畢業(yè)設計視力保護器電路設計

1、視力保護器電路設計 摘 要 本設計主要實現(xiàn)測距報警、測光報警以及定時報警功能。利用超聲波發(fā)射接收器、NE555、光敏電阻等元件組合成電路，來實現(xiàn)上述功能。通過超聲波接收頭對接受的超聲波信號進行調(diào)制輸出，所采用的是純硬件電路，且分別對超聲波接受與發(fā)射、NE555及光敏電阻的特性及各個功能進行分析，通過這些元件的組合來實現(xiàn)設計所需要的報警功能。該視力保護器實用、方便、功耗低、易于維護，并且具有保護使用者視力、預防近視的功能。 關鍵詞：視力保護器 多功能 超聲波 光敏電阻 NE555 報警功能 目錄 第1章 系統(tǒng)設計電路方案論述1 1.1方案一1 1.2方案二1 1.3方案三1 第2章 電路設計分析

2、5 2.1電路原理框圖5 2.2電路設計原理圖5 2.3電路總體工作原理及過程5 第3章 工作調(diào)試14 3.1調(diào)試14 參考文獻：16 總結 17 致謝18 第一章系統(tǒng)設計電路方案論述 1.1方案一 由超聲波發(fā)射振蕩器、報警聲振蕩器和定時用振蕩器、一個超聲波接收放大器、一個光控電路和各功能的控制與指示電路組成。如圖1為電路原理圖 1.2 方案二本電路由兩個定時器和晶振電路組成的多功能視力保護器電路。如圖2 電路原理圖 1.3方案三本電路由CD4001.4二2輸入端或門集成電路、CD4011.4一2輸入端與門集成電路和CD4060.4異或門集成電路組成。通過3只門電路中的各個門的組合，組成一個具

3、有光強保護、光若保護和超時閱讀保護為一體的多功能視力保護器電路。如圖為電路原理圖。 第二章電路設計分析2.1 電路原理框圖視力保護器由測光電路、顯示電路、報警電路、定時電路4個部分組成，如圖4所示。 2.2 電路設計原理圖 本電路主要包含：該電路包括3個振蕩器：（即 超聲波發(fā)射振蕩器、報警聲振蕩器和定時用振蕩器）、一個超聲波接收放大器、一個光控電路和各功能的控制與指示燈電路。1、 測光電路本電路主要由光敏電阻器RG、電阻器R4、電容器C和IC2內(nèi)部的與非門D8組成。（1）光敏電阻RG選用亮阻小于2k、暗阻大于2M的光敏電阻器。其工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封

4、裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接觸引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子-空穴對了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，油光自己發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對

5、將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強而變大，從而實現(xiàn)光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。 （2）測光電路原理分析本電路的工作原理是：當周圍光線變?nèi)鯐r引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的風壓上升，進而使可控硅的導通角增大，達到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周圍的光線變亮，則RG的阻值下降，導致可控制硅的導通角變小，照明燈兩端電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實現(xiàn)對光照度的控制。如圖7所示 2.定時電路本電

6、路主要有：定時控制電路由定時器集成電路NE555、電阻器R13、R14、電容器C9、C10。電位器RP和IC2內(nèi)部的與非門D9組成NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同：而555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。NE555的特點有：只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，且其輸出端的供給電流大，可直接推動各種自動控制的負載。它的操作電源范圍極廣，可與TTL，CMOC等邏輯

7、閘配合，也就是它的輸出準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。NE555引腳位配置說明如下：如圖8所示 Pin 1 （接地）-地線（或共同接地），通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點) 這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3VCC，下緣須低于1/3VCC。Pin 3 (輸出) 當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到0伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200mA。Pin 4 （重置） -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用

8、。Pin 5 （控制） -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下，這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) Pin6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3VCC電壓以下移至2/3VCC以上時啟動這個動作。Pin 7 (放電) 這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH,對地為高阻抗。Pin 8 (V +) 這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。 用555定時器組成，圖10為其波形圖。圖中，t0t1為穩(wěn)

9、態(tài)，t1t3為暫穩(wěn)態(tài)，t3時刻恢復穩(wěn)態(tài)。由上述可知，555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路由輸入脈沖信號的下降沿觸發(fā)點，使其輸出狀態(tài)產(chǎn)生翻轉，另外，在暫穩(wěn)態(tài)過程結束前，u1必須恢復為1，否則電路內(nèi)的RS觸發(fā)器為不確定狀態(tài)，輸出不能維持0狀態(tài)。因此這種單穩(wěn)態(tài)電路只能用負窄脈沖觸發(fā)。如果輸入脈寬大于輸出脈寬，則輸入端可加RC微分電路，使輸入脈寬變變窄。（1） 定時電路原理 原理分析：在定時時間未到時，NE555的3腳輸出低電平，與非門D9輸出高電平，VL4不發(fā)光，VD5處于截止狀態(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)出聲。當定時時間結束時，NE555的3腳變?yōu)楦唠娖?，與非門D9輸出3kHz的矩形脈沖信號，使VL3閃

