光电式报警器

前 言

本课设报警器的设计采用模块化结构，因此各模块的功能独

立，可扩充性强，比如光电转换模块可以增加多路感光，也可以改用红外感光电路，以增加有效的报警距离，数码显示可以扩展为地点显示，使数码报警更为直观，具有较高经济利用价值。

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。

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。光电报警就很好的改善了这点。

第一章 设计要求

1.1 设计要求：

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、 采用5V 供电。

【主要参考元件】：光敏3级管，555，74LS32，74LS48。

第二章 系统的组成及工作原理

该系统主要由四部分组成：感光部分、信号锁存、数码显示及声音报警

电路。工作流程图如下：

图2.1 系统组成

总的工作原理：“一路感光”和“二路感光”接收光信号，信号经信号锁

存电路被锁存，一路送往数码报警电路，以显示几路光来的信号，一路送往声音报警电路，不管哪路感光，都发出声音报警。报警器报警后直到锁存电路的信号被清零才停止报警。

2.1 感光器件──光敏三级管

光敏三级管是将光信号转换成光电流信号的半导体器件，并且还能把光

电流放大。

本课设所用光敏三极管为NPN 型三极管（3DU501），e 极接电源负极，c 极

接电源正极，即集电结反偏，发射接正偏。在没有光照时，流过管子的电流（暗电流）为：

I c =Iceo =(1+β)I cbo

式中I cbo 诶集电结反向饱和电流，I ceo 为穿透电流，数值很小比普通三极管的穿透电流还小。当有光照时，由于光能激发，产生大量的电子-孔穴对，使流过集电结的反向电流增大到I L ，则流过管子的电流（光电流）为：

I C =(1+β)I L

光电三极管的基本应用是将光电信号转换成电信号输出。利用光电三极管无光照时，它的暗电流很小（相当于光敏三极管截止）；有光照时，产生很大的光电流（相当于光敏三极管导通）, 可以制成光敏三极管开关电路，本课设就是利用光敏三极管的这一特点，判断电压大小，产生报警信号。

2.2 锁存器──四S-R 锁存器（74LS279）

具有低电平有效的置位和复位输入的锁存器可以用与非门构成，如图

1.2.2所示。因为与非门的性能比或非门要好，所以在TTL 和CMOS 逻辑系列，锁存器要比S-R 锁存器更常用。

图2.1 四S-R 锁存器

如表1.2.1的功能表所示，输入为低电平有效，所以当输入都为H 时，锁存器保持它的前一状态。S 为至1端,R 为至0端。当输入同时起作用时，锁存器的两个输出信号都是H 。

表2.1四S-R 锁存器功能表

2.2 四线─七段译码/驱动器

在数字系统中，常常需要将被测量或数值运算结果用使十进制数码显示出来，由于显示器件和显示方式不同，译码电路也不同。常用的是七段显示，所谓七段显示如图1.2.3所示。

图2.2 七段数码显示管

把输入的二—十进制代码转换成十进制数码各段驱动信号的电路为显示译码器。图1.2.4所示为七段显示译码器（74LS48）

图2.3 七段显示译码器（74LS48）

LT 为灯测试输入，BI/RBO为双重功能的端口，BI 为消隐输入，RBO 为灭零输出，都为低电平有效。A 、B 、C 、D 为编码输入, 其中D 为高位.a-g 七管脚接数码管对应的a-g 脚.

2.3 震荡电路

555定时器是一种多用途单片集成电路，利用它可以方便地构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐震荡器。本课设就是利用555构成多谐震荡器，实现间歇的声音报警电路。

第三章 电路设计

3.1 信号输入

信号输入部分主要由发光（发光二极管）及感光（光敏三极管）元器件组成。电路如图3.1.1。

图3.1.1 信号输入电路

接通电源，LED1和LED2发光，T1、T2接受LED 的光线，光敏三级管的c 、e 级间程低电阻，使得T1、T2的e 级为高电位，因此信号输入端a 、b 程高电平。若发光二极管和光敏三极管间有不透光的物质摭挡，使光敏三极管的c 、e 极程高阻，且阻值远大于电位器电阻（可根据光线强弱调节电位器，使得a 、b 端的电压小于0.3V ），使得T1、T2的e 极程低电位，a 、b 输出为低，去掉摭挡物后恢复为高电平。

3.2 信号锁存

由信号输入部分可知，输入信号随光线的有无（有无摭挡物）而变化的，本电路主要是判断当光线被摭挡时或有东西摭挡过时发出报警信号，同时显示哪一路光被摭挡，因此要求能锁存信号，即使摭挡物离开了也要求继续报警。锁存部分电路如图3.2.1。

图3.2.1 信号锁存电路

初始时输入a 、b 为高，输出c 、d 为低，当a 变为低时，c 端被置1，程高电平，若a 恢复为高，由锁存器的工作原理（见第二章锁存器部分）可知，c 端维持高电平，此后不管a 端电位如何变化，c 一直维持为高，直到按下“清零开关”，使c 端变为低。D 端同理。

3.3 数码报警显示电路

本电路的数码显示采用七段数码管显示，电路图如图3.3.1。

图3.3.1 数码显示电路

由于本电路只需显示0、1、2、3四个数码，所以只需用到译码器输入信号的低两位（B 、A ），高两位（D 、C ）接地。当d 、c 输入分别为：00、01、10、11时，数码管分别显示为：0、1、2、3。

