光電報(bào)警器教材

鄭州科技學(xué)院《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)題目光電報(bào)警器學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)院（系）電氣工程學(xué)院指導(dǎo)教師袁玉霞完成時(shí)間2012年3月12日目錄1課程設(shè)計(jì)的目的 12課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 13設(shè)計(jì)方案與論證 23.1設(shè)計(jì)方案 23.2設(shè)計(jì)論證 44設(shè)計(jì)原理及功能說明 45單元電路的設(shè)計(jì) 55.2數(shù)字顯示 75.3聲光報(bào)警 96硬件的制作與調(diào)試 136.1電路仿真 136.2電路板的設(shè)計(jì) 136.3電路板焊制 137總結(jié) 14參考文獻(xiàn) 15附錄1總體電路原理圖 16附錄2元器件清單 17附錄：實(shí)物圖 181課程設(shè)計(jì)的目的1學(xué)習(xí)總結(jié)基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)步驟，進(jìn)一步熟悉和掌握常用數(shù)字電路元器件的作用。學(xué)會(huì)使用仿真軟件Mutisim繪制電路原理圖以及對(duì)電路進(jìn)行仿真。學(xué)習(xí)數(shù)字電路實(shí)物制作、調(diào)試、測試、故障查找及排除的方法和技巧。培養(yǎng)細(xì)致認(rèn)真以及自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣。學(xué)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖進(jìn)行PCB板排板，練習(xí)電路的焊接并能熟練掌握其焊接方法，使作品達(dá)到既實(shí)用又美觀的效果。培養(yǎng)實(shí)踐技能，分析和解決實(shí)際問題的能力。培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)未來電子方面設(shè)計(jì)的興趣。2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求此次我們組設(shè)計(jì)的光電報(bào)警器是光電二極管和報(bào)警器的靈活結(jié)合，它可以運(yùn)用到各種生產(chǎn)線上，如博物館里的防盜系統(tǒng)，并提示物品被盜地點(diǎn)，安全性能高，節(jié)約了人力資源，并且不易出錯(cuò)；還能運(yùn)用到其它人力不能監(jiān)測的環(huán)境。該報(bào)警器通過使用紅外線發(fā)射二極管和紅外線接收二極管等感光器件組成的光電轉(zhuǎn)換電路，可以探測出光線是否被遮擋的信息，并通過把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來把這種信息傳遞至后面的數(shù)碼顯示電路和聲光報(bào)警電路，以實(shí)現(xiàn)控制數(shù)碼管的顯示與報(bào)警器報(bào)警的功能。其中聲光報(bào)警部分通過555定時(shí)器組成的多諧振蕩器來控制蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲和發(fā)光二極管發(fā)出光亮來代替聲光報(bào)警效果。整個(gè)設(shè)計(jì)利用了部分?jǐn)?shù)字邏輯電路，能實(shí)現(xiàn)在報(bào)警過程中同時(shí)顯示對(duì)應(yīng)路數(shù)的功能。并且該報(bào)警器的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，共有三個(gè)模塊，即：光電轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊。各單元電路功能結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，可擴(kuò)充性強(qiáng)，具有很高的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。本次設(shè)計(jì)我們采用雙光路結(jié)構(gòu)，當(dāng)任一光路被遮擋時(shí)，報(bào)警器便會(huì)發(fā)出間歇式聲光報(bào)警；采用數(shù)碼管顯示被遮擋的路數(shù)，無報(bào)警數(shù)碼管顯示0；1路報(bào)警數(shù)碼管顯示1；2路報(bào)警數(shù)碼管顯示2；同時(shí)遮擋報(bào)警數(shù)碼管顯示3。采用5V電源供電。本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)借助于模擬電路和數(shù)字邏輯電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，使設(shè)計(jì)變得簡單、方便、靈活性強(qiáng)。電路簡單容易實(shí)現(xiàn)，工作穩(wěn)定，因此可以得到廣泛的應(yīng)用。如今，光電報(bào)警器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化儀表、醫(yī)療電子設(shè)備等領(lǐng)域。