光电报警器

评语：封面、任务书参见超标准格式。同组人的报告打不开，请转告。

课程设计说明书

课程设计名称：数字电路课程设计

课程设计题目：光电式报警器的设计

学院名称：信息工程学院

专业：电子信息科学与技术班级： 100431

学号： 10043104 姓名：黄琳

评分：教师：彭嵩

20 12 年 11 月 7 日

数字电路课程设计任务书

20 11 －20 12 学年第一学期第 6 周－ 8 周

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

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。

本文设计了一种光电式报警器，该报警器通过感光器件把光信号转换成电信号，控制数码管的显示以及报警电路。利用了部分数字逻辑电路，实现能在报警过程中实现对应路数的显示功能。其中声光报警部分通过555定时器组成的多谐振荡器来控制蜂鸣器发出鸣叫声和发光二极管发出光亮来代替报警效果。整个设计利用了部分数字逻辑电路，能实现在报警过程中同时显示对应路数的功能。该报警器的设计采用模块化结构，有三个模块即光电转换模块、定时模块以及显示模块组成。各模块功能独立，可扩充性强，很有经济利用价值。

光电报警器的使用简单，可靠性高，人们在日常生活中可以将光电报警器广泛的利用在很多领域，来提高自己的生活的安全度。

关键词：数码显示，555多谐振荡，光电转换，声光报警

前言 (1)

第一章基本设计要求 (2)

1.1 基本设计任务及要求 (2)

第二章电路设计原理 (3)

2.1 系统工作原理及其组成 (3)

2.2 设计方案比较和选择 (3)

2.3 元器件介绍 (5)

2.4 单元模块 (8)

2.4.1 光电转换模块 (8)

2.4.2 数字显示模块 (8)

2.4.3 声光报警模块 (9)

2.5 电路总体设计 (11)

第三章电路焊接与调试 (13)

3.1 焊接注意要点 (13)

3.2 电路调试 (13)

第四章实验结论 (14)

参考文献 (15)

附录一方案总实物图 (15)

附录二元件清单 (18)

前言

报警器分为机械式报警器和电子报警器。经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域。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、实用性强等特点，但是也具有应用范围窄等缺点，而且安全性能也不是很好。本次课程设计的题目是“光电报警器”，光电报警就很好的改善了这些方面。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。

在当今高速发展的社会中，入室盗窃率的不断提高。家，学校宿舍，办公室的财产安全存在很多的隐患，当家中无人或仅有老人孩子在家或者在家熟睡，必须确保家庭成员和财产的安全。众多住宅小区，学校宿舍，办公室的安防主要是依靠安装防盗门、防盗窗以及人工防范来实现的。这样不仅有碍美观，而且还不能有效地防止小偷的侵入，而光电报警器就可很好解决这个问题。所以现在可以在窗户和门上安上这种光电报警器，这样可以更有效地防盗，并且还可以通过无线主机，实现远程监控，减少不少物力和财力，它可广泛地应用于智能化小区，宿舍，办公室，金融部门的储蓄网点，写字楼，仓库，企事业单位等分散营业场所的安全防范中。

本次设计的光电报警器是报警器和光耦的小小结合，但它可以运用到各种生产线上，如纺纱工业的监测各个线丝的有无断点，并加以提示，也可以稍加改进，让其能够计数，记录生产速度，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。

第一章基本设计任务及要求

1.1 基本设计要求

1. 设计双光路结构，当任一光路被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警。

2. 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。

3．电压为5V。

第二章电路设计原理

2.1系统工作原理及其组成

本设计首先接通电源通过光耦将光信号转化成电信号。输出的信号通过74LS48译码器使共阳数码管显示不同的数字，通过74LS32或门驱动555定时器构成的多谐振荡电路，使蜂鸣器和发光二极管发出间歇式声光报警。

图2.1 工作原理框图

2.2设计方案比较和选择

方案一：接通电源通过对管的发送和接收，输出高低电平，通过CD4511译码器使LED 显示不同的数字，再由74LS32或门和555多谐振荡器来实现有选择的间歇式光电报警器。

