任務(wù)二光敏傳感器的安裝與調(diào)試【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解光敏傳感器的特點。2．掌握光敏傳感器的連接方法。3．能對光敏傳感器管理程序進(jìn)行邏輯分析。4．能獨(dú)立完成程序積木的搭建、上傳與調(diào)試。5．培養(yǎng)精準(zhǔn)測量意識和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度?！救蝿?wù)情景】某小區(qū)要改造路燈，使其工作起來更加“智能”，當(dāng)天色昏暗的時候，路燈能自動開啟；當(dāng)天色明亮的時候，路燈能自動關(guān)閉。請使用物聯(lián)網(wǎng)套件來實現(xiàn)智能路燈?！救蝿?wù)分析】為了實現(xiàn)路燈的自動開關(guān)功能，首要任務(wù)是確定光照強(qiáng)度。在眾多傳感器中，光敏傳感器最適合，它能夠根據(jù)外界環(huán)境的光照強(qiáng)度判斷是否開啟路燈。為了實現(xiàn)路燈的智能化改造，我們在物聯(lián)網(wǎng)套件中選擇光敏傳感器作為主要設(shè)備，并將其安裝在路燈的前方。【相關(guān)知識】一、光敏傳感器簡介二、光敏傳感器的結(jié)構(gòu)三、光敏傳感器中感光半導(dǎo)體元器件的工作原理四、光敏傳感器的應(yīng)用一、光敏傳感器簡介光敏傳感器是一種能夠感知光照強(qiáng)度變化的傳感器，核心組件是感光半導(dǎo)體元器件。感光半導(dǎo)體元器件有多種類型，常見的感光半導(dǎo)體元器件包括光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏電容、光敏場效應(yīng)晶體管（簡稱光敏場效應(yīng)管）、光敏阻抗、光敏二極管陣列等，不同感光半導(dǎo)體元器件在不同的應(yīng)用領(lǐng)域具有不同的特性和優(yōu)勢。根據(jù)具體的需求和應(yīng)用場景，選擇合適的光敏傳感器類型是很重要的。感光半導(dǎo)體元器件二、光敏傳感器的結(jié)構(gòu)光敏傳感器的結(jié)構(gòu)因傳感器類型和設(shè)計的不同而有所差異。通常光敏傳感器包含以下6個基本組件。（1）感光半導(dǎo)體元器件：光敏傳感器的核心組件。（2）外殼：用于保護(hù)內(nèi)部組件和提供結(jié)構(gòu)支撐。外殼通常由塑料或金屬材料制成，以保護(hù)傳感器免受環(huán)境影響。（3）連接接口：用于與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。連接接口可以是模擬輸出接口（如電壓輸出接口）或數(shù)字輸出接口（如IIC接口或SPI）。（4）光學(xué)濾波器：有些光敏傳感器會在感光半導(dǎo)體元器件的前面使用光學(xué)濾波器。光學(xué)濾波器的作用是選擇性地傳遞或阻擋特定波長范圍的光，以提高傳感器的選擇性和性能。（5）電路和信號處理器件：光敏傳感器內(nèi)部一般包含一些電路和信號處理器件，用于進(jìn)行放大、濾波、去噪聲或其他信號處理操作。這些電路和信號處理器件有助于提高信號質(zhì)量和滿足不同的應(yīng)用需求。（6）電源電路：光敏傳感器通常需要供電才可以正常工作，因此，光敏傳感器內(nèi)部包含電源電路。

