光电报警系统设计Word文档格式.docx
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王伟
系主任：
程耀瑜
下达任务书日期:
2012年12月31日
课程设计任务书
1．设计目的：
在学习专业基础课和专业课的基础上，主要在电子仪器、微机综合设计与实践、单片机与A/D和D/A和光、计、电综合应用等几个方面开展实践活动，巩固所学知识、培养动手能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1、了解红外发光二极管与光电二极管的具体应用。
2、了解主动式光电报警系统设计原理，了解锁相环的原理及应用。
3、利用锁相环设计光电报警系统实验
4、对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
1）设计说明书符合要求；
2）相应器件的工作原理及应用；
3）系统工作原理图；
4）参考文献原文不少于3篇。
4．主要参考文献：
要求按国标GB7714—87《文后参考文献著录规则》书写，例：
1傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：
科学出版社，1985
（5篇以上）
5．设计成果形式及要求：
设计说明书及相关电路图
6．工作计划及进度：
2012-12月31日~1月3日了解设计题目及熟悉资料
2013-1月4日~1月7日确定各题目要求计算相关参数，确定具体设计方案
1月8日~1月14日结合要求具体设计与仿真
1月15日~1月18日整理课程设计说明书，答辩或成绩考核
系主任审查意见：
签字：
年月日
引言.......................................................................6
第一章设计要求..........................................................7
总体电路设计............................................7
光电报警器原理介绍................................8
第二章光电报警器电路设计......................................9
光电转换模块设计....................................9
数字显示模块设计....................................10
声光报警模块设计....................................12
第三章proteus电路仿真............................................13
电路仿真.......................................13
第四章电路调试过程与测试结果分析......................16
结论.................................................................................17
参考文献.........................................................................18
附录.................................................................................19
引言
报警器的应用非常广泛。
在汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及家庭保安系统中，几乎无一例外地使用了报警器电路。
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、实用性强等优点，但是也具有应用范围窄等缺点，而且安全性能也不是很好。
光电式报警就很好的改善了这一点。
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。
本文设计的光电式报警器是报警器和光耦小小的结合，但它可以运用到各种生产线上，如纺纱工业的监测各个丝线的有无断点，并加以提示，也可以稍加改进，让其能够计数，记录生产进度，安全性能高，节约了人力资源，并且不易出错，还能运用到人力不能监测的环境。
可见光电报警器的运用可以延伸到各个行业，各个领域。
第一章光电式报警器的原理及总体设计
总体电路设计
本电路由3部分组成：
光电转换电路、数字显示电路、声光报警电路。
设计双光路结构，通过光照光敏三级管输出高低电平来控制74LS247显示数字是哪路被挡，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。
当任一光路被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警。
芯片SN74LS247N是驱动共阳数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加几个100欧的电阻。
报警器控制
译码输出
数码显示
光电转换
+5V稳压电源
光电式报警器框图
光电报警器原理介绍
电路的工作原路如图，电路中的上侧为第一路，下侧电路为第二路电路，当两路电路都没有被遮挡的时候，光耦是导通的，即光耦上端两端电压都为低，然后经过74LS32或门以后的总的电压为低，低电压与555的管脚4相连，RS使得555输出一直为低，不能驱动蜂鸣器响，故不会响铃，同时光耦上端的的低电平信号与74LS247中的1、7脚输入的信号，输出的信号通过共阳数码管显示为0。
当光耦有其中一路被遮挡后，挡住的光耦不能短路，处于断开，两个光耦上端的电平有一个为高，另一个为低，然后经过74LS32或门以后的总的电压为高，高电压与555的管脚4相连，使得555能够正常工作，产生的矩形脉冲，使蜂鸣器会响铃。
同时光耦上端的的高、低电平信号与74LS247中的1、7（7、1）脚输入的信号，输出的信号通过共阳数码管显示为1、2。
