专业课程设计光电报警器设计.doc

专业课程设计光电报警器设计

郑州科技学院

《数字电子技术》课程设计

题 目 光电报警器
学生姓名
专业班级
学 号
院 系
指导教师
完成时间 2013年11月25日

目 录

1 课程设计的目的 1
2 设计任务与要求 1
2.1 设计任务 1
2.2 设计要求 1
3 设计方案与论证 2
4 设计原理及元器件 4
4.1 设计原理 4
4.2 元器件介绍 4
4.2.1 光耦（PC817） 4
4.2.3 译码器（74LS247） 6
4.2.4 数码管 6
4.2.5 555定时器 7
4.2.6 蜂鸣器的结构原理 9
5 单元电路设计 9
5.1 光电转换模块 9
5.2 报警模块 10
5.3 数字显示模块 11
6 硬件的制作与调试 13
6.1 硬件制作 13
6.2 实验调试与分析 13
7 总结 13
附录1：元件清单 15
附录2：总体电路图 16
参考文献 17

1 课程设计的目的
设计光电报警器的目的是能够解决传统报警器现存的缺点，同时也在很大程度上改善传统报警器的不足，从而使人们的生活安全得到更有效的保障。本次数电课程设计的主要目的为：
（1）培养同学们练习设计简单的光电系统；
（2）对影响光电探测性能的各种参数进行讨论，以求最大限度的发挥系统的探测能力；
（3）熟悉了解多谐振荡器及各个元器件的类型和特性，并正确运用它们。

2 设计任务与要求
2.1 设计任务
本次要求设计一种光电式报警器，该报警器可通过感光器件组成的光电转换电路，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。其中声光报警部分可通过555定时器组成的多谐振荡器，来控制蜂鸣器发出鸣叫声及发光二极管发出光亮来代替报警效果。整个设计可以利用数字逻辑电路，从而实现在报警过程中同时显示对应报警路数的功能。且该报警器的设计要求采用模块化结构，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既相对独立，又紧密联系，共同实现其特定的功能。
2.2 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。
主要参考元器件为：光耦PC817，NE555定时器，74LS32，74LS247。

3 设计方案与论证
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 3-1
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，当有东西遮挡在两个管子中间时，接收管断开，从A点输出高电平，如图3-1。
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 3-2
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，如图3-2。
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。

4 设计原理及元器件
4.1 设计原理
根据课题设计要求初步建立下系统框图：
译码输出
数码显现
报警器控制

器器

图 4-1 原理图
由图4-1可知，本电路由3部分组成：电信号转换成数字信号系统，数字显示系统，555报警系统。通过光照光敏3级管输出高低电平来控制74LS247显示数字是哪路被挡，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。本电路由3部分组成：电信号转换成数字信号系统，数字显示系统，555报警系统。通过光耦的光敏三级管输出高低电平来控制74LS247显示数字是哪路被挡，同时由555报警器发出间歇式的报警声，从而实现光电报警的功能。
4.2 元器件介绍
4.2.1 光耦（PC817）
光耦原理图见图4-2。
光耦的型号为PC817，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4-2 光耦PC817

4.2.2 或门（74LS32）
74LS32管脚图如下所示：

图4-3 74LS32的管脚图
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

4.2.3 译码器（74LS247）
74LS247管脚图如图4-5所示：

图4-5 74LS247管脚图
74LS247为BCD—七段译码器/驱动器，低电平时有效。集电极开路输出直接驱动显示器；有灯测试装置；前沿/后沿零熄灭；能调节灯光强度；耐压为15V。
4.2.4 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4-6为数码管的内部结构。

图4-6 数码管内部结构
本次课程设计使用的为共阳数码管。共阳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低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。其测量方法如下：
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。
4.2.5 555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。
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。

图4-7 NE555引脚排列图

图4-8 NE555内部结构图
图4-7中（1）GND；（2）触发；（3）输出；（4）复位；（5）控制电压；（6）门限(阈值）；（7）放电；（8）电源电压。
图4-8中内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。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。
4.2.6 蜂鸣器的结构原理
本设计采用的是压电式蜂鸣器，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。

5 单元电路设计
5.1 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10 mA～ 30mA范围内，根据欧姆定律，由I=U/R，U=5 V，10mA<I<30 mA，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240Ù的电阻以防止被击穿。

图5-1 光电转换图
光敏3级管受到光照时C，E级相当于短路，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。
5.2 报警模块
考虑到间歇性声光报警电路可利用555振荡电路实现，首先了解555芯片的结构性能：

图5-2 555芯片管脚图
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喇叭的间歇式的叫声，对于多谐振荡器可根据
T=0.7*(R12+2R13)*C1 (公式1)
来确定间歇时间，导通时间为：
T1=0.7*（R12+R13）*C1 (公式2)
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 0，使输出为 0 电平。
5.3 数字显示模块
本模块中显示电路选择74LS247和共阴7段LEDS译码管；