三、光敏傳感器中感光半導(dǎo)體元器件的工作原理常用的5種感光半導(dǎo)體元器件的工作原理。內(nèi)光電效應(yīng)原理1．光敏電阻光敏電阻基于內(nèi)光電效應(yīng)，通過測量其電阻值的變化來檢測環(huán)境中的光照強(qiáng)度。光敏電阻由半導(dǎo)體光敏材料制成，兩端裝有電極，并封裝在帶有玻璃窗的管殼內(nèi)。當(dāng)光照射到光敏電阻上時，光子的能量被半導(dǎo)體光敏材料吸收，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，如圖2-16所示。自由電子和空穴的出現(xiàn)降低了電阻值。光照強(qiáng)度越大，自由電子和空穴越多，電阻值越小。當(dāng)光照消失時，自由電子和空穴逐漸復(fù)合，電阻值逐漸恢復(fù)到原始狀態(tài)。2．光敏二極管與光敏三極管光敏二極管通過光的照射來產(chǎn)生電流。當(dāng)光線照射到光敏二極管的活性層上時，光子的能量被轉(zhuǎn)化為電子的能量。這些光激發(fā)的電子會被推向光敏二極管的PN結(jié)，從而形成電流。光照強(qiáng)度的增加會導(dǎo)致產(chǎn)生更多電子，進(jìn)而增大電流。光敏三極管和光敏二極管的工作原理相似，都是利用光激發(fā)電子產(chǎn)生電流，但光敏三極管具有額外的基極來控制電流，從而在一些應(yīng)用中提供更靈活的控制和調(diào)節(jié)功能。三、光敏傳感器中感光半導(dǎo)體元器件的工作原理3．光敏電容光敏電容利用光的照射改變電容值。光敏電容由光敏材料和電極組成。當(dāng)光線照射到光敏電容上時，光子的能量會影響光敏材料內(nèi)的電荷分布，從而改變電極之間的電場分布，進(jìn)而改變電容值。光照強(qiáng)度增加會導(dǎo)致電容值減小，而光照強(qiáng)度減小會導(dǎo)致電容值增大。4．光敏阻抗光敏阻抗與光敏電阻的工作原理相似，都是通過光線的照射來改變阻抗值。光敏阻抗主要是由光敏材料本身的特性決定的。當(dāng)光線照射到光敏阻抗上時，光子的能量會激發(fā)光敏材料內(nèi)的電荷載流子，改變光敏材料內(nèi)的電荷分布和電導(dǎo)率。這導(dǎo)致光敏阻抗的阻抗值發(fā)生變化，光照強(qiáng)度的增加會使阻抗值減小，而光照強(qiáng)度的減小會使阻抗值增大。5．光敏場效應(yīng)管光敏場效應(yīng)管（PhotoconductiveField-EffectTransistor，PFET）由光敏材料和場效應(yīng)晶體管（簡稱場效應(yīng)管）組成。當(dāng)光線照射到光敏材料上時，光子的能量會激發(fā)光敏材料內(nèi)的電荷載流子，改變光敏材料內(nèi)的電導(dǎo)率。四、光敏傳感器的應(yīng)用（1）光照度測量光敏傳感器可用于測量光照度，即環(huán)境中的光照強(qiáng)度。（2）光敏安全檢測光敏傳感器可用于安全檢測和控制應(yīng)用。（3）光敏控制在夜間照明系統(tǒng)或智能照明系統(tǒng)中，光敏傳感器可以根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度自動調(diào)整燈光的亮度。（4）光敏報警系統(tǒng)光敏傳感器可用于安防系統(tǒng)的入侵檢測，可以檢測窗戶、門或其他區(qū)域的光照變化。（5）光敏觸發(fā)器光敏傳感器可用作觸發(fā)器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，用于觸發(fā)其他設(shè)備或系統(tǒng)的操作。（6）光學(xué)測量光敏傳感器可用于進(jìn)行光學(xué)測量和分析。（7）光敏交互設(shè)備光敏傳感器可用于交互設(shè)備?！炯寄苡?xùn)練】活動一

組裝設(shè)備活動二

編寫圖形程序活動三

解讀程序代碼活動四上傳與調(diào)試程序活動一組裝設(shè)備一、梳理設(shè)備控制的邏輯關(guān)系在本任務(wù)中，光敏傳感器用來探測環(huán)境光，同時將探測結(jié)果發(fā)送給ArduinoMega2560開發(fā)板，ArduinoMega2560開發(fā)板根據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果輸出到串口。觸摸開關(guān)的設(shè)備控制邏輯關(guān)系活動一組裝設(shè)備二、組裝硬件設(shè)備1．識讀引腳標(biāo)志仔細(xì)觀察各硬件模塊的引腳標(biāo)志，明確各標(biāo)志的含義。本任務(wù)使用的光敏傳感器有3個引腳，分別如下。（1）VCC引腳：表示電源正極。（2）GND引腳：接地引腳，表示電源負(fù)極。（3）OUT引腳：信息輸出引腳，表示輸出信號是一個模擬信號。2．連接引腳（1）將VCC引腳接到Arduino開發(fā)板的3.3V或5V引腳上。（2）將GND引腳接到Arduino開發(fā)板的GND引腳上。（3）將OUT引腳接到Arduino開發(fā)板的模擬引腳A0上。光敏傳感器的設(shè)備接線圖活動一組裝設(shè)備三、組裝設(shè)備的注意事項如下。（1）光敏傳感器的連接線應(yīng)該為紅線接電源正極、黑線接電源負(fù)極，切不可接反。（2）光敏傳感器的輸出引腳可與任何開發(fā)板的模擬引腳（A0～A15）連接，但需更改程序中相應(yīng)的引腳參數(shù)。（3）連接線上的引腳較尖銳，在操作過程中要注意安全?；顒佣帉憟D形程序一、分析程序流程（1）因為光敏值會被反復(fù)使用，所以定義變量light為光敏值，簡化程序。（2）讀取光敏值。（3）等待1s的目的是方便在串口調(diào)試窗口中觀察light的值，這不是必需的部分。（4）對light值的狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)light值小于350時，表明當(dāng)時外界光線明亮，無須開燈；當(dāng)light值大于或等于350時，表示當(dāng)時外界光線昏暗，需開燈。光敏傳感器測試程序流程圖活動二編寫圖形程序二、搭建程序積木光敏傳感器測試程序完整流程活動三解讀程序代碼一、查看Mind+軟件自動生成的代碼通過活動二搭建好了程序積木框架，為了更好地理解程序的運(yùn)行邏輯，還需要對Mind+軟件自動生成的ArduinoC語言的代碼進(jìn)行解讀，以提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)編程能力?？梢园匆韵虏僮?，查看Mind+軟件根據(jù)程序積木自動生成的ArduinoC語言的代碼（Mind+軟件會自動修改變量名、添加注釋）。光敏傳感器測試程序的ArduinoC語言的代碼（1）單擊Mind+軟件右上角的“代碼區(qū)”按鈕。（2）單擊“自動生成”選項卡，如圖2-10所示，就能查看Mind+軟件根據(jù)主窗口的程序積木框架自動生成的ArduinoC語言的代碼?；顒尤庾x程序代碼二、代碼解析代碼含義mind_n_light=(round((String(analogRead(A0)).toInt())));將光敏值四舍五入后轉(zhuǎn)換為整數(shù)類型，并將結(jié)果賦值給變量mind_n_tmp。analogRead(A0)函數(shù)用于讀取光敏值，并返回一個浮點數(shù)類型的值。由于需要將這個值變?yōu)樽罱咏恼麛?shù)，因此需要使用round()函數(shù)對其進(jìn)行四舍五入操作。toInt()函數(shù)則將四舍五入后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為整數(shù)類型。最后，將四舍五入后的整數(shù)賦值給變量mind_n_light，以便后續(xù)判斷環(huán)境光的強(qiáng)度Serial.print((String("當(dāng)前光敏值是：")+String(mind_n_light)));String(mind_n_light)將浮點數(shù)類型的值轉(zhuǎn)換為字符串類型，最終的結(jié)果是一個字符串類型的值，表示當(dāng)前光敏值和環(huán)境光的狀態(tài)，最后通過串口發(fā)送出去

