光线照度提醒与报警电路设计毕业论文.doc 29页

'西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)光线照度提醒与报警电路设计毕业论文目录1绪论11.1背景与研究意义11.2国内外研究现状21.3本文主要研究内容32电路元件介绍42.1光敏电阻42.1.1工作原理及结构42.1.2光谱特性42.1.3照度特性42.1.4响应时间62.1.5温度特性62.1.6光敏电阻的应用62.2晶体三极管72.2.1三极管的结构和类型72.2.2三极管的特性曲线72.2.3三极管的主要参数92.3发光二极管102.4NE555122.4.1555定时器的组成和功能122.4.2555定时器的应用132.574LS161142.6蜂鸣器163硬件电路的设计173.1电路的基本框图173.2光强感应电路173.3计时报警电路186 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)3.3.1时钟脉冲电路设计183.3.2计数器的设计193.4电路的原理总图204电路的制作与调试214.1电路的实物图214.2调试225总结23参考文献24致谢25毕业设计（论文）知识产权声明26毕业设计（论文）独创性声明271绪论1.1背景与研究意义21世纪是广大中小学生学习压力最大的时期。2006年09月13日，黑龙江省暨哈尔滨市青少年心理健康宣传月活动圆满结束，活动月期间，50余名心理咨询专家对2000余名大中小学生进行义务咨询时发现，近30%学生处理人际关系困难，近60%中小学生学习压力大。学生近视在我国已成为一个日益严重的社会问题。国家有关部门对许多职业均有明确的视力要求，而一旦近视，花再多的钱医治也不可能恢复原有的视力。专家认为造成学生近视的最主要原因是读写姿势不正确。国家教委规定：学生在读写时，应在一定亮度下，眼睛离读物一尺，身离书桌一拳。学习压力如此之大，学习时间如此之多，那么，有一个保护视力的装置便显得越来越重要。近视在发展中国家十分突出，亚洲国家近视发生率在70%-90%左右；美国和欧洲近视发生率在30%-40%，全世界几乎所有的人群都存在近视。亚洲人比欧洲人更为常见，女人比男人常见（女性是男性的两倍）。目前，据中国、美国、澳大利亚合作开展的防治儿童近视研究项目前期调查显示，我国人口近视发生率为33%，全国近视眼人数已近46 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)亿，已经达到世界平均水平22%的1.5倍。而近视高发群体——青少年近视发病率则高达50%至60%，其中小学生近视眼发生22.78%，初中生为55.22%，高中生为70.34%，大学生高达80%以上。我国是世界上近视发病率最高的国家之一，近视眼人数世界第一。据统计由于近视导致的眼盲，已仅次于白内障，青光眼而居第三位。近视已被列为三大疾病之一。而引起近视的主要因素：1.用眼距离过近。据有关资料报道，青少年近视眼以长期用眼距离过近引起者为多见。青少年眼睛的调节力很强，当书本与眼睛的距离达7-10厘米时仍能看清物体，但如果经常以此距离看书，写字就会使眼睛的调节异常紧张，从而可形成屈折性（调节性）近视，所谓的假性近视。如果长期调节过度，使睫状肌不能灵活伸缩，由于调节过度而引起辐辏作用加强，使眼外肌对眼球施加压力，眼内压增高，眼内组织充血，加上青少年眼球组织娇嫩，眼球壁受压渐渐延伸，眼球前后轴变长，超过了正常值就形成了轴性近视眼，所谓真性近视。而正常阅读距离应是30-35厘米。2.用眼时间过长。有的青少年看书写字做作业，看电视等连续3-4小时不休息，甚至到深夜才睡觉休息，这样不仅影响身体健康，而且使眼睛负担过重，眼内外肌肉长时间处于紧张状态而得不到休息，久而久之，当看远处时，眼睛的肌肉不能放松而呈痉挛状态，这样看远处就感到模糊而形成近视。一般主张连续看书写字或看电视40-50分钟就应休息片刻或向远处眺望。由上述可知，中国学生视力低下的状况令人担忧，而写字看书姿势不正确和看书写作业的时间太长是导致近视的主要原因。所以设计一款人性化的视力保护器意义重大。1.2国内外研究现状现在国内外已经有许多电子公司都有自己公司生产的视力保护器。国内这方面的研究现状为：在国内新疆乌鲁木齐市旭之龙科技有限公司生产的“学生1.5视力保护器”又名称坐视宝，它能有效的对使用者的坐姿不当进行语音提示。还有深圳市华恒电子有限公司生产的型号为MS-3023的坐姿矫正器。可以纠正看书，写字的不良坐姿。总体看来，国内生产的视力保护器功能特点比较单一，与人们的个性化需求尚有很大的差距。故不能很好的满足广大使用者的需求。国外也致力于对保护视力的研究，通过市场调研，根据原理将视力保护器可具体分为机械平衡式视力保护器，支架式视力保护器，电子平衡式视力保护器和测距式视力保护器。例如：1.5视力保护器，电子平衡式防瞌睡报警器，背背佳，利姿坐姿矫正器，支架式坐姿矫正器，iPosture，Visomate威士美USB视力保护器，文具盒式坐姿矫正器，其中1.56 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)坐姿矫正器，背背佳，支架式坐姿矫正器，电子平衡式防瞌睡报警器最为普遍。还有一些是技术人员自制的坐姿矫正器如坐正宝，微电脑式坐姿矫正器，红外测距式坐姿矫正器等。然而这些现有产品都存在的自身的局限性。