光电式报警器模板课程设计.docx
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光电式报警器模板课程设计
课程设计说明书
注：
1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务
摘要
本文设计了一种光电式报警器，该报警器通过感光器件组成的光电转换电路，可以探测出光线是否被阻挡的信息，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以及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。
且该报警器的设计采用模块化结构，即：
光电转换模块、报警模块和显示模块。
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。
关键词：
数码显示，555多谐振荡，光电转换，声光报警
目录
前言…………………………………………………………………1
第1章基本设计要求…………………………………………………2
1.1 基本设计任务及要求 ………………………………………2
第二章电路设计原理…………………………………………………3
2.1 系统工作原理及其组成 ……………………………………3
2.2 设计方案比较和选择 ………………………………………3
2.3 元器件介绍…………………………………………………4
2.4 单元模块…………………………………………………8
2.4.1 光电转换模块………………………………………8
2.4.2 数字显示模块……………………………………8
2.4.3 声光报警模块………………………………………9
2.5电路总体设计……………………………………………10
第3章电路焊接与调试 …………………………………………12
3.1 焊接注意要点……………………………………………12
3.2 电路调试 …………………………………………………12
第四章实验结论……………………………………………………13
参考文献……………………………………………………………14
附录一方案总实物图……………………………………………15
附录二元件清单…………………………………………………19
前言
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。
所以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。
第一章 基本设计任务及要求
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。
第二章 电路设计原理
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74LS48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2.2—1。
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74LS48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。
光耦的型号为H92B4，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（74LS48）
74LS48是一款高电平驱动的数字译码芯片，输出有效点位为高电平，可以配上共阴的数码管，我们也可以选着74LS247低电平驱动的和共阳数码管，更具自己的喜好选着不同芯片，本品采用的是74LS48。
芯片74LS48为共阴数码管的译码器，所以在共阴数码管之前要加8个330欧的电阻，以保护数码管不被烧坏，倘若数码管显示的过亮了就要增大电阻的阻值。
74LS48管脚图如图2.3-3所示：
图2.3-3：
74LS48管脚图
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阴数码管。
共阴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高电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为低电平时，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。
5．555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。
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定时器只需外接几个电阻、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2.2—2。
由于发光二极管的工作电压大约在2.5V，工作电流大约在4到10mA，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74LS48及共阴数码显示器组成，74LS48驱动共阴数码显示器工作。
74LS48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，驱动共阴数码显示器工作，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2.4.3—1）
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。
2.5电路总体设计
2.5.1
电路总体设计电路图见图2.5—1。
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2.5—1。
表2.5—1
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2.5—2。
表2.5—2
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。
第三章电路焊接与调试
3.1焊接注意要点
焊接时，每焊接完一个模块都要进行调试。
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。
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。
芯片的安装要注意芯片管脚和插座管脚要对应。
数码管的两个公共端要分别接电阻后再接地。
3.2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。
第四章实验结论
通过本次光电报警器的设计，对光电知识的实际应用有了更深刻的理解和体会，这次课程设计，不仅提高了动手能力，对设计的整个流程有了一定的了解，更了解到了光电知识应用的广泛性和前景。
设计的成功，极大地提高了自信心，促进了对光电的学习兴趣，明白了理论联系实际的重要性。
此次设计清楚了一项设计的整体流程：
明确设计要求、功能及功能模块的设计，查阅相关资料并确定元器件，电路连接、调试、调整改进与检查，电路成型，总结；设计电路时，和搭档上网查阅了很多资料，这培养了搜索的能力，开拓了视野。
调试过程中掌握了一些电路调试的方法和规律，同时也掌握了如何来检查和排除实验中的所遇到的一些常见故障，明白了动手的重要性，懂得了实践出真知的道理。
电路的连接和调试极大地提高了动手实践能力，这也是目前较为缺乏的。
作为工科的学生，就应该具备这样的动手能力。
最后，设计报告的制作还培养了整理知识的能力。
总之，这次设计，认识到了知识的局限性，培养了动手能力，懂得了团队合作精神，对今后的学习起到了极大的促进作用。
参考文献
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附录一方案总实物图
图附1-1
图附1-2
图附1-3
图附1-4
图附1-5
图附1-6
图附1-7
图附1-8电路原理总图
附录二元器件清单
序号
名称
型号
数量
1
光耦
H92B4
2
2
芯片
74LS48
1
3
74LS32
1
4
555
1
5
电阻
310Ω
1
6
330Ω
8
7
390Ω
1
8
510Ω
3
9
10kΩ
2
10
51kΩ
1
11
50kΩ电位器
1
12
电容
10uF
1
13
10nF
1
14
发光二级管
LED
1
15
二极管
IN4148
1
16
共阴数码管
2
17
按键开关
1
18
蜂鸣器
1
升级会员 