光电式报警器

光电式报警器
电子信息工程学院
电子基础课程设计任务书
I、电子基础课程设计题目:
光电式报警器
II、电子基础课程设计技术要求及主要元器件:
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显示被遮栏的路数,无报警显0,l路显1,2路显2,同时遮挡显3
3、采用5V供电
〖主要参考元器〗光耦,555,74LS08,74LS247
I I I、电子基础课程设计工作内容及进度安排:
Ⅳ、主要参考资料:
?1?王毓银.数字电路逻辑设计.北京:高等教育出版社.2005
?2?彭介华.电子技术课程设计.北京:高等教育出版社.2003.
?3?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.
本文设计了一种光电式报警器,该报警器通过感光器件把光信号转换成电信号,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,有三个模块即光电转换模块、
定时模块以及显示模块。

关键词:光耦,或门,555多谐振荡,光电转换,声光报警
前言 (4)
第一章基本设计要求 (5)
基本设计任务及要求 (5)
提高设计任务及要求 (5)
第二章电路设计原理 (6)
一基本电路设计
系统工作原理及其组成 (6)
设计方案比较和选择 (6)
元器件介绍 (7)
单元模块
光电转换模块 (11)
数字显示模块 (11)
声光报警模块 (12)
电路总体设计 (13)
二提高要求设计
系统工作原理及其组成 (15)
元器件介绍 (15)
单元模块
计数器模块设计设计 (17)
数字显示模块 (17)
电路总体设计 (18)
第三章电路焊接与调试 (20)
第四章实验结论 (22)
参考文献 (23)
附录 (24)
本次课程设计的题目是“光电报警器”。

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。

第一章基本设计要求
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。

参考元件:光耦(H92B4)对管,555,74LS32,CD4511,数码管,蜂鸣器,发光二极管。

提高要求
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。

3.电压为5V。

参考元件:74160, CD4511, 数码管,按键开关,二极管(IN4148)。

第二章电路设计原理
一基本设计电路原理
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
74LS247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。

图工作原理框图
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—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。

电路光控电路
显示译码数码显示
触发信号多谐振荡声光报警
图当接通电源的时候,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。

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。

元器件介绍
1 光耦(H92B4):光耦原理图见图。

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.或门(74LS32)
74LS32管脚图如图所示
图: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(74LS247)
74LS247管脚图如图所示:
图: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.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。

图为数码管的内部结构。

图: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。

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。

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 ~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。

图为555定时器的内部结构及管脚排列。

图: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 电平单元模块
光电转换模块:
光电转换的电路见图—2。

由于发光二极管的工作电压大约在,工作电流大约在4到10mA,并且电源电压为5V,所以R3=/(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,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
74LS247D
A 7
B 1
C 2
D 6
OA 13OD 10OE 9OF 15OC
11OB 12OG
~LT 3~RBI 5~BI/RBO
A B C D E F G
VCC
5V VCC
R7100|?R8100|?R9100|?R10
100|?R11100|?R12100|?R13
100|?
56789
2122
VCC
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。

声光报警模块
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=*(R5+2R6)*C1(公式—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,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*(200kΩ+100 kΩ*2)*1uF=,频率约为1/=。

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=。

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
电路总体设计
电路总体设计电路图见图—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—1。

表—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。

表—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。

二提高要求电路原理
系统工作原理及其组成
图
元器件介绍
1.集成计数器74LS160
本实验所用集成芯片为异步清零同步预置四位8421码10进制加法计数器74LS161,集成芯片的各功能端如图所示,其功能见附表。

图74LS160为异步清零计数器,即RD 端输入低电平,不受CP 控制,输出端立即全部为“0”,功能表第一行。

74LS160具有同步预置功能,在RD 端无效时,LD 端输入低电平,在时钟共同作用下,CP 上跳后计数器状态等于预置输入DCBA ,即所谓“同步”预置功能(第二行)。

RD 和LD 都无效,ET 或EP 任意一个为低电平,计数器处于保持功能,即输出状态不变。

只有四个控制输入都为高电平,计数器(161)实现模10加法计数,Q 3 Q 2 Q 1 Q 0=1001时,RCO=1。

2.译码驱动器CD4511 图所示为CD4511引脚图。

其中A-D 为BCD 码输入端;a-g 为译码输出端,输出“1”有效,来驱动共阴数码管;LT =0时,译码输出全为“1”; BI 为消隐输入端,BI =0,译码输出全为“0”;LE 为锁定端,LE=1时译码器处于锁定(保持)状态,译码输出保持在LE=0时的数值,LE=0为正常译码。

