1、红外线光电报警系统 引 言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。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
2、 ，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。一、 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。 报警器控制译码输出数码显示光电转换+5V稳
3、压电源图1 光电式报警器框图1.2 光电报警器原理介绍电路的工作原路如图 ，电路中的上侧为第一路，下侧电路为第二路电路，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
4、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。图2 电路原理图二、 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3所示：图3光电转换采用光耦
5、，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510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，10mAI30 mA，故与红外发光二极管串联的电阻值为510欧，光敏三管级管要串联一个24千欧的电阻以防止被击穿。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，
6、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4所示：图474LS247管脚图如图5所示：图5 74LS247管脚图74LS247真值表如表1所示：表1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
7、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
8、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，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
9、 /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6所示：图6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200k和100k，C1适中取1uF，间歇报警的周期为0.
10、7*（200k+100 k*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。当4端输入高电平的时，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。三、 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7图7 显示电路 当1路被遮挡，2路没被遮挡时，数码管显示1，蜂鸣器报警，如图3.1.2图8
11、显示电路 当2路被遮挡，1路没被遮挡时，数码管显示2，蜂鸣器报警，如图8图9 显示电路当两路都被遮挡，数码管显示3，蜂鸣器报警，如图9图显示电路四、 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
12、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
13、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。
