学士学位论文--用光敏控制的光电报警器的设计.doc

中国地质大学

毕业论文（设计）

课题名称：用光敏控制的光电报警器的设计
学生姓名：
学 号：
指导老师：
评阅老师：

时间2013年12月

用光敏控制的光电报警器的设计
摘要
系统设计了一个光电式报警器，该报警器通过感光器件把光信号转化成电信号，控制数码管的显示以及报警电路。利用了部分数字逻辑电路，实现能在报警过程中实现对应路数的显示功能。该报警器的设计采用模块化结构，有四个模块即电源模块、光电转化模块、报警模块以及显示模块构成。各模块功能独立，可扩充性强，很有经济利用价值。本文设计的光电报警器是报警器和光藕的结合，它可以运用到各种领域，如火灾探测、煤气泄露报警、交流电流越限报警、玻璃破碎探测等，使用范围广、功能强，具有很强的使用价值，是现代生活中必不可少的一项设备。
关键词：数码管、光耦、555多谐振荡、光电转换、报警

目录
摘要 ……………………………………………………………………………1
关键词 …………………………………………………………………………1
一 前言 …………………………………………………………………..…..2
二 设计内容与要求 …………………………………………………….…...2
2.1 设计方案 …………………………………………………... ……………2
2.2 设计要求 …………………………………………………... ……………3
2.3 方案论证比较 ……………………………………………...……………...3
三 硬件电路 …………………………………………………………………4
3.1 总体电路设计 ……………………………………………..……..4
3.2 电源模块 …………………………………………………...…….4
3.3 报警模块 ………………………………………………………….4
3.4 数字显示模块 ……………………………………………………5
3.5 光电转换模块 ……………………………………………………..6
3.6 蜂鸣器的结构原理 ………………………………………………..7
四 提高要求电路的实现 ………………………………………………….….8
4.1 系统工作原理及其组成 …………………………………………………...8
4.2 单元模块 ……………………………………………………………………8
4.2.1 计数器设计模块 ……………………………………………………8
4.2.2 数字显示模块 ………………………………………………………9
五 电路的原理和介绍 ………………………………………………………..…9
六 电路的调试过程与分析 …………………………………………………....10
6.1基本设计电路调试 …………………………………………………………10
6.2提高设计电路调试 …………………………………………………………11
七 总结 ………………………………………………………………………..11
致谢 …………………………………………………………………….…..11
参考文献 ……………………………………………………………….…..12
附录 一 ………………………………………………………………………….12
附录 二 ………………………………………………………………………….13

1 : 前言
报警器的应用非常广泛，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。本课程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和发展。本文设计的光电报警器是光电二极管和报警器的灵活结合，它可以运用到各种生产线上，安全性能高，节约了人力资源，并且不易出错；还能运用到其它人力不能检测到的环境。可见，报警器已经运用到社会各种领域。如图：

2 :设计内容与要求
2.1 设计方案
根据课题设计要求初步建立如下系统框图

数码显现
报警器控制

器器
译码输出

光电转换

图2.1 系统原理框图
2.2 设计要求
1、 采用双光路结构，当任一光路被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警；
2、 采用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；
3、  采用5V供电。
【主要参考元件】：光耦，555，74LS32，74LS247。
2.3 方案论证比较
电源模块：由于本系统需要电池供电，我考虑了下面两种方案为系统供电。
方案一：采用四节1.5V的干电池供电，电压达到6V，给系统供电的话，由于干电池电量有限，随着工作时间电压会慢慢降低。采用干电池给系统供电，调试会给系统带来很大的不便，因此这种方案放弃。
方案二：采用集成稳压芯片LM7805CV ,稳压输出+5V电压给系统供电。7805输出1A的电流，足以提供系统工作所要的电流。而且只要带上变压器，稳压芯片就可以稳定的输出+5V电压。基于以上分析拟定方案二，作为系统工作时的电压。
报警器模块： 方案一，采用扬声器作为系统报警，电路需增加元器件，并且扬声器占用空间大，重，价格也相对其它报警设备贵，所以放弃此方案。
方案二：采用无缘蜂鸣器，价格便宜，体积小，携带方便，报警声音清晰，但是要增加驱动电路
方可工作。
方案三：采用有缘蜂鸣器，价格便宜，体积小，携带方便，报警声音清晰，直接与输出信号引脚
相连就可以工作了，电路简单。基于以上分析拟定方案三作为系统的报警部分。
3 :硬件电路
3.1 总体电路设计
本电路由4部分组成：光信号转换成数字信号系统，数字显示系统，555报警系统和5V稳压源系统。通过光照光敏三级管输出高低电平来控制74LS247显示数字是哪路被遮挡，同时由555报警器发出间歇式的报警声。芯片74LS247是驱动共阴数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加几个330欧的电阻。
3.2 电源模块
采用变压器经过整流滤波后再通过三端稳压器LM7805CV得到+5V电压，给系统供电。
3.3 光电转换模块
光电转换采用光耦，光耦内由发光二极管和光敏三极管组成，采用+5V电源供电。为防止光耦烧坏，应该在三极管旁串联一个510欧姆的电阻。图3.2光电转换图：

