光電報(bào)警器-王康 -學(xué)號(hào)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 課程名稱光電子學(xué)課程設(shè)計(jì)題目名稱光電報(bào)警器設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師二一四年六月十二日*學(xué)院數(shù)學(xué)與物理系課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課 程光電子學(xué)課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師曾愛云題 目光電報(bào)警器設(shè)計(jì)完成時(shí)間2014.6.16-2014.6.212014.6.30-2014.7.5主要內(nèi)容要求完成以下設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）采用雙光路結(jié)構(gòu)，當(dāng)任一光路被遮擋時(shí)，報(bào)警器發(fā)出間歇式聲光報(bào)警；（2）采用LED顯示被遮擋的路數(shù)，無報(bào)警顯0，1路顯1，2路顯2，同時(shí)遮擋顯3；（3）采用5V供電。設(shè)計(jì)報(bào)告要求1封面：（學(xué)校統(tǒng)一模板）2課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3課程設(shè)計(jì)報(bào)告：摘要和目錄正文（主要原理及公式

2、、設(shè)計(jì)電路圖、軟件模擬程序及設(shè)計(jì)結(jié)果等）心得體會(huì)和參考資料說明：學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)后，提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告及設(shè)計(jì)圖或軟件，文字不少于3500 字，并裝訂成冊(cè)。版面要求1.目錄格式：標(biāo)題“目錄”（三號(hào)、黑體、居中）；章標(biāo)題（四號(hào)字、黑體、居 左）；節(jié)標(biāo)題（小四號(hào)字、宋體、居左）；頁(yè)碼（小四號(hào)字、居右）2.頁(yè)邊距：上2.5cm，下2.5cm，左2.5cm，右2cm，頁(yè)眉1.5cm，頁(yè)腳1.75cm， 左側(cè)裝訂；3.字體：章標(biāo)題，四號(hào)字、黑體、居中；節(jié)標(biāo)題，小四號(hào)字、黑體、居左； 4.正文用小四號(hào)宋體，行距為1.5倍行距；頁(yè)碼：底部居中，五號(hào)；設(shè)計(jì)時(shí)間安排1.2014.6.16 做課程設(shè)計(jì)具體實(shí)施安排和課

3、程報(bào)告格式要求說明2.2014.6.16-6.19 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，并復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)3.2014.6.19-6.21 利用所查閱資料和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成2014.6.30-7.4 設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫。4.2014.7.5 提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。參考資料學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名：教研室主任簽名： 系主任簽名：光電報(bào)警器課程設(shè)計(jì)前言本次課程設(shè)計(jì)的題目是“光電報(bào)警器”。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(jiǎn)單、方便、靈活性強(qiáng)。摘要本文設(shè)計(jì)了一種光電式報(bào)警器，該報(bào)警器

4、通過感光器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，控制數(shù)碼管的顯示以及報(bào)警電路。利用了部分?jǐn)?shù)字邏輯電路，實(shí)現(xiàn)能在報(bào)警過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)路數(shù)的顯示功能。該報(bào)警器的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，有三個(gè)模塊即光電轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)模塊以及顯示模塊。關(guān)鍵詞：光耦，或門，555多諧振蕩，光電轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示，聲光報(bào)警目錄前言1第一章：基本設(shè)計(jì)要求11.1基本設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1第二章：電路設(shè)計(jì)原理12.1系統(tǒng)工作原理及其組成12.2元器件介紹12.3單元模塊62.3.1光電轉(zhuǎn)換模塊62.3.2數(shù)字顯示模塊82.3.3聲光報(bào)警模塊92.4電路總體設(shè)計(jì)及電路工作原理9第三章：實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析（Multisim仿真）11心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)13附錄1

