视力保护器电路设计 毕业设计.doc

18 视力保护器电路设计 摘 要 本设计主要实现测距报警、测光报警以及定时报警功能。利用超声波发射接收器、ne555、光敏电阻等元件组合成电路，来实现上述功能。通过超声波接收头对接受的超声波信号进行调制输出，所采用的是纯硬件电路，且分别对超声波接受与发射、ne555及光敏电阻的特性及各个功能进行分析，通过这些元件的组合来实现设计所需要的报警功能。该视力保护器实用、方便、功耗低、易于维护，并且具有保护使用者视力、预防近视的功能。 关键词：视力保护器 多功能 超声波 光敏电阻 ne555 报警功能 目录 第1章 系统设计电路方案论述1 1.1方案一1 1.2方案二1 1.3方案三1 第2章 电路设计分析5 2.1电路原理框图5 2.2电路设计原理图5 2.3电路总体工作原理及过程5 第3章 工作调试14 3.1调试14 参考文献：16 总结 17 致谢18 2第 页第一章系统设计电路方案论述 1.1方案一 由超声波发射振荡器、报警声振荡器和定时用振荡器、一个超声波接收放大器、一个光控电路和各功能的控制与指示电路组成。如图1为电路原理图 1.2 方案二本电路由两个定时器和晶振电路组成的多功能视力保护器电路。如图2 电路原理图 1.3方案三本电路由cd4001.4二2输入端或门集成电路、cd4011.4一2输入端与门集成电路和cd4060.4异或门集成电路组成。通过3只门电路中的各个门的组合，组成一个具有光强保护、光若保护和超时阅读保护为一体的多功能视力保护器电路。如图为电路原理图。 第二章电路设计分析2.1 电路原理框图视力保护器由测光电路、显示电路、报警电路、定时电路4个部分组成，如图4所示。 2.2 电路设计原理图 本电路主要包含：该电路包括3个振荡器：（即 超声波发射振荡器、报警声振荡器和定时用振荡器）、一个超声波接收放大器、一个光控电路和各功能的控制与指示灯电路。1、 测光电路本电路主要由光敏电阻器rg、电阻器r4、电容器c和ic2内部的与非门d8组成。（1）光敏电阻rg选用亮阻小于2k、暗阻大于2m的光敏电阻器。其工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接触引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子-空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，油光自己发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。 （2）测光电路原理分析本电路的工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电容c上的风压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则rg的阻值下降，导致可控制硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对光照度的控制。如图7所示 2.定时电路本电路主要有：定时控制电路由定时器集成电路ne555、电阻器r13、r14、电容器c9、c10。电位器rp和ic2内部的与非门d9组成ne555是属于555系列的计时ic的其中的一种型号，555系列ic的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同：而555是一个用途很广且相当普遍的计时ic，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。ne555的特点有：只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，且其输出端的供给电流大，可直接推动各种自动控制的负载。它的操作电源范围极广，可与ttl，cmoc等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。ne555引脚位配置说明如下：如图8所示 pin 1 （接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。pin 2 (触发点) 这个脚位是触发ne555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3vcc，下缘须低于1/3vcc。pin 3 (输出) 当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200ma。pin 4 （重置） -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。