if((mind_n_light<350)){mind_n_light<350表示判斷mind_n_light是否小于350（閾值350可以根據(jù)實際情況改動），如果是，則條件成立，然后執(zhí)行Serial.println()函數(shù)，將字符串“>>>環(huán)境光較亮，不用打開路燈。”發(fā)送到串口。返回到delay(1000);處，繼續(xù)監(jiān)測環(huán)境光

Serial.println(">>>環(huán)境光較亮，不用打開路燈。");

}

else{如果大于或等于350，則執(zhí)行Serial.println()函數(shù)，將字符串“>>>環(huán)境光較暗，請打開路燈。”發(fā)送到串口。返回到delay(1000);處，繼續(xù)監(jiān)測環(huán)境光

Serial.println(">>>環(huán)境光較暗，請打開路燈。");

}活動四上傳與調(diào)試程序一、連接設(shè)備在Mind+軟件中選擇“上傳模式”，使用USB連接線將ArduinoMega2560開發(fā)板連接到計算機(jī)上，并單擊“連接設(shè)備”下拉按鈕，單擊相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行連接。如果沒有出現(xiàn)設(shè)備，則單擊“一鍵安裝串口驅(qū)動”后再嘗試。二、上傳程序在Mind+軟件中單擊右上角的“上傳到設(shè)備”按鈕，完成程序的上傳。三、檢查運(yùn)行效果用手指觸碰觸摸開關(guān)，觸摸開關(guān)模塊指示燈呈紅色，查看串口調(diào)試窗口的數(shù)據(jù)顯示是否反映出燈狀態(tài)的變化。觸摸開關(guān)實物連接。觸摸開關(guān)控制程序運(yùn)行效果。 光敏傳感器實物連接運(yùn)行效果【任務(wù)評價】序號主要內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)分值/分得分/分1光敏傳感器的分類及工作原理能正確說出光敏傳感器的分類及工作原理10

2光敏傳感器的識別能快速、準(zhǔn)確地從物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)套件中找出光敏傳感器10

3光敏傳感器引腳的識別能準(zhǔn)確說出光敏傳感器引腳標(biāo)志的含義10

4光敏傳感器的組裝能根據(jù)設(shè)備連接圖快速組裝電路10

5光敏傳感器的調(diào)試能根據(jù)需求，正確搭建和配置Mind+軟件10

能使用Mind+軟件，利用程序積木正確編寫功能程序10

能正確運(yùn)行程序，使運(yùn)行結(jié)果與功能需求一致10

6職業(yè)素養(yǎng)實驗中，操作要安全、規(guī)范。完成實驗后，應(yīng)將相關(guān)元器件、模塊等收納整齊，保持實驗桌面干凈、整潔10

7學(xué)習(xí)態(tài)度能主動參與課堂討論和實踐活動，積極尋求解決問題的方法10

能按時完成學(xué)習(xí)及工作任務(wù)10

總計100

【拓展學(xué)習(xí)】照相機(jī)上的光敏傳感器CCD傳感器CCD傳感器通過逐行讀取的方式將感光表面上的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后形成圖像，具有圖像清晰、色彩還原度高的特點。CMOS傳感器。CMOS傳感器則是將光子轉(zhuǎn)化為電子，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過控制邏輯將像素信息傳遞給數(shù)字信號處