光电报警系统设计

课 程 设 计 报 告

中北大学
课程设计任务书
2012/2013 学 专 院： 业： 学年第 一 学期
信息商务学院 电子信息科学与技术 学 号： 光电报警系统设计 12 月 31 日～ 1 月 18 日 中北大学 王伟 程耀瑜 09050141X13
学 生 姓 名： 郝金风 课程设计题目： 起 迄 日 期： 课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任：
下达任务书日期:
2012 年
12 月 31 日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
在学习专业基础课和专业课的基础上，主要在电子仪器、微机综合设计与实践、单 片机与 A/D 和 D/A 和光、计、电综合应用等几个方面开展实践活动，巩固所学知识、培 养动手能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等） ：
1、了解红外发光二极管与光电二极管的具体应用。 2、了解主动式光电报警系统设计原理，了解锁相环的原理及应用。 3、利用锁相环设计光电报警系统实验 4、 对影响光电探测性能的各种参数进行探讨， 以求最大限度地发挥系统的探测能力。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等〕 ：
1） 设计说明书符合要求； 2） 相应器件的工作原理及应用； 3） 系统工作原理图； 4） 参考文献原文不少于 3 篇。

课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献：
? 要求按国标 GB 7714—87《文后参考文献著录规则》书写，例： 1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985
（5篇以上）
5．设计成果形式及要求：
设计说明书及相关电路图
6．工作计划及进度：
2012201312 月 31 日 ~1 月 3 日 了解设计题目及熟悉资料 1月 4日 ~1月 7 日 确定各题目要求计算相关参数，确定具体设计方案
1 月 8 日 ~ 1 月 14 日 结合要求具体设计与仿真 1 月 15 日 ~ 1 月 18 日 整理课程设计说明书，答辩或成绩考核
系主任审查意见：
签字： 年 月 日

目录 引言 .......................................................................6 第一章 设计要求..........................................................7 1.1 总体电路设计............................................7 1.2 光电报警器原理介绍................................8 第二章 光电报警器电路设计......................................9 2.1 光电转换模块设计....................................9 2.2 数字显示模块设计....................................10 2.3 声光报警模块设计....................................12 第三章 proteus 电路仿真............................................13 3.1proteus 电路仿真.......................................13 第四章 电路调试过程与测试结果分析......................16 结论.................................................................................17 参考文献.........................................................................18 附录.................................................................................19

引
言
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。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。传统的报警器通常采用触摸式、开关 报警器等。这类报警器具有性能稳定、实用性强等优点，但是也具有应用范围窄 等缺点，而且安全性能也不是很好。光电式报警就很好的改善了这一点。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，因此得到了广泛的应 用。 本文设计的光电式报警器是报警器和光耦小小的结合， 但它可以运用到各种 生产线上，如纺纱工业的监测各个丝线的有无断点，并加以提示，也可以稍加改 进，让其能够计数，记录生产进度，安全性能高，节约了人力资源 ，并且不易 出错， 还能运用到人力不能监测的环境。可见光电报警器的运用可以延伸到各个 行业，各个领域。

第一章 光电式报警器的原理及总体设计
1.1 总体电路设计
本电路由 3 部分组成：光电转换电路、数字显示电路、声光报警电路。设计 双光路结构， 通过光照光敏三级管输出高低电平来控制 74LS247 显示数字是哪路 被挡，数码管显示被遮挡的路数，无遮挡时数码管显 0，1 路被遮挡时数码管显 1，2 路被遮挡时数码管显 2，同时被遮挡时数码管显 3。当任一光路被遮挡时， 报警器发出间歇式声光报警。 芯片 SN74LS247N 是驱动共阳数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加 几个 100 欧的电阻。
报警器控制
+5V
稳 压 电 源
光电转换
译码输出
数码显示
光电式报警器框图
1.2
光电报警器原理介绍
， 电路中的上侧为第一路， 下侧电路为第二路电路，
电路的工作原路如图
当两路电路都没有被遮挡的时候，光耦是导通的，即光耦上端两端电压都为低， 然后经过 74LS32 或门以后的总的电压为低，低电压与 555 的管脚 4 相连，RS 使 得 555 输出一直为低，不能驱动蜂鸣器响，故不会响铃，同时光耦上端的的低电 平信号与 74LS247 中的 1、7 脚输入的信号，输出的信号通过共阳数码管显示为 0。 当光耦有其中一路被遮挡后，挡住的光耦不能短路，处于断开，两个光耦上 端的电平有一个为高， 另一个为低，然后经过 74LS32 或门以后的总的电压为高，