图2.2.1 光电转图

当接通电源的时候，发光管发出红外光，接收管导通，从A 点输出低电平，当有东西遮在两个管子中间时，接收管断开，从A 点输出高电平，见图2.2—1。

方案二：接通电源通过光耦的导通和断开，输出高低电平，通过74LS48译码器使LED显示不同的数字，再由74LS32或门和555多谐振荡器来实现有选择的间歇式光电报警器。

图2.2.2 光电转换图

当接通电源的时候，光耦内部的光敏三极管导通，从B点输出低电平，当有东西遮在光耦的U型槽中时，光敏三极管断开，从B点输出高电平，见图2.2.2。

比较上述两种方案，都是将光信号转化为电信号输出高低电平，经过译码器驱动数码管显示不同的数字，同时通过输出的高低电平经或门来控制555构成的多谐振荡器。主要不同之出就在于光电转换电路的选择，经过实验检测第一种方案输出的高电平比较低，致使数码管的亮度不是很高，要加个放大电路才能增加数码管的亮度，而第二种方案却不用加放大电路。虽然光耦的成本比对管高一些，但是实验电路和步骤较简单，而且光耦的发射和接收都在一个器件中灵敏度比对管要高，综合来看，选择第二种方案。

2.3元器件介绍

1 、光耦（H92B4）：光耦原理图见图2.3.1。光耦的型号为H92B4，由发光二极管和光敏三极管构成的，有4个管脚。当光敏三极管接收到二极管发射的光时，其工作在饱和导通状态，当光敏三极管无法接收到二极管发射的光时，三极管工作在截止状态。1和4 脚接电源，并要加限流电阻。

图2.3.1 光耦

2.或门（74LS32）

74LS32管脚图如图2.3-2所示

图2.3-2 74LS32管脚图 图2.3-3 74LS32真值表

74LS32为四二输入或门，实现逻辑关系为：Y=A+B

其中A ，B 为输入端，Y 为输出端，GND 为电源负极，VCC 为电源正极

3.译码器（74LS48）

74LS48是一款高电平驱动的数字译码芯片，输出有效点位为高电平，可以配上共阴的数码管，我们也可以选74LS247低电平驱动的和共阳数码管，本次课程设计采用的是74LS48芯片。

芯片74LS48为共阴数码管的译码器，所以在共阴数码管之前要加8个330欧的电阻，以保护数码管不被烧坏，倘若数码管显示的过亮了就要增大电阻的阻值。

图

图2.3-4 74LS48真值表

4.数码管

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。图2.3-4为数码管的内部结构。

5 H x

6 H x

7 H x

8 H x

9 H x 10 H x 11 H x 12 H x 13 H x 14 H x 15 H x BI x x

图2.3-4 数码管内部结构

本次课程设计使用的为共阴数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地端，当某一字段发光二极管的阴极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

区分共阳和共阴数码管的方法：

将电源（3到5伏）串接1个1K（或几百欧）的电阻后和GND分别接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，然后GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个）亮，那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个）亮，那它就是共阳的。

5．555定时器

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。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

图2.3-5为555定时器的内部结构及管脚排列。

图2.3-5 555定时器内部结构（a）及管脚排列（b）

555 定时器只需外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

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，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。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

2.4单元模块

2.4.1 光电转换模块：

图2.2—2 光电转换

由于发光二极管的工作电压大约在2.5V，工作电流大约在4~ 10mA，并且电源电压为5V，所以R3=（5V-2.5V）/（4mA~10mA）=250Ω~625Ω，设计中选了510Ω限流电阻，选510Ω限流电阻也可。三极管有放大作用，所以集电极的电流较大，所以要加一个阻值较大的电阻R4作为限流电阻，因此选择了10KΩ电阻。

当接通电源的时候，发光管发光，光敏三极管的基极电流增加，发射结的电压增大，当超过三极管的导通电压（一般为硅管为0.7V，锗管为0.3V左右）时，三极管就会导通，当基极电流继续增加时，三极管会饱和导通，此时三极管相当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”。

