畢業(yè)設(shè)計(jì)視力保護(hù)器電路設(shè)計(jì)

1、視力保護(hù)器電路設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)測(cè)距報(bào)警、測(cè)光報(bào)警以及定時(shí)報(bào)警功能。利用超聲波發(fā)射接收器、NE555、光敏電阻等元件組合成電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。通過(guò)超聲波接收頭對(duì)接受的超聲波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制輸出，所采用的是純硬件電路，且分別對(duì)超聲波接受與發(fā)射、NE555及光敏電阻的特性及各個(gè)功能進(jìn)行分析，通過(guò)這些元件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需要的報(bào)警功能。該視力保護(hù)器實(shí)用、方便、功耗低、易于維護(hù)，并且具有保護(hù)使用者視力、預(yù)防近視的功能。關(guān)鍵詞：視力保護(hù)器 多功能 超聲波 光敏電阻 NE555 報(bào)警功能目錄第1章系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路方案論述11.1方案一11.2方案二11.3方案三1第2章電路設(shè)計(jì)分析52.1電路原理框圖5

2、2.2電路設(shè)計(jì)原理圖52.3電路總體工作原理及過(guò)程5第3章工作調(diào)試143.1調(diào)試14參考文獻(xiàn)：16總結(jié)17致謝18第一章系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路方案論述1.1方案一由超聲波發(fā)射振蕩器、報(bào)警聲振蕩器和定時(shí)用振蕩器、一個(gè)超聲波接收放大器、一個(gè)光控電路和各功能的控制與指示電路組成。如圖1為電路原理圖1.2 方案二本電路由兩個(gè)定時(shí)器和晶振電路組成的多功能視力保護(hù)器電路。如圖2 電路原理圖1.3方案三本電路由CD4001.4二2輸入端或門(mén)集成電路、CD4011.4一2輸入端與門(mén)集成電路和CD4060.4異或門(mén)集成電路組成。通過(guò)3只門(mén)電路中的各個(gè)門(mén)的組合，組成一個(gè)具有光強(qiáng)保護(hù)、光若保護(hù)和超時(shí)閱讀保護(hù)為一體的多功能視力

3、保護(hù)器電路。如圖為電路原理圖。第二章電路設(shè)計(jì)分析2.1 電路原理框圖視力保護(hù)器由測(cè)光電路、顯示電路、報(bào)警電路、定時(shí)電路4個(gè)部分組成，如圖4所示。2.2 電路設(shè)計(jì)原理圖本電路主要包含：該電路包括3個(gè)振蕩器：（即 超聲波發(fā)射振蕩器、報(bào)警聲振蕩器和定時(shí)用振蕩器）、一個(gè)超聲波接收放大器、一個(gè)光控電路和各功能的控制與指示燈電路。1、 測(cè)光電路本電路主要由光敏電阻器RG、電阻器R4、電容器C和IC2內(nèi)部的與非門(mén)D8組成。（1）光敏電阻RG選用亮阻小于2k、暗阻大于2M的光敏電阻器。其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電

4、極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接觸引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，油光自己發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電

5、極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。（2）測(cè)光電路原理分析本電路的工作原理是：當(dāng)周?chē)饩€變?nèi)鯐r(shí)引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的風(fēng)壓上升，進(jìn)而使可控硅的導(dǎo)通角增大，達(dá)到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周?chē)墓饩€變亮，則RG的阻值下降，導(dǎo)致可控制硅的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端電壓也同時(shí)下降，使燈光變暗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光照度的控制。如圖7所示2.定時(shí)電路本電路主要有：定時(shí)控制電路由定時(shí)器集成電路NE555、電阻器R13

6、、R14、電容器C9、C10。電位器RP和IC2內(nèi)部的與非門(mén)D9組成NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同：而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。NE555的特點(diǎn)有：只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，且其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)各種自動(dòng)控制的負(fù)載。它的操作電源范圍極廣，可與TTL，CMOC等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的

7、高、低態(tài)組合。NE555引腳位配置說(shuō)明如下：如圖8所示Pin 1 （接地）-地線（或共同接地），通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) 這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3VCC，下緣須低于1/3VCC。Pin 3 (輸出) 當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到0伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200mA。Pin 4 （重置） -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 （控制） -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電