3設(shè)計(jì)方案與論證3.1設(shè)計(jì)方案方案一該課程設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)可由圖3--1所示的原理框圖組成。報(bào)警電路比較器檢波弱信號(hào)放大光接收?qǐng)?bào)警電路比較器檢波弱信號(hào)放大光接收光發(fā)射光調(diào)制圖3--1方案一原理框圖由電源提供紅外發(fā)射二極管確定規(guī)律變化的調(diào)制電流，使發(fā)光管發(fā)出紅外調(diào)制光，在一定距離以外用光電二極管接收調(diào)制光。由于題目要求用實(shí)驗(yàn)室所提供的5V電源，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)比較弱，需經(jīng)過放大才可以帶動(dòng)后續(xù)電路，所以電路中要有信號(hào)放大電路系統(tǒng)。放大的信號(hào)經(jīng)過檢波處理后控制顯示電路和報(bào)警器。分析可知該方案中需要用到以下電路：①多諧振蕩器電路②信號(hào)放大電路③檢波電路、電壓比較電路④報(bào)警保持電路方案二第二方案電路圖如附錄中電路總圖所示。分析可知該電路圖結(jié)構(gòu)較為簡明扼要，共有三個(gè)模塊組成，各模塊單獨(dú)作用各司其職，相互之間影響較小，且以模塊為電路單元在設(shè)計(jì)上顯得更為合理，單獨(dú)模塊設(shè)計(jì)電路較為方便，模塊設(shè)計(jì)好之后只需把各模塊適當(dāng)?shù)倪B接到一塊即可，這樣在實(shí)際焊接時(shí)步驟更為清晰明該方案中主要用到以下電路：①多諧振蕩器電路②報(bào)警保持電路該課程設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)可由圖3--2所示的原理框圖組成。數(shù)字顯示模數(shù)轉(zhuǎn)換聲光報(bào)警器數(shù)字顯示模數(shù)轉(zhuǎn)換聲光報(bào)警器光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換圖3--2方案二原理框圖3.2設(shè)計(jì)論證由以上簡述可知方案一需要經(jīng)過信號(hào)放大器、比較器、檢波器，至少需要用到包括555芯片和集成運(yùn)放在內(nèi)的5個(gè)集成芯片。并且根據(jù)此方案做課程設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)起來較為復(fù)雜，所用原器件也比較繁多，電路仿真時(shí)也會(huì)有諸多麻煩，由此可見實(shí)現(xiàn)題目要求有較大的困難。而方案二只需要3個(gè)集成芯片，且原理圖設(shè)計(jì)簡單易懂，系統(tǒng)功能便于實(shí)現(xiàn)，顯而易見實(shí)現(xiàn)該方案較為簡單，與方案一作比較可以確定此方案為本次課程設(shè)計(jì)的首要選擇。4設(shè)計(jì)原理及功能說明本次課程設(shè)計(jì)總電路圖由三大模塊組成，即：光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字顯示模塊、聲光報(bào)警模塊。由設(shè)計(jì)要求可知設(shè)計(jì)電路中應(yīng)當(dāng)含有光發(fā)射和接收裝置，并且通過光電轉(zhuǎn)換電路把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)即通過紅外線照射紅外線接收二極管（以下簡稱“接收管”）使其輸出高或低電平以控制74LS247和數(shù)碼管電路顯示數(shù)字說明是哪路被遮擋，同時(shí)由以555為核心的報(bào)警器電路發(fā)出間歇式的聲光報(bào)警。當(dāng)圖中一路和二路均無光線遮擋時(shí)，D2、D4由于分別被D1、D3發(fā)出的紅外線照射，而處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)由74LS247的兩個(gè)引腳A、B與光電轉(zhuǎn)換電路的接點(diǎn)處均為低電平，數(shù)碼管顯示為0，且由555芯片等構(gòu)成的多諧振蕩電路不能正常工作，故而報(bào)警部分不會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)圖中一路或二路任一路光線被遮擋時(shí)，此處假設(shè)為二路，則D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，而D4處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)與引腳A相接的接點(diǎn)處為低電平，而與引腳B相接的接點(diǎn)處為高電平，數(shù)碼管顯示為2，由555芯片等構(gòu)成的多諧振蕩電路可以正常工作，報(bào)警部分會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)圖中一路和二路光線均被遮擋時(shí)，則D2、D4處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)上述的兩接點(diǎn)處均為高電平，數(shù)碼管顯示為3，由555芯片等構(gòu)成的多諧振蕩電路可以正常工作，報(bào)警部分會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。