5、4第一章  基本設(shè)計(jì)要求1.1  基本設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)雙光路結(jié)構(gòu)，當(dāng)任一光路被遮擋時(shí)，報(bào)警器發(fā)出間歇式聲光報(bào)警。2.數(shù)碼管顯示被遮擋的路數(shù)，無遮擋時(shí)數(shù)碼管顯0，1路被遮擋時(shí)數(shù)碼管顯1，2路被遮擋時(shí)數(shù)碼管顯2，同時(shí)被遮擋時(shí)數(shù)碼管顯3。3電壓為5V。參考元件：光耦，555，74LS32N，74LS47N,數(shù)碼管 ，蜂鳴器，發(fā)光二極管。    第二章   電路設(shè)計(jì)原理2.1系統(tǒng)工作原理及其組成本設(shè)計(jì)首先接通電源通過光耦將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。輸出的信號(hào)通過74LS47N譯碼器使共陽數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字，

6、通過74LS32N或門驅(qū)動(dòng)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路，使蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出間歇式聲光報(bào)警。光控電路光控電路顯示譯碼數(shù)碼顯示觸發(fā)信號(hào)多諧振蕩聲光報(bào)警 1 圖2.1 工作原理框圖2.2元器件介紹1. 光耦：光耦原理圖見圖2.2.1。光耦由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成的，有4個(gè)管腳。當(dāng)光敏三極管接收到二極管發(fā)射的光時(shí)，其工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)光敏三極管無法接收到二極管發(fā)射的光時(shí)，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。1和4 腳接電源，并要加限流電阻。圖2.2.1 2.或門（74LS32N） 74LS32N管腳圖如圖2.2-2所示 圖2.2-2：74LS32N管腳圖74LS32為四2輸入或門。實(shí)現(xiàn)邏輯為：Y=A

7、+B，其中A，B為輸入端，Y為輸出端，GND為電源負(fù)極，VCC為電源正極3.譯碼器（74LS47N）譯碼器是一個(gè)多輸入，多輸出的組合邏輯電路。它的作用是翻譯給定的代碼，變成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號(hào)輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換，終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)據(jù)分配，存貯器尋址和組合控制信號(hào)等。譯碼器可分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。 74LS47N管腳圖如圖2.2-3所示：32圖2.2-3：74LS47N管腳圖74LS47N為BCD碼七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，LED數(shù)碼管顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字需要有一個(gè)專門的譯碼器，此譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當(dāng)

8、的驅(qū)動(dòng)能力。4.數(shù)碼管數(shù)碼管分為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管。發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。7段LED數(shù)碼管在一定形狀的絕緣材料上，利用單只LED組合排列成“8”字型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來顯示出0-9的數(shù)字。LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。圖2.2-4為數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。43 圖2.2-4：數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)5555定時(shí)器555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)器可在 4.5V16V 工作

9、，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。圖2.2-5為555定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列。54圖2.2-5：555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）及管腳排列（b）555 定時(shí)器只需外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小

10、于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 A1 的輸出為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。2.3單元模塊2.3.1 光電轉(zhuǎn)換模塊：再次光電轉(zhuǎn)換采用紅外線發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成： 652.3-1光電轉(zhuǎn)換圖 由于發(fā)光二極管的工作電壓大約在2.5V，工作電流大約在4到10mA，并且電源電壓為5V，所以R3=（5V-2.5V）/（4mA10mA）=250625，設(shè)計(jì)中選了510限流電阻。三極管有放大作用，所以集電極的電流

11、較大，所以要加一個(gè)阻值較大的電阻R2作為限流電阻，因此選擇了20K電阻來限流。當(dāng)接通電源的時(shí)候，發(fā)光管發(fā)光，光敏三極管的基極電流增加，發(fā)射結(jié)的電壓增大，當(dāng)超過三極管的導(dǎo)通電壓（一般為硅管為0.7V，鍺管為0.3V左右）時(shí)，三極管就會(huì)導(dǎo)通，當(dāng)基極電流繼續(xù)增加時(shí)，三極管會(huì)飽和導(dǎo)通，此時(shí)三極管相當(dāng)于工作在開關(guān)的閉合狀態(tài)，B點(diǎn)相當(dāng)于直接接地，所以B點(diǎn)輸出為低電平“0”。當(dāng)一旦有東西遮在發(fā)光管和光敏三極管中間時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)電壓降低，達(dá)不到它的導(dǎo)通電壓，三極管截止，此時(shí)相當(dāng)于工作在開關(guān)的斷開狀態(tài)，B點(diǎn)電勢(shì)接近電源電壓即為高電平“1”。光敏三極管（Phototransistor）和普通三極管相似，也有電