3.4 声音报警电路

本电路要求扬声器发出间歇式报警，因此采用两片“555”芯片组成，电路如图3.4.1。

图3.4.1声音报警电路

U1\U2都构成多偕震荡电路, 根据公式:

T 1=0.7(R1+2R2)C 1 (电容充电时间)

T 2=0.7R2C 1 (电容放电时间)

F=1/( T1+ T2) (工作震荡频率)

其中SN74LS32用于判断锁存电路的d 、c 是否有高电平输出，当有高电平时，U1工作，此时U1的电容充电时间为T 1=0.7(82K+2*68K)10u=1.5s,即U1的3脚输出在电容充电时间1.5s 内为高，从而使U2的4管脚为高，U2开始工作。电容放电时间T 2=0.7*68K*10u=0.47s，即U1的3脚输出在电容放电时间0.47s 内为低，从而使U2的4管脚为低，U2停止工作。U2主要是产生频率F=846Hz的频率，驱动扬声器发声，U2的工作状态受U1的控制，从而使扬声器产生间歇试的响声，发声时间为1.5s ，停歇时间为0.47s 。

3.5 方案比较

在声音报警电路部分，若采用蜂鸣器代替扬声器，可去掉图3.4.1中U2部分，因为蜂鸣器是工作于直流电，由U1产生的较低频率的方波就能使蜂鸣器发出间歇声响。但由于蜂鸣器功率小，适用范围小，在噪音大或嘈杂的地方就不适用了。

第四章 实验、调试及测试结果与分析

4.1 主要仪表和仪器

数字万用表一台、直流稳压电源一台、电烙铁一支

4.2 电路焊接

按照电路原理图，在万能面包板放置好元件，先焊芯片管脚插槽，怕热的元器件最后焊。布线时尽可能走直线，发光二极管与光敏三极管间的距离要适当，要使光敏三极管在有二极管照射时，其e 极为高电平。焊好电路后，先别急于插芯片，先测试下电路该导通的是否导通，是否有短路电路。检查无误后，把芯片插入芯片插槽内。

4.3 电路调试

在检查电路无误后，接通电源，本电路采用5V 直流电源供电。本次实验时，发现数码显示只能显示0和3，扬声器不发声。经检测后，发现光敏管有一支损坏，换后数码显示正常。而扬声器不发声是由于555的5脚所接电容损坏，替换后扬声器正常发声。

最后，把多余的长管脚剪去，把扬声器固定在面包板中。

4.4 测试结果与分析

根据课题要求，对电路进行测试。先接通电源，按下清零开关，使电路保持在无报警状态下，此时数码管显示为0。接着，用不透光的物质挡住第一光路的光敏三极管（T1），测试结果：数码管显示为1，同时扬声器发出间歇声响，把摭挡物移去，数码管依然显示1，扬声器继续报警，说明锁存电路工作正常，且第一光路正常。再次按下清零开关，这回把第二光路挡住，测试结果：数码管显示2，同时扬声器发出间歇声响，说明第二光路工作正常。最后，在电路清零后，把一路和二路光都挡住，测试结果：数码管显示3，同时扬声器发出间歇声响，说明数码管显示正常。因此电路符合要求。

结 论

通过本次课题设计，知道了报警电路的种类及功用，报警电路并不是简单的发出声音就算报警了，在不同的地方，对报警电路有特定的要求，本电路就是增加了数码显示功能，即能显示具体是什么地方发出警报信息，有利于人们做出快速反应。本电路可以应用于博物馆及展览厅需防盗的物品上，即当有人盗取物品时，由于照射物品的光线被摭挡，从而发出报警，并且数码管能显示具体的被盗地点，甚至显示被盗物品。

通过本次课题设计，我得到不少收获和体会：第一：通过本课题的设计，深深体会到了理论知识的重要性，学习不光要学习课本，课本没有的要靠自己去学，遇到问题要勤于查阅工具书和一些相关文献，而不是麻烦老师解决。不再像平时做实验那样仅满足于结果，而会对结果进行分析，从理论上进行论证。

第二：增加了对实验的一些心得体会：1、对电路中的参数要好好核对，防止原稿错误或印刷过失。2、在未搞清电源的正负极情况下，不要胡乱猜测而盲目接上电源。3、不要盲目加大电路的工作电压。4、通电试机时，忌用管子乱搭接，以防短路。5、不具有喇叭保护电路的大功率放大器，其输出端（喇叭线）忌短路，否则将烧毁电路。

参考文献

[1] 佚 名. 十年电子书刊精华本. （1997年版）.

[2] 陈尔绍. 实用光电控制电路精选. 电子工业出版社.

[3] 常光宇. 自动化实用电路. 电子工业出版社. 1988年.

[4] 卢钦民. 实验方法 高等教育出版社. 1991年.

[5] 周良权. 模拟电子技术基础. 高等教育出版社. 2000年.

[6] 扬志忠. 数字电子技术基础. 高等教育出版社. 2000年.

[7] 王毓银. 数字电子逻辑设计. 高等教育出版社. 2000年.

[8] 孙人杰. TTL

、高速CMOS 手册. 电子工业出版社.

附 录

附录1：电路原理总图

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附录二：元件清单

芯片：74LS48 74LS32 74LS279 NE555（2片）

电阻：10K （2个） 4.7K 82K（2个） 510（9个） 68K 电容：10uF 0.01uF （3个）

电解电容：100uF

光电三级管：3DU501（2个）

LED ：发光二级管（2个） 7段数码管一只（共阴） 按钮试开关一个

扬声器一个（8欧0.5W ）

万能面包板一块

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