高电压与 555 的管脚 4 相连， 使得 555 能够正常工作， 产生 1.23KHZ 的矩形脉冲， 使蜂鸣器会响铃。同时光耦上端的的高、低电平信号与 74LS247 中的 1、7（7、 1）脚输入的信号，输出的信号通过共阳数码管显示为 1、2。 当两路光耦都被遮挡的时候，光耦就会都不导通，光耦在截止状态，即光耦 上端两端电压都为高， 然后经过 74LS32 或门以后的总的电压为高， 低电压与 555 的管脚 4 相连，使得 555 输出一直为矩形脉冲，驱动蜂鸣器响，故会响铃，同时 光耦上端的的高电平信号与 74LS247 中的 1、7 脚输入的信号，输出的信号通过 共阳数码管显示为 3。

第二章 光电报警器电路设计
2.1 光电转换模块设计
光电转换电路图如图 2.1.1 所示：
图 2.1.1 光电转换采用光耦，光耦内由发光二极管和光敏三极管构成：采用 5V 直流 供电，为防止光耦烧坏，应该在二极管串联一个 510Ω 电阻。同时挡光的用具可 以使用不透明的纸张，光耦中的小功率的发光二极管正常工作电流在 10 mA～ 30mA 范围内，根据欧姆定律，由 I=U/R，U=5 V，10mA

于工作在开关的闭合状态，B 点相当于直接接地，所以 B 点输出为低电平“0” 。 当一旦有东西遮在发光管和光敏三极管中间时，三极管的发射结电压降低，达不 到它的导通电压，三极管截止，此时相当于工作在开关的断开状态，B 点电势接 近电源电压即为高电平“1” 。
2.2 数字显示模块设计
数字显示电路选择 SN74LS247N 和共阳 7 段 LEDS 译码管，电路图如图 2.4.3 所示：
图 2.2.1 74LS247 管脚图如图 2.2.2 所示：

图 2.2.2：74LS247 管脚图 74LS247 真值表如图 2.2.3 所示：
图 2.2.3：SN74LS247N 真值表 译码显示电路如下：实现 A,B,C 和 D 为低电平，数码管显示 0。只有当 A 为 高电平显示 1。只有当 B 为高电平显示 2。A,B 为高电平则显示 3。 74LS247 为 BCD—七段译码器/驱动器，低电平时有效。所以在共阳数码管之 前要加 8 个 100 欧的电阻，以保护数码管不被烧坏。 数码管分为共阳数码管和共阴数码管。发光原理是一样的，只是它们的电源 极性不同而已。7 段 LED 数码管在一定形状的绝缘材料上，利用单只 LED 组合排

列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出 0-9 的数字。LED 的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。 此模块由 SN74LS247N 及共阳数码显示器组成，74LS247 驱动共阳数码管工 作。74LS247 的 2，6 脚因无输入，故接低电平，3，4，5 脚接高电平，而 1,7 脚则与光电转换模块中光敏三极管输出的连接。此时 74LS32 正常工作，驱动共 阳数码显示器工作，以显示数字 0 到 3。
2.3 声光报警模块设计
声光报警电路可以采用 555 振荡电路实现， 首先了解 555 芯片的结构性能： 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。 555 定时器的 功能主要由两个比较器决定。 两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的 状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输 入端的电压为 2VCC /3， 的同相输入端的电压为 VCC /3。 A2 若触发输入端 TR 的 电压小于 VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。 如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3， 同时 TR 端的电压大于 VCC /3， 则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 声光报警电路图如图 2.4.1 所示：

图 2.4.1 光报警选择发光二极管， 声音报警选择蜂鸣器。 如果要求发出间歇式的报警， 则肯定要求驱动蜂鸣器和发光二极管的信号为稳定的方波， 即为有固定周期的高 低电平，因此采用由 555 构成的多稳态触发器。 间歇式报警的周期可以根据 555 多稳态触发器周期的算法 T=0.7*（R5+2R6）*C1 但是如果周期选择得太大的话，间歇的时间就太长，周期太小的话，人耳就 无法感觉出有间歇，一般人耳的间歇感知度为 0.1s，因此 R5、R6 选得大一点分 别取 200kΩ 和 100kΩ ，C1 适中取 1uF，间歇报警的周期为 0.7*（200kΩ +100 k Ω *2）*1uF=0.28s,频率约为 1/0.28s=3.5Hz。电容 C2 的作用是滤波，所以选得 小一点更将有利于将交流引入大地，所以取 C2=0.01uF。 由于设计的要求是有时需要报警电路工作，有时不需要报警，因此可以用前 级电路的输出电平来控制 555 定时器的复位端即 4 端口。 4 端输入高电平的时， 当 声光报警器开始工作；当输入低电平的时，声光报警器不工作。