12、流（Current）放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。 通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償（Temperature compensation）和附加控制等作用。 光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到P-N結(jié)上時(shí)，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?dāng)光敏三極管加上反向電壓時(shí)，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。76當(dāng)具有光敏特性的PN 結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于倍的信號(hào)電流。不同

13、材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。2.3.2數(shù)字顯示模塊2.3-2 數(shù)字顯示模塊電路圖此模塊由74LS47N及共陽數(shù)碼顯示器組成，74LS47N驅(qū)動(dòng)共陽數(shù)碼顯示器工作。74LS247的2，6腳因無輸入，故接低電平，3，4，5腳接高電平，而1,7腳則與光電轉(zhuǎn)換模塊中光敏三極管輸出的連接。此時(shí)74LS32N正常工作，驅(qū)動(dòng)共陽數(shù)碼顯示器工作，以顯示數(shù)字0到3。其次，顯示電路選擇74LS47N-7段譯碼器： 87 2.3-3:74LS47N-7段譯碼器管腳圖譯碼顯示電路如下：實(shí)現(xiàn)1端和7端為低電平時(shí)，數(shù)碼管顯示0；1為高電平7為低電平時(shí)

14、，數(shù)碼管顯示1；1為低電平7為高電平時(shí)，數(shù)碼管顯示2；1為高電平7同時(shí)為高電平時(shí)，數(shù)碼管顯示3。 74LS47N譯碼器的真值表：982.3.3聲光報(bào)警模塊2.3-4聲音報(bào)警選擇蜂鳴器，光報(bào)警選擇發(fā)光二極管。要能發(fā)出間歇式的報(bào)警，肯定要求驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管的信號(hào)為穩(wěn)定的方波，即為有固定周期的高低電平，所以采用由555構(gòu)成的多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。間歇式報(bào)警的周期要選擇合適，如果周期選擇得太大的話，間歇的時(shí)間太長(zhǎng)，周期太小的話，人耳無法感覺出有間歇，一般人耳的間歇感知度為0.1s。電容C1是用來濾波的，所以選得小一點(diǎn)更有利于將交流引入大地，因而取C1=10nF。由于設(shè)計(jì)的要求是有時(shí)需要報(bào)警電路工作，有時(shí)

15、不需要報(bào)警，所以可以用前級(jí)電路的輸出電平來控制555定時(shí)器的復(fù)位端即4端口。當(dāng)4端輸入高電平的時(shí)候，聲光報(bào)警器工作；當(dāng)輸入低電平的時(shí)候，聲光報(bào)警器不工作2.4電路總體設(shè)計(jì)及電路工作原理1 電路總體設(shè)計(jì)電路圖見圖2.41。根據(jù)設(shè)計(jì)要求沒有光路被遮擋時(shí)數(shù)碼管顯示0，光路1被遮擋時(shí)數(shù)碼管顯示1，光路2被遮擋時(shí)數(shù)碼管顯示2，兩條光路都被遮擋時(shí)數(shù)碼管顯示3，所以可以得到一真值表見表2.51。 表2.41DADBAB0000010110101111當(dāng)兩條光路中有一條或全部被遮擋住時(shí)，就發(fā)出聲光報(bào)警，即兩條光路中只要有一條輸出為“1”時(shí)555的4端口就輸入“1”，可以根據(jù)此要求列出真值表見表2.42。表2.

