路和EPI设备，通过上位机软件测量光照强度和光敏电阻传感器电阻值的关系。
4.1 S1发送直流
设置信号源S1输出的直流电压值，这里使用S1输出正弦波，但频率和峰峰值设为“0”，调节S1直流改变输出直流电压。
4.2 万用表测量
万用表选择直流电压档位，输出的是测得的直流电压值。
4.3 AIN1测量
AIN1测量得到的数据以波形方式显示在波形图中：
4.4 记录表格
| S1输出电压mV | 0 | 10 | 100 | 500 | 1000 |
|---|---|---|---|---|---|
| 控制电流mA | 0 | 1 | 10 | 50 | 100 |
| 万用表输出电压V | |||||
| 光敏电阻阻值Ω |
五、LabVIEW程序解读
程序使用 E-PI
提供的接口函数通过软件编程实现传感器控制/测量。主要使用“初始化.vi”、“S1设置.vi”
、“万用表功能选择.vi” 、“万用表数据.vi” 、“数据采集.vi” 、“采样率设置.vi”
、“采样量程设置.vi”。
软件控制
S1输出可调直流电压，这部分程序需要在while循环实时控制，示波器/万用表测量程序也需要放在while循环中，对于初始化和配置程序，只需要一次运行，我们就放在while循环外部。
5.1 整体框图
图展示了本实例的运行界面和程序框图。实例运行效果通过上位机调节“S1直流”观察LED亮度，观察上位机万用表测量数据，示波器观测实时采集数据。
运行界面
整体程序框图
5.2 程序流程图
实例流程图
5.3初始化设置
程序初始化设置状态，该状态完成EPI
通信端口设置、电源开启（设置±V为±12V）、示波器通道设置（采样率，采样量程，耦合），当然用户也可设置成各个参数可变。若设置成可变，后面while循环中进行调节。初始化代码如图所示：
初始化
（1）初始化.vi：该 VI 会自动查找 EPI
的通信端口，找到后其会设置该端口参数，返回一个端口设置结果；
（2）正电压设置.vi：该 VI
用于设置EPI的对外输出正电源的电压12V，电流300mA，输出使能。
（3）负电压设置.vi：该 VI
和负电压设置VI类似，用于设置EPI的对外输出负电源的电压-12V，电流300ma，输出使能。
（4）采样率设置.vi：该VI用于设置EPI的采样率为200kHz和采样深度5000。
（5）采样量程设置.vi：该VI用于设置EPI的AIN1采样量程为±20v。
（6）AIN耦合.vi：该VI用于设置EPI的示波器AIN1耦合为DC耦合。
在实际实现时，当设备初始化.vi
返回“4/5/6”时才对设备进行设置，即在“4..6”分支中设置，若返回其他值表示初始化设备失败，不进行任何操作。
5.4 While循环
While循环状态下可以动态改变信号源的频率，峰峰值，直流量，和万用表的功能切换，while循环中还实现万用表数据采集和示波器通道1数据采集。该状态代码如图所示：
while循环程序
（1）S1设置.vi：该 VI
设置S1的输出(正弦波与三角波)，包括S1的频率，峰峰值，直流。是通过前面板来控制。
（2）万用表功能选择.vi：该 VI 用于选择万用表的测量模式，在前面板进行选择。
功能选择（U8）：万用表功能选择（0-直流电压, 1-交流电压，2-直流电流安培档,
3-直流电流毫安档, 4-直流电流微安档, 5-交流电流安培档, 6-交流电流毫安档,
7-交流电流微安档, 8-电阻档, 9-电容档, 10-二极管档位, 11-短路测量档位）
（3）万用表数据.vi：该 VI 用于读取万用表测量结果。
测量结果（DBL）：测量结果（单位： 电压-V，电流-mA，电阻-kΩ，电容-uF）
（4）数据采集.vi：该VI用于读取EPI采集到的四个通道的数据。
在实现上，通过程序前面板控制信号源S1输出直流电压，实现LED光源亮度的调节，传感器板连接不同的传感器，控制LED光源亮度，用万用表或者示波器观测输出电压/电流变化。也可以将S1信号源输出交流信号，观察传感器输出变化。实验过程和测量方式用户可根据自身需求进行修改。