第三章 Proteus 电路仿真 3.1 Proteus 电路仿真
当两路没有被遮挡时，光耦导通，输出低电平，数码管显示 0，蜂鸣器不报 警，如图 3.1.1
图 3.1.1
显示电路
当 1 路被遮挡， 路没被遮挡时， 2 数码管显示 1， 蜂鸣器报警， 如图 3.1.2

图 3.1.2 显示电路 当 2 路被遮挡， 路没被遮挡时， 1 数码管显示 2， 蜂鸣器报警， 如图 3.1.3
图 3.1.3
显示电路
当两路都被遮挡，数码管显示 3，蜂鸣器报警，如图 3.1.4

图 3.1.4
显示电路
第四章 电路焊接调试过程与测试结果分析
1 焊接注意要点
焊接时， 每焊接完一个模块都要进行调试。不要把所有的电路全部焊接完了 再进行调试， 否则如果出现问题将会很难查出来，而且还会给修改电路带来不必 要的麻烦。 芯片的管脚要正确读取， 接电源的管脚和接地的管脚不搞反了。万能板上的 电源线和地线要分清楚，焊接时千万不要搞错了。 芯片的安装要注意芯片管脚和插座管脚要对应。 数码管的两个公共端要分别 接电阻后再接地。
2 调试要点
调试用到的仪器有：数字万用表、5V 直流稳压电源。 调试分模块进行调试 第一步:将光电转换部分焊接完毕后，接通电源，用数字万用表分别测试挡 光和不挡光 A、B 两点的电压， 第一次测试结果是挡光和不挡光的电压值都一样， 这说明电路出现了问题， 关闭电源，用万用表的蜂鸣档检查电路是否有短路和断

路的地方，结果没有，然后又检查了是否将电路焊错了，器件管脚是否搞错了， 仔细一检查才发现是将光耦中光敏三极管的发射极和集电极搞反了， 将电路改正 后再次用万用表测试，结果是不挡光时 A=B=0.25V，挡光时 A=B=4.7V，符合高低 电平的要求，可以焊接下一个模块。 第二步:将数码显示部分的译码器和数码管焊接完毕后，一接通电源，数码 管就显示 0，用纸片遮挡住光路 1，数码管显示 1，遮挡住光路 2，数码管显示 2， 同时遮挡， 数码管显示 3， 符合设计要求， 说明数码显示这个模块没有出现问题， 可以焊接下一个模块。 第三步:将 74LS32 和光电报警部分焊接完毕后，接通电源，声光报警部分不 工作，用纸片遮挡住光路 1，发出间歇式声光报警，遮挡住光路 2，也发出间歇 式声光报警，同时遮挡，同样能发出间歇式声光报警，符合设计要求，这部分也 没有出现问题，所有电路全部焊接调试完毕。 最后调试成功后的电路实现的功能为： 1.当任一路光被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警。 2.LED 显示被遮挡的路数，两路都没有被遮挡显示 0，1 路被遮挡显示 1，2 路被遮挡显示 2，两路同时被遮挡显示 3。
结论
在这次设计中，通过对“光电式报警器”的设计、安装以及调试，我从中学 到了不少知识。在本次实验中，我学到了做任何事情都要有耐心，电路焊接完成 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，我掌握了 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。 并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。

参考文献
[1]郭明琼，李潇，卿太全。 《常用数字集成电路原理与应用》 。人民邮电出 版社。2006。 [2]康华光。 《电子技术基础》-数字部分（第五版） 。高等教育出版社。2006。 [3]华成英， 童诗白。 《模拟电子技术基础》 （第四版） 高等教育出版社。 。 2006。 [4]姜雪松，王鹰。 《电磁兼容与 PCB 设计》 。机械工业出版社。2008。 [5]杨欣，王玉凤，刘湘黔。 《电路设计与仿真—基于 Multisim8 与 Protel 2004》 。清华大学出版社。2006。 [6]陈雅萍。 《电子技能与实训---项目式教学》 。高等教育出版社。2007。 [7]于彤。 《传感器原理及应用—项目式教学》 。机械工业出版社。2008。

附录
附录一: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 电解电容 瓷片电容 发光二级管 二极管 共阳数码管 蜂鸣器 电阻 芯片 元件清单 名称 光耦 74LS247 74LS32 555 100Ω 130Ω 510Ω 2 kΩ 型号 数量 2 1 1 1 7 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1
24 kΩ 100 kΩ 220uF 0.1uF LED