多功能视力保护器电路文档格式.docx

多功能视力保护器电路文档格式.docx

《多功能视力保护器电路文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多功能视力保护器电路文档格式.docx（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

内容简介

“多功能视力保护器报告书”是根据“数字电子课程设计任务书”设计编写的，它具有阅读或书写的距离采用超声波自检方式的特点。

在各部分电路原理分析中来了解数字集成电路的工作原理、熟悉各种不同类型的逻辑电路的逻辑关系，熟悉集成电路的不同类型芯片及有关电子元件的使用为目的，强调视力保护器的多功能，突出视力保护器的“监测”和“报警”，讲述了它的电路原理：

防近视测光器电路由光敏传感器、电子报警集成电路等几部分组成。

本报告主要内容包括：

光电转换器、比较器、显示器、定时器、报警器等五大部分。

本报告适于作为数字电子课程设计使用，也可供多功能视力保护器的介绍说明书。

前言

我国是学生近视发生率较高的国家之一，根据国家教育部和卫生部的调查显示，我国小学生近视率为57%、高中生近视率接近80%，大学生的近视率为74%，近视患者以每年6%的速度递增。

用眼习惯不良，读写姿势不正确和光度不符合标准是学生近视率高发的主要原因，眼睛过于靠近桌面，视觉长期疲劳，引起眼轴长度改变，造成近视。

因此保护学生视力，防治近视不仅是医学科学工作者，教育工作者的重要工作内容与研发课题，更是学生家长切实关注的大事。

根据这一情况，我们应用所学数字电子设计了————多功能视力保护器。

“多功能视力保护器”是数字电子课程设计的主要内容；

本报告充分体现了多功能视力保护器对视力保护的特点，保证正常学习、工作的情况下起到保护视力的作用，重点突出了该保护器的自动“监测”和“报警”功能，该保护器全部采用CMOS电路设计，电路简单、合理、功耗低、实测静态电流不大于8Ma,由四节5号电池供电，一般可用一学期，我们把它分为五大部分，分别按电路原理、元件选择、安装调试等几方面一一分析介绍，主要强调了这种视力保护器具有的功能和特点：

阅读书写的距离采用超声波反射自检方式，当使用者的脸部距离写字台小于35cm时，“距离”灯闪亮，同时有急促的“嘀、嘀、嘀”断续报警声发出，提醒使用者及时调整座姿，还有学习环境光线自动检测，当光线照度低度低于国家教委规定的100LX时，“光线”灯闪亮，同时发出报警声，提醒使用者打开台灯或暂停工作，当学习时间达到45分钟时，“定时”灯闪亮，同时发出报警声，提醒使用者休息片刻，有了该保护器保护视力，我们的眼睛在工作或学习当中能得到合理的调解和休息，减少了视疲劳，从而视力得到了保护，相应的工作和学习还有我们的健康也得到了保障。

本设计由第五小组主编，石革红老师辅导和审阅的，并提出了许多宝贵的意见和建议，使我们的学习有了更大的进步，在此谨致衷心的感谢！

由于编者的能力和水平有限，报告书中如有疏漏、欠妥和错误之处，恳情老师指正。

第五小组全体学员

2005年01月05日于兰州电力技术学院

多功能视力保护器

一、这种视力保护器具有以下功能和特点：

（1）阅读或书写的距离采用超声波反射自检方式，当使用者脸部距离写字台小于35cm时“距离”灯闪亮，同时有急促的“嘀、嘀、嘀”断续报警声发出，提醒使用者及时调整座姿。

（2）学习环境光线自动检测。

当光线照度低于国家教委规定的100lx时，“光线灯”闪亮，同时发出报警声，提醒使用者打开台灯或暂停工作。

（3）学习时间自发动检测。

当学习时间达到45分钟时，“定时灯”闪亮，同时发出报警声，提醒使用者休息片刻。

该视力保护器全部采用CMOS电路设计，电路简单、合理，功耗低，实测静态电流不大于8mA，由四节5号电池供电，一般可用一学期。

二、电路原理图见3号图纸所示。

三、电路工作原理：

该电路包括三个振荡器（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，由或非门H1、H2和R3、R4及C1组成超声波发射振荡器，振荡频率为40HZ。

