视力保护器课程设计.docx

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视力保护器课程设计

视力保护器的设计

[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收的超声波信号进行调制输出，所采用的是纯硬件电路，且分别对超声波接收与发射、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

前言

目前，青少年视力低下，已成为国内外共同关心的公共卫生问题。

资料显示，我国小学生视力低下率为 26.96%，初中生 53.43%，高中生 72.8%，大学生 77.95%。

特别是调查显示 50%以上的学生及家长缺乏视力保健最基本的科普知识，不懂得“近视与盲只差一步”的危害性，因而有 41.6%视力低下的学生并未采取任何矫正措施，并且缺乏专业机构的治疗。

因此设计一个视力保护器用来保护视力是由为重要的。

此设计基于实验室现有的硬件平台，主要实现多功能视力保护器的硬件开发与设计，并完成相应的硬件制作。

其研究内容分为两部分：

对视力保护器的硬件设计和硬件制作。

在设计中存在着如何有效的提高视力保护以及对硬件电路准确调试的难点。

在硬件设计中，基于超声波技术设计的多功能实现控制声光提示电路工作的理论研究有一定的研究意义。

一、系统设计电路方案论述

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

图1方案一电路原理图

方案二：

电路原理分析

电路原理如图2，VT4、VT5组成差分放大电路，用于检测周围环境光照强度，通过调节W1，将光线设定在一定值上，光线强时RG1阻值较小，VT5基极得到较高电位，此时VT5的集电极低于VT4集电极电压，VT3发射结反偏，VT3截止，蜂鸣器失电，不会发声。

当环境光照强度较弱时，RG1阻值增加，当光照值低于设定值时，VT5的集电极高于VT4集电极电压，VT3正偏，光线变化信号被得到差分放大，VT1饱和导通，蜂鸣器得电，发出报警声，提醒学生，此时光线太弱，不宜长时间书写、看书，达到保护视力之目的。

图2方案二电路原理图

方案三：

本电路由CD4001.4二2输人端或非门集成电路、CD4011.4一2输人端与非门集成电路和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、光弱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。

图3方案三电路原理图

通过上述比较可以看出第一方案更为合理。

它采用三块电路各自独立却又相互结合的方法，实现了电路板和芯片的合理使用，实现了距离检测、计时功能和采光功能。

且实测静态电流不大于8mA。

设计原理简单、设计合理、造价低廉，能起到了预防近视、保护眼睛等作用。

第二方案设计过于简单达不到要求。

第三方案设计复杂且制作成本过高。

因此我选用第一方案。

二.电路设计分析

（一）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。

图4电路原理框图

（二）电路设计原理图

图5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

本电路主要有光敏电阻器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2kΩ、暗阻大于2MΩ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，接出引线，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，由光子激发产生的电子—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，电流就会随光强的而变大，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。

图6光敏电阻原理图

（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上的分压上升，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

图7测光电路

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，可直接推动多种自动控制的负载。

它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS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引脚位配置说明下：

如图8所示

图8NE555接脚图

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

Pin2（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。

Pin3（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O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200mA。

Pin4（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。

Pin5（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。

Pin6（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。

Pin7（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。

Pin8（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）。

图9单稳态触发器电路

图10单稳态波形图

用555定时器组器，图10为其波形图。

图中，t0～t1为稳态，t1～t3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，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，使输入脉宽变窄。

（2）定时电路原理

如图11所示

图11定时电路

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（Dl-D6）内部的D4-D6、或非门集成电路IC3（DlO-D13）内部的或非门Dl0、Dl1和电阻器RlO-Rl2和电容器C7、C8组成。

另一部分接收电路由超声波接收器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。

超声波接收和发射电路元件

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，这时反映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

图12超声波发射接收电路图

工作原理:

人与书桌的距离大于35厘米时，超声波接收器无法接收来自发射器的信号。

因此电路布工作，当人与书桌的距离小于5厘米时。

超声波接收器能准确的接收到来自于发射器的信号并将信号转化成电信号导通电路。

使发光二极管灯亮，同时报警器响起提醒人的坐姿不正确或离书桌太近需要调整姿势保持距离。

（三）电路总体工作原理

接通电源开关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，另一路经C8加至非门D6的输入端上，该方波振荡信号经D6整形后对4OkHz振荡器（由或非门Dl0、Dl1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写面之间的距离大于35cm时，B1接收不到B2发射的超声波信号，VD2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写面之间的距离小于35cm时，B2发射的超声波信号被人脸部反射回来，B1接收到反射回来的超声波信号并将其转换为相应的电信号，该电信号经非门Dl-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Dl2、D13和Rl5、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。

在环境光线适合读写时，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3kHz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不发声。

当定时时间结束时，lC4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。

三、制作调试

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，使定时器暂时不工作。

然后把保护器放在光线较弱处，调节RP，使VD2发光且报警器响。

再把报警器放在光线较强处，调节RP1，使VD3发光且报警器响。

最后将保护器移至光线正常处，此时VD1应亮且报警器不响。

假如其他发光二极管也亮，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·C1。

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LED1～LED3，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时需注意以下几点：

（1）B1、B2外形相同，其中发射为T，接收为R，不能搞错。

（2）B2有一引脚与外壳相通，安装时应将此脚接地，而另一脚与R1相连。

（3）B1、B2相距应在8～10cm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，再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应发出报警声。

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发出报警声，这是“非”门F4～F6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0.1μF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100lx，调节R5使LED2恰好熄灭为止。

调试结束后，将整个装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8mm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。

整机需与写字台成约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就闪亮，此时应关掉电源开关，。

四、总结

参考文献：

[1]CMOS多功能视力保护器-电子世界[M]-袁小翔2006.5

[2]视力保护器-家庭电子-[M]袁小翔2006.5

[3]家庭电子杂志社.家庭电子1998年合订本.1999.212

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[5]x电子工艺实习.成都：

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[6]x电子技术实验.成都：

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[7]电子线路设计•实验•测试第二版.武汉：

华中科大出版社，2002.1

[8]赵健.实用声光电及无线电遥控电路300例.[M].北京：

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[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：

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