視力保護(hù)器課程設(shè)計(共15頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄視力保護(hù)器的設(shè)計 摘要 本設(shè)計主要實現(xiàn)測距報警、測光報警以及定時報警功能。利用超聲波發(fā)射接收器、NE555、光敏電阻等元件組合成電路，來實現(xiàn)上述功能。通過超聲波接收頭對接收的超聲波信號進(jìn)行調(diào)制輸出，所采用的是純硬件電路，且分別對超聲波接收與發(fā)射、NE555及光敏電阻的特性及各個功能進(jìn)行分析，通過這些元件的組合來實現(xiàn)設(shè)計所需的報警功能。該視力保護(hù)器實用、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 報警功能前言目前，青少年視力低下，已成為國內(nèi)外共同關(guān)心的公共衛(wèi)生問題。資料顯示，我國小學(xué)生視

2、力低下率為 26.96%，初中生 53.43%，高中生 72.8%，大學(xué)生 77.95%。特別是調(diào)查顯示 50%以上的學(xué)生及家長缺乏視力保健最基本的科普知識，不懂得“近視與盲只差一步”的危害性，因而有 41.6%視力低下的學(xué)生并未采取任何矯正措施，并且缺乏專業(yè)機構(gòu)的治療。因此設(shè)計一個視力保護(hù)器用來保護(hù)視力是由為重要的。此設(shè)計基于實驗室現(xiàn)有的硬件平臺，主要實現(xiàn)多功能視力保護(hù)器的硬件開發(fā)與設(shè)計，并完成相應(yīng)的硬件制作。其研究內(nèi)容分為兩部分：對視力保護(hù)器的硬件設(shè)計和硬件制作。在設(shè)計中存在著如何有效的提高視力保護(hù)以及對硬件電路準(zhǔn)確調(diào)試的難點。在

3、硬件設(shè)計中，基于超聲波技術(shù)設(shè)計的多功能實現(xiàn)控制聲光提示電路工作的理論研究有一定的研究意義。一、 系統(tǒng)設(shè)計電路方案論述方案一：由超聲波發(fā)射振蕩器、報警聲振蕩器和定時用振蕩器、一個超聲波接收放大器、一個光控電路和各功能的控制與指示電路組成。如圖1為電路原理圖圖1 方案一電路原理圖方案二：電路原理分析電路原理如圖2，VT4、VT5組成差分放大電路，用于檢測周圍環(huán)境光照強度，通過調(diào)節(jié)W1，將光線設(shè)定在一定值上，光線強時RG1阻值較小，VT5基極得到較高電位，此時VT5的集電極低于VT4集電極電壓，VT3發(fā)射結(jié)反偏，VT3截止，蜂鳴器失電，不會發(fā)聲。當(dāng)環(huán)境光照強度較弱時，RG1阻值增加，當(dāng)光照值低于設(shè)定

4、值時，VT5的集電極高于VT4集電極電壓，VT3正偏，光線變化信號被得到差分放大，VT1飽和導(dǎo)通，蜂鳴器得電，發(fā)出報警聲，提醒學(xué)生，此時光線太弱，不宜長時間書寫、看書，達(dá)到保護(hù)視力之目的。圖2 方案二電路原理圖方案三：本電路由CD4001.4二2輸人端或非門集成電路、CD4011.4一2輸人端與非門集成電路和CD4060.4異或門集成電路組成。通過3只門電路中的各個門的組合，組成一個具有光強保護(hù)、光弱保護(hù)和超時閱讀保護(hù)為一體的多功能視力保護(hù)器電路。如圖為電路原理圖。圖3 方案三電路原理圖通過上述比較可以看出第一方案更為合理。它采用三塊電路各自獨立卻又相互結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電路板和芯片的合理使用