5單元電路的設(shè)計(jì)5.1光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換模塊可以以紅外線發(fā)射管和紅外線接收管為核心設(shè)計(jì)而成。發(fā)射管在外加電壓下可以發(fā)射出紅外線，這種紅外線可以被接收二極管接收。一旦接收管受到紅外線照射，就會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，否則處于截止?fàn)顟B(tài)。故而兩種二極管通常會(huì)結(jié)合起來成對(duì)使用。由于設(shè)計(jì)要求有兩路光，故需要用到兩對(duì)光電二極管，設(shè)計(jì)電路如下圖5--1所示。圖5--1光電轉(zhuǎn)換電路圖小功率的發(fā)光二極管工作在電流為5mA-20mA范圍內(nèi)才能發(fā)光，根據(jù)歐姆定律，由R=U/I，U=5V，5mA<I<20mA，計(jì)算可知與紅外線發(fā)射二極管（以下簡稱“發(fā)射管”）串聯(lián)的電阻值應(yīng)該在250Ω-1000Ω之間，故在總電路圖中可選用電阻R810=R=510Ω的電阻。接收管要串聯(lián)一個(gè)電阻值較大的電阻以防止被擊穿，可以令R911=24KΩ。當(dāng)圖中發(fā)射管D1發(fā)出的紅外線被接收管D2收到時(shí)，D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于D2正極直接接地，則A點(diǎn)即為低電平；如果在D1與D2之間放置遮擋物，如一張卡片，則D1發(fā)出的紅外線不會(huì)被D2收到，即相當(dāng)于接收管D2未被紅外線照射，此時(shí)D2處于截止?fàn)顟B(tài)，由于A點(diǎn)通過24KΩ的電阻接至+5V電源，故相當(dāng)于高電平。同理可知B點(diǎn)亦是如此。這就有了高低電平的輸出來控制后面的數(shù)字電路部分，實(shí)際上這部分是實(shí)現(xiàn)了把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的功能。5.2數(shù)字顯示由于題目中要求能顯示光線被遮擋的路數(shù)，故而考慮使用數(shù)碼管，并結(jié)合74LS247芯片共同實(shí)現(xiàn)這一功能，下面介紹如下：顯示譯碼器主要由譯碼器和驅(qū)動(dòng)器組成，常集中在一塊芯片上，輸入一般為二—十進(jìn)制代碼，其輸出的信息用于驅(qū)動(dòng)顯示器件，顯示出十進(jìn)制數(shù)字來。74LS247為集電極開路輸出的BCD——七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，主要用于驅(qū)動(dòng)七段共陽數(shù)碼管顯示器，故而本次課程設(shè)計(jì)選用共陽型數(shù)碼管。圖5--2(a)圖所示為由七段發(fā)光二極管組成的數(shù)碼顯示器的外形。圖5--2(b)圖所示為利用字段的不同組合，分別顯示出的0-9十個(gè)數(shù)字。圖5--3圖所示為74LS247管腳排列。圖5--2七段數(shù)碼管顯示器(a)及顯示的數(shù)字(b)圖5--374LS247引腳排列圖各引腳功能如下：A、B、C、D譯碼地址輸入端，BI/RBO消隱輸入（低電平有效）脈沖消隱輸出（低電平有效）LT燈測試輸入端（低電平有效）RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效）(a--g)輸出（低電平有效）。芯片74LS247是驅(qū)動(dòng)共陽數(shù)碼管的譯碼器，所以在共陽數(shù)碼管之前要加7個(gè)100Ω的電阻，以防止數(shù)碼管被燒壞。74LS247與共陽數(shù)碼管連接電路如下圖所示圖5—474LS247與共陽數(shù)碼管連接電路圖5--4中74LS247的A、B、C、D為BCD碼輸入端，當(dāng)輸入不同的BCD碼時(shí)，可以讓共陽數(shù)碼管顯示0-9之間不同的數(shù)字，顯示真值表如圖5--5所示。圖5--5數(shù)字顯示真值表由于本次設(shè)計(jì)題目要求數(shù)碼管能根據(jù)光線遮擋與否分別顯示0、1、2、3，為滿足此要求，可以將圖4--1中A、B端點(diǎn)分別連接至圖4--5中74LS247的譯碼地址輸入端A、B，令C、D輸入端對(duì)應(yīng)的2、6腳接地即可。詳細(xì)分析如下：①當(dāng)A=0，B=0時(shí)，數(shù)碼管顯示為0；②當(dāng)A=1，B=0時(shí)，數(shù)碼管顯示為1；③當(dāng)A=0，B=1時(shí)，數(shù)碼管顯示為2；④當(dāng)A=1，B=1時(shí)，數(shù)碼管顯示為3。5.3聲光報(bào)警由于題目要求實(shí)現(xiàn)間歇式聲光報(bào)警，故而可以選用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路實(shí)現(xiàn)該功能，多諧振蕩電路輸出為高低電平交替出現(xiàn)的矩形脈沖，很容易實(shí)現(xiàn)報(bào)警要求。首先介紹555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)功能如下：555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字--模擬混合集成電路，利用它能夠方便構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等多種應(yīng)用電路。