光电式报警器(2)

光电报警器

摘要：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。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。

键词：光耦，或门，555多谐振荡，光电转换，声光报警

本次课程设计的题目是“光电报警器”。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。

1 基本设计

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。

参考元件：光耦（H92B4）对管，555，74LS32，CD4543，数码管，蜂鸣器，发光二极管。

1.2 提高要求

1.设计两位数码显示计数器，对报警的次数计数，并且数码显示。

2.具有清零功能。

3.电压为5V。

参考元件：74160, CD4511, 数码管，按键开关，二极管（IN4148）。

2、基本设计电路原理

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

CD4543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。

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2.2.2

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图2.3.1

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。

2.或门（74LS32）

74LS32管脚图如图2.3-2所示

图2.3-2：74LS32管脚图

74LS32为四2输入或门。

实现逻辑为：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。图2.3-4：数码管内部结构

本次课程设计使用的为共阳数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳? 找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND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，，然后用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），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），那它就是共阳的。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。

4.555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2.3-5：555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 2.6系统工作原理及其组成

2.4单元模块

2.4.1 光电转换模块：

光电转换的电路见图2.2—2。

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到10mA ，并且电源电压为5V ，所以R3=（5V-2.5V ）/（4mA~10mA ）=250Ω~625Ω，设计中选了240Ω限流电阻，选510Ω

计数器计计数脉显示译数码显

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20KΩ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，图2.2—2

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

2.4.2

此模块由74LS247及共阳数码显示器组成，74LS247驱动共阳数码显示器工作。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。

2.4.3声光报警模块

2.4.3

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+2R6）*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

2.5电路总体设计

电路总体设计电路图见图2.5—1。

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。

表2.5—1

DA DB A B

0000

0101

1010

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

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。

3、电路调试

3.1基本设计电路调试

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，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，无报警显0，1路显1，2路显2，同时遮挡显3。

3.2提高设计电路调试