2.4.2数字显示模块

图2.4.2 数字显示模块图

此模块由74LS48及共阴数码显示器组成，74LS48驱动共阴数码显示器工作。74LS48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，驱动共阴数码显示器工作，以显示数字0到3。

2.4.3声光报警模块

图2.4.3 声光报警图

根据设计要求要发出间歇式的声光报警，声音报警选择蜂鸣器，光报警选择发光二极管。要能发出间歇式的报警，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，所以采用由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 + 2 R6 ）*C1 （公式2.4.3—1）但是周期选择得太大的话，间歇的时间太长，周期太小的话，人耳无法感觉出有间歇，一般人耳的间歇感知度为0.1s，所以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 kΩ*2）*1uF=0.28s,频率约为1/0.28s=3.5Hz。电容C2是用来滤波的，所以选得小一点更有利于将交流引入大地，因而取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，所以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。当4端输入高电平的时候，声光报警器工作；当输入低电平的时候，声光报警器不工作。

第三章电路设计

3.1电路总体设计

图2.5.1 电路总设计图

电路总体设计电路图见图2.5.1。

根据设计要求没有光路被遮挡时数码管显示0，光路1被遮挡时数码管显示1，光路2被遮挡时数码管显示2，两条光路都被遮挡时数码管显示3，所以可以得到一

真值表见表2.5—1。

根据真值表可以得到DA=AB’+ AB = A，DB = BA’+ BA = B，所以直接将A 与DA相连，B与DB相连即可。

当两条光路中有一条或全部被遮挡住时，就发出声光报警，即两条光路中只要有一条输出为“1”时555的4端口就输入“1”，可以根据此要求列出真值表见表2.5-2

表2.5—2 真值表

根据真值表可得C=A+B，所以在A、B与C之间用或门74LS32来连接。

综上所述，电路设计完毕。

第四章电路焊接与调试

4.1 焊接注意要点

1.焊接前把需要焊接的地方先用小刀刮净，使它呈现出金属光泽，涂上焊

剂，再涂上一层焊锡。

2.焊接时电烙铁应有足够的热量，保证焊接质量，避免虚焊和脱焊。

3.烙铁在焊接处停留的时间不宜过长。

4.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，给修改电路带来麻烦。

5.焊接前要注意芯片管脚和插座管脚的接法。

6.要保持焊接处的清洁以及整块电路板中各处的锡要均匀。

7.焊接时要分清万能板上的电源线和地线，将电源线和地线分别集中在一

个点。

8.数码管的各各管脚要对应好，两个公共端要分别接电阻后接地。

4.2 电路调试

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，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，无报警显0，1路遮挡显1，2路遮挡显2，同时

遮挡显3。

第五章实验结论

通过本次光电式报警器的设计，对光电知识的实际应用有了更深刻的理解和

体会。这次课程设计，不仅提高了动手能力，且对设计的整个流程有了一定的了解，

更了解到了光电知识应用的广泛性和前景。设计的成功，极大地提高了自信心，促

进了对光电的学习兴趣，明白了理论联系实际的重要性。

此次设计大量的运用了《数字电路基础》里的知识。通过此次的设计实验体会

到理论应用于实践才能很好地掌握书中的知识。数字电路里芯片的种类繁多，用途广，平常的学习中应多加注意并且有意识的多加了解。同时也要加强电路设计和制

作的能力，多接触一些实际的电路。

设计过程中清楚了一项设计的整体流程：明确设计要求、功能及功能模块的设计，查阅相关资料并确定元器件，电路连接、调试、调整改进与检查，电路成型，

总结；设计电路时，上网查阅了很多资料，这培养了搜索的能力，开拓了视野。调

试过程中掌握了一些电路调试的方法和规律，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，明白了动手的重要性，懂得了实践出真知的道理。电

路的连接和调试极大地提高了动手实践能力，这也是目前较为缺乏的。作为工科的

学生，就应该具备这样的动手实践能力。

总之，通过这次设计认识到了知识的局限性，培养了动手能力，感受到了团队

合作的重要性，对今后的学习起到了很好的促进作用。感谢老师这两星期以来对我

的指导与帮助。

参考文献

［1］童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006