8、壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下，這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) Pin6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3VCC電壓以下移至2/3VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。Pin 7 (放電) 這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH,對(duì)地為高阻抗。Pin 8 (V +) 這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。用555定時(shí)器組成，圖10為其波形圖。圖中，t0t1為穩(wěn)態(tài)，t1t3為暫穩(wěn)態(tài)，t3時(shí)刻恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。由上述可知，555定時(shí)器組

9、成的單穩(wěn)態(tài)電路由輸入脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)點(diǎn)，使其輸出狀態(tài)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，另外，在暫穩(wěn)態(tài)過(guò)程結(jié)束前，u1必須恢復(fù)為1，否則電路內(nèi)的RS觸發(fā)器為不確定狀態(tài)，輸出不能維持0狀態(tài)。因此這種單穩(wěn)態(tài)電路只能用負(fù)窄脈沖觸發(fā)。如果輸入脈寬大于輸出脈寬，則輸入端可加RC微分電路，使輸入脈寬變變窄。（1） 定時(shí)電路原理原理分析：在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，NE555的3腳輸出低電平，與非門(mén)D9輸出高電平，VL4不發(fā)光，VD5處于截止?fàn)顟B(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)出聲。當(dāng)定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)，NE555的3腳變?yōu)楦唠娖?，與非門(mén)D9輸出3kHz的矩形脈沖信號(hào)，使VL3閃亮，音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲。3.超聲波控制電路本電路主要

10、有兩部分組成：一部分超聲波發(fā)射電路由超聲波發(fā)射器B2、非門(mén)集成電路IC1（D1-D6）內(nèi)部的D4-D6、或非門(mén)集成電路IC3（D10-D13）內(nèi)部的或非門(mén)D10、D11和電阻器R10-R12和電容器C7、C8組成。另一部分接受電路由超聲波接受器B1、電阻器R2、R3、R5、LC1內(nèi)部的非門(mén)D1-D3、與非門(mén)集成電路IC2（D7-D9）內(nèi)部的D7、電容器C3-C6、二極管VD1、VD2、晶體管V組成。超聲波接受和發(fā)射電路元件發(fā)生器的原理是首先由信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是正弦信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，這個(gè)特定頻率就是換能器的頻率，一般應(yīng)用在超聲波設(shè)備中的超聲波頻率為20KHz

11、、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；100KHz或以上現(xiàn)在尚未大量使用。但隨著以后精密清洗的不斷發(fā)展。相信使用面會(huì)逐步擴(kuò)大。比較完善的超聲波發(fā)生器還應(yīng)有反饋環(huán)節(jié)，主要提供二個(gè)方面的反饋信號(hào)：第一個(gè)是提供輸出功率信號(hào)，我們知道當(dāng)發(fā)生器的供電電源（電壓）發(fā)生變化時(shí)。發(fā)生器的輸出功率也會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)反應(yīng)在換能器上就是機(jī)械振動(dòng)忽大忽小，導(dǎo)致清洗效果不穩(wěn)定。因此需要穩(wěn)定輸出功率，通過(guò)功率反饋信號(hào)相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定。第二個(gè)是提供頻率跟蹤信號(hào)。當(dāng)換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)其效率最高，工作最穩(wěn)定，而換能器的諧振頻率點(diǎn)會(huì)由于裝配原因和工作老化后改變，當(dāng)然這種改變的頻率

12、只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號(hào)可以控制信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤換能器的諧振頻率點(diǎn)。超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)成為超聲波接收器了。超聲波接收控制電路。如圖122.3.電路總體工作原理及過(guò)程通過(guò)電源開(kāi)關(guān)S，整機(jī)各電路通電工作。NE555的3腳輸出的3kHz方波振蕩信號(hào)一路加至與

13、非門(mén)D7-D9的一個(gè)輸入端上，另一路徑C8加至非門(mén)D6的輸入端上，該方波振蕩信號(hào)經(jīng)D6整形后對(duì)40kHz振蕩器（由或非門(mén)D10、D11和C7、R10、R11組成）進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的振蕩信號(hào)經(jīng)非門(mén)D4、D5驅(qū)動(dòng)B2發(fā)射出超聲波。在使用者的臉部與書(shū)面之間的距離大于35cm時(shí)，B1接受不到B2發(fā)出的超聲波信號(hào)，和V處于截止?fàn)顟B(tài)，與非門(mén)D7輸出高電平，VL2不發(fā)光，聲音警示電路不工作，HA不發(fā)聲。當(dāng)使用者的臉部與書(shū)面之間的距離小于35cm時(shí)，B2發(fā)射的超聲波信號(hào)被人臉部反射回來(lái)，B1接受到發(fā)射回來(lái)的超聲波信號(hào)并將其裝換為相應(yīng)的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)非門(mén)D1-D3放大整形及C3、VD1、VD2、C4倍壓檢波