pin 5 （控制） -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下，这输入能用来改变或调整输出频率。pin 6 (重置锁定) pin6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3vcc电压以下移至2/3vcc以上时启动这个动作。pin 7 (放电) 这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为on时为low，对地为低阻抗，当输出为off时为high,对地为高阻抗。pin 8 (v +) 这是555个计时器ic的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。 用555定时器组成，图10为其波形图。图中，t0t1为稳态，t1t3为暂稳态，t3时刻恢复稳态。由上述可知，555定时器组成的单稳态电路由输入脉冲信号的下降沿触发点，使其输出状态产生翻转，另外，在暂稳态过程结束前，u1必须恢复为1，否则电路内的rs触发器为不确定状态，输出不能维持0状态。因此这种单稳态电路只能用负窄脉冲触发。如果输入脉宽大于输出脉宽，则输入端可加rc微分电路，使输入脉宽变变窄。（1） 定时电路原理 原理分析：在定时时间未到时，ne555的3脚输出低电平，与非门d9输出高电平，vl4不发光，vd5处于截止状态，音频振荡器不工作，ha不发出声。当定时时间结束时，ne555的3脚变为高电平，与非门d9输出3khz的矩形脉冲信号，使vl3闪亮，音频振荡器振荡工作，ha发出警示声。3.超声波控制电路本电路主要有两部分组成：一部分超声波发射电路由超声波发射器b2、非门集成电路ic1 （d1-d6）内部的d4-d6、或非门集成电路ic3（d10-d13）内部的或非门d10、d11和电阻器r10-r12和电容器c7、c8组成。另一部分接受电路由超声波接受器b1、电阻器r2、r3、r5、lc1内部的非门d1-d3、与非门集成电路ic2（d7-d9）内部的d7、电容器c3-c6、二极管vd1、vd2、晶体管v组成。超声波接受和发射电路元件发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20khz、25khz、28khz、33khz、40khz、60khz；100khz或以上现在尚未大量使用。但随着以后精密清洗的不断发展。相信使用面会逐步扩大。比较完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要提供二个方面的反馈信号：第一个是提供输出功率信号，我们知道当发生器的供电电源（电压）发生变化时。发生器的输出功率也会发生变化，这时反应在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致清洗效果不稳定。因此需要稳定输出功率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定。第二个是提供频率跟踪信号。当换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，当然这种改变的频率只是漂移，变化不是很大，频率跟踪信号可以控制信号发生器，使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点。超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时成为超声波接收器了。超声波接收控制电路。如图12 2.3. 电路总体工作原理及过程通过电源开关s，整机各电路通电工作。ne555的3脚输出的3khz方波振荡信号一路加至与非门d7-d9的一个输入端上，另一路径c8加至非门d6的输入端上，该方波振荡信号经d6整形后对40khz振荡器（由或非门d10、d11和c7、r10、r11组成）进行调制，调制后的振荡信号经非门d4、d5驱动b2发射出超声波。在使用者的脸部与书面之间的距离大于35cm时，b1接受不到b2发出的超声波信号，和v处于截止状态，与非门d7输出高电平，vl2不发光，声音警示电路不工作，ha不发声。当使用者的脸部与书面之间的距离小于35cm时，b2发射的超声波信号被人脸部反射回来，b1接受到发射回来的超声波信号并将其装换为相应的电信号，该电信号经非门d1-d3放大整形及c3、vd1、vd2、c4倍压检波后，产生负的直流电压便v导通，与非门d7输出3khz的矩形脉冲信号，vl2闪烁发光；同时vd3间歇导通，由或非门d12、d13和r15、r16、c11组成的音频振荡器在3khz脉冲信号控制下振荡工作，驱动ha发出间歇的蜂鸣声，提醒使用者注意读写距离。在环境光线适合读书时，rg的阻值较小，与非门d8输出高电平。vl3不发光。vd4处于截止状态，音频振荡器不工作，ha不发声。