电子技术课程设计-光电式报警器.docx

光电式报警器 学号：2011011926 电子技术课程（设计）全套设计加扣3012250582 题 目： 光电式报警器 学院(系)： 水利与建筑工程学院专业年级： 电气112班学生姓名： 指导教师： 成 绩：完成日期： 2014年1月目 录摘要.31 引言.42 设计任务及要求.33系统设计方案选择.3 3.1 方案一.3 3.2方案二.44系统组成及工作原理.4 4.1 系统组成.5 4.2 工作原理.55 单元电路设计、参数计算、器件选择.6 5.1光电转换.6 5.2数字显示.7 5.3声光报警.126 仿真原理图与仿真结果.16 6.1 仿真原理图 .16 6.2仿真结果.177 PCB原理图与PCB板图.17 7.1 PCB原理图.17 7.2 PCB板图.178 实验调试过程与测试结果分析.179 结论.19参考文献 .19附录.19 附表一 元器件清单.19 附图二 工作总原理图.21 附图三 PCB图.22光电式报警器摘 要：本文设计了一种光电式报警器，该报警器通过使用红外线发射二极管和红外线接收二极管等感光器件组成的光电转换电路，可以探测出光线是否被遮挡的信息，并通过把光信号转换成电信号来把这种信息传递至后面的数码显示电路和声光报警电路，以实现控制数码管的显示与报警器报警的功能。其中声光报警部分通过555定时器组成的多谐振荡器来控制蜂鸣器发出鸣叫声和发光二极管发出光亮来代替声光报警效果。整个设计利用了部分数字逻辑电路，能实现在报警过程中同时显示对应路数的功能。并且该报警器的设计采用模块化结构，共有三个模块，即：光电转换模块、报警模块以及显示模块。各单元电路功能结构相对独立，可扩充性强，具有很高的经济利用价值。关键字：光电转换；间歇报警；数码显示1 引言报警器是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果，以声音、光、气压等形式来提醒或警示我们应当采取某种行动的电子产品。报警器(alarm) ，分为机械式报警器和电子报警器。随着科技的进步，机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替，经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，与社会生产密不可分。随着社会上各行各业的蓬勃发展，报警器已经在人们的日常生活中得到了广泛的应用，如汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及各行业安全系统中，几乎无一例外地使用了报警器电路。随着社会科学技术的迅速发展，人们对报警器的性能提出了越来越高的要求。然而传统的触摸式、开关式报警器等，虽然具有性能稳定、实用性强特点，但是也具有应用范围窄等缺点，而且安全性能也不是很好。光电报警就很好的改善了这点。如今，光电报警器已经广泛应用到工农业生产、自动化仪表、医疗电子设备等领域。本实验的设计借助于模拟电路和数字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强。电路简单容易实现，工作稳定，因此可以得到泛的应用。本文设计的光电报警器是光电二极管和报警器的灵活结合，它可以运用到各种生产线上，如博物馆里的防盗系统，并提示物品被盗地点，安全性能高，节约了人力资源 ，并且不易出错；还能运用到其它人力不能监测的环境。显而易见，光电报警器的运用能延伸到社会的各个行业。 2 设计内容及要求(1)采用双光路结构，当任一光路被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警；（2）采用数码管显示被遮挡的路数，无报警显 0，1 路报警显 1，2 路报警显 2，同时遮挡报警显 3；（3）采用 5V 电源供电主要参考元件:光耦，NE555，74LS32，74LS247。3 系统设计与方案选择方案一 :该课程设计要求的系统可由图 2-1 所示的原理框图组成。 图 3-1 原理框图组成 由电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制电流，使发光管发出红外调制光，在一定距离以外用光电二极管接收调制光。由于题目要求用实验室所提供的 5V 电源，转换后的信号比较弱，需经过放大才可以带动后续电路，所以电路中要有信号放大电路系统。放大的信号经过检波处理后控制报警器，总的实验电路可以在使用时详细设计。