如背背佳，支架式坐姿矫正器等产品不但没有保护视力的作用，还可能产生反作用，1.5视力保护器，iPosture，Visomate威士美USB视力保护器，文具盒式坐姿矫正器等产品对使用的环境和人群存在着局限性。但是他们更侧重于对近视原因的研究。美国德克萨斯大学西南医学中心何于光博士表示，吃鱼和新鲜蔬菜能够保护视力，降低发生近视的概率。他们认为通过合理的饮食营养搭配，以及正确的学习习惯，对视力的保护能起到事半功倍的作用。研究证明，市场上真正的多功能视力保护器几乎没有。现有的产品只是侧重视力保护的一方面，功能比较单一，不能从多个角度保护使用者的视力。现在市场上设计的有以超声波技术为主要理论依据的视力保护器。它就具体就视力保护器的理论与硬件的设计进行了研究。基于实验室现有的硬件平台，研究目标是完成多功能视力保护器的硬件开发与设计，并完成相应的硬件制作。其研究内容分为两部分：对视力保护器的硬件设计和硬件制作。在设计中存在着如何有效的提高视力保护以及对硬件电路准确调试的难点。在硬件设计中，基于超声波技术设计的多功能视力保护器电路，通过超声波接收头对接收的超声波信号进行调制输出，实现控制声光提示电路工作的理论研究有一定的研究意义。通过实践证明该视力保护器可行且可靠性良好，使用方便但也存在一些问题，比如说没有光线控制报警的功能光线也是伤害学生的视力的一个重要因素。该设计通过该电子硬件的制作和理论的研究，能为后期进一步设计多功能视力保护器并采取合理措施提高视力保护的有效性提供可靠和有效的数据源和信息依据。由于现在国内外大量的市场需求，视力保护器的起步才刚刚开始，存在很大的发展空间，各个国家的很多公司均在此方面展开了研究，相信未来视力保护器一定会得到巨大的发展，为广大的中小学生的视力保护做出根本的保障！1.3本文主要研究内容a查阅国内外关于光敏器件光控电路的相关文献对光控电路的发展进行了解。b掌握各光敏器件的工作原理；通过分析运用光敏器件基本电路掌握光敏光控电路的分析方法。c对各单元电路进行设计，并选择合适的元器件。在选择元器件时，要注意所选芯片的性价比，对于电阻、电容等常用元件要先进行参数计算后再选择。其次是设计整个电路，并在计算机上对各单元电路进行相应功能的调试仿真！d通过分析利用光敏器件出一个光敏照度和时间报警电路，该电路有以下两个功能:(1)当光线照度低于国家教委规定的100LX或高于800XL时发出声光报警,提醒使用者调节台灯亮度。(2)当学习阅读时间超过一段时间后报警,6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)提醒使用者暂时休息一下。2电路元件介绍该电路主要是运用光敏电阻，晶体三极管，发光二极管，可变电阻，NE555,74LS161，三输入与非门，反相器，蜂鸣器等。2.1光敏电阻2.1.1工作原理及结构光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。图2.1光敏电阻的电路符号及蛇形结构2.1.2光谱特性光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才能呈现光电导效应。光敏电阻与入射光光谱之间的特性，称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。光敏电阻按材料分类有两种类型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵活改变了光敏电阻的光谱特性，目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器a紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）等，用于探测紫外线。b红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。c可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。图2.2光敏电阻的光谱特性曲线2.1.3照度特性在光敏电阻上加上一定电压时，光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称为光敏电阻的照度特性。Cds光敏电阻在恒定电压作用下的光照特性曲线如图2.3所示，当照度很低时，曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏，当照度很高时，曲线近似为抛物线形。图中，曲线的斜率表示的是光敏电阻的转换效率（入射光辐射与光生电流）。在光电测量场合下，对照度曲线线性度要求较高；但在光电开关应用中，对线性度要求不高。图2.3光敏电阻的光电特性6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）2.1.4响应时间光敏电阻在光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段时间，这就是光敏电阻的响应时间，它反映了光敏电阻的惰性。光敏电阻的响应时间约为10-2~10-3s，与其他光电器件相比，其响应时间是最慢的。CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。2.1.5温度特性温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图2.4为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。