郑州科技学院《数字电子技术》课程设计题目光电式报警器学生姓名尚垚专业班级电子科学与技术四班学号201031108院（系）电气工程学院指导教师袁玉霞完成时间2013年3月8日目录1 课程设计的目的 (1)2 课程设计的任务与要求 (1)3 设计方案与论证 (2)4 设计原理及功能说明 (2)4.1 系统组成 (2)4.2 工作原理 (3)5 单元电路的设计 (3)5.1 光电转换 (3)5.2 数字显示 (5)5.3 声光报警 (9)6 硬件的制作与调试 (12)7 总结 (14)参考文献 (15)附录1：电路总体原理图 (16)附录2：元器件清单 (18)1 课程设计的目的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。

然而传统的触摸式、开关式报警器等，虽然具有性能稳定、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。

光电报警就很好的改善了这点。

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，因此可以得到广泛的应用。

本文设计的光电报警器是光电二极管和报警器的灵活结合，它可以运用到各种生产线上，如博物馆里的防盗系统，并提示物品被盗地点，安全性能高，节约了人力资源，并且不易出错；还能运用到其它人力不能监测的环境。

2 课程设计的任务与要求1、采用双光路结构，当任一光路被遮挡时，报警器发出间歇式声光报警；2、采用数码管显示被遮挡的路数，无报警显0，1 路报警显1，2 路报警显2，同时遮挡报警显3；3、采用5V 电源供电。

【主要参考元件】:光耦，NE555，74LS32，74LS247。

3 设计方案与论证方案电路图如附录1中电路总原理图所示。

分析可知该电路图结构较为简明扼要，共有三个模块组成，各模块单独作用各司其职，相互之间影响较小，且以模块为电单元在设计上显得更为合理，单独模块设计电路较为方便，模块设计好之后只需把各模块适当的连接到一块即可，这样在实际焊接时步骤更为清晰明了，不易出现错误。

该方案中主要用到以下电路：①多谐振荡器电路②报警保持电路4 设计原理及功能说明4.1 系统组成根据课题设计要求，报警器电路系统框图由以下部分组成：本次课程设计总电路图由三大模块组成，即：光电转换模块、数字显示模块、声光报警模块。

通过红外线照射红外线接收二极管（以下简称“接收管”）使其输出高低电平以控制74LS247 和数码管电路显示数字说明是哪路被遮挡，同时由以555 为核心的报警器电路发出间歇式的声光报警。

4.2 工作原理当图中一路和二路均无光线遮挡时，D2 、D4由于分别被D1 、3 D 发出的红外线照射，而处于导通状态，此时A、B 两点均为低电平，数码管显示为0，且多谐振荡电路不能正常工作，故而报警部分不会发出声光报警。

当图中一路或二路任一路光线被遮挡时，此处假设为二路，则D2处于导通状态，而4 D 处于截止状态，此时A 点为低电平，而B 点为高电平，数码管显示为2，多谐振荡电路可以正常工作，报警部分会发出声光报警。

当图中一路和二路光线均被遮挡时，则D2、D4处于导通状态，此时A 点为高电平，B 点也为高电平，数码管显示为3，多谐振荡电路可以正常工作，报警部分会发出声光报警。

5 单元电路的设计5.1 光电转换光电转换模块可以以红外线发射管和红外线接收管为核心设计而成。

发射管在外加电压下可以发射出红外线，这种红外线可以被接收二极管接收。

一旦接收管受到红外线照射，就会处于导通状态，否则处于截止状态。

故而两种二极管通常会结合起来成对使用。

由于设计要求有两路光，故需要用到两对光电二极管设计电路如图5--1所示。

图5--1 光电转换电路小功率的发光二极管工作在电流为5 mA～20mA 范围内才能发光，根据欧姆定律，由R=U/I，U=5 V，5mA<I<20mA，计算可知与红外线发射二极管（以下简称“发射管”）串联的电阻值应该在250Ω～1000Ω之间，故在总电路图中可选用电阻8 10 R = R =510Ω的电阻。

接收管要串联一个电阻值较大的电阻以防止被击穿，可以令9 11 R = R =24KΩ。

当图中发射管D1 发出的红外线被接收管D2 收到时，D2 处于导通状态，由于D2 正极直接接地，则A 点即为低电平；如果在D1 与D2 之间放置遮挡物，如一张卡片，则D1 发出的红外线不会被D2 收到，即相当于接收管D2 未被红外线照射，此时D2 处于截止状态，由于A 点通过24KΩ的电阻接至+5V 电源，故相当于高电平。

同理可知B 点亦是如此。

这就有了高低电平的输出来控制后面的数字电路部分，实际上这部分是实现了把电信号转换成数字信号的功能。

5.2 数字显示由于题目中要求能显示光线被遮挡的路数，故而考虑使用数码管，并结合74LS247 芯片共同实现这一功能，下面介绍如下：显示译码器主要由译码器和驱动器组成，常集中在一块芯片上，输入一般为二—十进制代码，其输出的信息用于驱动显示器件，显示出十进制数字来。

液晶是液态晶体，它既具有液体的流动性，又有某些光学特性的有机化合物，其透明度及颜色受外加电场的控制，可做成受电场控制的七段液晶数码显示器。

将液晶的7 个电极做成8 字形，则只要在7 个电极上按七段字形的不同组合加上电压，便可显示出相应的数字。

七段数码管显示器共有两种，即共阳数码管和共阴数码管。

74LS247 为集电极开路输出的BCD——七段译码器/驱动器，主要用于驱动七段共阳数码管显示器，故而本次课程设计选用共阳型数码管。

共阳数码管引脚排列如图5--2 所示。

图5--2 74LS247 引脚排列图各引脚功能如下：A、B、C、D 译码地址输入端BI / RBO 消隐输入（低电平有效）脉冲消隐输出（低电平有效）LT 灯测试输入端（低电平有效）RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效）(a--g) 输出（低电平有效）74LS247与共阳数码管连接电路如图5--3所示。