分析可知该方案中需要用到以下电路： (1)多谐振荡器电路 (2) 信号放大电路 (3)检波电路、电压比较电路 (4) 报警保持电路 可见实现该方案需要经过信号放大器、比较器、检波器，至少需要用到包括 555 芯片和集成运放在内的 5 个集成芯片。并且根据此方案做课程设计原图，设计起来较为复杂，所用原器件也比较繁多，电路仿真时也会有诸多麻烦，由此可见实现题目要求有较大的困难。 方案二: 第二方案电路图如附录中电路总图所示。分析可知该电路图结构较为简明扼要，共有三个模块组成，各模块单独作用各司其职，相互之间影响较小，且以模块为电路单元在设计上显得更为合理，单独模块设计电路较为方便，模块设计好之后只需把各模块适当的连接到一块即可，这样在实际焊接时步骤更为清晰明了，不易出现错误。该方案中主要用到以下电路： (1)多谐振荡器电路 (2) 报警保持电路 由于集成芯片只需要 3 个，且原理图设计简单易懂，系统功能便于实现，显而易见实现该方案较为简单，与方案一作比较可以确定此方案为本次课程设计首要选择。4 系统组成及工作原理根据课题设计要求，报警器电路系统框图由以下部分组成数字显示模数转换声光报警器 光电转换4.1 系统组成 本次课程设计总电路图由三大模块组成，即：光电转换模块、数字显示模块、声光报警模块。通过红外线照射红外线接收二极管（以下简称“接收管”）使其输出高低电平以控制 74LS247 和数码管电路显示数字说明是哪路被遮挡，同时由本次课程设计总电路图由三大模块组成，即：光电转换模块、数字显示模块、声光报警模块。通过红外线照射红外线接收二极管（以下简称“接收管”）使其输出高低电平以控制 74LS247 和数码管电路显示数字说明是哪路被遮挡，同时由以 555 为核心的报警器电路发出间歇式的声光报警。4.1.1 光电转换 D1和D3为红外线发射二极管（以下简称“发射管”），正常工作 时可以发出红外线，而 D2和D4为接收管，当被红外线照射时处于导通状态，不 被照射时处于截止状态，发射管和接收管结合可以实现把光信号转换为电信号的 功能。4.1.2 数字显示 数字显示部分由集成芯片 74LS247 和共阳数码管组成，当 74LS247 的 BCD码输入端接至不同的电平时，可以使数码管显示不同的数字，本课程设计的光电报警器会使数码管显示出 0、1、2、3 四个数字。4.1.3 光电报警 核心电路为由 555 定时器组成的多谐振荡器，振荡器输出端为高低电平交替出现的矩形方波，在输出端接上蜂鸣器和发光二极管之后，当光电转换部分有光线被遮挡时，数码管会显示 1、2、3 中的一个数字，同时光电报警部分都会发出间歇式的声光报警。4.2 工作原理 当图中一路和二路均无光线遮挡时，D2、D4由于分别被D1、D3发出的红外线照射，而处于导通状态，此时 A、B 两点均为低电平，数码管显示为 0，而且多谐振荡电路不能正常工作，故而报警部分不会发出声光报警。而 D4 处于截止状态，此时 A 点为低电平，而 B 点为高电平，数码管显示为2，多谐振荡电路可以正常工作，报警部分会发出声光报警。24高电平，B 点也为高电平，数码管显示为 3，多谐振荡电路可以正常工作，报警部分会发出声光报警。5 单元电路设计、参数计算、器件选择5.1 光电转换 光电转换模块可以以红外线发射管和红外线接收管为核心设计而成。发射管在外加电压下可以发射出红外线，这种红外线可以被接收二极管接收。一旦接收管受到红外线照射，就会处于导通状态，否则处于截止状态。故而两种二极管通常会结合起来成对使用。由于设计要求有两路光，故需要用到两对光电二极管， 设计电路如图4-1所示。 图5-1 光电转换电路小功率的发光二极管工作在电流为 5mA20mA 范围内才能发光，根据欧姆定律，由 R=U/I，U=5V，5mAI20mA，计算可知与红外线发射二极管（以下简称“发射管”）串联的电阻值应该在 2501000之间，故在总电路图中可选用电阻R8，R10 =510的电阻。接收管要串联一个电阻值较大的电阻以防止被击穿，可以令R 9，R 11 =24K。当图中发射管 D1 发出的红外线被接收管 D2 收到时，D2 处于导通状态， 由于 D2 正极直接接地，则 A 点即为低电平；如果在 1 与 D2 之间放置遮挡物，如一张卡片，则 D1 发出的红外线不会被 D2 收到，即相当于D接收管 D2 未被红外线照射，此时 D2 处于截止状态，由于 A 点通过 24K的电阻接至+5V 电源，故相当于高电平。同理可知 B 点亦是如此。