图2.4硫化铅光敏电阻的温度特性2.1.6光敏电阻的应用光敏电阻可将光转换为电信号，是一种典型的光电器件，但光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点：a光谱响应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。b工作电流大，可达数毫安。c所测光强范围宽。既可测强光，也可测弱光。d灵敏度高。光导电增益大于1。e偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长，频率响应很低。6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）光敏电阻在农业生产和发展生活方面，主要用在自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、应急自动照明、自动给水与停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置等方面，还广泛应用于自动灯塔、劳动保护、照度测量、电子娱乐及家用电器等方面。2.2晶体三极管2.2.1三极管的结构和类型半导体三极管又称晶体管，双极型管。按材料分储管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。常用的共有四种三极管类型，他们的对应型号分别为3A（锗PNP）3B（锗NPN）3C（硅PNP）3D（硅PNP）四种系类。2.2.2三极管的特性曲线a输入曲线当UCE不变时，输入回路中的电流IB与电压UBE之间的关系曲线称为输入曲线，即IB=f（UBE）|UCE=常数(2-1)输入曲线如图2.5所示。UCE=0时,从三极管的输入回路看，相当于两个PN结并联。当b，e间加正电压时，三极管的输入特性就是两个正向二极管的伏安特性。当UCE≥1V,吧b，e间加正向电压，此时电压的电位比基极高，集电结为反向偏置，阻挡层变宽，基区变窄，基区电子复合减少，故基极电流下降。与UCE=0V时相比，在相同的条件下，IB要小得多，结果输入特性曲线将右移。UCE继续增大时，输入特性应该继续右移。但是，当UCE大于某一数值以后，在一定的UCE之下，集电结的反向偏置电压已足以将注入基区的电子基本上都收集到集电极，此时UCE在增大，IB变化不大。因此，UCE＞1以后，不同UCE值的各条输入特性几乎重叠在一起。所以，常用UCE＞1V的一条输入特性曲线来代表UCE更高的情况。在实际放大电路中，三极管的UCE一般都大于零，因而UCE＞1V的特征更具有实际意义。6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图2.5三极管的输入特性b输出特性当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性，即IC=f（UCC）|IB=常数(2-2)固定一个IB值，得一条输出特性曲线，改变IB值后可得一族输出特性曲线，如图2.6在输出特性上可分为3个区域；截止区，放大区和饱和区。截止区:一般将IB≤0的区域称为截止区，在图2-23上为IB=0的一条曲线下部分。此时IC也近似为零。由于各极的电流都基本上等于零，因而此时三极管没有放大作用。其实IB=0时，IC并不等于零，而是等于穿透电流ICEQ。一般硅三极管的穿透电流小于1uA,在特性曲线无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。当发射结反向偏置时，发射区不在向基区注入电子，则三极管处于截止状态。所以，在截止区，三极管的两个结均处于反向偏置状态。对NPN三极管，UBE＜0，UBC＜0.放大区:此时发射结正向运用，集电结反向运用。在曲线上是比较平坦的部分，表示当IB一定时，IC的值基本上不随UCE而变化。在这个区域内，当基极电流发生微小变化量△IB时，相应的集电极电流将产生较大的变化量△IC，此时二极管的关系为△IC=ß△IB(2-3)该式体现了三级管的电流放大作用。对于NPN三极管，工作在放大区时UBE≥0.7V，而UBC＜0.饱和区:曲线靠近纵走附近，各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在这个区域，不同IB的各条特征曲线几乎重叠在一起，即当UCE较小时，管子的集电极电流IC基本上不随基极电流IB而变化，这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用。6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）一般认为UCE=UCB,即UCE=0时，三极管处于临界饱和状态，当UCE＜UBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用UCES表示。在深度饱和时小功率管压降通常小于0.3V。三级管工作在饱和区时，发射结和集电结都处于正向偏置状态。对于NPN三极管，UBE＞0，UBC＞0。