光电报警器教材

郑州科技学院《数字电子技术》课程设计题目光电报警器学生姓名专业班级学号院（系）电气工程学院指导教师袁玉霞完成时间2012年3月12日目录1课程设计的目的 12课程设计的任务和要求 13设计方案与论证 23.1设计方案 23.2设计论证 44设计原理及功能说明 45单元电路的设计 55.2数字显示 75.3声光报警 96硬件的制作与调试 136.1电路仿真 136.2电路板的设计 136.3电路板焊制 137总结 14参考文献 15附录1总体电路原理图 16附录2元器件清单 17附录：实物图 181课程设计的目的1学习总结基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤，进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的作用。学会使用仿真软件Mutisim绘制电路原理图以及对电路进行仿真。学习数字电路实物制作、调试、测试、故障查找及排除的方法和技巧。培养细致认真以及自己动手做实验的习惯。学会根据设计原理图进行PCB板排板，练习电路的焊接并能熟练掌握其焊接方法，使作品达到既实用又美观的效果。培养实践技能，分析和解决实际问题的能力。培养大学生对未来电子方面设计的兴趣。2课程设计的任务和要求此次我们组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。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。本次设计我们采用双光路结构，当任一光路被遮挡时，报警器便会发出间歇式声光报警；采用数码管显示被遮挡的路数，无报警数码管显示0；1路报警数码管显示1；2路报警数码管显示2；同时遮挡报警数码管显示3。采用5V电源供电。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，因此可以得到广泛的应用。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。3设计方案与论证3.1设计方案方案一该课程设计要求的系统可由图3--1所示的原理框图组成。报警电路比较器检波弱信号放大光接收报警电路比较器检波弱信号放大光接收光发射光调制图3--1方案一原理框图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显示电路和报警器。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报警保持电路该课程设计要求的系统可由图3--2所示的原理框图组成。数字显示模数转换声光报警器数字显示模数转换声光报警器光电转换光电转换图3--2方案二原理框图3.2设计论证由以上简述可知方案一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理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。而方案二只需要3个集成芯片，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的首要选择。4设计原理及功能说明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。由设计要求可知设计电路中应当含有光发射和接收装置，并且通过光电转换电路把光信号转换成电信号即通过红外线照射红外线接收二极管（以下简称“接收管”）使其输出高或低电平以控制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。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，此时由74LS247的两个引脚A、B与光电转换电路的接点处均为低电平，数码管显示为0，且由555芯片等构成的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。当图中一路或二路任一路光线被遮挡时，此处假设为二路，则D2处于导通状态，而D4处于截止状态，此时与引脚A相接的接点处为低电平，而与引脚B相接的接点处为高电平，数码管显示为2，由555芯片等构成的多谐振荡电路可以正常工作，报警部分会发出声光报警。当图中一路和二路光线均被遮挡时，则D2、D4处于导通状态，此时上述的两接点处均为高电平，数码管显示为3，由555芯片等构成的多谐振荡电路可以正常工作，报警部分会发出声光报警。5单元电路的设计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，设计电路如下图5--1所示。图5--1光电转换电路图小功率的发光二极管工作在电流为5mA-20mA范围内才能发光，根据欧姆定律，由R=U/I，U=5V，5mA<I<20mA，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250Ω-1000Ω之间，故在总电路图中可选用电阻R810=R=510Ω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R911=24KΩ。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D1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24KΩ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。74LS247为集电极开路输出的BCD——七段译码器/驱动器，主要用于驱动七段共阳数码管显示器，故而本次课程设计选用共阳型数码管。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--3图所示为74LS247管脚排列。图5--2七段数码管显示器(a)及显示的数字(b)图5--374LS247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）。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100Ω的电阻，以防止数码管被烧坏。74LS247与共阳数码管连接电路如下图所示图5—474LS247与共阳数码管连接电路图5--4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--5所示。图5--5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4--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。详细分析如下：①当A=0，B=0时，数码管显示为0；②当A=1，B=0时，数码管显示为1；③当A=0，B=1时，数码管显示为2；④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--6所示。图5—6NE555引脚排列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5--7所示。图5—7555构成多谐振荡器电路其中R12、R13和C1为定时电阻和电容，C2为电压控制端稳定电容。在信号的输出端产生矩形脉冲。多谐振荡器工作时输出端OUT波形如图5--8所示。图5--8多谐振荡器输出端波形图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--9所示。该图中可以通过调节可变电阻R14的大小来改变蜂鸣器的鸣叫频率。图5--9以555为核心的声光报警电路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，所以可以将光电转换电路与74LS247的两管脚A.B相连的两接点通过2输入或门电路连接至NE555的1号引脚。当原理图中光电转换电路与74LS247的两管脚A.B相连的接点处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。或门74LS32的引脚图如图5--10所示图5--10或门74LS32引脚排列图6硬件的制作与调试6.1电路仿真图6-1电路仿真图6.2电路板的设计此部分考察同学们的整体设计能力，要求根据电路原理图进行PCB板排线，符合用电要求。6.3电路板焊制开始从烙铁架上拿出电烙铁时，以45度靠近焊接面进行预热，然后将焊锡丝同时伸向被焊的组件脚及焊盘，一起接触被焊处；当焊锡丝融化，想焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与组件脚，当焊点上焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝。在焊锡完全溶化后移去烙铁头。如果焊点有连焊，将焊锡线与烙铁头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起溶化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移去，移去多余的焊锡。焊点的标准是：焊点成锥形，焊锡要适量，表面有光泽，光滑，清洁等。调试：初步检查电路板，用表笔查看是否有虚焊等情况。在上一步的基础上，用表笔查看元件正负极有无接反。注意观察红外线发射端和接收端的位置是否达到要求的位置，是否有被挡住或者离得远导致接收端接收到的信号弱而不能达到实验要求。7总结完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的一些基本知识及一门专业仿真软件的基本操作和应用，还提高了自己的设计能力及动手能力。更多的是让我看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，而不只是懂得一点皮毛。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。实训过程中，我们也学习了如何辨认元件，如何区分电容，二极管正负极检测，如何使用元件，理解分析电路，设计电路的步骤，怎么去分析电路和如何用计算机