这就有了高低电平的输出来控制后面的数字电路部分，实际上这部分是实现了把电信号转换成数字信号的功能。5.2 数字显示 由于题目中要求能显示光线被遮挡的路数，故而考虑使用数码管，并结合74LS247 芯片共同实现这一功能，下面介绍如下： 显示译码器主要由译码器和驱动器组成，常集中在一块芯片上，输入一般为二十进制代码，其输出的信息用于驱动显示器件，显示出十进制数字来。图 5-2(a)图所示为由七段发光二极管组成的数码显示器的外形。 图5-2(b)图所示为利用字段的不同组合，分别显示出的 0-9 十个数字 图 5-2 七段数码管显示器(a)及显示的数字(b) 液晶是液态晶体，它既具有液体的流动性，又有某些光学特性的有机化合物其透明度及颜色受外加电场的控制，可做成受电场控制的七段液晶数码显示器，将液晶的 7 个电极做成 8 字形，则只要在 7 个电极上按七段字形的不同组合加上电压，便可显示出相应的数字。七段数码管显示器共有两种，即共阳数码管和共阴数码管，其内部结构如图 5-3 所示： 图 5-3 半导体数码显示管的内部结构 图 5- -4 74LS247 引脚排列图 各引脚功能如下： A、B、C、D 译码地址输入端 BI / RBO 消隐输入（低电平有效） 脉冲消隐输出（低电平有效） LT 灯测试输入端（低电平有效） RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效） (a-g) 输出（低电平有效）74LS247与共阳数码管连接电路如图5-5所示。 图5-5 74LS247驱动共阳数码管电路芯片74LS247是驱动共阳数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加7个100的电阻，以防止数码管被烧坏。图4-5中74LS247的A、B、C、D为BCD码输入端，当输入不同的BCD码时，可以让共阳数码管显示0-9之间不同的数字，显示真值表如图5-6所示。 图 5-6 数字显示真值表 由于本次设计题目要求数码管能根据光线遮挡与否分别显示0、1、2、3，为满足此要求，可以将图4-1中A、B端点分别连接至图5-5中74LS247的译码地址输入端A、B，令C、D输入端对应的2、6脚接地即可。此后详细分析如下： 当A=0，B=0时，数码管显示为0； 当A=1，B=0时，数码管显示为1； 当A=0，B=1时，数码管显示为2； 当A=1，B=1时，数码管显示为3。5.3 声光报警 由于题目要求实现间歇式声光报警，故而可以选用 555 定时器构成多谐振荡电路实现该功能，多谐振荡电路输出为高低电平交替出现的矩形脉冲，很容易实现报警要求。首先介绍 555 定时器的结构功能如下：555 定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能够方便构成多谐振荡器、单稳态触发器等多种应用电路。因使用灵活、方便，在工业控制、定时、检测、报警等方面都有很广泛的应用。NE555 引脚排列如图 5-7 所示。 图 5-7集成电路 555 引脚图NE555 各引脚如下： 1 脚是电路接地端 GND； 2 脚是低触发端 TRIG； 3 脚是输出端 OUT； 4 脚是主复位端 R，只有复位端接至高电平时多谐振荡器才能正常工作； 5 脚是控制电压端 Uc； 6 脚是高触发端 THR； 7 脚是放电端 DIS。 8 脚是正电源端 Ucc，工作电压范围为 5-18V。555 构成多谐振荡器电路如图 4-8 所示。 其中 R1、R2 和 C 为定时电阻和电容，C1 为电压控制端稳定电容。在信号的输出端产生矩形脉冲，其振荡频率为 f 1.44/( R12R2 )C (Hz) 图 5-8 集成芯片 555 构成的多谐振荡器多谐振荡器工作时输出端 OUT 波形如图 5-9 所示 图 5-9 多谐振荡器输出端波形其中T1=0.69( R1+R2）周期T= T1+T2=0.69R1+2R2）C （s）输出脉冲占空比为q=T1/T=( R1+R2) /( R1+2R2)根据总电路图，多谐振荡器可根据T=0.69( R12+2R13)C(s)来确定蜂鸣器鸣叫周期 ， 其中鸣叫时间为 T2=0.69R13C (s)由此可知，在多谐振荡器的输出端接上蜂鸣器和发光二极管即可实现间歇式声光报警功能，具体电路如图 5-10 所示。该图中可以通过调节可变电阻 R 1的大小来改变蜂鸣器的鸣叫频率。