当两路光耦都被遮挡的时候，光耦就会都不导通，光耦在截止状态，即光耦上端两端电压都为高，然后经过74LS32或门以后的总的电压为高，低电压与555的管脚4相连，使得555输出一直为矩形脉冲，驱动蜂鸣器响，故会响铃，同时光耦上端的的高电平信号与74LS247中的1、7脚输入的信号，输出的信号通过共阳数码管显示为3。
第二章光电报警器电路设计
光电转换模块设计
光电转换电路图如图所示：
图光电转换采用光耦，光耦内由发光二极管和光敏三极管构成：
采用5V直流供电，为防止光耦烧坏，应该在二极管串联一个510Ω电阻。
同时挡光的用具可以使用不透明的纸张，光耦中的小功率的发光二极管正常工作电流在10mA～30mA范围内，根据欧姆定律，由I=U/R，U=5V，10mA<
I<
30mA，故与红外发光二极管串联的电阻值为510欧，光敏三管级管要串联一个24千欧的电阻以防止被击穿。
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，锗管为左右）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”。
数字显示模块设计
数字显示电路选择SN74LS247N和共阳7段LEDS译码管，电路图如图所示：
图管脚图如图所示：
图：
74LS247管脚图
74LS247真值表如图所示：
SN74LS247N真值表
译码显示电路如下：
实现A,B,C和D为低电平，数码管显示0。
只有当A为高电平显示1。
只有当B为高电平显示2。
A,B为高电平则显示3。
74LS247为BCD—七段译码器/驱动器，低电平时有效。
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。
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。
此模块由SN74LS247N及共阳数码显示器组成，74LS247驱动共阳数码管工作。
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。
声光报警模块设计
声光报警电路可以采用555振荡电路实现，首先了解555芯片的结构性能：
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。
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。
声光报警电路图如图所示：
图光报警选择发光二极管，声音报警选择蜂鸣器。
如果要求发出间歇式的报警，则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，因此采用由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=*（R5+2R6）*C1
但是如果周期选择得太大的话，间歇的时间就太长，周期太小的话，人耳就无法感觉出有间歇，一般人耳的间歇感知度为，因此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*（200kΩ+100kΩ*2）*1uF=,频率约为1/=。
电容C2的作用是滤波，所以选得小一点更将有利于将交流引入大地，所以取C2=。
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，因此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，声光报警器开始工作；
当输入低电平的时，声光报警器不工作。
第三章Proteus电路仿真
Proteus电路仿真
当两路没有被遮挡时，光耦导通，输出低电平，数码管显示0，蜂鸣器不报警，如图
图显示电路
当1路被遮挡，2路没被遮挡时，数码管显示1，蜂鸣器报警，如图
当2路被遮挡，1路没被遮挡时，数码管显示2，蜂鸣器报警，如图
当两路都被遮挡，数码管显示3，蜂鸣器报警，如图
第四章电路焊接调试过程与测试结果分析
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。
2调试要点
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=，挡光时A=B=，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。
显示被遮挡的路数，两路都没有被遮挡显示0，1路被遮挡显示1，2路被遮挡显示2，两路同时被遮挡显示3。
结论
在这次设计中，通过对“光电式报警器”的设计、安装以及调试，我从中学到了不少知识。
在本次实验中，我学到了做任何事情都要有耐心，电路焊接完成并不代表你已经成功了，测试也是一个很重要的阶段。
在测试的过程，我掌握了一些电路调试的方法和一般规律，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。
并不是电路在电脑上能仿真出来连接到电路板上就能测试成功，可能在实验的过程中要不断修改方案。
参考文献
[1]郭明琼，李潇，卿太全。
《常用数字集成电路原理与应用》。
人民邮电出版社。
2006。
[2]康华光。
《电子技术基础》-数字部分（第五版）。
高等教育出版社。
[3]华成英，童诗白。
《模拟电子技术基础》（第四版）。
[4]姜雪松，王鹰。
《电磁兼容与PCB设计》。
机械工业出版社。
2008。
[5]杨欣，王玉凤，刘湘黔。
《电路设计与仿真—基于Multisim8与Protel2004》。
清华大学出版社。
[6]陈雅萍。
《电子技能与实训---项目式教学》。
2007。
[7]于彤。
《传感器原理及应用—项目式教学》。
附录
附录一:
元件清单
序号
名称
型号
数量
1
光耦
2
芯片
74LS247
3
74LS32
4
555
5
电阻
100Ω
7
6
130Ω
510Ω
8
2kΩ
2
9
24kΩ
10
100kΩ
11
电解电容
220uF
12
瓷片电容
13
发光二级管
LED
14
二极管
15
共阳数码管
16
蜂鸣器
升级会员 