09803龚云.docx
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09803龚云
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：
〖基本要求〗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
III、电子基础课程设计工作内容及进度安排：
2天查阅资料、确定方案；
6天设计调试；
2天写报告。
Ⅳ、主要参考资料：
【1】陈大钦.电子技术基础实验－电子电路实验•设计•仿真第二版.武汉：
华中理工大学.2000.
【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.
专业名称：
电子信息
班级学号：
098208103、098208104
学生姓名：
龚云、罗丽芬
指导教师：
李翔文
设计时间：
1～2周
系（部、中心）主任：
注：
任务书装订在课程设计报告首页
摘要
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。
而光电式报警器更常用，几乎在我们的生活中都可以看到以及用到。
它给我们的生活带来的是实用的，方便的。
所以，可以说是遍布了我们的生活。
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组成。
各模块功能独立，可扩充性强，很有经济利用价值。
光电报警器的使用简单，可靠性高，人们在日常生活中可以将光电报警器广泛的利用在很多领域，来提高自己的生活的安全度。
也提高了生活的质量和可靠。
让我们的生活更加的放心和方便。
等等。
它，带来的好处可以是很多很多。
关键词：
光耦，或门，555多谐振荡，光电转换，声光报警 发光二极管
目录
前言…………………………………………………………………………4
第一章设计内容及要求…………………………………………….…….5
第二章系统设计方案选择………………………………………………...5
2.1方案一…………………………………………………..……..5
2.2方案二…………………………………………………..……..6
第三章电路各模块原理图..………………………………………….………7
3.1声光报警模块……………………………………………...…...7
3.2数字显示模块.……………………………………………......9
3.3光电转换模块…………………...………………………...…12
第4章电路原理及设计…………………………………........………........14
第5章实验、调试及测试结果与分析....…………………....………….….15
第6章结论……................…………………....……................……16
6.1结论……................…………………....……................……16
6.2设计心得和体会..................……................……16
参考文献……................………………................………………................……18
附录……................………………................………………................…..18
附表：
元器件清单………………................………………................…..18
附图：
电路总图……................………………..................19
前言
现在的社会发展的越来越快，所以我们的生活也变得丰富多彩了。
然而，伴随着我们身边的生活质量也越高了。
生活的安全度也提高了。
正是因为有很多高科技的发展及应用。
才让我们的生活越来越方便和安全。
随着社会上各行各业的蓬勃发展，报警器已经在人们的日常生活中得到了广泛的应用，如汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及各行业安全系统中，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。
然而传统的触摸式、开关式报警器等，虽然具有性能稳定、实用性强等特点，但是也具有应用范围窄等缺点，而且安全性能也不是很好。
光电报警就很好的改善了这点。
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，因此可以得到广泛的应用。
本文设计的光电报警器是光电二极管和报警器的灵活结合，它可以运用到各种生产线上，如博物馆里的防盗系统，并提示物品被盗地点，安全性能高，节约了人力资源，并且不易出错；还能运用到其它人力不能监测的环境。
显而易见，光电报警器的运用能延伸到各个行业。
