光电式报警器设计要求及组成毕业论文.docx
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光电式报警器设计要求及组成毕业论文
光电式报警器设计要求及组成毕业论文
1引言
报警器分为机械式报警器和电子报警器。
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。
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。
本次课程设计的题目是“光电报警器”，光电报警就很好的改善了这些方面。
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。
在当今高速发展的社会中，入室盗窃率的不断提高。
家，学校宿舍，办公室的财产安全存在很多的隐患，当家中无人或仅有老人孩子在家或者在家熟睡，必须确保家庭成员和财产的安全。
众多住宅小区，学校宿舍，办公室的安防主要是依靠安装防盗门、防盗窗以及人工防范来实现的。
这样不仅有碍美观，而且还不能有效地防止小偷的侵入，而光电报警器就可很好解决这个问题。
并且本人在高中时目睹了教师办公室的防盗网被锯开，电脑及贵重物品丢失的情况，所以从这件事切身地认识到了传统防盗措施是远远不够的，现在可以在窗户和门上安上这种光电报警器，这样可以更有效地防盗，并且还可以通过无线主机，实现远程监控，减少不少物力和财力，它可广泛地应用于智能化小区,宿舍，办公室，金融部门的储蓄网点,写字楼,仓库,企事业单位等分散营业场所的安全防范中。
2设计要求
2.1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。
【主要参考元件】：
光耦（H92B4）对管，555，74LS32，CD4511，数码管，蜂鸣器，发光二极管。
2.2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）。
3基本要求电路的实现
3.1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。
图3-1工作原理框图
3.2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3-2
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3-2。
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3-3
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3-3。
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。
3.3元器件介绍
1光耦（H92B4）：
光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
十几年来，新型光耦合器不断涌现，满足了各种光控制的要求。
其应用范围已扩展到计测仪器，精密仪器，工业用电子仪器，计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统，电力机械等领域。
这里侧重介绍该器件的工作特性，驱动和输出电路及部分实际应用电路。
近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。
下面分别介绍光耦合器的工作原理及检测方法。
光耦原理图见图3-4。
本次实验提供的光耦的型号为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3-4
2.或门（74LS32）
74LS32管脚图如图3-5所示
图3-5：
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3-7所示：
图3-7：
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。
译码显示电路如下：
实现1端和7端为低电平时，数码管显示0；1为高电平7为低电平时，数码管显示1；1为低电平7为高电平时，数码管显示2；1为高电平7同时为高电平时，数码管显示3。
74LS247是一款低电平驱动的数字译码芯片，输出有效点位为低电平，可以配上共阳的数码管，我们也可以选着74LS48高电平驱动的和共阴数码管，更具自己的喜好选着不同芯片，本为采用的是74LS247。
芯片74LS247动共阴数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加8个100欧的电阻，以保护数码管不被烧坏，倘若数码管显示的过与亮了就要增大电阻的阻值。
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3-8为数码管的内部结构。
图3-8：
数码管内部结构
本次毕业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。
5．555定时器
（1）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4.5V~16V工作，7555可在3~18V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。
555定时器电路是一种中规模集成定时器，目前应用十分广泛。
通常只需外接几个阻容元件,就可以构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。
555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。
双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数码为7555。
图3-9为555定时器的内部结构及引脚排列。
引脚排列
图3-9555定时器内部结构
（2）555的工作原理
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。
C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接Vcc。
Vco是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路.
（3）555电路的引脚功能
触发
阈值
复位
IS
放电端
输出
>
H
导通
L
H
原状态
×
H
截止
H
×
×
L
导通
L
图3-10：
555电路的引脚功能图
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。
6.蜂鸣器的结构原理
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器在电路中用字毒“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.0~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
3.4单元模块
3.4.1光电转换模块
光电转换的电路见图3-11。
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）/（4mA~10mA）=250Ω~625Ω，设计中选了240Ω限流电阻，选510Ω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20KΩ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”。
图3-11光电转换图
3.4.2数字显示模块
3-12数字显示模块电路图
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。
显示电路选择74LS247和共阴7段LEDS译码管。
连接图见图3-13
图3-1374LS247与共阴数码管的链接图
74LS247引脚功能表（图3-14）—七段译码驱动器功能表
译码显示电路如下：
实现1端和7端为低电平时，数码管显示0；1为高电平7为低电平时，数码管显示1；1为低电平7为高电平时，数码管显示2；1为高电平7同时为高电平时，数码管显示3。
74LS247是一款低电平驱动的数字译码芯片，输出有效点位为低电平，可以配上共阳的数码管，我们也可以选着74LS48高电平驱动的和共阴数码管，更具自己的喜好选着不同芯片，本为采用的是74LS247。
芯片74LS247动共阴数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加8个100欧的电阻，以保护数码管不被烧坏，倘若数码管显示的过与亮了就要增大电阻的阻值。
3.4.3声光报警模块
3-15
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.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200kΩ和100kΩ，C1适中取1uF，间歇报警的周期为0.7*（200kΩ+100kΩ*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。
3.5电路总体设计
3-15
电路总体设计电路图见图3-15。
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3-16。
表3-16
DA
DB
A
B
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
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3-17。
表3-17
A
B
C
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
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。
4提高要求电路的实现
4.1系统工作原理及其组成
图4-1
每当来一个计数脉冲时，计数器计一次数，并将结果输出给显示译码器，译码器输出“1”有效，来驱动共阴数码显示器工作，计数器计一次数，计数范围是0—99，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。
4.2元器件介绍
1．集成计数器74LS160
本次设计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。
图4-2
74LS160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，Q3Q2Q1Q0=1001时，RCO=1。
2．译码驱动器CD4511
图4-3所示为CD4511引脚图。
其中DA-DD为BCD码输入端；OA-OG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4-3CD4511引脚图
3.触发器74LS74
74LS74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4-4，D触发器功能见附表。
图4-4
4.与非门
74LS00是四2输入与非门
4-5
4.3单元模块
4.3.1计数器模块设计
图4-6
图4-6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。
4.3.2数字显示模块
图4-7
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）
4.4电路总体设计
图4-8
电路总体设计如图4-8
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0—99，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。
5电路的焊接与调试
5.1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。
5.2调试要点
5.2.1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。
5.2.2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
升级会员 