因使用靈活、方便，在工業(yè)控制、定時(shí)、檢測、報(bào)警等方面都有很廣泛的應(yīng)用。NE555引腳排列如圖5--6所示。圖5—6NE555引腳排列NE555各引腳如下：1腳是電路接地端GND；2腳是低觸發(fā)端TRIG；3腳是輸出端OUT；4腳是主復(fù)位端R，只有復(fù)位端接至高電平時(shí)多諧振蕩器才能正常工作；5腳是控制電壓端Uc；6腳是高觸發(fā)端THR；7腳是放電端DIS。8腳是正電源端Ucc，工作電壓范圍為5--18V。555構(gòu)成多諧振蕩器電路如圖5--7所示。圖5—7555構(gòu)成多諧振蕩器電路其中R12、R13和C1為定時(shí)電阻和電容，C2為電壓控制端穩(wěn)定電容。在信號(hào)的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖。多諧振蕩器工作時(shí)輸出端OUT波形如圖5--8所示。圖5--8多諧振蕩器輸出端波形圖在多諧振蕩器的輸出端接上蜂鳴器和發(fā)光二極管即可實(shí)現(xiàn)間歇式聲光報(bào)警功能，具體電路如圖5--9所示。該圖中可以通過調(diào)節(jié)可變電阻R14的大小來改變蜂鳴器的鳴叫頻率。圖5--9以555為核心的聲光報(bào)警電路由于題目要求當(dāng)任一光路被遮擋時(shí)，報(bào)警器就得發(fā)出間歇式聲光報(bào)警，所以可以將光電轉(zhuǎn)換電路與74LS247的兩管腳A.B相連的兩接點(diǎn)通過2輸入或門電路連接至NE555的1號(hào)引腳。當(dāng)原理圖中光電轉(zhuǎn)換電路與74LS247的兩管腳A.B相連的接點(diǎn)處至少一點(diǎn)為高電平時(shí)，通過或門輸出的才為高電平，再把此高電平連至NE555的4腳復(fù)位端，由于NE555的復(fù)位端只有在接了高電平時(shí)才能正常發(fā)出聲光報(bào)警，故可以實(shí)現(xiàn)題目要求的功能?；蜷T74LS32的引腳圖如圖5--10所示圖5--10或門74LS32引腳排列圖6硬件的制作與調(diào)試6.1電路仿真圖6-1電路仿真圖6.2電路板的設(shè)計(jì)此部分考察同學(xué)們的整體設(shè)計(jì)能力，要求根據(jù)電路原理圖進(jìn)行PCB板排線，符合用電要求。6.3電路板焊制開始從烙鐵架上拿出電烙鐵時(shí)，以45度靠近焊接面進(jìn)行預(yù)熱，然后將焊錫絲同時(shí)伸向被焊的組件腳及焊盤，一起接觸被焊處；當(dāng)焊錫絲融化，想焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤濕焊盤與組件腳，當(dāng)焊點(diǎn)上焊錫成圓錐形時(shí)即抽離焊錫絲。在焊錫完全溶化后移去烙鐵頭。如果焊點(diǎn)有連焊，將焊錫線與烙鐵頭一起接觸在連焊的焊點(diǎn)之間，待焊錫絲與助焊劑一起溶化后，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側(cè)放著向下移去，移去多余的焊錫。焊點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)是：焊點(diǎn)成錐形，焊錫要適量，表面有光澤，光滑，清潔等。調(diào)試：初步檢查電路板，用表筆查看是否有虛焊等情況。在上一步的基礎(chǔ)上，用表筆查看元件正負(fù)極有無接反。注意觀察紅外線發(fā)射端和接收端的位置是否達(dá)到要求的位置，是否有被擋住或者離得遠(yuǎn)導(dǎo)致接收端接收到的信號(hào)弱而不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。7總結(jié)完成這次課程設(shè)計(jì)我覺得收獲很多，不但進(jìn)一步掌握了數(shù)電的一些基本知識(shí)及一門專業(yè)仿真軟件的基本操作和應(yīng)用，還提高了自己的設(shè)計(jì)能力及動(dòng)手能力。更多的是讓我看清了自己，明白了凡事需要耐心，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。理論知識(shí)的不足在這次實(shí)習(xí)中表現(xiàn)的很明顯。這將有助于我今后的學(xué)習(xí)，端正自己的學(xué)習(xí)態(tài)度，從而更加努力的學(xué)習(xí)。只有這樣我們才能真正的去掌握它，而不只是懂得一點(diǎn)皮毛。同時(shí)我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。只有一個(gè)人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須讓每個(gè)人都知道，否則一個(gè)人的錯(cuò)誤，就有可能導(dǎo)致整個(gè)工作失敗。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們實(shí)習(xí)成功的一項(xiàng)非常重要的保證。而這次實(shí)習(xí)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。實(shí)訓(xùn)過程中，我們也學(xué)習(xí)了如何辨認(rèn)元件，如何區(qū)分電容，二極管正負(fù)極檢測，如何使用元件，理解分析電路，設(shè)計(jì)電路的步驟，怎么去分析電路和如何用計(jì)算機(jī)