16、42ABC000011101111根據(jù)真值表可得C=A+B，所以在A、B與C之間用或門74LS32N來連接。電路工作原理：本電路由3部分組成：電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)，數(shù)字顯示系統(tǒng)，555報(bào)警系統(tǒng)。通過光照光敏三極管輸出高低電平來控制來控制，74LS47N顯示數(shù)字是哪一路被擋住，同時(shí)，由555報(bào)警器發(fā)出間歇式的報(bào)警聲。電路設(shè)計(jì)：小功率的發(fā)光二極管正常工作電流是在10mA30mA范圍內(nèi)，根據(jù)歐姆定律得I=U/R,U=5V,10mA<I<30mA所以選擇了510的電阻與紅外發(fā)光二極管串聯(lián)。芯片74LS47N是驅(qū)動(dòng)共陽數(shù)碼管的翻譯器。，倘若數(shù)碼管顯示的太亮，就要增大電阻的阻值來調(diào)節(jié)其亮度

17、。綜上所述，電路設(shè)計(jì)完畢。第三章:實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析（Multisim仿真）本文中，用的軟件為Multisim12.0軟件。在Multisim軟件上，創(chuàng)建電路，放置各個(gè)需要的元器件，放置好之后，檢查各個(gè)器件的參數(shù)有無錯(cuò)誤。再進(jìn)行仿真測(cè)試，閉合仿真開關(guān)。用開關(guān)的閉合與斷開，模擬被遮擋的路數(shù)。開關(guān)都斷開時(shí)，被遮擋的路數(shù)為2，有報(bào)警聲，顯示器顯示為3.當(dāng)開關(guān)1閉合，2斷開時(shí)，被遮擋的路數(shù)為1，有報(bào)警聲，顯示器顯示為2。當(dāng)開關(guān)2閉合，開關(guān)1斷開時(shí)，被遮擋額路數(shù)為1，有報(bào)警聲，顯示器顯示為1.當(dāng)開關(guān)1和2同時(shí)閉合即被遮擋的路數(shù)為0時(shí)，無報(bào)警聲，顯示器顯示為0。如果仿真測(cè)試結(jié)果，滿足上述4種情況，那么仿真成功

18、，電路可正常運(yùn)行，模擬調(diào)試成功。心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)，通過對(duì)“光電報(bào)警器”的設(shè)計(jì)、Multisim軟件安裝以及調(diào)試，我從中學(xué)到了不少知識(shí)。進(jìn)一步加深了我對(duì)平時(shí)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，也明白到要把所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，不只重視理論，也要考慮所學(xué)的東西能夠用到哪些方面。這次實(shí)訓(xùn)也讓我接觸了很多新知識(shí)，鞏固了舊知識(shí)，鍛煉了自己的動(dòng)手能力，豐富了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以后的學(xué)習(xí)工作都很有幫助，可以說是受益匪淺。再次反過來思考這個(gè)電路，整個(gè)電路簡(jiǎn)單明了，可以根據(jù)此電路圖應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，可以說十分有利用價(jià)值。在本次課程設(shè)計(jì)中我也遇到了很多困難，比如方案的比較與選擇、電路的調(diào)試等，后來經(jīng)過同學(xué)、老師的幫助以及翻閱資料等解決了問題，讓我認(rèn)識(shí)到做何事情都要有耐心。而且，只有我們付出努力就一定會(huì)成功。感謝在我做課程設(shè)計(jì)過程中提供給我們幫助的老師和同學(xué)們！在本次課程設(shè)計(jì)中，從該課程設(shè)計(jì)構(gòu)思、寫作以及各個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過老師和同學(xué)的幫助，讓我得以最終完成課程設(shè)計(jì)。雖然比較艱難，但是我還是充滿喜悅感，因?yàn)榻?jīng)過努力我們完成了目標(biāo)。再次感謝所有給予我們幫助的人！由于經(jīng)驗(yàn)匱乏、能力有限，設(shè)計(jì)中難免會(huì)有出錯(cuò)的地方，希望老師能夠多多指教。最后，我要向百忙中抽空對(duì)本課程設(shè)計(jì)進(jìn)行審閱、評(píng)議和參與本課程設(shè)計(jì)答辯的老師表示衷心的感謝！ 參考