Arduino 極速入門系列 - 光控燈（3） - 光敏電阻、與電阻分壓那些事

繼續是講解基礎原理，新手專用部分。這次講光敏電阻，和用電阻分壓。光電元器件有好幾種，其中測光相關的元器件，常見的有光敏三極管和光敏電阻，我們這次光控燈用光敏電阻。在我們光控燈里面，將會使用它搭建出分壓電路，給Arduino 的模擬引腳發送模擬量。新學的朋友們需要了解光敏電阻是什么回事，分壓又是怎樣做的，本篇就是講解這兩點。

光敏電阻

光敏電阻（photo-resistor / light-dependent resistor），是在特定波段照射下，阻值會減少的電阻。所謂特定波段，也包括了不可見的紅外線。分類就三種，紫外線電阻器、紅外線電阻器、和可見光電阻器。

最主要的參數有兩個跟我們這次是直接相關的：光電流和光照特性曲線。就是說，有光很亮時候阻值多少，和亮度變暗時候與阻值增大的一個關系曲線圖（注意這是曲線，不是線性關系的）。這個東西可以非常便宜，看完這篇有興趣的可以買點回來玩玩看，淘寶有一包不同型號的光敏賣的。型號之間的差異可以看下表。

上表可以看到上升下降時間，我實測時候，它的上升下降時間，感覺沒有上表說得那么接近，不太清楚它寫的是什么概念。環境由暗變光，可能就半秒內吧，瞬間阻值減少（書本上說是幾個毫秒）。環境由亮變暗，需要好幾秒鍾阻值才爬升完畢。這響應時間其實與光敏材質和光波波長有直接關系。

單單文字講解不夠直接，看圖。我們把萬用表調到電阻檔，連接好就開燈對准它照射，看看阻值：

580歐阻值。我這個型號5516，標稱照度 10 lux 時候，阻值是 2-5K 歐姆。我是很難想象 10 lux 到底是多少。實測更直觀，直接用燈近距離照射，580 歐姆。

然后我再試試，關燈（捂住它也行吧…），再看看阻值（注意萬用表檔位）：

稍為遮擋、大幅度遮擋、和完全捂住時候，所讀到的阻值分別是 7.8K，16.15K 和 502K。

它其實等同於一個可調電阻器、電位器（用兩端作可調電阻用時候），只是它不是旋鈕或者滑動，它是依據光來調阻值，然后光的強弱與阻值的關系並非線性。

要理解怎樣用它在電路里面，首先我們得簡單回顧一下電阻器怎樣用。

電阻分壓 - 新手專用

電阻器在電路里面主要有兩種用法：限流和設置電壓。限流我們在上一篇已經看過它怎樣用來限制流到 LED 的電流，按鈕那一篇里面也用它，限制了當按鈕按下時候從供電到地的電流（見下拉電阻部分）。這次我們看看它的設置電壓做法，分壓。

我們在 Multisim 仿真看看。用兩個電阻串聯，試試不同阻值的組合，在兩個電阻中間放置探針看看效果：

電阻的電流限制作用我們已經談過。關於上圖的電流值如何計算，后面有機會再討論。這次我們集中看電壓。可以看到，不同的阻值組合，可以影響到兩個電阻中間位置的電壓，它把電壓的 5V，通過這方式對探針位置這個點，設置電壓值，這個叫做電阻分壓。分壓的公式如下，假設我們把探針那個點的電壓命名為 Vmes （mes 代表 Measurement，測量值）：

左側第一個電路 Vmes = V1 x (R2 / (R1 + R2)) Vmes = 5V x (1000 / (1000+1000)) Vmes = 2.5V

中間的電路 Vmes = V2 x (R4 / (R3 + R4)) Vmes = 5V x (4000 / (1000+4000)) Vmes = 4V

右側電路 Vmes = V3 x (R6 / (R5 + R6)) Vmes = 5V x (4000 / (0+4000)) Vmes = 5V

公式就是一個比例計算，很好記。用傳統電流方向第二個電阻的阻值做分子，兩個電阻阻值加總做分母，乘以流進第一個電阻時候的電壓，就能計算得到 Vmes。

參考地端 - 新手專用

記得電壓是兩個點的電勢差。所以仿真里面我們需要設置一個參考點，告訴Multisim 那個位置的電壓就是零，0V，然后其他位置的測量值都是以此為依據。上面電路那地端符號是我放置的，與電池負極直接相連，為參考地。分壓得到的測量值就是與此地端之間的電勢差。

理解一下下圖，參考地放置位置不同的效果：

可調電阻、電位器 - 新手專用

有了以上知識，我們繼續看看可調電阻是干嘛的。我們用 Multisim 仿真，選電位器 (Potentionmeter)。一般電位器是有三只腳，三端都接好的話，電壓輸出端直接就是分壓結果的了。這個以后，比如做搖桿時候再說明。

我們只接兩端作為可調電阻用（就是跟光敏電阻一樣作用），先理解一下以下三張圖：

用上面分壓公式可以計算到三個探針的值，不確定的請拿起紙筆自己算算，這個跟我們光控燈作品直接相關的。

利用以上分壓電路加上光敏，我們可以對探針那個位置的電壓進行測量，然后他的變化是跟隨着光亮度而變動。讀取電壓，等同於讀取光亮度了。

為何要這么麻煩，不買模塊直接插來用？ - 新手專用

光敏電阻，市面上也有模塊賣，直接懟不好么，為何還要理解這些？

首先，模塊上面的結構其實也極度簡單，光敏加一個電阻，最多就再加電容做濾波，這完全可以自己做的。另外，電壓不同時候你需要不同的阻值組合，模塊你不能改動的，就算你不管直接用，也需要理解，你用了不同電壓，它輸出的模擬量范圍會是多少。最后，自己 DIY，簡單原理理解后，玩起來更有勁，不是么？

實際做法

以上都理解之后，到底我們要做什么？

首先第一個問題是亮度，10 LUX 亮不亮， 5 LUX 又該不該開燈，這些因人而異，是個人的感覺。第二個問題是，光敏的阻值與照射的亮度並非線性，而且在不同電壓時候曲線稍有不同，我們做光控燈也並非科研，我們會想用更簡單的辦法去處理這個問題。

辦法就是，把最終產品的燈，亮度分五級，找個辦法讓用戶可以調節光的敏感度。就是說，用光敏再串聯可調電阻：光亮度影響光敏阻值，用戶再可以用串聯了的可調電阻來調阻值，調節輸出的模擬量幅度。

總結

我們以上幾篇，已經理解了 LED 的供電應該怎么做，按鈕怎么做，在本篇也知道了環境亮度如何讀取。下一篇，我們用三極管，加上 PWM 的原理講解，控制 LED 的五段亮度。

歡迎加入我們的大家庭  點擊加入 Arduino 硬創聯盟，群號 8580606

參考

實用電子元器件與電路基礎 第三版	電子工業出版社，ISBN：9787121223785
模擬電子技術基礎 第五版	高等教育出版社，ISBN：9787040425055
電子元器件的選擇與應用	科學出版社，ISBN：9787030165060
電路基礎（英文版 第五版）	機械工業出版社，ISBN：9787111411840
Multisim 12.0 軟件	http://www.ni.com/multisim/