第1章：
设计内容及要求
一、基本要求：
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）采用数码管显示被遮挡的路数，无报警显0，1路报警显1，2路报警显2，同时遮挡报警显3；
3）采用5V电源供电。
二、设计任务:
（1）根据原理图分析电路的功能；
（2）熟悉电路中所用到的芯片的管脚及其功能；
（3）进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求；
（4）写出完整、详细的课程设计报告。
第二章：
系统设计方案选择
方案一
该课程设计要求的系统可由图2--1所示的原理框图组成。
由电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制电流，使发光管发出红外调制光，在一定距离以外用光电二极管接收调制光。
转换后的信号经放大，检波后控制报警器，总的实验电路可以实际设计时详细设计。
图2.1方案一原理框图
其中该方案中需要用到以下电路：
①多谐振荡器电路
②信号放大电路
③检波电路、电压比较电路
④报警保持电路
可见实现该方案需要经过信号放大器、比较器、检波器，至少需要用到包括集成功放和集成运放在内的5个集成芯片。
原理图设计起来较为复杂，所用原器件也比较繁多，实现题目要求有较大的困难。
方案二
根据课题设计要求设计方案二，初步建立系统框图如下：
该方案中主要用到以下电路：
①多谐振荡器电路
②报警保持电路
实现该方案较为容易，由于集成芯片只需要3个，且原理图设计简单易懂，系统功能便于实现，比较方案一可以确定此方案为本次课程设计首要选择。
第三章：
电路各模块原理图
3.1声光报警模块
由于题目要求实现间歇式声光报警，故而可以选用555定时器构成多谐振荡电路实现该功能，多谐振荡电路输出为高低电平交替出现的矩形脉冲，很容易实现报警要求。
首先介绍555定时器的结构功能如下：
555定时器是一种多用途的数字--模拟混合集成电路，利用它能够方便构成多谐振荡器、单稳态触发器等多种应用电路。
因使用灵活、方便，在工业控制、定时、检测、报警等方面都有很广泛的应用。
NE555引脚排列如图3—1所示，555构成多谐振荡器电路如图3—2所示。
NE555各引脚如下：
1脚是电路接地端GND；2脚是低触发端TRIG；3脚是输出端OUT；
4脚是主复位端R，只有复位端接至高电平时多谐振荡器才能正常工作；
5脚是控制电压端Uc；6脚是高触发端THR；
7脚是放电端DIS。
8脚是正电源端Ucc，工作电压范围为5--18V。
R1、R2和C为定时电阻和电容，C1为电压控制端稳定电容。
在信号的输出端产生矩形脉冲，其振荡频率为
（Hz）
图3.1集成电路555引脚图
图3.2集成芯片555构成的多谐振荡器
多谐振荡器工作时输出端OUT波形如下：
其中
（s），
（s）
输出脉冲占空比为
由此可知，在多谐振荡器的输出端接上蜂鸣器和发光二极管即可实现间歇式声光报警功能，具体如图3—3所示。
该图中可以通过调节可变电阻
的大小来改变蜂鸣器的鸣叫频率。
图3.3以555为核心的声光报警电路
3.2数字显示模块
另外题目中要求在报警的同时显示光线被遮挡的路数，故而考虑使用数码管，结合74LS247芯片共同实现这一功能，下面介绍如下：
显示译码器主要由译码器和驱动器组成，常集中在一块芯片上，输入一般为二—十进制代码，其输出的信息用于驱动显示器件，显示出十进制数字来。
图3-4（a）图所示为由七段发光二极管组成的数码显示器的外形。
图3-4（b）图所示为利用字段的不同组合，分别显示出的0--9十个数字。
图3.4七段数码管显示器（a）及显示的数字（b）
液晶是液态晶体，它既具有液体的流动性，又有某些光学特性的有机化合物，其透明度及颜色受外加电场的控制，可做成受电场控制的七段液晶数码显示器。
将液晶的7个电极做成8字形，则只要在7个电极上按七段字形的不同组合加上电压，便可显示出相应的数字。
七段数码管显示器共有两种，即共阳数码管和共阴数码管，其内部结构如图3-5所示
图3.5半导体数码显示的内部结构
74LS247为集电极开路输出的BCD——七段译码器/驱动器，主要用于驱动七段共阳数码管显示器，其引脚排列如图3-6所示:
图3.674LS247引脚排列图
各引脚功能为：
A、B、C、D译码地址输入端
消隐输入（低电平有效）脉冲消隐输出（低电平有效）
灯测试输入端（低电平有效）
脉冲消隐输入端（低电平有效）
（a--g）输出（低电平有效）
74LS247与共阳数码管连接电路如图3-7所示:
图3.774LS247驱动共阳数码管电路
图3-7中74LS247的A、B、C、D为BCD码输入端，当输入不同的BCD码时，可以让共阳数码管显示0--9之间不同的数字，真值表如图3-8所示。
由于本次设计题目要求能分别显示0、1、2、3，实际电路中令C、D输入端对应的2、6脚接地即可。
此后详细分析如下：
①当A=0，B=0时，数码管显示为0；
②当A=1，B=0时，数码管显示为1；
