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 .22.1 设计方案 . 22.2 设计要求 . 32.3 方案论证比较 .3三 硬件电路 43.1 总体电路设计 .43.2 电源模块 .43.3 报警模块 .43.4 数字显示模块 53.5 光电转换模块 .63.6 蜂鸣器的结构原理 .7四 提高要求电路的实现 .84.1 系统工作原理及其组成 .84.2 单元模块 84.2.1 计数器设计模块 84.2.2 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 .106.1基本设计电路调试 106.2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 .131 : 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：R424kLED2R324kLED1R1510R2510 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（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.02.5kHZ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099，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，19974 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