图2.6三极管输出特性曲线2.2.3三极管的主要参数a直流数集电极一基极反向饱和电流ICBO，发射极开路（IE=0)时，基极和集电极之间加上规定的反向电压VCB时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管，ICBO很小，小功率锗管的ICBO约为1～10微安，大功率锗管的ICBO可达数毫安，而硅管的ICBO则非常小，是毫微安级。集电极一发射极反向电流ICEO(穿透电流）基极开路（IB=0）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压VCE时的集电极电流。ICEO大约是ICBO的β倍即ICEO=(1+β)·ICBO。ICBO和ICEO受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的ICEO比硅管大。发射极---基极反向电流IEBO集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。直流电流放大系数β1这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：β1=IC/IB。6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）b交流参数交流电流放大系数β这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量△IC与基极输入电流的变化量△IB之比，即：β=△IC/△IB一般晶体管的β大约在10-200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。共基极交流放大系数α这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是△IC与发射极电流的变化量△IE之比，即：α=△IC/△IE因为△IC＜△IE，故α＜1。高频三极管的α＞0.90就可以使用α与β之间的关系：α=β/（1+β）β=α/（1-α）≈1/（1-α）c极限参数集电极最大允许电流ICM当集电极电流IC增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2，这时的IC值称为ICM。所以当IC超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大质量。集电极----基极击穿电压BVCBO当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为BVEBO。发射极-----基极反向击穿电压BVEBO当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEBO。集电极-----发射极击穿电压BVCEO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果VCE＞VCEO，管子就会被击穿。集电极最大允许耗散功率PCM集电流过IC，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即Pc=UCE×IC.使用时庆使Pc＜PCM。PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。2.3发光二极管a简介它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）b物理特性发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。c发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。　发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。图2.7发光二极管的构造6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）2.4NE5552.4.1555定时器的组成和功能如图2.4是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。图2.8555定时器的组成它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）的情况下，555时基电路的功能表如表2.41示。表2.41555定时器的功能表2.4.2555定时器的应用（1）构成多谐振荡器用555定时器构成多谐振荡器的电路和工作波形如图2-42（2）所示a多谐振荡器电路b工作波图2.9多谐振荡器电路和工作波形接通电源后，假定高电平，T截止，电容C充电。充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得输出高电平时间6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）输出低电平时间振荡周期输出方波的占空比（2）构成单稳态触发电路用555定时器构成的单稳态触发电路和工作波形如图2-41（3）示a单稳态触发器原理图b工作波图2.10单稳态触发电路和工作波接通电源后，未加负脉冲，，而C充电，上升，当时，电路输出为低电平，放电管T导通，C快速放电，使=0。这样，在加负脉冲前，为低电平，=0，这是电路的稳态。在t=t0时刻负跳变（端电平小于），而=0（TH端电平小于），所以输出翻为高电平，T截止，C充电。