R4
24kΩ
LED2
R3
24kΩ
LED1
R1
510Ω
R2
510Ω

图3.2光电转换图
光敏三极管受到光照时，C、E极相当于短路，被遮挡时相当于断路。这就有了高低电平的输出来控制后面的数字电路部分，实际上这部分是实现了把电信号转换成数字信号的功能。另外电路中还用到了一个或门74LS32。
图3.3 74LS32的管脚图
3.4 数字显示模块

图3.4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。
3.5 报警模块
考虑到间歇性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：

图3.5 555芯片管脚图

图3.6 报警电路图
通过555定时器构成自激多谐振荡器产生的矩形脉冲来控制蜂鸣器的叫声，对于多谐振荡器可根据T=0.7*(R12+2R13)* C1来确定间歇时间，导通时间为T1=0.7*（R12+R13）*C1，充电时间T2=T- T1 由电路图可以算出导通时间为：T=0.7*（510K+2*20K）*330uF=1.235KHZ。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 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，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 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置为 0，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 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

图3.7 555芯片的内部结构图
3.6 蜂鸣器的结构原理
本次设计采用的压电式蜂鸣器，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。
4: 提高要求电路的实现
4.1系统工作原理及其组成

计数器计数
计数脉冲
显示译码
数码显示

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 单元模块
4.2.1计数器模块设计
图4-2
第一片计成图4-2第一片的进位输出C作为第二片的EP和ET输入，每当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

4.2.2数字显示模块

图4-3
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）。
5：电路的原理和介绍
由上述的方法设计出了附录二中得电路图，下面介绍电路的工作原理：
电路中的左侧为第一路，右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，两个光耦上端的点平有一个为高，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1.23KHZ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。

6： 电路的调试过程与分析
6.1 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，元器件的管脚是否插错了，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，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。
6.2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，数码管能正常显示计数。
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，并且数码显示；
2.具有清零功能。

7 ：总结
本次课程设计，通过对“光电报警器”的设计、安装以及调试，我从中学到了不少知识。进一步加深了我对平时所学理论知识的理解和掌握，也明白到要把所学知识运用到实践中，不只重视理论，也要考虑所学的东西能够用到哪些方面。这次实训也让我接触了很多新知识，巩固了旧知识，锻炼了自己的动手能力，丰富了经验，对以后的学习工作都很有帮助，可以说是受益匪浅。再次反过来思考这个电路，整个电路简单明了，可以根据此电路图应用到各个领域中，可以说十分有利用价值。在本次课程设计中我也遇到了很多困难，比如方案的比较与选择、电路的调试等，后来经过同学、老师的帮助以及翻阅资料等解决了问题，让我认识到做任何事情都要有耐心。而且，只要我们付出努力就一定会成功。
致谢
首先要感谢学校领导老师给我这次动手实践的机会！感谢在我做课程设计过程中提供给我帮助的老师和同学们！在本次论文设计中，从该论文构思、写作以及各个环节，经过老师和同学的帮助，让我得以最终完成毕业论文的设计。虽然比较艰难，但是我还是充满喜悦感，因为经过努力我完成了目标。再次感谢所有给予我帮助的人！由于经验匮乏、能力有限，设计中难免会有出错的地方，希望老师能够多多指教。最后，我要向百忙中抽空对本文进行审阅、评议和参与本人论文答辩的老师表示衷心的感谢！
参考文献
[1] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京：高等教育出版社，2005.
[2] 王远编.模拟电子技术基础学习指导书北[M].北京:清华大学出版社,1998.
[3] 阎石.数字电子技术基础[M].南京：高等教育出版社，1997
[4] 康华光.电子技术基础（第五版）: 高等教育出版社,2006.
[5] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）: 高等教育出版社,2006.

附录一 元件清单
元件清单
共阳数码管
1个

74LS247芯片
1个

光耦
2个

555芯片
1个

蜂鸣器
1个

74LS32芯片
1个

电容
330uf（1个）、10nf（1 个）；
电阻
330欧（7个）、510欧（2个）、
20千欧（3个）、5.1千欧（1个）
附录二 电路原理图