在多谐振荡器的输出端接上蜂鸣器和发光二极管即可实现间歇式声光报警功能，具体电路如图 4-10 所示 图 5-10 以555为核心的声光报警电路设计时选择主电路图中R12为可变电阻，最大阻值为 5K， R13=2K，电容C1为电解电容，容值为 220F。则由T=0.69( R12+2R13)C计算可知蜂鸣器鸣叫周期在 T=0.60721.3662s）之间，由于间歇时间为T2=0.69R13C0.3036（s），故鸣叫时间T1=T - T1 ，在 0.30361.0626（s）之间。由于题目要求当任一光路被遮挡时，报警器就得发出间歇式声光报警，为满足此要求，可以将图 4-1 中 A、B 端点通过 2 输入或门电路连接至本节图5-10中 NE555 的 4 号引脚。或门 74LS32 的引脚图如图 5-11 所示。 图 5-11 或门74LS32 引脚排列图 当图 4-1 中 A、B 两点至少一点为高电平时，通过或门输出的才为高电平，再把此高电平连至 NE555 的 4 脚复位端，由于 NE555 的复位端只有在接了高电平时才能正常发出声光报警，故可以实现题目要求的功能。6 系统仿真6.1 仿真原理图电路的仿真原理 图5-1 仿真原理图6.2 仿真结果下图为仿真结果，仿真开始时， 当图中一路被光线遮挡时，D4由于分别被D3发出的红外线照射，而处于导通状态，此时 A为高电平、B 两点均为低电平，数码管显示为 1，并且蜂鸣器发出警报。 图5-2 仿真结果图7 PCB原理图及PCB板图7.1 PCB原理图PCB原理图见附录3。7.2 PCB板图件PCB板图件见附录4。8实验调试过程与测试结果分析 整个课程设计工作原理比较简单，基本电路设计好之后，为防止由于考虑不够周到而导致错误出现，故而焊接之前在实验室中用实验箱进行了仿真，仿真结果和课题要求合，说明电路设计部分没有问题，可以开始着手焊接。由于之前做过类似的焊接工作，对于焊接时要注意的问题都很清楚，又加上对整个电路图的各个部分了然于胸，所以用了一个下午的时间就把光电转换部分数码显示部分焊接完成，由于三个模块相互独立，虽然声光报警部分尚未焊接，此时也可以完成部分功能，当接上 5V 电源后数码显示部分可以正常显示，这说明光电转换部分和数码显示部分没有问题。之后又用了半天的时间把剩下的声光报警部分焊接完成，整个电路就算焊接完成了。此时接上+5V 电源，发现出现了小问题：当用硬卡片遮挡 2 路时，数码管显示为 2，报警器可以发车声光报警；当一路二路同时遮挡时，数码管显示为 3，报警器也可以发车声光报警；而遮挡 1 路时，数码管可以显示为 1，但报警器部分却没有反应，即不会发出应有的声光报警。对该问题进行分析：数码管显示部分可以正常工作，且二路被遮挡时报警器也能工作，说明报警模块的多谐振荡器没有问题，由于或门 74LS32 的输入端的2 脚和总电路图中的 A 点相连，很可能 74LS32 的输入端的 2 脚焊接时出现问题。后用万用表测量 74LS32 输入端 2 脚的电压，发现不论一路遮挡与否，1 脚的电压始终为 0，说明前面的分析是正确的；再对整个电路板进行排查后发现，2脚并没有焊接在总电路图中的 A 点，而是接在了接收管 D2 的正向输入端，这样相当于 2 脚直接接地了，故而会出现如前所述的问题。把 74LS32 的 2 脚重新焊接后再接上+5V 电源，整个电路板可以正常工作，并且调节可变电阻的阻值可以改变蜂鸣器的鸣叫频率。 测量光电报警器工作时电路板上对应的总电路图中 A、B 两点以及 74LS32 输 出端 3 脚的电压如下： 当一路二路光线均未被遮挡时，A、B两点的电压均为0.03V 左右， U0 0.08V，说明 A、B 两点及 3 脚均为低电平； 当一路二路光线都被遮挡时，A、B两点的电压均为3.6V 左右， U04.1V，说明 A、B 两点及 3 脚均为高电平； 当只有一路光线被遮挡时， UA 3.6V， UB 0.03V， U0 4.1V，说明 A 点及 3 脚为高电平，B 点为低电平； 当只有二路光线被遮挡时，UB3.6V，UA0.03V，U04.1V，说明 B 点 及 3 脚为高电平，A 点为低电平。 将以上测量结果与前面的原理分析对比可以发现，实际部分与原理部分是相吻合的，说明电路整个设计完全正确。9 结论 通过本次光电报警器的设计，使我对光电知识的实际应用有了更深刻的理解和体会，这次课程设计，不仅提高了我的动手能力,使我对设计的整个流程有了一定的了解，更使我了解到了光电知识应用的广泛性和前景。设计的成功，极大的提高了的我的自信心，促进了我对光电的学习兴