透明度报警器课程设计报告.docx
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透明度报警器课程设计报告
课程设计说明书
课程设计名称：
数字电路课程设计
课程设计题目：
透明度报警器
学院名称：
信息工程学院
专业：
通信工程班级：
130422班
学号：
********姓名：
钟洪文
评分：
教师：
陈光
2015年9月19日
数字电路课程设计任务书
题目
透明度报警器
内容及要求
〖基本要求〗
1通过判断收到的被动光强的变化判断透明度。
2当透明度变化时报警。
〖主要参考元器件〗LM324
进度安排
1.设计、仿真、画PCB线路板图、领元器件：
5天；
2.制作、焊接：
3天
3．调试：
6天
4.验收：
1天
5.提交报告：
2015-2016学年第一学期1-3周
学生姓名：
钟洪文周建慧
指导时间：
2015.9.7-2015.9.18
指导地点：
E楼610室
任务下达
2015年9月7日
任务完成
2015年9月18日
考核方式
1.评阅
2.答辩□3.实际操作
4.其它□
指导教师
陈光
系（部）主任
2015－2016学年第1学期 第1周－3周
注：
1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
本实验模拟设计了基于LM324集成芯片的透明度报警器。
该报警器主要由光敏三极管及其比较电路，报警电路组成。
光敏三极管和集成芯片LM324是报警器设计的核心器件，通过使用发光二级管和光敏三极管等感光器件组成的光电转换电路，可以探测出光线是否被遮蔽的信息，并通过把光信号转换为电信号来把这种信息传递至后面比较器，再传递至声光报警电路，以实现报警器的报警功能，其中比较器部分是通过LM324组成的比较器电路来实现设置阀值电压的作用，起到设置报警阀值的目的。
经过老师的耐心的指导以及小组对课程的掌握，和反复的调试，不断的发现问题和解决问题，最终顺利完成透明度报警器的课题。
关键字：
光电转换透明度比较器
2.3报警电路及集成芯片74LS046
第五章结论心得10
附录一参考文献11
附录二实物图13
附录四PCB板图14
前言
随着社会各行业的的发展，科学技术的不断进步，报警器已经在人们的日常生活中得到了广泛的应用，在各行业的安全系统中都应用了报警器，并且人们对报警器的性能提出了更高的要求。
传统的触摸式和开关式报警器，虽然具有性能稳定，实用性强的特点，但是也具有应用范围窄等缺点，并且安全系数也不高。
应用光电技术就很好的改善了这一点。
本实验设计运用了光电转换电路和比较器电路以及报警电路三部分从而实现了报警功能，是设计简单，方便，灵活性强，电路简单容易实现，工作稳定。
透明度报警器的运用前景不容小觑，随着现代化的进程不断加快，住宅安全受到了越来越大的火灾威胁，空气以及饮用水等方面都受到污染，而本课程设计的透明度报警器却可以运用其中，可以通过监测空气和水源的透明度来实现对火灾、雾霾、水体污染预警作用。
做为通信工程专业的学生，不仅要将理论知识学会，更应该将其应用与我们的日常生活中去，使理论与实践很好的结合起来。
数字电路课程设计就给我们提供了良好的平台，是电子技术学习中的一个非常重要的实践环节，能够真正体现我们是否完全吸收了所学的知识。
第一章系统组成及方案设计
1.1系统组成
透明度报警电路主要由信号光电转换电路、比较电路、报警电路等几部分组成。
其系统框图如图1.1所示。
图1.1系统框图
光电转换电路主要由光敏三极管组成，光敏三极管将接收到的光线强弱以电流的大小形式进行转换，从而实现将光信号转化为电信号。
比较电路主要由LM324芯片组成，是将光电转换电路传来的电压大小与初始设定的电压值进行比较，从而实现输出高低电平的目的。
报警电路有两条支路，一条由三极管与蜂鸣器组成，另一条由74LS04芯片和发光二极管组成，当比较电路输出高电平则蜂鸣器报警，当输出为低电平时发光二极管点亮。
1.2方案设计一
方案一的电路图如下图1.2，电路采用对芯片LM324正负电源的供电方式，当光电转换电路输出的电压大于设定电压时比较器输出负电源电压即-5V，反之则输出正电源电压即+5V,从而实现蜂鸣器报警和发光二极管点亮的两种现象。
需要注意的是蜂鸣器需要正极接地从而实现比较器输出低电平是报警。
在模拟设计中用示波器代替了蜂鸣器，从观察到的波形以及发光二极管的工作情况可以确定该电路符合设计要求，但是在实验室中没有提供合适的正负电源，从而放弃了该设计方案。
图1.2方案一设计电路图
1.3方案设计二
在方案一的电路基础上通过修改报警电路部分得的方案二电路如图1.3所示。
由于芯片LM324的4号管脚接入+5V电源，11号管脚接地所以当光电转换电路输出电压小于设定电压时比较器输出高电平蜂鸣器报警，当光电转换电路输出电压大于设定电压时比较器输出低电平再经过一个反向器从而使得发光二极管点亮。
图1.3方案二设计电路图
第二章设计电路组成及基本原理
2.1光电转换及光敏三极管
电路的重要组成模块即光电转换电路模块，电路如图2.1所示，其主要功能是将光信号转换为电信号，从而将需要监测环境的透明度情况传递给下一个电路模块进行处理。
光电转换电路的工作原理，主要是通过光电三极管的基极感光面将外界光强变化转为光电流，使流过三极管的电流增大进而控制输入比较电路的电压增大。
图2.1光电转换电路
光敏三极管和普通三极管的结构相类似，都有电流（Current）放大作用，不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结
图2.2光敏三极管
作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。
光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。
它的引出电极通常只有两个，也
有三个的。