5、，實現(xiàn)了距離檢測、計時功能和采光功能。且實測靜態(tài)電流不大于8mA。設(shè)計原理簡單、設(shè)計合理、造價低廉，能起到了預(yù)防近視、保護(hù)眼睛等作用。第二方案設(shè)計過于簡單達(dá)不到要求。第三方案設(shè)計復(fù)雜且制作成本過高。因此我選用第一方案。二.電路設(shè)計分析（一）電路原理框圖視力保護(hù)器由測光電路、顯示電路、報警電路、定時電路4個部分組成, 如圖4所示。 圖4 電路原理框圖（二）電路設(shè)計原理圖圖5 電路設(shè)計原理圖本電路主要包含：該電路包括3個振蕩器：（即 超聲波發(fā)射振蕩器、報警聲振蕩器和定時用振蕩器）、一個超聲波接收放大器、一個光控電路和各功能的控制與指示燈電路。1、測光電路本電路主要有光敏電阻器RG、電阻器

6、R4、電容器C和IC2內(nèi)部的與非門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，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶的空穴，這種

7、由光照產(chǎn)生的電子空穴對了半導(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，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(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極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加，也加。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。 圖6 光敏電阻原理圖(2) 測光電路原理分析本電路的工作原理是：當(dāng)周圍光線變?nèi)鯐r引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，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

8、。反之，若周圍的光線變亮，則RG的阻值下降，導(dǎo)致的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實現(xiàn)對光照度的控制。如圖 7所示圖7 測光電路2. 定時電路本電路主要有：定時控制電路由定時器集成電路NE555、電阻器R13、R14、電容器C9、C10。電位器RP和IC2內(nèi)部的與非門D9組成NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個用途很廣且相當(dāng)普遍的計時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。 NE555的特點有：

9、只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，且其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。 它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS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高、低態(tài)組合。 NE555引腳位配置說明下： 如圖8所示圖8 NE555接腳圖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) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電

10、壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA。 Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電) -這個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時為LOW，對

11、地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是555個計時器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)。 圖9 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖10 單穩(wěn)態(tài)波形圖用555定時器組器，圖10為其波形圖。圖中，t0t1為穩(wěn)態(tài)，t1t3為暫穩(wěn)態(tài)，t3時刻恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。由上述可知，555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路由輸入脈沖信號的下降沿觸發(fā)，使其輸出狀態(tài)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，另外，在暫穩(wěn)態(tài)過程結(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

12、，使輸入脈寬變窄。（2） 定時電路原理如圖11所示圖11 定時電路原理分析在定時時間未到時，NE555的3腳輸出低電平，與非門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)聲。當(dāng)定時時間結(jié)束時，NE555的3腳變?yōu)楦唠娖剑c非門D9輸出3kHz的矩形脈沖信號，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、非門集成電路IC1(Dl-D6)內(nèi)部的D4-D6、或非門集成電路IC3(DlO-D13)內(nèi)部的或非門Dl0、Dl1和電阻器RlO-Rl2和電容器C7、C8組成。另一部分接收電路由

13、超聲波接收器B1、電阻器R2、R3、R5、LC1內(nèi)部的非門D1-D3、與非門集成電路IC2(D7-D9)內(nèi)部的D7、電容器C3-C6、二極管VD1、VD2、晶體管V組成。 超聲波接收和發(fā)射電路元件發(fā)生器的原理是首先由信號發(fā)生器來產(chǎn)生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個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、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)，主要提供二個方面的反饋信號：第一個是提供

14、輸出功率信號，我們知道當(dāng)發(fā)生器的供電電源（電壓）發(fā)生變化時。發(fā)生器的輸出功率也會發(fā)生變化，這時反映在換能器上就是機械振動忽大忽小，導(dǎo)致清洗效果不穩(wěn)定。因此需要穩(wěn)定輸出功率，通過功率反饋信號相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定。 第二個是提供頻率跟蹤信號。當(dāng)換能器工作在諧振頻率點時其效率最高，工作最穩(wěn)定，而換能器的諧振頻率點會由于裝配原因和工作老化后改變，當(dāng)然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤換能器的諧振頻率點。     超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩

