透明度報(bào)警器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱： 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 透明度報(bào)警器 學(xué) 院 名 稱 ： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 通信工程 班級(jí)： 130422班 學(xué)號(hào)： 13042229 姓名： 鐘洪文 評(píng)分： 教師： 陳光 2015年 9 月 19 日 數(shù)字電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目透明度報(bào)警器內(nèi)容及要求基本要求 通過(guò)判斷收到的被動(dòng)光強(qiáng)的變化判斷透明度。 當(dāng)透明度變化時(shí)報(bào)警。主要參考元器件LM324進(jìn)度安排1. 設(shè)計(jì)、仿真、畫(huà)PCB線路板圖、領(lǐng)元器件：5天；2. 制作、焊接：3天3調(diào)試：6天4. 驗(yàn)收：1天 5. 提交報(bào)告：2015-2016學(xué)年第一學(xué)期1-3周學(xué)生姓名：鐘洪文 周建慧指導(dǎo)時(shí)間：201

2、5.9.7-2015.9.18指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓610室任務(wù)下達(dá)2015年9月7日任務(wù)完成 2015年 9月18日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師 陳光系（部）主任 20 15 20 16 學(xué)年 第 1 學(xué)期第 1 周 3周 注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。 2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。摘要本實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)了基于LM324集成芯片的透明度報(bào)警器。該報(bào)警器主要由光敏三極管及其比較電路，報(bào)警電路組成。光敏三極管和集成芯片LM324是報(bào)警器設(shè)計(jì)的核心器件，通過(guò)使用發(fā)光二級(jí)管和光敏三極管等感光器件

3、組成的光電轉(zhuǎn)換電路，可以探測(cè)出光線是否被遮蔽的信息，并通過(guò)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)把這種信息傳遞至后面比較器，再傳遞至聲光報(bào)警電路，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警器的報(bào)警功能，其中比較器部分是通過(guò)LM324組成的比較器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)置閥值電壓的作用，起到設(shè)置報(bào)警閥值的目的。經(jīng)過(guò)老師的耐心的指導(dǎo)以及小組對(duì)課程的掌握，和反復(fù)的調(diào)試，不斷的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，最終順利完成透明度報(bào)警器的課題。關(guān)鍵字：光電轉(zhuǎn)換 透明度 比較器 目錄前言1第一章 系統(tǒng)組成及方案設(shè)計(jì)21.1系統(tǒng)組成21.2方案設(shè)計(jì)一21.3方案設(shè)計(jì)二3第二章 設(shè)計(jì)電路組成及基本原理42.1光電轉(zhuǎn)換電路及光敏三極管42.2比較電路及集成芯片LM32452.3報(bào)警電

4、路及集成芯片74LS046第三章 電路仿真以及結(jié)果分析7第四章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與電路分析94.1 電路板的焊接94.2 電路調(diào)試與分析9第五章 結(jié)論心得10附錄一 參考文獻(xiàn)11附錄二 元件清單12附錄二 實(shí)物圖13附錄四 PCB板圖14前言隨著社會(huì)各行業(yè)的的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，報(bào)警器已經(jīng)在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，在各行業(yè)的安全系統(tǒng)中都應(yīng)用了報(bào)警器，并且人們對(duì)報(bào)警器的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的觸摸式和開(kāi)關(guān)式報(bào)警器，雖然具有性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是也具有應(yīng)用范圍窄等缺點(diǎn)，并且安全系數(shù)也不高。應(yīng)用光電技術(shù)就很好的改善了這一點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)用了光電轉(zhuǎn)換電路和比較器電路以及報(bào)警電路三部

5、分從而實(shí)現(xiàn)了報(bào)警功能，是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便，靈活性強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，工作穩(wěn)定。 透明度報(bào)警器的運(yùn)用前景不容小覷，隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程不斷加快，住宅安全受到了越來(lái)越大的火災(zāi)威脅，空氣以及飲用水等方面都受到污染，而本課程設(shè)計(jì)的透明度報(bào)警器卻可以運(yùn)用其中，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣和水源的透明度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)、霧霾、水體污染預(yù)警作用。做為通信工程專業(yè)的學(xué)生，不僅要將理論知識(shí)學(xué)會(huì)，更應(yīng)該將其應(yīng)用與我們的日常生活中去，使理論與實(shí)踐很好的結(jié)合起來(lái)。數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)就給我們提供了良好的平臺(tái)，是電子技術(shù)學(xué)習(xí)中的一個(gè)非常重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，能夠真正體現(xiàn)我們是否完全吸收了所學(xué)的知識(shí)。第1章 系統(tǒng)組成及方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)組成透明度報(bào)警

6、電路主要由信號(hào)光電轉(zhuǎn)換電路、比較電路、報(bào)警電路等幾部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。報(bào)警電路比較電路光電轉(zhuǎn)換電路 圖1.1 系統(tǒng)框圖光電轉(zhuǎn)換電路主要由光敏三極管組成，光敏三極管將接收到的光線強(qiáng)弱以電流的大小形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。比較電路主要由LM324芯片組成，是將光電轉(zhuǎn)換電路傳來(lái)的電壓大小與初始設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)輸出高低電平的目的。報(bào)警電路有兩條支路，一條由三極管與蜂鳴器組成，另一條由74LS04芯片和發(fā)光二極管組成，當(dāng)比較電路輸出高電平則蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)輸出為低電平時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。1.2方案設(shè)計(jì)一方案一的電路圖如下圖1.2，電路采用對(duì)芯片LM324正負(fù)電