按指数规律上升。t=t1时，负脉冲消失。t=t2时上升到（此时TH端电平大于，端电平大于），又自动翻为低电平。在这段时间电路处于暂稳态。t>t2，T导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。由分析可得：输出正脉冲宽度tW=1.1RC2.574LS16174LS161就是一个集成十六进制同步加法计数器,考虑到使用的灵活与方便，74LS161比前面介绍的在功能上有所增强,同时也附加了一些控制电路。74LS161的逻辑电路框图如图2.5所示，功能表见表2.56 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图2.1174LS161逻辑电路框图在图中CP是计数脉冲，也就是加到各个触发器的时钟信号端的时钟脉冲，是清零端；是置数控制端；CTP和CTT是两个计数工作状态控制端；D0—D3并行输入数据；CO是进位信号端；Q0-Q4是计数状态输出端。根据功能表，74LS161的功能说明如下:(1)异步清0功能。当CR=0时，不论其它输入如何,输出Q3Q2Q1Q0为0000，表中"×"表示任意。(2)同步并行置数功能。LD称预置数控制输入，在CR=1的条件下，当LD=0时，在CP脉冲上升边的作用下，预置好的数据d3d2d1d0被并行地送到输出端，即此时的Q3Q2Q1Q0为d3d2d1d0。(3)保持功能。在CR=1,LD=1的前提下，只要TT·TP=0，则计数器不工作，输出保持原来的状态不变。(4)计数功能。正常计数时，必须使CR=1，LD=1，TT·TP=1，此时在CP的上升边的作用下，计数器对CP的个数进行加法计数。当计数到输出Q3Q2Q1Q0为1111时，CO=1，CO=1的时间是从Q3Q2Q1Q0为1111时起到Q3Q2Q1Q0状态变化时止。2.6蜂鸣器结构原理a压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）b电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。6 3硬件电路的设计3硬件电路的设计3.1电路的基本框图光敏器件指能将光信号（或光能）转变成电信号（或电能）的器件，他包括光电池，光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光电三极管，光敏组件和光敏可控硅件，光耦合器件等。主要用于可见光或红外线的控制报警器，测试仪，自动开关，继电器等多种装置或执行机构。在自动控制中起着极其重要的作用。以光敏器件与其他电路相连，可以在节约能源的情况下实现照明，保护，报警，测试等等多种电路。本电路主要运用光敏电阻，光敏二极管，光电三极管还有些数字芯片组成。电路分为电路总体分为四部分，分别为光强感应模块、时钟脉冲模块、计数模块、报警模块。时钟脉冲光强感应报警电路计数电路3.1基本框图3.2光强感应电路本电路主要是运用光敏电阻，晶体三极管，发光二极管，可变电阻，反相器，报警器等组成。具体电路如图3.2所示6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图3.2光强感应电路原理图此电路利用三极管的开关特性。当接通电源开关VL1亮，在大于100LX时RG阻值较小，VT1导通，VT2导通，VL2发光，VT3导通,VL3灯亮。在光线低于读写要求时，RG阻值变大使VT1截止，VT2导通，VL2点灯亮。同时，VT3截止，VL3熄灭，并且报警器报警。调节RP的电阻，可改变光控的灵敏度。在VL1上并联一个光敏电阻，在大于100LX时，光线越强电阻越小，负载电压也越小，灯泡变暗。3.3计时报警电路计时报警电路由两部分组成；1由NE555组成的秒脉冲电路。2由74LS161组成的计数器。3.3.1时钟脉冲电路设计本电路主要运用NE555芯片，可变电阻，电容组成。具体电路如图3-31所示。6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图3.3秒脉冲原理图输出高电平时间输出低电平时间振荡周期T=tPH+tPL=1s,tPH=0.7(R1+R2)C=0.5s,tPL=0.7R2C=0.5s则R2≈335k3.32计数器的设计本电路是由两片74LS161芯片级联，三输入与非门，反相器组成。我设置的时45s，相当于45进制。用同步置数发转化为二进制是101100。当CR=LD=1时，若CTT·CTP=0，则计数器将保持原来的状态不变。对于进位输出信号有两种情况，如果CTT=0，那么CO=0;若是CTT=1时，则CO=Q2Q3Q5。在通过反相器使低电平变为高电平，从而蜂鸣器报警。具体电路如图3-32所示。图3.4计数器原理图6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3.4电路的原理总图图3.5原理总图当接通电源开关VL1亮，在大于100LX时RG阻值较小，VT1导通，VT2导通，VL2发光，VT3导通,VL3灯亮。在光线低于读写要求时，RG阻值变大使VT1截止，VT2导通，VL2点灯亮。同时，VT3截止，VL3熄灭，并且报警器报警。调节RP的电阻，可改变光控的灵敏度。在VL1上并联一个光敏电阻，在大于100LX时，光线越强电阻越小，负载电压也越小，灯泡变暗。当CR=LD=1时，若CTT·CTP=0，则计数器将保持原来的状态不变。