10、亮，音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲。3.超聲波控制電路本電路主要有兩部分組成：一部分超聲波發(fā)射電路由超聲波發(fā)射器B2、非門集成電路IC1 （D1-D6）內(nèi)部的D4-D6、或非門集成電路IC3（D10-D13）內(nèi)部的或非門D10、D11和電阻器R10-R12和電容器C7、C8組成。另一部分接受電路由超聲波接受器B1、電阻器R2、R3、R5、LC1內(nèi)部的非門D1-D3、與非門集成電路IC2（D7-D9）內(nèi)部的D7、電容器C3-C6、二極管VD1、VD2、晶體管V組成。超聲波接受和發(fā)射電路元件發(fā)生器的原理是首先由信號發(fā)生器來產(chǎn)生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個特

11、定頻率就是換能器的頻率，一般應用在超聲波設備中的超聲波頻率為20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；100KHz或以上現(xiàn)在尚未大量使用。但隨著以后精密清洗的不斷發(fā)展。相信使用面會逐步擴大。比較完善的超聲波發(fā)生器還應有反饋環(huán)節(jié)，主要提供二個方面的反饋信號：第一個是提供輸出功率信號，我們知道當發(fā)生器的供電電源（電壓）發(fā)生變化時。發(fā)生器的輸出功率也會發(fā)生變化，這時反應在換能器上就是機械振動忽大忽小，導致清洗效果不穩(wěn)定。因此需要穩(wěn)定輸出功率，通過功率反饋信號相應調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定。第二個是提供頻率跟蹤信號。當換能器工作在諧振頻率點時其效率最高，工作最穩(wěn)定，

12、而換能器的諧振頻率點會由于裝配原因和工作老化后改變，當然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤換能器的諧振頻率點。超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時成為超聲波接收器了。超聲波接收控制電路。如圖12 2.3. 電路總體工作原理及過程通過電源開關S

13、，整機各電路通電工作。NE555的3腳輸出的3kHz方波振蕩信號一路加至與非門D7-D9的一個輸入端上，另一路徑C8加至非門D6的輸入端上，該方波振蕩信號經(jīng)D6整形后對40kHz振蕩器（由或非門D10、D11和C7、R10、R11組成）進行調(diào)制，調(diào)制后的振蕩信號經(jīng)非門D4、D5驅(qū)動B2發(fā)射出超聲波。在使用者的臉部與書面之間的距離大于35cm時，B1接受不到B2發(fā)出的超聲波信號，和V處于截止狀態(tài)，與非門D7輸出高電平，VL2不發(fā)光，聲音警示電路不工作，HA不發(fā)聲。當使用者的臉部與書面之間的距離小于35cm時，B2發(fā)射的超聲波信號被人臉部反射回來，B1接受到發(fā)射回來的超聲波信號并將其裝換為相應的電

14、信號，該電信號經(jīng)非門D1-D3放大整形及C3、VD1、VD2、C4倍壓檢波后，產(chǎn)生負的直流電壓便V導通，與非門D7輸出3kHz的矩形脈沖信號，VL2閃爍發(fā)光；同時VD3間歇導通，由或非門D12、D13和R15、R16、C11組成的音頻振蕩器在3kHz脈沖信號控制下振蕩工作，驅(qū)動HA發(fā)出間歇的蜂鳴聲，提醒使用者注意讀寫距離。在環(huán)境光線適合讀書時，RG的阻值較小，與非門D8輸出高電平。VL3不發(fā)光。VD4處于截止狀態(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)聲。當環(huán)境光線較弱，達不到讀寫要求時，RG的阻值變大，使與非門D8輸出3hHz的矩形脈沖信號，VL2閃爍發(fā)光，VD4間歇導通，使音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出

15、警示聲，提醒使用者環(huán)境光線偏弱，應打開臺燈。在定時時間未到時，NE555的3腳輸出低電平，與非門D9輸出高電平，VL4不發(fā)光，VD5處于截止狀態(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)出聲。當定時時間結束時，1C4的3腳變?yōu)楦唠娖剑c非門D9輸出3kHz的矩形脈沖信號，使VL4閃亮，音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲。視力保護器工作過程 ：開始閱讀時，按一下按鈕SB，這時定時器開始工作。當時間超過30分鐘時，定時器通過IC3-3輸出一個高電平信號至報警控制器IC3-4，使 報警器發(fā)迅，提醒你該休息一下了。當光線過強時，分壓器1輸出高電平，通過異或門IC1-1進行比較后輸出低電平，一方面使VD3亮，另一方面