7、源的供電方式，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓大于設(shè)定電壓時(shí)比較器輸出負(fù)電源電壓即-5V，反之則輸出正電源電壓即+5V,從而實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警和發(fā)光二極管點(diǎn)亮的兩種現(xiàn)象。需要注意的是蜂鳴器需要正極接地從而實(shí)現(xiàn)比較器輸出低電平是報(bào)警。在模擬設(shè)計(jì)中用示波器代替了蜂鳴器，從觀察到的波形以及發(fā)光二極管的工作情況可以確定該電路符合設(shè)計(jì)要求，但是在實(shí)驗(yàn)室中沒(méi)有提供合適的正負(fù)電源，從而放棄了該設(shè)計(jì)方案。圖1.2 方案一設(shè)計(jì)電路圖1.3方案設(shè)計(jì)二在方案一的電路基礎(chǔ)上通過(guò)修改報(bào)警電路部分得的方案二電路如圖1.3所示。由于芯片LM324的4號(hào)管腳接入+5V電源，11號(hào)管腳接地所以當(dāng)光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓小于設(shè)定電壓時(shí)比較器輸出

8、高電平蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓大于設(shè)定電壓時(shí)比較器輸出低電平再經(jīng)過(guò)一個(gè)反向器從而使得發(fā)光二極管點(diǎn)亮。圖1.3 方案二設(shè)計(jì)電路圖第二章 設(shè)計(jì)電路組成及基本原理2.1光電轉(zhuǎn)換及光敏三極管電路的重要組成模塊即光電轉(zhuǎn)換電路模塊，電路如圖2.1所示，其主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而將需要監(jiān)測(cè)環(huán)境的透明度情況傳遞給下一個(gè)電路模塊進(jìn)行處理。光電轉(zhuǎn)換電路的工作原理，主要是通過(guò)光電三極管的基極感光面將外界光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)為光電流，使流過(guò)三極管的電流增大進(jìn)而控制輸入比較電路的電壓增大。 圖2.1 光電轉(zhuǎn)換電路光敏三極管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似，都有電流（Current）放大作用，不同之處是光敏三極管必須

9、有一個(gè)對(duì)光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)圖2.2 光敏三極管作為受光結(jié)，因此，光敏三極管實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通三極管。光敏三極管與普通半導(dǎo)體三極管一樣，是采用半導(dǎo)體制作工藝制成的具有NPN或PNP結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體管。它的引出電極通常只有兩個(gè)，也有三個(gè)的。為適應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的要求，它的基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積做得較小，入射光主要被基區(qū)吸收，和光敏二極管一樣，管子的芯片被裝在帶有玻璃透鏡金屬管殼內(nèi)，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。不同材料制成的光敏三極管具有

10、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。在此課程設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用，是光電轉(zhuǎn)換電路中的重要組成部分。2.2比較電路及集成芯片LM324比較電路可謂是整個(gè)電路的核心，電路如圖2.3所示，起到比較光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓數(shù)據(jù)以及初始設(shè)計(jì)的電壓大小的作用，并且是其比較輸出的電平是報(bào)警電路工作大重要判斷因素其工作原理主要是通過(guò)LM324集成芯片完成的，模擬電路中將芯片2號(hào)管腳接入光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓，3號(hào)管腳接入初始設(shè)計(jì)電壓，1號(hào)管腳 作為輸出接入報(bào)警電路，將輸出的高低電平傳遞給后續(xù)電路進(jìn)行工作。 圖2.3 比較電路 LM324系列是低成本的四路運(yùn)算放大器，具有真正的

11、差分輸入。在不加負(fù)反饋時(shí)可以用作比較器，在單電源應(yīng)用中，它們與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器類型相比具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。該四路放大器可以工作于低至3.0 V或高達(dá)32 V的電源電壓，共模輸入范圍包括負(fù)電源，因此在眾多應(yīng) 圖2.4 LM324內(nèi)部框圖 用中無(wú)需外部偏置元器件。輸出電壓范圍也包括負(fù)電源電壓。比較器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。2.3報(bào)警電路及集成芯片74LS04報(bào)警電路是整個(gè)電路的最后一個(gè)模塊，也是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于透明度變化的一個(gè)表現(xiàn)形式，其電路如圖2.5所示，當(dāng)透明度變化時(shí)，報(bào)警電路可以做