15、個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時成為超聲波接收器了。 超聲波接收控制電路。如圖12圖12 超聲波發(fā)射接收電路圖工作原理:人與書桌的距離大于35厘米時 ，超聲波接收器無法接收來自發(fā)射器的信號。因此電路布工作，當(dāng)人與書桌的距離小于5厘米時。超聲波接收器能準(zhǔn)確的接收到來自于發(fā)射器的信號并將信號轉(zhuǎn)化成電信號導(dǎo)通電路。使發(fā)光二極管燈亮，同時報警器響起提醒人的坐姿不正確或離書桌太近 需要調(diào)整姿勢保持距離

16、。（三）電路總體工作原理接通電源開關(guān)S，整機各電路通電工作。NE555的3腳輸出的3kHz方波振蕩信號一路加至與非門D7-D9的一個輸入端上，另一路經(jīng)C8加至非門D6的輸入端上，該方波振蕩信號經(jīng)D6整形后對4OkHz振蕩器 (由或非門Dl0、Dl1和C7、R10、R11組成)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的振蕩信號經(jīng)非門D4、D5驅(qū)動B2發(fā)射出超聲波。 在使用者的臉部與書寫面之間的距離大于35cm時，B1接收不到B2發(fā)射的超聲波信號，VD2和V處于截止?fàn)顟B(tài)，與非門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)使用者的臉部與書寫面之間的距離小于35cm時，B2發(fā)射的超聲波信號被人臉部反射回來

17、，B1接收到反射回來的超聲波信號并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，該電信號經(jīng)非門Dl-D3放大整形及C3、VD1、VD2、C4倍壓檢波后，產(chǎn)生負(fù)的直流電壓便V導(dǎo)通，與非門D7輸出3kHz的矩形脈沖信號，VL2閃爍發(fā)光;同時VD3間歇導(dǎo)通，由或非門Dl2、D13和Rl5、R16、C11組成的音頻振蕩器在3kHz脈沖信號控制下振蕩工作，驅(qū)動HA發(fā)出間歇的蜂鳴聲，提醒使用者注意讀寫距離。 在環(huán)境光線適合讀寫時，RG的阻值較小，與非門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)不到讀寫要求時，RG的阻值變大，使與非門D8輸出3kHz的矩形脈沖信號，VL2閃

18、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)打開臺燈。 在定時時間未到時，NE555的3腳輸出低電平，與非門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)聲。當(dāng)定時時間結(jié)束時，lC4的3腳變?yōu)楦唠娖?，與非門D9輸出3kHz的矩形脈沖信號，使VL4閃亮，音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲。三、制作調(diào)試元件正確焊接后，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，使定時器暫時不工作。然后把保護(hù)器放在光線較弱處，調(diào)節(jié)RP，使VD2發(fā)光且報警器響。再把報警器放在光線較強處，調(diào)節(jié)RP1，使VD3發(fā)光且報警器響。最后

19、將保護(hù)器移至光線正常處，此時VD1應(yīng)亮且報警器不響。假如其他發(fā)光二極管也亮，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，使定時器工作。如覺得定時器的時間太長或太短，可改變C1、R2的數(shù)值。時間t的計算公式為0.69×R2·C1。4片數(shù)字電路安裝時最好使用插座，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均直接焊接在電路板上。安裝B1、B2時需注意以下幾點：(1)B1、B2外形相同，其中發(fā)射為T，接收為R，不能搞錯。(2)B2有一引腳與外殼相通，安裝時應(yīng)將此腳接地，而另一腳與R1相連。(3)B1、B2相距應(yīng)在810cm左右。檢查元器件安裝無誤后，通電配合頻率計進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試步驟如下：(1)微調(diào)電阻R8使IC3的腳輸出信號頻率為3Hz。(2)微調(diào)電阻R4使“非”門F2輸出信號的頻率為40kHz，再用手置于超聲波收發(fā)頭前，讓其反射超聲波信號，此時LED1應(yīng)閃亮，BC應(yīng)發(fā)出報警聲。然后慢慢使手遠(yuǎn)離收發(fā)頭，同時調(diào)節(jié)R2，使手到收發(fā)頭的距離大于35cm時LED1恰好熄滅。