16、通過 IC2-1發(fā)出控制信號使報警器報迅;當光線過弱時，分壓器2輸出低電平，通過異或門IC-2進行比較后輸出低電平，使VD2發(fā)光，報警器報迅。在光線正 常時，分壓器1輸出低電平，分壓器2輸出高電平，此時IC1-1、IC1-2都輸出高電平，異或門IC1-2比較這兩個信號后，輸出低電平，使VD1亮。 由于此時沒有低電平信號輸入到報警控制器，所以報警器不報訊。元器件選擇：視力保護器選用3塊CMOS集成塊。IC1是異或門，型號是CD4070;IC2是與非門，型號是CD4011;IC3是或非門，型號是 CD4011。VD2、VD3選紅、綠兩種顏色的發(fā)光二極管。發(fā)聲器件選用壓電陶瓷，直徑約為1525mm。

17、光敏電阻亮一暗值選用50050左 右。 第三章工作調(diào)試 3.1 調(diào)試 元件正確焊接后，即可通電調(diào)試。首先用一根導線把IC3-3的輸入端與VDD接通，使定時警暫時不工作。然后把保護器放在光線較弱處，調(diào)解RP，使VD2發(fā)光且報警器響。再把報警器放在光線較強處，調(diào)解RP1，使VD3發(fā)光且報警器響。最后將保護器移至光線正常出，此時VD1應亮且報警器不響。假如其他二極管也亮，則微調(diào)RP1或RP2，使只有VD1亮，這樣反復調(diào)幾次就可以了。調(diào)試好后把導線拆除，使定時器工作。如覺得定時器的時間太長或太短，可改變C1、R2的數(shù)值。時間t的計算公式為0.69*R2。4片數(shù)字電路安裝時最好使用插座，這樣焊接及更換均

18、方便。3只發(fā)光管LED1LED3，超聲波發(fā)射、接收頭B1和B2以及光敏電阻RG均直接焊接在電路板上。安裝B1、B2時需注意一下幾點：（1）B1、B2外形相同，其中發(fā)射為T，接受為R，不能搞錯。（2）B2有一引腳與外殼想通，安裝時應該此腳接地，而另一腳與R1相連。（3）B1、B2相距應在810cm左右。檢查元器件安裝無誤后，通電配合頻率計進行調(diào)試。調(diào)試步驟如下：（1）微調(diào)電阻R8使IC3的9腳輸出信號頻率為3Hz。（2）微調(diào)電阻R4使“非”門F2輸出信號的頻率為40kHz，在用手置于超聲波收發(fā)頭前，讓其反射超聲波信號，此時LED1應閃亮，BC應發(fā)出警報聲。然后慢慢使手遠離收發(fā)頭，同時調(diào)節(jié)R2，使

19、手到收發(fā)頭的距離大于35cm時LED1恰好熄滅。進行進一步調(diào)試時，如發(fā)現(xiàn)電路一通電LED1就閃亮且BC發(fā)出警報聲，這是“非”門F4F6組成的高增益放大器有自激現(xiàn)象，可先在IC1的電源端對地接0.1F的退耦電容試試，若無效可在“非門”F6兩端并接一只幾十pF的反饋電容。（3）光線報警調(diào)整應在暗室或晚間進行。調(diào)試時，若無照度表，可點亮一只15W的燈泡，將其置于光敏電阻上方30cm處，此時光照度約為1001x，調(diào)節(jié)R5使LED2恰好熄滅為止。調(diào)試結束后，將整個調(diào)好的電路板置于一合適的小盒中，在小盒上方鉆一個直徑為8cm左右的小孔，將光敏電阻緊貼在圓孔下方，以便其能夠很好的感光。小盒的背面再開一些小孔

20、透聲，并用膠將壓電片固定 在該位置。整機需與寫字臺成40度角，以便使用者臉部反射超聲波信號，使用時將視力保護器置于閱讀的書本上方即可。一旦定時時間到，LED3閃亮，此時應關掉電源開關。 參考文獻： 1 CMOS多功能視力保護器 電子世界 M 袁小翔 2006.52 視力保護器 家庭電子 M 袁小翔 2006.54 電子技術基礎數(shù)字部分.J北京：高等教育出版社，2005.5 x電子工藝實習.成都：x，2003.1-236 x電子技術試驗.成都：x，2005.1-207 電子線路設計實驗測試第二版.武漢：華中科大出版社，2002.18 趙健.實用聲光電及無線電遙控電路300例.M.北京：中國電力出版社，2005.9 全新實用電路集粹編輯委員會編著. 全新實用電路集粹.M北京：機械工業(yè)出版社，2006.56-7410 11 總結本電路設計是基于超聲波發(fā)射與接收技術的多功能視力保護器。在設計中具有如何有效的提高視力保護的作用。通過實踐證明該視力保護器可行且可靠性良好，使用方便。本文期望通過該電子硬件的制作和理論的研究，能為后期進一步設計多功能視力保護器并采取合理措施提高視力保護的有效性提供