图5-4 74LS247与共阴数码管的链接图

输入
输出
显示
LI
RBI
BI
A3
A2
A1
A0
a
b
c
d
e
f
g
0

1

0
1
0
0
0

0
0

0
0

0
0
0
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1
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0
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8全灭
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1
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0
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1
0
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0
0
1
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

图5-5 74LS247引脚功能表—七段译码驱动器功能表
译码显示电路如下：实现1端和7端为低电平时，数码管显示0；1为高电平7为低电平时，数码管显示1；1为低电平7为高电平时，数码管显示2；1为高电平7同时为高电平时，数码管显示3。
74LS247是一款低电平驱动的数字译码芯片，输出有效点位为低电平，可以配上共阳的数码管，我们也可以选着74LS48高电平驱动的和共阴数码管，更具自己的喜好选着不同芯片，本为采用的是74LS247。
芯片74LS247动共阴数码管的译码器，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，倘若数码管显示的过与亮了就要增大电阻的阻值。

6 硬件的制作与调试
6.1 硬件制作
硬件制作主要包括元器件的安装、焊接与连线，安装时要认清各个元器件的名称，熟悉其特性，然后按照设计好的电路图安装各元器件，然后遵守相应的规则，焊接各个元件，再连线。其中，焊接时有一些注意事项需要认真对待，像有的元件如果电烙铁温度过高，会把元件烧坏，有时需要快速焊接或者需要用电烙铁的余热进行焊接，当然还要保证焊接的准确性。
6.2 实验调试与分析
接好电路，接通电源，看到的是数码管显示0，表示正常。用东西挡住光敏三级管，不管挡住哪路都没有反应，数码管还是显示0，而且报警器也没有报警。问题出现：随即就拿5V电压直接接到555多谐电路，蜂鸣器发出响声，说明这部分电路没有问题。之后就从译码器的A，B端牵出2根导线，先将其中1路接到5V电源，2路接地，结果数码管显示为1，1路接地，2路接电源，数码管就显示2，两路都接电源时就显示3。所以这部分也没错。那就是光耦中的发光二级管和光敏三级管的问题了，一想可能是和发光二级管和光敏三级管串联的电阻阻值太小了导致烧掉了，测量了电阻才发现电阻阻值与其上表的相差太多，二十欧的电阻居然只有不到两欧，当时把元件拿到手的时候自己没有拿万用表测一下，于是换了电阻和光耦，焊接好之后，重新接好电源，正常了。

7 总结
在本次实验中，首先要确定好设计方案，然后和小组成员明确分工，仿真电路图可不是一件简单的工作，要足够细心，也要了解各个元件的符号，还要有耐心，如果仿真不出来，就要仔细检查是哪部分出错并改正。当然，焊接对大家来说应该都不难，毕竟都经过好多次练习了，但是电路焊好并不代表你已经成功了，调试也是一个很重要的阶段。在调试的过程，需要掌握一些电路调试的方法和一般规律，同时也要掌握如何来检查和排除实验中的所遇到的一些常见故障。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。
从中也让我认识到自己不会的东西还有很多，所以，在以后的学习需要中更加认真，同时，还要与小组内的成员相互合作，共同完成设计任务。 本次实践中，也进一部加深了我们对平时所学理论知识的理解和掌握，也了解到要把学到的知识用于实践中，不只重视理论，要考虑学到的东西能用在哪个方面， 这个实训正是对我们所学《数字电子技术》知识的考察。本次实验培养了我们的自学能力和独立找出问题、分析问题的能力和动手能力。

附录1： 元件清单
序号
名称
数量
1
共阳数码管
1个
2
74LS247芯片
1个
3
光耦
2个
4
555芯片
1个
5
蜂鸣器
1个
6
74LS32芯片
1个
7
电容0.01uf
1 个
8
电容0.1uf
1个

9
电阻510欧
3个
10
电阻20千欧
2个
11
电阻100欧
7个
12
电阻20k欧
3个

附录2：总体电路图

参考文献
[1] 杨兴瑶。 实用电子电路500例。化学工业出版社。1996。
[2] 阎石。 数字电子技术基础。高等教育出版社。1997。
[3] 庞振泰、王采斐、屈宗明 （译）.光电接口器件手册.清华大学出版社.1998
[4] 王毓银.数字电路逻辑设计.北京:高等教育出版社.2005
[5] 彭介华.电子技术课程设计.北京：高等教育出版社.2003.
[6] 谢自美.电子线路设计•实验•测试(第二版) .武汉： 华中科技大学出版社.2004.

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