光电式报警器.doc

_电子课程设计报告题目： 光电式报警器 姓 名： 叶文辉 专 业： 电子信息工程 班级学号： 07041130 同 组 人： 洪振昊 指导老师： 胡硕臻 南昌航空大学电子信息工程学院2009年9月12日电子信息工程学院电子基础课程设计任务书I、电子基础课程设计题目：光电式报警器II、电子基础课程设计技术要求及主要元器件：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LED显示被遮栏的路数，无报警显0，l路显1，2路显2，同时遮挡显33、采用5V供电主要参考元器光耦，555,74LS08，74LS247III、电子基础课程设计工作内容及进度安排： 2天 查阅资料、确定方案 ； 6天 设计调试； 2天 写报告。 、主 要参考资料： 【1】王毓银.数字电路逻辑设计.北京:高等教育出版社.2005【2】彭介华.电子技术课程设计.北京：高等教育出版社.2003. 【3】谢自美.电子线路设计实验测试(第二版) .武汉： 华中科技大学出版社.2004. 专业名称：电子信息工程班级学号：07041130学生姓名：叶文辉指导教师：胡硕臻设计时间：12周 系(部、中心)主任：摘要报警器的应用非常广泛。在汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及家庭保安系统中，几乎无一例外地使用了报警器电路。本文设计了一种光电式报警器，该报警器通过感光器件把光信号转换成电信号，控制数码管的显示以及报警电路。利用了部分数字逻辑电路，实现能在报警过程中实现对应路数的显示功能。该报警器的设计采用模块化结构，有三个模块即光电转换模块、定时模块以及显示模块组成。各模块功能独立，可扩充性强，很有经济利用价值。光电报警器的使用简单，可靠性高，人们在日常生活中可以将光电报警器广泛的利用在很多领域，来提高自己的生活的安全度。关键词：光耦，或门，555多谐振荡，光电转换，声光报警目录前 言 4第一章 基本设计要求51.1 基本设计任务及要求51.1 提高设计任务及要求5第二章 电路设计原理6一 基本电路设计2.1系统工作原理及其组成62.2设计方案比较和选择 62.3元器件介绍 72.4单元模块2.4.1 光电转换模块 112.4.2 数字显示模块 112.4.3 声光报警模块 122.5 电路总体设计 13二 提高要求设计2.6系统工作原理及其组成 152.7元器件介绍 152.8单元模块2.8.1计数器模块设计设计 172.8.2数字显示模块 172.9电路总体设计 18第三章 电路焊接与调试 20第四章 实验结论 22参考文献 23附录 24前言脉冲与数字电路是一门非常重要的专业基础课程，它具有很强的学术性、趣味性，脑力的要求和智力的要求都很高。为了加强学生的动手能力和实际操作能力和实验设计分析能力，巩固学生对这门课程知识的掌握，学校特别开设了数字电路课程设计这门课程，这对我们以后的学习和工作都有很大的好处和帮助，所以这次课程设计的意义非常大。本次课程设计的题目是“光电报警器”。报警器的应用非常广泛。在汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及家庭保安系统中，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。传统的报警器通常采用触摸式、开关报警器等。这类报警器具有性能稳定、实用性强等特点，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，因此得到了广泛的应用。由于作者的知识水平有限以及时间仓促，因此内容中难免颇多纰漏，还请老师给予批评指正，笔者将不胜感激。第一章基本设计要求1.1 基本设计要求1.设计双光路结构，当任一光路被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警。2.数码管显示被遮挡的路数，无遮挡时数码管显0，1路被遮挡时数码管显1，2路被遮挡时数码管显2，同时被遮挡时数码管显3。3电压为5V。参考元件：光耦（H92B4）对管，555，74LS32，CD4511，数码管 ，蜂鸣器，发光二极管。1.2 提高要求1.设计两位数码显示计数器，对报警的次数计数，并且数码显示。2.具有清零功能。3.电压为5V。 参考元件：74160, CD4511, 数码管，按键开关，二极管（IN4148）。第二章 电路设计原理一 基本设计电路原理2.1系统工作原理及其组成本设计首先接通电源通过光耦将光信号转化成电信号。输出的信号通过74LS247译码器使共阳数码管显示不同的数字，通过74LS32或门驱动555定时器构成的多谐振荡电路使蜂鸣器和发光二极管发出间歇式声光报警。