③当A=0，B=1时，数码管显示为2；
④当A=1，B=1时，数码管显示为3。
图3.8数字显示真值表
3.3光电转换模块
光电转换模块可以以红外线发射二极管（以下简称"发射管"）和红外线接收二极管（以下简称"接收管"）为核心设计而成。
发射管在外加电压下可以发射出红外线，这种红外线可以被接收二极管接收。
一旦接收管受到红外线照射，就会处于导通状态，否则处于截止状态。
故而两种二极管通常会结合起来成对使用。
由于设计要求有两路光，故需要用到两对光电二极管，设计电路如图3--9所示。
图3.9光电转换电路
当图中发射管D1发出的红外线被接收管D2收到时，D2处于导通状态，由于D2正极直接接地，则A点即为低电平；如果在D1与D2之间放置遮挡物，如一张卡片，则D1发出的红外线不会被D2收到，即相当于接收管D2未被红外线照射，此时D2处于截止状态，由于A点通过24KΩ的电阻接至+5V电源，故相当于高电平。
同理可知B点亦是如此。
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。
由于题目要求当任一光路被遮挡时，报警器就得发出间歇式声光报警，为满足此要求，可以将图3--9中A、B端点通过2输入或门电路连接至2.1节中的声光报警电路中NE555的4脚。
或门74LS32的引脚图如图3--10所示
图3.10或门74LS32引脚排列图
当A、B两点至少一点为高电平时，通过或门输出的才为高电平，再把此高电平连至NE555的4脚复位端，由于NE555的复位端只有在接了高电平时才能正常发出声光报警，故可以实现题目要求的功能。
第四章：
电路原理及设计
本次课程设计总电路图（见附图）由3部分组成：
光电转换系统、数字显示系统、555报警系统。
通过红外线照射接收管使其输出高低电平以控制74LS247和数码管电路显示数字说明是哪路被遮挡，同时由555以为核心的报警器发出间歇式的声光报警。
电路设计：
小功率的发光二极管工作在电流为5mA～20mA范围内才能发光，根据欧姆定律，由R=U/I，U=5V，5mA=510Ω的电阻。
红外线接收管管要串联一个电阻值较大的电阻以防止被击穿，可以令
=24KΩ。
芯片74LS247是驱动共阳数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加7个100Ω的电阻，以防止数码管被烧坏。
多谐振荡器可根据
（s）来确定蜂鸣器鸣叫频率，其中蜂鸣时间为
（s），间歇时间为
（s）。
设计时选择主电路图中
为可变电阻，最大电阻为5.5KΩ，
=2.2KΩ，电容
为电解电容，容值为220μF。
则由
计算可知蜂鸣器鸣叫周期在T=0.66792s～1.50282s之间，由于间歇时间为
=0.66792s，故鸣叫时间
，在0～0.8349s之间。
下面结合主电路图说明光电报警器工作原理：
当图中一路和二路均无光线遮挡时，
、
由于分别被
、
发出的红外线照射，而处于导通状态，此时A、B两点均为低电平，则此时74LS247芯片的输入端为：
A=B=C=D=0，由图2--5所示数字显示真值表可知数码管显示为0，又由于A、B两点为或门74LS32的两个输入端，A=0，B=0，故而A+B=0，74LS32的输出端为低电平，可知报警部分的NE555中4脚复位端为低电平，导致多谐震荡电路不能工作，报警部分不会报警；
当图中一路或二路任一路光线被遮挡时，此处假设为二路，则
处于导通状态，而
处于截止状态，此时A点为低电平，而B点为高电平，此时74LS247芯片的输入端为：
A=C=D=0，B=1，由图2--5所示数字显示真值表可知数码管显示为2。
.对于或门74LS32，
由A+B=1，得出74LS32的输出端为高电平，报警部分的NE555中4脚复位端为高电平导致多谐震荡电路正常工作，报警部分会发出声光报警；
同理可知，当图中一路和二路均被光线遮挡时，数字显示部分的数码管显示为3，报警部分一样会会发出声光报警。
第五章：
实验、调试及测试结果与分析
整个课程设计工作原理比较简单，基本电路设计好之后，为防止由于考虑不够周到而导致错误出现，故而焊接之前在实验室中用实验箱进行了仿真，仿真结果和课题要求符合，说明电路设计部分没有问题，可以开始着手焊接。
由于之前做过类似的焊接工作，对于焊接时要注意的问题都很清楚，又加上对整个电路图的各个部分了然于胸，所以用了一个下午的时间就把光电转换部分和数码显示部分焊接完成，由于三个模块相互独立，虽然声光报警部分尚未焊接，此时也可以完成部分功能，当接上5V电源后数码显示部分可以正常显示，这说明光电转换部分和数码显示部分没有问题。
之后又用了半天的时间把剩下的声光报警部分焊接完成，整个电路就算焊接完成了。
此时接上+5V电源，发现出现了小问题：
当用硬卡片遮挡2路时，数码管显示为2，报警器可以发车声光报警；当一路二路同时遮挡时，数码管显示为3，报警器也可以发车声光报警；而遮挡1路时，数码管可以显示为1，但报警器部分却没有反应，即不会发出应有的声光报警。
对该问题进行分析：