为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收，和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。
不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。
在此课程设计中起到关键作用，是光电转换电路中的重要组成部分。
2.2比较电路及集成芯片LM324
比较电路可谓是整个电路的核心，电路如图2.3所示，起到比较光电转换电路输出的电压数据以及初始设计的电压大小的作用，并且是其比较输出的电平是报警电路工作大重要判断因素其工作原理主要是通过LM324集成芯片完成的
，模拟电路中将芯片2号管脚接入光电转换电路输出电压，3号管脚接入初始设计电压，1号管脚作为输出接入报警电路，将输出的高低电平传递给后续电路进行工作。
图2.3比较电路
LM324系列是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。
在不加负反馈时可以用作比较器，在单电源应用中，它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。
该四路放大器可以工作于低至3.0V或高达32V的电源电压，共模输入范围包括负电源，因此在众多应图2.4LM324内部框图用中无需外部偏置元器件。
输出电压范围也包括负电源电压。
比较器是将一个模
拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。
比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。
2.3报警电路及集成芯片74LS04
报警电路是整个电路的最后一个模块，也是整个系统对于透明度变化的一个表现形式，其电路如图2.5所示，当透明度变化时，报警电路可以做出相应的动作。
其工作原理主要是依据比较电路输出的电平高低来进行不同工作，当比较电路输出高电平时蜂鸣器工作，当比较电路输出低电平时发光二极管工作，从而判断透明度是否发生变化。
图2.5报警电路
74LS04是6非门（反相器）集成芯片，工作电压5V，内部含有6个coms反相器。
其内部框图如图所示。
图2.674LS0内部框图
第三章电路仿真以及结果分析
根据课程设计要求，且按照从简原则，最后确定使用功能完善、操作简单的方案二的模拟电路进行仿真分析，并且最终焊接调试也是确定使用其电路。
由于软件限制，无法真实模拟光敏三极管的感光特性，最后选择手动输入不同大电压值模拟光敏三极管输出电压的变化，电路模拟时用示波器代替了蜂鸣器，通过波形和电压值判断蜂鸣器是否报警。
最终的模拟工作过程一切顺利，与理论设想结果相同。
当初始电压大于光电转换输出电压时，即光强变弱的情况下，如图3.1所示，示波器波形保持5V，即模拟蜂鸣器报警。
图3.1模拟光强变弱蜂鸣器报警
当初始电压小于光电转换电路输出电压，即光强变强情况下，如图3.2所示，发光二极管发光。
图3.2模拟光强变强发光二极管发光
第四章实验调试与电路分析
4.1电路板的焊接
在焊接的过程中，我明白了焊接的原理，即是：
焊锡借助于助焊剂的作用，经过加热熔化成液态，进入被焊金属的缝隙，在焊接物的表面，形成金属合金使两种金属体牢固地连接在一起，形成的金属合金就是焊锡中锡铅的原子进入被焊金属的晶格中生成的，因两种金属原子的壳层相互扩散，依靠原子间的内聚力使两种金属永久地牢固结合在一起。
用电烙铁与焊锡丝将加工好的弯钩焊接在新的电路板上：
a左手拿焊锡丝，右手拿电烙铁。
b把电烙铁以45度左右夹角与焊盘接触，加热焊盘。
c待焊盘达到温度时，同样从与焊板成45度左右夹角方向送焊锡丝。
d待焊锡丝熔化一定量时，迅速撤离焊锡丝。
e最后撤离电烙铁，撤离时沿铜丝竖直向上或沿与电路板的夹角45度角方向。
在焊接过程中出现了如下问题：
1）焊接的时间不能好好把握，导致焊接时间过长，造成板面不整洁。
2）当焊锡完全湿润焊点后，由于以前没经常进行训练，导致手打斗比较严重，电路板虚焊。
4.2电路的调试与分析
焊接完电路发现蜂鸣器的报警并不能像预先设计的那样正常工作，经过分析和测量各电路电压情况，发现只有由于电位器的选择不当，即初始电压选取过大，导致光电转换电路电压无论光强变化多大都一直小于初始电压，致使蜂鸣器始终都处于报警状态。
发现此问题后，及时改变了初始电压大小，从而电路正常工作，透明度报警器电路成功制作完成。
第五章结论心得
本次课设可谓是功夫不负有心人，最终达到了课设的每一项要求。
在检查时用白纸遮挡发光二级管，制造光强变弱的情景，报警器正常报警，拿开白纸即是光强变强的情景，发光二极管正常发光。
通过此次课程设计，对所学的知识有了比较全面的了解和应用，真正尝试到了理论联系实际的趣味。
此次设计巩固了理论基础知识，加强了Multisim等软件的使用，学会了在实验中应注意什么，怎么样保护元件，怎样采能最准最快的查出错误，且对焊接电路以及简化焊接电路的操作有了进一步的提高。
通过连接和调试电路使理论更接近于实际，同时也发现了自己知识的不足，特别是动手能力的缺乏，对以后的学习和实践有了比较强的指导意义。
感触最深的是做任何事都要细心，而且要有耐心，怀着执著的心去追求真理。
附录1参考文献
[1].华成英．模拟电子技术基础.[M].北京：
清华大学出版社，2006.9
[2].阎石．数字电子技术基础.[M].北京：
清华出版社，2006.5
[3].康光华．电子技术基础.[M].北京：
高等教育出版社，2006.7
附录2元件清单及电路图
光敏三极管
1
LM324芯片
1
74LS04芯片
1
发光二极管
2
14脚芯片底座
2
电阻200Ω
1
电阻510Ω
4
1KΩ电位器
1
NPN型9013三极管
1
蜂鸣器
1
波段开关
1
导线
若干
附录3实物图
附录四PCB板图
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