由超声振荡器输出的脉冲，经F2、F3反相和整型后，由超声波发射头向外发射。

超声波接收头将反射的超声信号接收并转换为脉冲信号后，输入电压放大器进行放大。

电压放大器由反相器F4～F6和反馈电阻F2组成，偏置电阻R2将F4的输入端偏置于电源电压的一半，使门电路的工作点处于良好的线性放大区。

经电压放大器放大的信号，由C5耦合到由VD1、VD2组成的倍压整流器进行整流，由整流器输出的是负极性的信号。

这个负极性的信号加至VT的基极，使其导通，它的集电极输出高电平，并加至与非门Y1的一个输入端。

与非门Y1、VD3、LED1和R10组成“距离”指示电路。

当VT导通，输出端变为高电平时，与非门Y1输出低电平。

这时，距离指示灯LED1发黄光并闪动，这是因为Y1的另一输入端输入的是定时振荡器555输出的定时振荡脉冲，它的频率为3HZ。

这个3HZ的脉冲使Y1的该输入端形成了间隔时间为1/3S的高电平，使与非门Y1形成了间隔时间为1/3S的导通、截止交替进行的状态，因而形成闪光指示。

当人体坐姿发生变化出现前倾时，由头部反射到接收头的超声波反射信号较强，经放大，检波后输出的低电平较强，能使VT导通而发出闪光警示信号，提醒学生纠正坐姿。

报警声振荡器是出现坐姿，光照和到达定时时间时，发出报警声响，以引起使用者的注意。

振荡器由或非门VD3、VD4、R14、R15及C11组成。

这是一由或非门组成的键控式多谐振荡器。

键控脉冲来自VD3、VD4、VD5的正输出端，当VD3～VD5中任何一方的左凋出现低电平时，多谐振荡器立即开始振荡，并通过压电蜂鸣器发出报警声。

由电路的结构可知，VD3～VD5的左端受与非门Y1～Y3的控制，而Y1～Y3的输入端中均有一个输入端是受定时器555的3脚的输出控制的。

如前所述，3脚输出的是3HZ的脉冲。

这样，报警声振荡器输出的报警信号就是一个受3HZ脉冲调制的信号，BC发出的报警声为“嘀、嘀、嘀…”。

定时振荡是由一组分频和振荡集成电路555定时器与R8、R9及C9、C10组成，本电路振荡频率为3HZ。

由振荡器产生的3HZ时基脉冲，一方面由3脚输出，作为与非门Y1～Y3的门控脉冲；

另一方面通过外部分频器分频后，得到45分钟的定时，由2脚输出。

555定时器的内部结构：

它的内部主要包含一个R-S触发器、两个电压比较器A1和A2，一个NPN型三极管和3个等值电阻。

这3个电阻对电源UCC分压后，分别得到2UCC/3和UCC/3的电压加到比较器A1的同相输入端及A2的反相输入端。

因比A1的基准电压为2UCC/3，A2的基准电压为UCC/3。

555的2脚输出高电平。

这一高电平和3脚输出的3HZ脉冲，同时通过VD5触发报警振荡器，发出报警声。

光控电路也称测光电路，由光敏电阻RG和R6组成分压电路。

当光线正常时，电源经R6和RG的分压，使与非门Y2的输入端得到较低的分压，Y2不导通，输出端为高电平。

当光线暗到一定程度时，RG的阻值增大，使R6与RG的分压点得到较高的分压，这时与非门Y2导通。

在3HZ脉冲的作用下，Y2呈断续的导通状态，光线指示灯LED2闪光指示。

同时通过VD4将报警振荡器触发，发出报警声。

555定时器能保证在开灯后定时振荡器能提供准确的定时脉冲。

为保证多功能视力保护器工作稳定，电源电路可采用LM7806集成稳压器进行稳压。

四、电路元器件的选择：

IC1选用六反相器CD4069；

IC2选用4-2输入或非门CD4001；

IC3选用4-2输入与非门CD4011；

555构成的多谐振荡器；

VD1～VD5选用1N4148二极管；