CD4511内接有上拉电阻,故只需要在输出端于数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。

译码器还有拒伪码功能,当输入超过1001时,输出全为“0”,数码管熄灭。

计数器计数计数脉冲显示译码数码显示
1 2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 74LS160
RD CP D 1 GND EP V CC D 0 15 16 D 2 D 3 LD
ET Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 CO RD LD ET EP CP D 3 D 2 D 1 D 0 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 0 × × × × × × × × 0 0 0 0 1 0 × × ↑ D C B A D C
B A 1 1 0 × × × × × × 保持1 1 × 0 × × × × × 保持 1
1 1 1 ↑ × × × × 计数
74LS160功能表
图 3.触发器74LS74
74LS74是边沿型双D触发器,时钟CP上升沿有效,即触发器初态和次态按CP 的上升沿划分。

74LS74的引脚如图触发器功能见附表。

图 4.与非门
74LS00是四2输入与非门
单元模块
计数器模块设计设计
图图第一片的进位输出C作为第二片的EP和ET输入,每当第一片计成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态。

数字显示模块
图此模块由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) 电路总体设计
图
电路总体设计如图
根据设计要求,每当来一个计数脉冲时,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。

考虑到计数器位数只有2位,所以增加了一个模块,当计数到超过99次以后,该模块点亮绿色发光二极管做指示灯,清零后二极管也会熄灭。

即由74LS00与74LS74构成的部分。

制作过程中由于门延时的影响导致了发光二极管不能正常点亮与熄灭,为不增加使用元器件,所以多加了两级与非门解决这个问题。

第三章电路焊接与调试
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
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,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,无报警显0,1路显1,2路显2,同时遮挡显3。

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,若数码管能正常显示计数,则可继续下一步焊接。

第三步按照电路图焊接计数溢出指示灯模块,接通电源,接上计数脉冲,按复位键,若计数超过99指示灯不亮,则说明电路连接有问题或者遇到其它问题。

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。

3.具有技术溢出指示功能
3.两个电路的链接调试要点
将计数电路与报警电路连接起来,报警电路每报一次警就给计数电路一次计数脉冲,这样才能将两部分电路很好的衔接,其中报警电路能不能提供稳定的脉冲信号
时关键。

观察电路,报警电路在不报警时显示“0”,报警时显示“1”“2”或者“3”,发现其中驱动译码器的F输出在不报警时是低电平(点亮),报警时就是高电平(熄灭),所以选择驱动译码器的F输出做为计数电路的脉冲信号。

第四章实验结论
在这次课程设计中,通过对“光电报警器”的设计、安装以及调试,笔者从中学到了不少知识。

在做这个题目的过程中,笔者和搭档一起查资料、学习、设计。

这些必要的准备工作完成后,又一起安装电路、焊接电路、测试改进、分析问题。

最后得出了比较满意的结果。

本次实践中,进一部加深了笔者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那方面,例如笔者正开始学《微机原理》,我发现电路主机本上都是由我们以前学过的集成逻辑电路组成。

本次实验培养了笔者的自学能力和独立找出问题、分析问题的能力和动手能力。

在本次实验中,学到了做任何事情都要有耐心,电路焊好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,笔者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。

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。

本次设计性实验通过利用光耦及对管这两个廉价的元器件制造出了实用价值更高的光电报警器,该报警器通过555多谐振荡器,74LS32,74LS247,数码管,蜂鸣器,发光二极管与光耦,对管的巧妙结合,实现了光电报警器可用价值。

同时通过两种方案的比较,利用光耦来制造光电报警器效果更好。

附录一电路设计总电路图
附录二
元器件清单
序号名称型号数量1 光耦H92B4 2
芯片74LS247 1
3 74LS32 1
4 74160 2
5 CD4511 2
6 74LS74 1
7 74LS00 1
8 555 1
电阻100Ω7
9 240Ω 2
10 510Ω16
11 20 kΩ 2
12 100 kΩ 2
13 200 kΩ 2
14 电容1uF 1
15 1
16 红色发光二级光LED_RED 1
17 绿色发光二级光LED_GREEN 1
18 二极管IN4148 1
19 共阴数码管 2
20 共阳数码管 1
21 按键开关 1
22 蜂鸣器 1
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