数码管显示部分可以正常工作，且二路被遮挡时报警器也能工
作，说明报警模块的多谐振荡器没有问题，由于或门74LS32的输入端的2脚和总电路图中的A点相连，很可能74LS32的输入端的2脚焊接时出现问题。
之后用万用表测量74LS32输入端2脚的电压，发现不论一路遮挡与否，1脚的电压始终为0，说明前面的分析是正确的；再对整个电路板进行排查后发现，2脚并没有焊接在总电路图中的A点，而是接在了接收管
的正向输入端，这样相当于2脚直接接地了，故而会出现如前所述的问题。
把74LS32的2脚重新焊接后再接上+5V电源，整个电路板可以正常工作，并且调节可变电阻的阻值可以改变蜂鸣器的鸣叫频率。
测量光电报警器工作时电路板上对应的总电路图中A、B两点以及74LS32输出端3脚的电压如下：
当一路二路光线均未被遮挡时，A、B两点的电压均为0.03V左右，
≈0.08V，说明A、B两点及3脚均为低电平；
当一路二路光线同时被遮挡时，A、B两点的电压均为3.6V左右，
≈4.1V，说明A、B两点及3脚均为高电平；
当只有一路光线被遮挡时，
≈3.6V，
≈0.03V，
≈4.1V，说明A点及3脚为高电平，B点为低电平；
当只有二路光线被遮挡时，
≈3.6V，
≈0.03V，
≈4.1V，说明B点及3脚为高电平，A点为低电平。
将以上测量结果与前面的原理分析对比可以发现，实际部分与原理部分是相吻合的，说明电路整个设计完全正确。
第六章结论
6.1结论
通过本次光电报警器的设计，使我对光电知识的实际应用有了更深刻的理解和体会，这次课程设计，不仅提高了我的动手能力,使我对设计的整个流程有了一定的了解，更使我了解到了光电知识应用的广泛性和前景。
设计的成功，极大的提高了的我的自信心，促进了我对光电的学习兴趣，使我明白了理论联系实际的重要性。
此次设计使得我清楚了一项设计的整体流程：
明确设计要求，功能及功能模块的设计，查阅相关资料和确定元器件，电路连接、调试、调整改进与检查，电路成型，总结；设计电路时，我上网查阅了很多资料和论文，这也培养了我搜索知识的能力，开拓了我的视野。
电路的连接和调试极大的提高了我的动手实践能力，这也是目前我较为缺乏的。
调试过程中，使我明白动手的重要性，懂得了实践出真知的道理。
作为工科的学生，就应该具备这样的动手能力。
最后，设计报告的制作还培养了我整理知识的能力，使我熟悉了报告制作的基本要求。
6.2设计心得和体会
首先，我应该说这个课程设计让我学到了很多很多，因为我从这设计中学到了以前从没接触到得知识。
了解了很多专业中必须要用到的原理和知识的应用。
刚接到这个课题心中很慌，脑海中对这个实验并不是很有把握，但通过从各中渠道并收集了很多相关知识，对此设计理论得到了一定的了解，了解到整个课程设计原理比较简单，基本电路设计好之后，为防止由于考虑不周到而导致错误出现，故而在焊接之前在实验室中对用实验箱进行了仿真，仿真结果和课题要求符合，说明电路设计部分没问题，可以开始着手焊接。
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，从中学到了不少知识。
在做这个题目的过程中，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，进一部加深了对平时所学理论知识的理解和掌握，这次课程设计，不仅提高了我的动手能力使我对整个设计的流程有了一定的了解，更使我了解到了光电知识应用的广泛和前景。
设计的成功，极大的提高了我的自信心，促进了我对光电的学习兴趣使我明白了理论联系实际的重要性。
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，CD4543，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。
总之，这次设计，使我认识到了自己知识的局限性，培养我的动手能力，使我体会到了成功的感觉，对我今后的学习起到了极大的促进作用。
也更加了解了光电式报警器的基本概况和用途。
也知道了它给我们生活的带来的影响。
参考文献:
【1】陈大钦.电子技术基础实验－电子电路实验•设计•仿真第二版.武汉：
华中理工大学.2000.
【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.
附录
元器件清单
序号
元件名称
标号
规格或大小
数量
1-3
集成芯片
U1
74LS247
1
U2
NE555
1
U3
74LS32
1
4
数码管
DPY
共阳型
1
5-9
二极管
D1、D3
红外线发射二极管
2
D2、D4
红外线接收二极管
2
D5
红色发光二极管
1
10-22
电阻
R1--R7
100Ω
7
R8、R10
510Ω
2
R9、R11
24KΩ
2
R13
2.2KΩ
1
R14
130Ω
1
23
可变电阻
R12
5.5KΩ
1
24
电解电容
C1
220μF
1
25
瓷片电容
C2
0.1μF
1
26
蜂鸣器
S
1
升级会员 