12、出相應(yīng)的動(dòng)作。其工作原理主要是依據(jù)比較電路輸出的電平高低來(lái)進(jìn)行不同工作，當(dāng)比較電路輸出高電平時(shí)蜂鳴器工作，當(dāng)比較電路輸出低電平時(shí)發(fā)光二極管工作，從而判斷透明度是否發(fā)生變化。 圖2.5 報(bào)警電路74LS04是6非門(mén)(反相器)集成芯片，工作電壓5V，內(nèi)部含有6個(gè)coms反相器。其內(nèi)部框圖如圖所示。 圖2.6 74LS0內(nèi)部框圖第3章 電路仿真以及結(jié)果分析根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，且按照從簡(jiǎn)原則，最后確定使用功能完善、操作簡(jiǎn)單的方案二的模擬電路進(jìn)行仿真分析，并且最終焊接調(diào)試也是確定使用其電路。由于軟件限制，無(wú)法真實(shí)模擬光敏三極管的感光特性，最后選擇手動(dòng)輸入不同大電壓值模擬光敏三極管輸出電壓的變化，電路模擬時(shí)

13、用示波器代替了蜂鳴器，通過(guò)波形和電壓值判斷蜂鳴器是否報(bào)警。最終的模擬工作過(guò)程一切順利，與理論設(shè)想結(jié)果相同。當(dāng)初始電壓大于光電轉(zhuǎn)換輸出電壓時(shí)，即光強(qiáng)變?nèi)醯那闆r下，如圖3.1所示，示波器波形保持5V，即模擬蜂鳴器報(bào)警。圖3.1 模擬光強(qiáng)變?nèi)醴澍Q器報(bào)警當(dāng)初始電壓小于光電轉(zhuǎn)換電路輸出電壓，即光強(qiáng)變強(qiáng)情況下，如圖3.2所示，發(fā)光二極管發(fā)光。圖3.2 模擬光強(qiáng)變強(qiáng)發(fā)光二極管發(fā)光第四章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與電路分析4.1 電路板的焊接在焊接的過(guò)程中，我明白了焊接的原理，即是：焊錫借助于助焊劑的作用，經(jīng)過(guò)加熱熔化成液態(tài)，進(jìn)入被焊金屬的縫隙，在焊接物的表面，形成金屬合金使兩種金屬體牢固地連接在一起，形成的金屬合金就是焊錫

14、中錫鉛的原子進(jìn)入被焊金屬的晶格中生成的，因兩種金屬原子的殼層相互擴(kuò)散，依靠原子間的內(nèi)聚力使兩種金屬永久地牢固結(jié)合在一起。 用電烙鐵與焊錫絲將加工好的彎鉤焊接在新的電路板上：a左手拿焊錫絲，右手拿電烙鐵。b把電烙鐵以45度左右?jiàn)A角與焊盤(pán)接觸，加熱焊盤(pán)。c待焊盤(pán)達(dá)到溫度時(shí)，同樣從與焊板成45度左右?jiàn)A角方向送焊錫絲。d待焊錫絲熔化一定量時(shí)，迅速撤離焊錫絲。e最后撤離電烙鐵，撤離時(shí)沿銅絲豎直向上或沿與電路板的夾角45度角方向。在焊接過(guò)程中出現(xiàn)了如下問(wèn)題：1）焊接的時(shí)間不能好好把握，導(dǎo)致焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成板面不整潔。2）當(dāng)焊錫完全濕潤(rùn)焊點(diǎn)后，由于以前沒(méi)經(jīng)常進(jìn)行訓(xùn)練，導(dǎo)致手打斗比較嚴(yán)重，電路板虛

15、焊。4.2 電路的調(diào)試與分析焊接完電路發(fā)現(xiàn)蜂鳴器的報(bào)警并不能像預(yù)先設(shè)計(jì)的那樣正常工作，經(jīng)過(guò)分析和測(cè)量各電路電壓情況，發(fā)現(xiàn)只有由于電位器的選擇不當(dāng)，即初始電壓選取過(guò)大，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換電路電壓無(wú)論光強(qiáng)變化多大都一直小于初始電壓，致使蜂鳴器始終都處于報(bào)警狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題后，及時(shí)改變了初始電壓大小，從而電路正常工作，透明度報(bào)警器電路成功制作完成。第五章 結(jié)論心得 本次課設(shè)可謂是功夫不負(fù)有心人，最終達(dá)到了課設(shè)的每一項(xiàng)要求。在檢查時(shí)用白紙遮擋發(fā)光二級(jí)管，制造光強(qiáng)變?nèi)醯那榫?，?bào)警器正常報(bào)警，拿開(kāi)白紙即是光強(qiáng)變強(qiáng)的情景，發(fā)光二極管正常發(fā)光。 通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，對(duì)所學(xué)的知識(shí)有了比較全面的了解和應(yīng)用，真正嘗試到了理論聯(lián)系實(shí)際的趣味。此次設(shè)計(jì)鞏固了理論基礎(chǔ)知識(shí)，加強(qiáng)了Multisim等軟件的使用，學(xué)會(huì)了在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意什么，怎么樣保護(hù)元件，怎樣采能最準(zhǔn)最快的查出錯(cuò)誤，且對(duì)焊接電路以及簡(jiǎn)化焊接電路的操作有了進(jìn)一步的提高。通過(guò)連接和調(diào)試電路使理論更接近于實(shí)際，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己知識(shí)的不足，特別是動(dòng)手能力的缺乏，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐有了比較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。感