14、后，產(chǎn)生負(fù)的直流電壓便V導(dǎo)通，與非門(mén)D7輸出3kHz的矩形脈沖信號(hào)，VL2閃爍發(fā)光；同時(shí)VD3間歇導(dǎo)通，由或非門(mén)D12、D13和R15、R16、C11組成的音頻振蕩器在3kHz脈沖信號(hào)控制下振蕩工作，驅(qū)動(dòng)HA發(fā)出間歇的蜂鳴聲，提醒使用者注意讀寫(xiě)距離。在環(huán)境光線適合讀書(shū)時(shí)，RG的阻值較小，與非門(mén)D8輸出高電平。VL3不發(fā)光。VD4處于截止?fàn)顟B(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)聲。當(dāng)環(huán)境光線較弱，達(dá)不到讀寫(xiě)要求時(shí)，RG的阻值變大，使與非門(mén)D8輸出3hHz的矩形脈沖信號(hào)，VL2閃爍發(fā)光，VD4間歇導(dǎo)通，使音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲，提醒使用者環(huán)境光線偏弱，應(yīng)打開(kāi)臺(tái)燈。在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，NE555的

15、3腳輸出低電平，與非門(mén)D9輸出高電平，VL4不發(fā)光，VD5處于截止?fàn)顟B(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)出聲。當(dāng)定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)，1C4的3腳變?yōu)楦唠娖?，與非門(mén)D9輸出3kHz的矩形脈沖信號(hào)，使VL4閃亮，音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲。視力保護(hù)器工作過(guò)程 ：開(kāi)始閱讀時(shí)，按一下按鈕SB，這時(shí)定時(shí)器開(kāi)始工作。當(dāng)時(shí)間超過(guò)30分鐘時(shí)，定時(shí)器通過(guò)IC3-3輸出一個(gè)高電平信號(hào)至報(bào)警控制器IC3-4，使 報(bào)警器發(fā)迅，提醒你該休息一下了。當(dāng)光線過(guò)強(qiáng)時(shí)，分壓器1輸出高電平，通過(guò)異或門(mén)IC1-1進(jìn)行比較后輸出低電平，一方面使VD3亮，另一方面通過(guò) IC2-1發(fā)出控制信號(hào)使報(bào)警器報(bào)迅;當(dāng)光線過(guò)弱時(shí)，分壓器2輸出低電平

16、，通過(guò)異或門(mén)IC-2進(jìn)行比較后輸出低電平，使VD2發(fā)光，報(bào)警器報(bào)迅。在光線正 常時(shí)，分壓器1輸出低電平，分壓器2輸出高電平，此時(shí)IC1-1、IC1-2都輸出高電平，異或門(mén)IC1-2比較這兩個(gè)信號(hào)后，輸出低電平，使VD1亮。 由于此時(shí)沒(méi)有低電平信號(hào)輸入到報(bào)警控制器，所以報(bào)警器不報(bào)訊。元器件選擇：視力保護(hù)器選用3塊CMOS集成塊。IC1是異或門(mén)，型號(hào)是CD4070;IC2是與非門(mén)，型號(hào)是CD4011;IC3是或非門(mén)，型號(hào)是 CD4011。VD2、VD3選紅、綠兩種顏色的發(fā)光二極管。發(fā)聲器件選用壓電陶瓷，直徑約為1525mm。光敏電阻亮一暗值選用50050左 右。第三章工作調(diào)試3.1調(diào)試元件正確焊接

17、后，即可通電調(diào)試。首先用一根導(dǎo)線把IC3-3的輸入端與VDD接通，使定時(shí)警暫時(shí)不工作。然后把保護(hù)器放在光線較弱處，調(diào)解RP，使VD2發(fā)光且報(bào)警器響。再把報(bào)警器放在光線較強(qiáng)處，調(diào)解RP1，使VD3發(fā)光且報(bào)警器響。最后將保護(hù)器移至光線正常出，此時(shí)VD1應(yīng)亮且報(bào)警器不響。假如其他二極管也亮，則微調(diào)RP1或RP2，使只有VD1亮，這樣反復(fù)調(diào)幾次就可以了。調(diào)試好后把導(dǎo)線拆除，使定時(shí)器工作。如覺(jué)得定時(shí)器的時(shí)間太長(zhǎng)或太短，可改變C1、R2的數(shù)值。時(shí)間t的計(jì)算公式為0.69*R2。4片數(shù)字電路安裝時(shí)最好使用插座，這樣焊接及更換均方便。3只發(fā)光管LED1LED3，超聲波發(fā)射、接收頭B1和B2以及光敏電阻RG均直