对于进位输出信号有两种情况，如果CTT=0，那么CO=0;若是CTT=1时，则CO=Q2Q3Q5。在通过反相器使低电平变为高电平，从而蜂鸣器报警。6 4电路的制作与调试4电路的制作与调试4.1电路的实物图光线在大于100lx时，电路LED灯的亮灭情况如下图所示光线在小于100lx时，电路LED灯的亮灭如下图所示6 4电路的制作与调试电路在到达所设的时间时，LED亮灭如下图所示4.2调试1首先，在装上芯片之前，先用万用表测试各个芯片供电以及接地引脚的电压是否正常。当全部正常时，才能装上芯片。在焊接电路板时使用恒温烙铁，并且调节降低电烙铁的温度，这样可以降低器件的焊接温度，避免因温度过高而损坏芯片。2通电后不要急于测量指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电.3接通电源VL1（白）亮，在大于100LX时RG阻值较小，VT1导通，VT2导通，VL2（中）发光，VT3导通,VL3（右）灯亮。在光线低于读写要求时，RG阻值变大使VT1截止，VT2导通，VL2点灯亮。同时，VT3截止，VL3熄灭，并且报警器报警。调节RP的电阻，可改变光控的灵敏度。在VL1上并联一个光敏电阻，在大于100LX时，光线越强电阻越小，负载电压也越小，灯泡变暗。计数器设定的时间是45s，当通过45个脉冲时，计数器保持不变，与非门输出低电平一边接入白灯致使白灯灭，一边通过反相器变为高电平接入蜂鸣器使蜂鸣器报警提醒学生休息片刻。6 5总结5总结本次设计中，因为摒弃了所有什么国外公司设计的“傻瓜”芯片，使用的元件都是我们在平时的数字电路系统设计中所常用到的元件，因此在设计初就已经为后来打好了基础，在调试的过程中没有遇到什么较大的问题。经过测试，基本满足设计目标，可以完成各项基本功能。这次与我们的专业有着密切的联系，且是理论方面的指示。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。通过这次还学会了用protel去设计电路原理图。而且通过焊接电路板也锻炼了我们的动手能力。不足之处，如光敏电阻的使用，也不能实现调节光度和压缩浪费大量空间，有待进一步改善。受实验条件所限，测量过程还有一些改进之处，包括：光源的问题，即光线在测量过程中，会有一定的发散，导致成像光斑较大，数据读取误差增加，测量精度降低。6 参考文献参考文献[1]华兴万邦.2008年及2009年国际消费电子产业发展趋势报告[R/OL].[2]李晓华.电子产业的国外直接投资及其影响[J].当代经济管理,2006(2).[3]何首贤，段有艳，邢迎春主编《数字电子及应用》北京大学出版社.[4]何首贤，段有艳，邢迎春主编《数字电子及应用》北京大学出版社.[5]王卫东．模拟电子电路基础[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2003.[6]家庭电子杂志社．家庭电子1998年合订本．1999．[7]康华光．电子技术基础模拟部分．北京：高等教育出版社，2005．[8]电子线路设计•实验•测试第二版．武汉：华中科大出版社，2002．[9]赵健．实用声光电及无线电遥控电路300例．北京：中国电力出版社，2005．[10]郑浩．高静．怎样用万用电表检测电子元器件修订本．北京：人民邮电出版社，2005．[11]王源主编《实用电路基础》机械工业出版社.[12]王振宇主编《实验电子技术》电子工业出版社.[13]钟谊主编《电子线路实战》科学出版社.[14]王兰君主编《新编电工使用电路500例》石油出版社.[15]吕思忠,施齐云编著《数字电路实验与课程设计》哈尔滨工程大学出版社.[16]余孟尝主编《数字电子技术基础简明教程》高等教育出版社.[17]秦曾煌主编《电工学》高等教育出版社.[18]江小安主编《模拟电子技术》西北大学出版社.6 致谢致谢本论文是在老师的指导下完成，在设计的过程当中严格按照“发现问题——分析问题——解决问题”的思想解决问题，经过长时间认真刻苦调试和老师、同学的帮助，一一得到解决。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。6 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明本人完全了解西安工业大学北方信息工程学院有关保护知识产权的规定，即：本科学生在校攻读学士学位期间毕业设计（论文）工作的知识产权属于西安工业大学北方信息工程学院。本人保证毕业离校后，使用毕业设计（论文）工作成果或用毕业设计（论文）工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学北方信息工程学院。学校有权保留送交的毕业设计（论文）的原文或复印件，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅；学校可以公布毕业设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文）。（保密的毕业设计（论文）在解密后应遵守此规定）毕业设计（论文）作者签名：指导教师签名：日期：6 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。毕业设计（论文）与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。毕业设计（论文）作者签名：指导教师签名：日期：6'