光控电路光控电路显示译码数码显示触发信号多谐振荡声光报警 图2.1 工作原理框图2.2设计方案比较和选择 方案一：接通电源通过对管的发送和接收，输出高低电平，通过CD4511译码器使LED显示不同的数字，再由74LS32或门和555多谐振荡器来实现有选择的间歇式光电报警器。图2.2.1当接通电源的时候，发光管发出红外光，接收管导通，从A点输出低电平，当有东西遮在两个管子中间时，接收管断开，从A点输出高电平，见图2.21。方案二：接通电源通过光耦的导通和断开，输出高低电平，通过CD4511译码器使LED显示不同的数字，再由74LS32或门和555多谐振荡器来实现有选择的间歇式光电报警器。图2.2.2当接通电源的时候，光耦内部的光敏三极管导通，从B点输出低电平，当有东西遮在光耦的U型槽中时，光敏三极管断开，从B点输出高电平，见图2.2.2。比较上述两种方案，都是将光信号转化为电信号输出高低电平，经过译码器驱动数码管显示不同的数字，同时通过输出的高低电平经或门来控制555构成的多谐振荡器。主要不同之出就在于光电转换电路的选择，经过实验检测第一种方案输出的高电平比较低，致使数码管的亮度不是很高，要加个放大电路才能增加数码管的亮度，而第二种方案却不用加放大电路。虽然光耦的成本比对管高一些，但是实验电路和步骤较简单，而且光耦的发射和接收都在一个器件中灵敏度比对管要高，综合来看，选择第二种方案。2.3元器件介绍 1 光耦（H92B4）：光耦原理图见图2.3.1。本次实验提供的光的型号为H92B4，该光耦是由发光二极管和光敏三极管构成的，有4个管脚。当光敏三极管接收到二极管发射的光时，其工作在饱和导通状态，当光敏三极管无法接收到二极管发射的光时，三极管工作在截止状态。1和4 脚接电源，并要加限流电阻。图2.3.1 2.或门（74LS32） 74LS32管脚图如图2.3-2所示 图2.3-2：74LS32管脚图74LS32为四2输入或门。实现逻辑为：Y=A+B其中A，B为输入端，Y为输出端，GND为电源负极，VCC为电源正极3.译码器（74LS247） 74LS247管脚图如图2.3-3所示：图2.3-3：74LS247管脚图74LS247为BCD七段译码器/驱动器，低电平时有效。集电极开路输出直接驱动显示器；有灯测试装置；前沿/后沿零熄灭；能调节灯光强度；耐压为15V。4.数码管数码管分为共阳数码管和共阴数码管。发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。7段LED数码管在一定形状的绝缘材料上，利用单只LED组合排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出0-9的数字。LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。图2.3-4为数码管的内部结构。 图2.3-4：数码管内部结构本次课程设计使用的为共阳数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳?找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。5555定时器555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。图2.3-5为555定时器的内部结构及管脚排列。图2.3-5：555定时器内部结构（a）及管脚排列（b）555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平2.4单元模块2.4.1 光电转换模块光电转换的电路见图2.22。由于发光二极管的工作电压大约在2.5V左右，工作电流大约在4到10mA左右，并且电源电压为5V，所以R3=（5V-2.5V）/（4mA10mA）=250625，设计中选了240限流电阻，选510限流电阻也可。三极管有放大作用，所以集电极的电流较大，所以要加一个阻值较大的电阻R4作为限流电阻，因此选择了20K电阻。当接通电源的时候，发光管发光，光敏三极管的基极电流增加，发射结的电压增大，当之超过三极管的导通电压（一般为硅管为0.7V，锗管为0.3V左右）时，三极管就会导通，当基极电流继续增加时，三极管会饱和导通，此时三极管相当于工作在开关的闭合状态，B点相当于直接接地，所以B点输出为低电平“0”。当一旦有东西遮在发光管和光敏三极管中间时，三极管的发射结电压降低，达不到它的导通电压，三极管截止，此时相当于工作在开关的断开状态，B点电势接近电源电压即为高电平“1”。2.4.2数字显示模块2.4.2此模块由74LS247及共阳数码显示器组成，74LS247驱动共阳数码显示器工作。