18、接焊接在電路板上。安裝B1、B2時(shí)需注意一下幾點(diǎn)：（1）B1、B2外形相同，其中發(fā)射為T(mén)，接受為R，不能搞錯(cuò)。（2）B2有一引腳與外殼想通，安裝時(shí)應(yīng)該此腳接地，而另一腳與R1相連。（3）B1、B2相距應(yīng)在810cm左右。檢查元器件安裝無(wú)誤后，通電配合頻率計(jì)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試步驟如下：（1）微調(diào)電阻R8使IC3的9腳輸出信號(hào)頻率為3Hz。（2）微調(diào)電阻R4使“非”門(mén)F2輸出信號(hào)的頻率為40kHz，在用手置于超聲波收發(fā)頭前，讓其反射超聲波信號(hào)，此時(shí)LED1應(yīng)閃亮，BC應(yīng)發(fā)出警報(bào)聲。然后慢慢使手遠(yuǎn)離收發(fā)頭，同時(shí)調(diào)節(jié)R2，使手到收發(fā)頭的距離大于35cm時(shí)LED1恰好熄滅。進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)試時(shí)，如發(fā)現(xiàn)電路一通電

19、LED1就閃亮且BC發(fā)出警報(bào)聲，這是“非”門(mén)F4F6組成的高增益放大器有自激現(xiàn)象，可先在IC1的電源端對(duì)地接0.1F的退耦電容試試，若無(wú)效可在“非門(mén)”F6兩端并接一只幾十pF的反饋電容。（3）光線報(bào)警調(diào)整應(yīng)在暗室或晚間進(jìn)行。調(diào)試時(shí)，若無(wú)照度表，可點(diǎn)亮一只15W的燈泡，將其置于光敏電阻上方30cm處，此時(shí)光照度約為1001x，調(diào)節(jié)R5使LED2恰好熄滅為止。調(diào)試結(jié)束后，將整個(gè)調(diào)好的電路板置于一合適的小盒中，在小盒上方鉆一個(gè)直徑為8cm左右的小孔，將光敏電阻緊貼在圓孔下方，以便其能夠很好的感光。小盒的背面再開(kāi)一些小孔透聲，并用膠將壓電片固定 在該位置。整機(jī)需與寫(xiě)字臺(tái)成40度角，以便使用者臉部反射超

20、聲波信號(hào)，使用時(shí)將視力保護(hù)器置于閱讀的書(shū)本上方即可。一旦定時(shí)時(shí)間到，LED3閃亮，此時(shí)應(yīng)關(guān)掉電源開(kāi)關(guān)。參考文獻(xiàn)：1 CMOS多功能視力保護(hù)器 電子世界 M 袁小翔 2006.52 視力保護(hù)器 家庭電子 M 袁小翔 2006.54 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.J北京：高等教育出版社，2005.5 x電子工藝實(shí)習(xí).成都：x，2003.1-236 x電子技術(shù)試驗(yàn).成都：x，2005.1-207 電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試第二版.武漢：華中科大出版社，2002.18 趙健.實(shí)用聲光電及無(wú)線電遙控電路300例.M.北京：中國(guó)電力出版社，2005.9 全新實(shí)用電路集粹編輯委員會(huì)編著. 全新實(shí)用電路集粹.M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.56-7410 11 總結(jié)本電路設(shè)計(jì)是基于超聲波發(fā)射與接收技術(shù)的多功能視力保護(hù)器。在設(shè)計(jì)中具有如何有效的提高視力保護(hù)的作用。通過(guò)實(shí)踐證明該視力保護(hù)器可行且可靠性良好，使用方便。本文期望通過(guò)該電子硬件的制作和理論的研究，能為后期進(jìn)一步設(shè)計(jì)多功能視力保護(hù)器并采取合理措施提高視力保護(hù)的有效性提供可靠和