Arduino 极速入门系列 - 光控灯（3） - 光敏电阻、与电阻分压那些事

继续是讲解基础原理，新手专用部分。这次讲光敏电阻，和用电阻分压。光电元器件有好几种，其中测光相关的元器件，常见的有光敏三极管和光敏电阻，我们这次光控灯用光敏电阻。在我们光控灯里面，将会使用它搭建出分压电路，给Arduino 的模拟引脚发送模拟量。新学的朋友们需要了解光敏电阻是什么回事，分压又是怎样做的，本篇就是讲解这两点。

光敏电阻

光敏电阻（photo-resistor / light-dependent resistor），是在特定波段照射下，阻值会减少的电阻。所谓特定波段，也包括了不可见的红外线。分类就三种，紫外线电阻器、红外线电阻器、和可见光电阻器。

最主要的参数有两个跟我们这次是直接相关的：光电流和光照特性曲线。就是说，有光很亮时候阻值多少，和亮度变暗时候与阻值增大的一个关系曲线图（注意这是曲线，不是线性关系的）。这个东西可以非常便宜，看完这篇有兴趣的可以买点回来玩玩看，淘宝有一包不同型号的光敏卖的。型号之间的差异可以看下表。

上表可以看到上升下降时间，我实测时候，它的上升下降时间，感觉没有上表说得那么接近，不太清楚它写的是什么概念。环境由暗变光，可能就半秒内吧，瞬间阻值减少（书本上说是几个毫秒）。环境由亮变暗，需要好几秒钟阻值才爬升完毕。这响应时间其实与光敏材质和光波波长有直接关系。

单单文字讲解不够直接，看图。我们把万用表调到电阻档，连接好就开灯对准它照射，看看阻值：

580欧阻值。我这个型号5516，标称照度 10 lux 时候，阻值是 2-5K 欧姆。我是很难想象 10 lux 到底是多少。实测更直观，直接用灯近距离照射，580 欧姆。

然后我再试试，关灯（捂住它也行吧…），再看看阻值（注意万用表档位）：

稍为遮挡、大幅度遮挡、和完全捂住时候，所读到的阻值分别是 7.8K，16.15K 和 502K。

它其实等同于一个可调电阻器、电位器（用两端作可调电阻用时候），只是它不是旋钮或者滑动，它是依据光来调阻值，然后光的强弱与阻值的关系并非线性。

要理解怎样用它在电路里面，首先我们得简单回顾一下电阻器怎样用。

电阻分压 - 新手专用

电阻器在电路里面主要有两种用法：限流和设置电压。限流我们在上一篇已经看过它怎样用来限制流到 LED 的电流，按钮那一篇里面也用它，限制了当按钮按下时候从供电到地的电流（见下拉电阻部分）。这次我们看看它的设置电压做法，分压。

我们在 Multisim 仿真看看。用两个电阻串联，试试不同阻值的组合，在两个电阻中间放置探针看看效果：

电阻的电流限制作用我们已经谈过。关于上图的电流值如何计算，后面有机会再讨论。这次我们集中看电压。可以看到，不同的阻值组合，可以影响到两个电阻中间位置的电压，它把电压的 5V，通过这方式对探针位置这个点，设置电压值，这个叫做电阻分压。分压的公式如下，假设我们把探针那个点的电压命名为 Vmes （mes 代表 Measurement，测量值）：

左侧第一个电路

Vmes = V1 x (R2 / (R1 + R2))

Vmes = 5V x (1000 / (1000+1000))

Vmes = 2.5V

中间的电路

Vmes = V2 x (R4 / (R3 + R4))

Vmes = 5V x (4000 / (1000+4000))

Vmes = 4V

右侧电路

Vmes = V3 x (R6 / (R5 + R6))

Vmes = 5V x (4000 / (0+4000))

Vmes = 5V

公式就是一个比例计算，很好记。用传统电流方向第二个电阻的阻值做分子，两个电阻阻值加总做分母，乘以流进第一个电阻时候的电压，就能计算得到 Vmes。

参考地端 - 新手专用

记得电压是两个点的电势差。所以仿真里面我们需要设置一个参考点，告诉Multisim 那个位置的电压就是零，0V，然后其他位置的测量值都是以此为依据。上面电路那地端符号是我放置的，与电池负极直接相连，为参考地。分压得到的测量值就是与此地端之间的电势差。

理解一下下图，参考地放置位置不同的效果：

可调电阻、电位器 - 新手专用

有了以上知识，我们继续看看可调电阻是干嘛的。我们用 Multisim 仿真，选电位器 (Potentionmeter)。一般电位器是有三只脚，三端都接好的话，电压输出端直接就是分压结果的了。这个以后，比如做摇杆时候再说明。

我们只接两端作为可调电阻用（就是跟光敏电阻一样作用），先理解一下以下三张图：

用上面分压公式可以计算到三个探针的值，不确定的请拿起纸笔自己算算，这个跟我们光控灯作品直接相关的。

利用以上分压电路加上光敏，我们可以对探针那个位置的电压进行测量，然后他的变化是跟随着光亮度而变动。读取电压，等同于读取光亮度了。

为何要这么麻烦，不买模块直接插来用？ - 新手专用

光敏电阻，市面上也有模块卖，直接怼不好么，为何还要理解这些？

首先，模块上面的结构其实也极度简单，光敏加一个电阻，最多就再加电容做滤波，这完全可以自己做的。另外，电压不同时候你需要不同的阻值组合，模块你不能改动的，就算你不管直接用，也需要理解，你用了不同电压，它输出的模拟量范围会是多少。最后，自己 DIY，简单原理理解后，玩起来更有劲，不是么？

实际做法

以上都理解之后，到底我们要做什么？

首先第一个问题是亮度，10 LUX 亮不亮， 5 LUX 又该不该开灯，这些因人而异，是个人的感觉。第二个问题是，光敏的阻值与照射的亮度并非线性，而且在不同电压时候曲线稍有不同，我们做光控灯也并非科研，我们会想用更简单的办法去处理这个问题。

办法就是，把最终产品的灯，亮度分五级，找个办法让用户可以调节光的敏感度。就是说，用光敏再串联可调电阻：光亮度影响光敏阻值，用户再可以用串联了的可调电阻来调阻值，调节输出的模拟量幅度。

总结

我们以上几篇，已经理解了 LED 的供电应该怎么做，按钮怎么做，在本篇也知道了环境亮度如何读取。下一篇，我们用三极管，加上 PWM 的原理讲解，控制 LED 的五段亮度。

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参考

实用电子元器件与电路基础第三版	电子工业出版社，ISBN：9787121223785
模拟电子技术基础第五版	高等教育出版社，ISBN：9787040425055
电子元器件的选择与应用	科学出版社，ISBN：9787030165060
电路基础（英文版第五版）	机械工业出版社，ISBN：9787111411840
Multisim 12.0 软件	http://www.ni.com/multisim/