74LS247的2，6脚因无输入，故接低电平，3，4，5脚接高电平，而1,7脚则与光电转换模块中光敏三极管输出的连接。此时74LS32正常工作，驱动共阳数码显示器工作，以显示数字0到3。2.4.3声光报警模块2.4.3根据设计要求要发出间歇式的声光报警，声音报警选择蜂鸣器，光报警选择发光二极管。要能发出间歇式的报警，肯定要求驱动蜂鸣器和发光二极管的信号为稳定的方波，即为有固定周期的高低电平，所以采用由555构成的多稳态触发器。间歇式报警的周期可以根据555多稳态触发器周期的算法T=0.7*（R5+2R6）*C1（公式2.4.31）但是周期选择得太大的话，间歇的时间太长，周期太小的话，人耳无法感觉出有间歇，一般人耳的间歇感知度为0.1s，所以R5、R6选得大一点分别取200k和100k，C1适中取1uF，间歇报警的周期为0.7*（200k+100 k*2）*1uF=0.28s,频率约为1/0.28s=3.5Hz。电容C2是用来滤波的，所以选得小一点更有利于将交流引入大地，因而取C2=0.01uF。由于设计的要求是有时需要报警电路工作，有时不需要报警，所以可以用前级电路的输出电平来控制555定时器的复位端即4端口。当4端输入高电平的时候，声光报警器工作；当输入低电平的时候，声光报警器不工作2.5电路总体设计2.5.1电路总体设计电路图见图2.51。根据设计要求没有光路被遮挡时数码管显示0，光路1被遮挡时数码管显示1，光路2被遮挡时数码管显示2，两条光路都被遮挡时数码管显示3，所以可以得到一真值表见表2.51。 表2.51DADBAB0000010110101111根据真值表可以得到DA=AB+AB=A，DB=BA+BA=B，所以直接将A与DA相连，B与DB相连即可。当两条光路中有一条或全部被遮挡住时，就发出声光报警，即两条光路中只要有一条输出为“1”时555的4端口就输入“1”，可以根据此要求列出真值表见表2.52。表2.52ABC000011101111根据真值表可得C=A+B，所以在A、B与C之间用或门74LS32来连接。综上所述，电路设计完毕。二 提高要求电路原理2.6系统工作原理及其组成计数器计数计数脉冲显示译码数码显示图2.62.7元器件介绍1集成计数器74LS160 本实验所用集成芯片为异步清零同步预置四位8421码10进制加法计数器74LS161，集成芯片的各功能端如图所示，其功能见附表。RD LD ET EP CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 D C B A D C B A 1 1 0 保 持 1 1 0 保 持 1 1 1 1 计 数74LS160功能表123456789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CO图2.7.174LS160为异步清零计数器，即端输入低电平，不受CP控制，输出端立即全部为“0”，功能表第一行。74LS160具有同步预置功能，在端无效时，端输入低电平，在时钟共同作用下，CP上跳后计数器状态等于预置输入DCBA，即所谓“同步”预置功能（第二行）。和都无效，ET或EP任意一个为低电平，计数器处于保持功能，即输出状态不变。只有四个控制输入都为高电平，计数器（161）实现模10加法计数，Q3 Q2 Q1 Q0=1001时，RCO=1。2译码驱动器CD4511图2.7-2所示为CD4511引脚图。其中A-D为BCD码输入端；a-g为译码输出端，输出“1”有效，来驱动共阴数码管；=0时，译码输出全为“1”； 为消隐输入端，=0，译码输出全为“0”；LE为锁定端，LE=1时译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。CD4511内接有上拉电阻，故只需要在输出端于数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。图2.7.23.触发器74LS7474LS74是边沿型双D触发器，时钟CP上升沿有效，即触发器初态和次态按CP的上升沿划分。74LS74的引脚如图2.7.3，D触发器功能见附表。图2.7.34.与非门74LS00是四2输入与非门2.7.42.8单元模块2.8.1计数器模块设计设计图2.8.1图2.8.1第一片的进位输出C作为第二片的EP和ET输入，每当第一片计成9（1001）时C变为1，下个CLK信号到达时第二片为计数工作状态，计入1，而第一片计成0（0000），它的C端回到低电平。第一片的EP和ET恒为1，始终处于计数工作状态。2.8.2数字显示模块图2.8.2此模块由CD4511及共阴数码显示器组成，CD4511驱动共阴数码显示器工作。