图5--3 74LS247驱动共阳数码管电路芯片74LS247是驱动共阳数码管的译码器，所以在共阳数码管之前要加7个100Ω的电阻，以防止数码管被烧坏。

图5-3中74LS247的A、B、C、D为BCD码输入端，当输入不同的BCD码时，可以让共阳数码管显示0-9之间不同的数字，显示真值表如图5--4所示。

图5--4数字显示真值表由于本次设计题目要求数码管能根据光线遮挡与否分别显示0、1、2、3，为满足此要求，可以将图4--1中A、B端点分别连接至图5--3中74LS247的译码地址输入端A、B，令C、D输入端对应的2、6脚接地即可。

此后详细分析如下：①当A=0，B=0时，数码管显示为0；②当A=1，B=0时，数码管显示为1；③当A=0，B=1时，数码管显示为2；④当A=1，B=1时，数码管显示为3。

5.3 声光报警由于题目要求实现间歇式声光报警，故而可以选用555 定时器构成多谐振荡电路实现该功能，多谐振荡电路输出为高低电平交替出现的矩形脉冲，很容易实现报警要求。

首先介绍555 定时器的结构功能如下：555 定时器是一种多用途的数字--模拟混合集成电路，利用它能够方便构成多谐振荡器、单稳态触发器等多种应用电路。

因使用灵活、方便，在工业控制、定时、检测、报警等方面都有很广泛的应用。

555 构成多谐振荡器电路如图5--5 所示。

其中R1、R2 和C 为定时电阻和电容，C1 为电压控制端稳定电容。

在信号的输出端产生矩形脉冲，其振荡频率为：f 1.44/( R 2R )C 1 2 = + (Hz)图5--5 集成芯片555 构成的多谐振荡器根据总电路图，多谐振荡器可根据T 0.69( R 2R )C 12 13 = + (s)来确定蜂鸣器鸣叫周期，其中鸣叫时间为：T 0.69( R R )C 1 12 13 = + (s)间歇时间为：T 0.69R C 2 13 = (s)。

由此可知，在多谐振荡器的输出端接上蜂鸣器和发光二极管即可实现间歇式声光报警功能，具体电路如图5--6 所示。

该图中可以通过调节可变电阻1 R 的大小来改变蜂鸣器的鸣叫频率。

图5--6 以555 为核心的声光报警电路设计时选择主电路图中12 R 为可变电阻，最大阻值为5KΩ，13 R =2KΩ，电容C1为电解电容，容值为220μF。

则由T 0.69( R 2R )C 12 13 = + 计算可知蜂鸣器鸣叫周期在T=0.6072～1.3662（s）之间，由于间歇时间为T 0.69R C 2 13 = =0.3036（s），故鸣叫时间1 1 T = T - T ，在0.3036～1.0626（s）之间。

由于题目要求当任一光路被遮挡时，报警器就得发出间歇式声光报警，为满足此要求，可以将图5--1中A、B 端点通过2输入或门电路连接至本节图5--5中NE555的4号引脚。

图5--7 或门74LS32引脚排列图当图5--7中A、B 两点至少一点为高电平时，通过或门输出的才为高电平，再把此高电平连至NE555的4脚复位端，由于NE555 的复位端只有在接了高电平时才能正常发出声光报警，故可以实现题目要求的功能。

6 硬件的制作与调试整个课程设计工作原理比较简单，基本电路设计好之后，为防止由于考虑不够周到而导致错误出现，故而焊接之前在实验室中用实验箱进行了仿真，仿真结果和课题要求符合，说明电路设计部分没有问题，可以开始着手焊接。

由于之前做过类似的焊接工作，对于焊接时要注意的问题都很清楚，又加上对整个电路图的各个部分了然于胸，所以用了一个下午的时间就把光电转换部分和数码显示部分焊接完成，由于三个模块相互独立，虽然声光报警部分尚未焊接，此时也可以完成部分功能，当接上5V 电源后数码显示部分可以正常显示，这说明光电转换部分和数码显示部分没有问题。

之后又用了半天的时间把剩下的声光报警部分焊接完成，整个电路就算焊接完成了。

此时接上+5V 电源，发现出现了小问题：当用硬卡片遮挡2 路时，数码管显示为2，报警器可以发车声光报警；当一路二路同时遮挡时，数码管显示为3，报警器也可以发车声光报警；而遮挡1 路时，数码管可以显示为1，但报警器部分却没有反应，即不会发出应有的声光报警。

对该问题进行分析：数码管显示部分可以正常工作，且二路被遮挡时报警器也能工作，说明报警模块的多谐振荡器没有问题，由于或门74LS32 的输入端的2 脚和总电路图中的A 点相连，很可能74LS32 的输入端的2 脚焊接时出现问题。

之后用万用表测量74LS32 输入端2 脚的电压，发现不论一路遮挡与否，1 脚的电压始终为0，说明前面的分析是正确的；再对整个电路板进行排查后发现，2脚并没有焊接在总电路图中的A 点，而是接在了接收管2 D 的正向输入端，这样相当于2 脚直接接地了，故而会出现如前所述的问题。