LED1～LED3应选用黄、绿、红三种颜色的发光二级管以示区别；

超声波发射头与接收头选用UCM40-T与UCM40-R；

其他元器件均无特殊要求。

五、多功能视力保护器的组成部分及部件分析

1、电转换器原理分析：

光电信号转换器的核心器件是光电二极管，顾名思义它就是把光信号转换成为电信号的二极管。

但是由于它输出的电信号很微弱，为了让主板能有效的利用电信号，必须在光电二极管与主板之间加上放大器。

在电子电路中，人们把半导体发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光电二极管、光电三极管）组合封装在一起，成为一种“电－光－电”的器件，这就是光电耦合器。

当我们给输入端的发光器件输入一个电信号，则发光器件发光，光被输出端的光接收器件接收又转换成电信号。

（光电转换器超声波测距离原理方框图）

已知超声波在空气中的传播速度为340m/s，现由一个超声波发生电路产生超声波并且在控制电路的控制下定时定向发生超声波，超声波在遇到障碍物发生反射用另外一个超声波接收电路来接收超声波的反射回波，假如t1时发出超声波，在t2时收到回波，超声波发生电路及接收电路与障碍物之间的距离为S，那么超声波的传播2S距离的时间即为△t=t2-t1,因此2S=V·

△t，其中V是超声波的传播速度已知为340m/s、△t由控制计算电路测定，因此可计算所控制的距离S。

光敏电阻组成光电转换器，把光强、光弱转换成高电平或低电平的数字信号；

异或门组成比较器，对数字信号进行鉴别，以控制相应的发光二极管显示，并确定报警电路是否工作；

设定阅读时间长短的定时电路需要采用单稳态触发器。

光电转换器是由光敏电阻和可变电阻组成的两个分压器，它们的输出分别作为两个异或门的输入信号。

2、较器、定时器原理分析（555定时器）

（555定时器的内部原理图）

555定时器各管脚引线介绍：

1脚：

GND电源负极接地。

2脚：

TR低电平（负脉冲）触发端，这是内部比较器A2的同相输入端，因此当加在该端的电压小于UCC/3（反相端电压）时，比较器输出为“0”，反之输出为“1”。

3脚：

OUT输出端，输出的高电平值略小于电源电压。

4脚：

RD置“0”端，低电平有效，当该端加低电平或负脉冲时③脚输出“0”。

5脚：

VC电压控制端，它是比较器A1的同相输入端（基准电压端）若外接附加电阻或电压则可以改变该基准电压的大小，否则该端电压为2UCC/3，不使用该端时接一个约0.01微法的电容到地，以防止干扰由此引入。

6脚：

TH高电平触发端，又称高电平复位端，它是比较器A1的反相输入端，当该端加大于2UCC/3的电压（同相输入端电压）时，比较器A1的输出为“0”，这时若TR端不加触发信号（即保持为高电平），那么输出端OUT为“0”。

7脚：

DIS放电端，它是内部放电三极管的集电极。

8脚：

VCC电源下端。

用555构成的多谐振荡器电路图

3、显示器

在本电路中，显示器采用了三个发光二极管简称LED，分别为黄灯、绿灯、红灯，并每个二极管都配有限流电阻防止在电路工作中电压过高击穿。

发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性，当外加反向电压时，发光二极管截止，当外加正向电压且数值足够大时，发光二极管导通工作。

4、报警器：

　　报警电路是由或非门H3、H4及R14、C15组成的音频振荡器及压电陶瓷片BC所构成。

但是，这种音频振荡器只有在它的控制端G2是高电平“1”时才能产生振荡，因为当G2为“0”时，门H3输出为“1”，门H4输出为“0”，电容器C2不能充电，无法起振。