当环境光线较弱，达不到读写要求时，rg的阻值变大，使与非门d8输出3hhz的矩形脉冲信号，vl2闪烁发光，vd4间歇导通，使音频振荡器振荡工作，ha发出警示声，提醒使用者环境光线偏弱，应打开台灯。在定时时间未到时，ne555的3脚输出低电平，与非门d9输出高电平，vl4不发光，vd5处于截止状态，音频振荡器不工作，ha不发出声。当定时时间结束时，1c4的3脚变为高电平，与非门d9输出3khz的矩形脉冲信号，使vl4闪亮，音频振荡器振荡工作，ha发出警示声。视力保护器工作过程 ：开始阅读时，按一下按钮sb，这时定时器开始工作。当时间超过30分钟时，定时器通过ic3-3输出一个高电平信号至报警控制器ic3-4，使 报警器发迅，提醒你该休息一下了。当光线过强时，分压器1输出高电平，通过异或门ic1-1进行比较后输出低电平，一方面使vd3亮，另一方面通过 ic2-1发出控制信号使报警器报迅;当光线过弱时，分压器2输出低电平，通过异或门ic-2进行比较后输出低电平，使vd2发光，报警器报迅。在光线正 常时，分压器1输出低电平，分压器2输出高电平，此时ic1-1、ic1-2都输出高电平，异或门ic1-2比较这两个信号后，输出低电平，使vd1亮。 由于此时没有低电平信号输入到报警控制器，所以报警器不报讯。元器件选择：视力保护器选用3块cmos集成块。ic1是异或门，型号是cd4070;ic2是与非门，型号是cd4011;ic3是或非门，型号是 cd4011。vd2、vd3选红、绿两种颜色的发光二极管。发声器件选用压电陶瓷，直径约为1525mm。光敏电阻亮一暗值选用50050左 右。 第三章工作调试 3.1 调试 元件正确焊接后，即可通电调试。首先用一根导线把ic3-3的输入端与vdd接通，使定时警暂时不工作。然后把保护器放在光线较弱处，调解rp，使vd2发光且报警器响。再把报警器放在光线较强处，调解rp1，使vd3发光且报警器响。最后将保护器移至光线正常出，此时vd1应亮且报警器不响。假如其他二极管也亮，则微调rp1或rp2，使只有vd1亮，这样反复调几次就可以了。调试好后把导线拆除，使定时器工作。如觉得定时器的时间太长或太短，可改变c1、r2的数值。时间t的计算公式为0.69*r2。4片数字电路安装时最好使用插座，这样焊接及更换均方便。3只发光管led1led3，超声波发射、接收头b1和b2以及光敏电阻rg均直接焊接在电路板上。安装b1、b2时需注意一下几点：（1）b1、b2外形相同，其中发射为t，接受为r，不能搞错。（2）b2有一引脚与外壳想通，安装时应该此脚接地，而另一脚与r1相连。（3）b1、b2相距应在810cm左右。检查元器件安装无误后，通电配合频率计进行调试。调试步骤如下：（1）微调电阻r8使ic3的9脚输出信号频率为3hz。（2）微调电阻r4使“非”门f2输出信号的频率为40khz，在用手置于超声波收发头前，让其反射超声波信号，此时led1应闪亮，bc应发出警报声。然后慢慢使手远离收发头，同时调节r2，使手到收发头的距离大于35cm时led1恰好熄灭。进行进一步调试时，如发现电路一通电led1就闪亮且bc发出警报声，这是“非”门f4f6组成的高增益放大器有自激现象，可先在ic1的电源端对地接0.1f的退耦电容试试，若无效可在“非门”f6两端并接一只几十pf的反馈电容。（3）光线报警调整应在暗室或晚间进行。调试时，若无照度表，可点亮一只15w的灯泡，将其置于光敏电阻上方30cm处，此时光照度约为1001x，调节r5使led2恰好熄灭为止。调试结束后，将整个调好的电路板置于一合适的小盒中，在小盒上方钻一个直径为8cm左右的小孔，将光敏电阻紧贴在圆孔下方，以便其能够很好的感光。小盒的背面再开一些小孔透声，并用胶将压电片固定 在该位置。整机需与写字台成40度角，以便使用者脸部反射超声波信号，使用时将视力保护器置于阅读的书本上方即可。一旦定时时间到，led3闪亮，此时应关掉电源开关。 参考文献： 1 cmos多功能视力保护器 电子世界 m 袁小翔 2006.52 视力保护器 家庭电子 m 袁小翔 2006.53 家庭电子杂社.家庭电子1998年合订本.1999.2.124 电子技术基础数字部分.j北京：高等教育出版社，2005.5 x电子工艺实习.成都：x，2003.1-236 x电子技术试验.成都：x，2005.1-207 电子线路设计实验测试第二版.武汉：华中科大出版社，2002.18 赵健.实用声光电及无线电遥控电路300例.m.北京：中国电力出版社，2005.9 全新实用电路集粹编辑委员会编著. 全新实用电路集粹.m北京：机械工业出版社，2006.56-7410 11 12 第 18 页总结本电路设计是基于超声波发射与接收技术的多功能视力保护器。在设计中具有如何有效的提高视力保护的作用。通过实践证明该视力保护器可行且可靠性良好，使用方便。本文期望通过该电子硬件的制作和理论的研究，能为后期进一步设计多功能视力保护器并采取合理措施提高