光电报警系统设计Word下载.docx
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指导教师:
王伟
系主任:
程耀瑜
下达任务书日期:
2012年12月31日
课程设计任务书
1.设计目的:
在学习专业基础课和专业课的基础上,主要在电子仪器、微机综合设计与实践、单片机与A/D和D/A和光、计、电综合应用等几个方面开展实践活动,巩固所学知识、培养动手能力。
2.设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等):
1、了解红外发光二极管与光电二极管的具体应用。
2、了解主动式光电报警系统设计原理,了解锁相环的原理及应用。
3、利用锁相环设计光电报警系统实验
4、对影响光电探测性能的各种参数进行探讨,以求最大限度地发挥系统的探测能力。
3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕:
1)设计说明书符合要求;
2)相应器件的工作原理及应用;
3)系统工作原理图;
4)参考文献原文不少于3篇。
4.主要参考文献:
要求按国标GB7714—87《文后参考文献著录规则》书写,例:
1傅承义,陈运泰,祁贵中.地球物理学基础.北京:
科学出版社,1985
(5篇以上)
5.设计成果形式及要求:
设计说明书及相关电路图
6.工作计划及进度:
2012-12月31日~1月3日了解设计题目及熟悉资料
2013-1月4日~1月7日确定各题目要求计算相关参数,确定具体设计方案
1月8日~1月14日结合要求具体设计与仿真
1月15日~1月18日整理课程设计说明书,答辩或成绩考核
系主任审查意见:
签字:
年月日
引言.......................................................................6
第一章设计要求..........................................................7
总体电路设计............................................7
光电报警器原理介绍................................8
第二章光电报警器电路设计......................................9
光电转换模块设计....................................9
数字显示模块设计....................................10
声光报警模块设计....................................12
第三章proteus电路仿真............................................13
电路仿真.......................................13
第四章电路调试过程与测试结果分析......................16
结论.................................................................................17
参考文献.........................................................................18
附录.................................................................................19
引言
报警器的应用非常广泛。
在汽车、摩托车报警器,仓库大门,以及家庭保安系统中,几乎无一例外地使用了报警器电路。
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、实用性强等优点,但是也具有应用范围窄等缺点,而且安全性能也不是很好。
光电式报警就很好的改善了这一点。
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。
电路简单容易实现,工作稳定,因此得到了广泛的应用。
本文设计的光电式报警器是报警器和光耦小小的结合,但它可以运用到各种生产线上,如纺纱工业的监测各个丝线的有无断点,并加以提示,也可以稍加改进,让其能够计数,记录生产进度,安全性能高,节约了人力资源,并且不易出错,还能运用到人力不能监测的环境。
可见光电报警器的运用可以延伸到各个行业,各个领域。
第一章光电式报警器的原理及总体设计
总体电路设计
本电路由3部分组成:
光电转换电路、数字显示电路、声光报警电路。
设计双光路结构,通过光照光敏三级管输出高低电平来控制74LS247显示数字是哪路被挡,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。
当任一光路被遮挡时,报警器发出间歇式声光报警。
芯片SN74LS247N是驱动共阳数码管的译码器,所以在共阳数码管之前要加几个100欧的电阻。
光电式报警器框图
光电报警器原理介绍
电路的工作原路如图,电路中的上侧为第一路,下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,两个光耦上端的电平有一个为高,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。
第二章光电报警器电路设计
光电转换模块设计
光电转换电路图如图所示:
图光电转换采用光耦,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10mA~30mA范围内,根据欧姆定律,由I=U/R,U=5V,10mA<
I<
30mA,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24千欧的电阻以防止被击穿。
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”。
数字显示模块设计
数字显示电路选择SN74LS247N和共阳7段LEDS译码管,电路图如图所示:
图管脚图如图所示:
图:
74LS247管脚图
74LS247真值表如图所示:
SN74LS247N真值表
译码显示电路如下:
实现A,B,C和D为低电平,数码管显示0。
只有当A为高电平显示1。
只有当B为高电平显示2。
A,B为高电平则显示3。
74LS247为BCD—七段译码器/驱动器,低电平时有效。
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。
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。
此模块由SN74LS247N及共阳数码显示器组成,74LS247驱动共阳数码管工作。
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。
声光报警模块设计
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:
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。
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。
声光报警电路图如图所示:
图光报警选择发光二极管,声音报警选择蜂鸣器。
如果要求发出间歇式的报警,则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,因此采用由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
但是如果周期选择得太大的话,间歇的时间就太长,周期太小的话,人耳就无法感觉出有间歇,一般人耳的间歇感知度为,因此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+100kΩ*2)*1uF=,频率约为1/=。
电容C2的作用是滤波,所以选得小一点更将有利于将交流引入大地,所以取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,因此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,声光报警器开始工作;
当输入低电平的时,声光报警器不工作。
第三章Proteus电路仿真
Proteus电路仿真
当两路没有被遮挡时,光耦导通,输出低电平,数码管显示0,蜂鸣器不报警,如图
图显示电路
当1路被遮挡,2路没被遮挡时,数码管显示1,蜂鸣器报警,如图
当2路被遮挡,1路没被遮挡时,数码管显示2,蜂鸣器报警,如图
当两路都被遮挡,数码管显示3,蜂鸣器报警,如图
第四章电路焊接调试过程与测试结果分析
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
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,两路都没有被遮挡显示0,1路被遮挡显示1,2路被遮挡显示2,两路同时被遮挡显示3。
结论
在这次设计中,通过对“光电式报警器”的设计、安装以及调试,我从中学到了不少知识。
在本次实验中,我学到了做任何事情都要有耐心,电路焊接完成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,我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。
并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。
参考文献
[1]郭明琼,李潇,卿太全。
《常用数字集成电路原理与应用》。
人民邮电出版社。
2006。
[2]康华光。
《电子技术基础》-数字部分(第五版)。
高等教育出版社。
[3]华成英,童诗白。
《模拟电子技术基础》(第四版)。
[4]姜雪松,王鹰。
《电磁兼容与PCB设计》。
机械工业出版社。
2008。
[5]杨欣,王玉凤,刘湘黔。
《电路设计与仿真—基于Multisim8与Protel2004》。
清华大学出版社。
[6]陈雅萍。
《电子技能与实训---项目式教学》。
2007。
[7]于彤。
《传感器原理及应用—项目式教学》。
附录
附录一:
元件清单
序号
名称
型号
数量
1
光耦
2
芯片
74LS247
3
74LS32
4
555
5
电阻
100Ω
7
6
130Ω
510Ω
8
2kΩ
2
9
24kΩ
10
100kΩ
11
电解电容
220uF
12
瓷片电容
13
发光二级管
LED
14
二极管
15
共阳数码管
16
蜂鸣器
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- 光电 报警 系统 设计