所以，每次闭合电源开关S后，必须立即使单稳态触发器翻转，进入暂稳状态，开始定时，定时结束时自动翻回稳定状态，报警电路随之发出报警声，提醒阅读者休息一下，以保护视力。

（光敏电阻光控报警电路）

定时器②脚和⑥脚连接到光电阻与灵敏度控制电阻R1的接点上光敏电阻的阻值与光线强度成反比，即光度小时阻值大，反之则小；

当光线被遮断或得到R1所设定的强度之下R1阻值的上升导到②、⑥脚的电压上升，如果R1所设置得使当应该电压上升到超过2/3VCC时继电器接通，则当光线强度增加时，继电器释放而且光敏电阻上的压降到低于1/3VCC，该电路可以改成将继电器K1和二极管D1置于③脚和地之间，在这种情况下，当②、⑥脚的电压上升到2/3VCC之上时继电器释放，当该电压降到1/3VCC之下时接通，当继电器具有单投触点时，这种修改是有价值的，继电器触点的闭合和断开发生在不同的照度之下，这种1/3VCC的滞后是一个优点，当照度变化很小时，可防止电路振荡和继电器抖动。

六、安装调试：

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：

⑴B1、B2外形相同，其中发射为T，接收为R，不能搞错。

⑵B2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。

⑶B1、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：

⑴微调电阻R8使555的③脚输出信号频率为3HZ。

⑵微调电阻R3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0.1微法的退耦电容试试，若无效可在“非门”F6两端并接一只几十皮法的反馈电容。

⑶光线报警调整应在暗室或晚间进行。

调试时，若无照度革，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。

需注意的是，一旦定时时间已到，LED3就闪亮，此时应关掉电源开关，休息片刻，然后再打开开关。

心得体会

作为一名高级班的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。

这不仅可以提起我们对这门课的学习兴趣，同时还可以在专业上用实践锻炼一下我们，使我们不但不在对所学专业感到陌生，而且还可以培养大家的积极性。

虽然时间短暂，但通过一周的数字电子课程设计，我们认识并了解了多功能视力保护器，对基本的设计过程、设计方法有了初步的认识。

这次课程设计，我们可以从中学到很多我们在学习理论时所不能学到的东西，不但可以锻炼我们的动手能力而且还能巩固我们所学的理论知识，在做本次设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。

为了让自己的设计更加完善，更加符合标准，一次次在各大书店翻阅各类设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。

根据本次设计的要求用光电转换器、比较器、定时器、显示器、报警器等电路来完成多功能视力保护器，所以我们还要掌握更多不同类型的芯片和有关电子元器件，虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率较好，但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

我想做类似的设计就是为我们提供了良好的实践平台，同时也为以后的毕业设计做好了准备。

最后，这次设计不仅培养了我们的思维和归纳能力、自学能力，同时还大大培养了同学们之间的团队合作精神，通过相互勉励，我们能以最佳的精神面貌迎接挑战，这对我们的成功将有很大的帮助。

参考文献

1.杨志忠主编电子技术基础.数字部分北京中国电力出版社，2001

2.钱如竹、孙抗毒编著电子爱好者制作丛书（8）.实用医疗保健电子装置制作220例北京人民邮电出版社，1997

3.教育部高等教育司组编华成英主编数字电子技术基础北京高等教育出版社，2002.9

4.教育部高等教育司组编华成英主编模拟电子技术基础北京高等教育出版社，2001.12

5.何书森、何华斌主编实用电子线路设计速成福建科学技术出版社

6.2001年电子报合订本（上）四川科学出版社

7.阵有卿主编实用新颖电子器具制作精选北京人民邮电出版社

8.阵有卿主编新颖电子灯光控制器机械工业出版社，2004

9.实用电子电路设计制作300例中国电力出版社

10.赵负图主编光电检测控制电路手册北京化学工业出版社，2001

11.肖勇和主编数字集成电路应用精粹北京人民邮电出版社

12.荀殿栋等编数字电路设计实用手册北京电子工业出版社