只要将计数器的输出接到CD4511的BCD码输入端，即能驱动数码管显示（注意高地位）2.9电路总体设计图2.9电路总体设计如图2.9根据设计要求，每当来一个计数脉冲时，计数器计一次数，计数范围是099，并且电路具有清零功能，当按键开关按下时，即给计数器异步清零。考虑到计数器位数只有2位，所以增加了一个模块，当计数到超过99次以后，该模块点亮绿色发光二极管做指示灯，清零后二极管也会熄灭。即由74LS00与74LS74构成的部分。制作过程中由于门延时的影响导致了发光二极管不能正常点亮与熄灭，为不增加使用元器件，所以多加了两级与非门解决这个问题。第三章 电路焊接与调试1 焊接注意要点由于本次的设计是按照不同的模块来分别设计的，所以在焊接的时候也应该按照不同的模块来焊接和安装。每焊接完一个模块都要进行调试，只有当调试结果对了，才能进行下一步的焊接工作。不要把所有的电路全部焊接完了再进行调试，否则如果出现问题将会很难查出来，而且还会给修改电路带来不必要的麻烦。焊接前要根据电路在电路板上对元器件进行合理的布局。焊接过程中要注意焊接的操作要点和注意点。芯片的管脚要正确读取，接电源的管脚和接地的管脚不搞反了。万能板上的电源线和地线要分清楚，焊接时千万不要搞错了。当用到导线时，线要尽量地贴板走。在焊接芯片插座及其它电路时，一定要将芯片从插座上拔离，防止烧坏芯片。焊接完后的长出来的管脚和导线一定要全部剪掉，以防相互碰到造成电路的混乱。安装元器件时，尤其是芯片的安装一定要注意芯片管脚和插座管脚要相互对应起来，不要插反了。有些元器件有正负两端，有些有三个端比如三极管，要知道如何正确读取其管脚。数码管的两个公共端要分别接电阻后再接地，不要把两个公共端连在一起共用一个限流电阻。2 调试要点1.基本设计电路调试调试用到的仪器有：数字万用表、5V直流稳压电源。调试分模块进行调试第一步 将光电转换部分焊接完毕后，接通电源，用数字万用表分别测试挡光和不挡光A、B两点的电压，第一次测试结果是挡光和不挡光的电压值都一样，这说明电路出现了问题，关闭电源，用万用表的蜂鸣档检查电路是否有短路和断路的地方，结果没有，然后又检查了是否将电路焊错了，器件管脚是否搞错了，仔细一检查才发现是将光耦中光敏三极管的发射极和集电极搞反了，将电路改正后再次用万用表测试，结果是不挡光时A=B=0.25V，挡光时A=B=4.7V，符合高低电平的要求，可以焊接下一个模块。第二步 将数码显示部分的译码器和数码管焊接完毕后，一接通电源，数码管就显示0，用纸片遮挡住光路1，数码管显示1，遮挡住光路2，数码管显示2，同时遮挡，数码管显示3，符合设计要求，说明数码显示这个模块没有出现问题，可以焊接下一个模块。第三步 将74LS32和光电报警部分焊接完毕后，接通电源，声光报警部分不工作，用纸片遮挡住光路1，发出间歇式声光报警，遮挡住光路2，也发出间歇式声光报警，同时遮挡，同样能发出间歇式声光报警，符合设计要求，这部分也没有出现问题，所有电路全部焊接调试完毕。最后调试成功后的电路实现的功能为： 1.当任一路光被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警。2.LED显示被遮挡的路数，无报警显0，1路显1，2路显2，同时遮挡显3。2.提高设计电路调试调试用到的仪器有：数字万用表、5V直流稳压电源、函数信号发射器。第一步 将计数部分焊接好后，接通电源，利用函数信号发射器发生脉冲计数信号，计数频率为1秒，用万用表观察计数输出情况，若计数器工作正常则继续下一模块的焊接，否则检查电路，检查出错原因。第二步 将驱动译码器和数码管焊接完毕后，将计数器的输出接至译码器的输入，接通电源，给计数器加计数脉冲，若数码管能正常显示计数，则可继续下一步焊接。第三步 按照电路图焊接计数溢出指示灯模块，接通电源，接上计数脉冲，按复位键，若计数超过99指示灯不亮，则说明电路连接有问题或者遇到其它问题。最后调试成功后的电路实现的功能为：1.设计两位数码显示计数器，对报警的次数计数，并且数码显示。2.具有清零功能。3.具有技术溢出指示功能3.两个电路的链接调试要点将计数电路与报警电路连接起来，报警电路每报一次警就给计数电路一次计数脉冲，这样才能将两部分电路很好的衔接，其中报警电路能不能提供稳定的脉冲信号时关键。观察电路，报警电路在不报警时显示“0”，报警时显示“1” “2” 或者“3”，发现其中驱动译码器的F输出在不报警时是低电平（点亮），报警时就是高电平（熄灭），所以选择驱动译码器的F输出做为计数电路的脉冲信号。第四章 实验结论在这次课程设计中，通过对“光电报警器”的设计、安装以及调试，笔者从中学到了不少知识。在做这个题目的过程中，笔者和搭档一起查资料、学习、设计。这些必要的准备工作完成后，又一起安装电路、焊接电路、测试改进、分析问题。最后得出了比较满意的结果。本次实践中，进一部