視力保護(hù)器課程設(shè)計(jì).doc

目錄摘要- 1 -前言- 2 -一、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路方案論述- 3 -二.電路設(shè)計(jì)分析- 5 -（一）電路原理框圖：- 5 -（二）電路設(shè)計(jì)原理圖- 5 -（三）電路總體工作原理- 12 -三、制作調(diào)試- 12 -四、總結(jié)- 13 -致謝- 15 -參考文獻(xiàn)- 16 -視力保護(hù)器的設(shè)計(jì) 摘要 本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)測(cè)距報(bào)警、測(cè)光報(bào)警以及定時(shí)報(bào)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(shí)現(xiàn)上述功能。通過超聲波接收頭對(duì)接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制輸出，所采用的是純硬件電路，且分別對(duì)超聲波接收與發(fā)射、NE555及光敏電阻的特性及各個(gè)功能進(jìn)行分析，通過這些元件的組合來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的報(bào)警功能。該視力保護(hù)器實(shí)用、方便、功耗低、易于維護(hù)，并且具有保護(hù)使用者視力、預(yù)防近視的功能。 關(guān)鍵詞 視力保護(hù)器 多功能 超聲波 光敏電阻 NE555 報(bào)警功能前言目前，青少年視力低下，已成為國(guó)內(nèi)外共同關(guān)心的公共衛(wèi)生問題。資料顯示，我國(guó)小學(xué)生視力低下率為26.96%，初中生53.43%，高中生72.8%，大學(xué)生77.95%。特別是調(diào)查顯示50%以上的學(xué)生及家長(zhǎng)缺乏視力保健最基本的科普知識(shí)，不懂得“近視與盲只差一步”的危害性，因而有41.6%視力低下的學(xué)生并未采取任何矯正措施，并且缺乏專業(yè)機(jī)構(gòu)的治療。因此設(shè)計(jì)一個(gè)視力保護(hù)器用來保護(hù)視力是由為重要的。此設(shè)計(jì)基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)多功能視力保護(hù)器的硬件開發(fā)與設(shè)計(jì)，并完成相應(yīng)的硬件制作。其研究?jī)?nèi)容分為兩部分：對(duì)視力保護(hù)器的硬件設(shè)計(jì)和硬件制作。在設(shè)計(jì)中存在著如何有效的提高視力保護(hù)以及對(duì)硬件電路準(zhǔn)確調(diào)試的難點(diǎn)。在硬件設(shè)計(jì)中，基于超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)的多功能實(shí)現(xiàn)控制聲光提示電路工作的理論研究有一定的研究意義。一、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路方案論述方案一：由超聲波發(fā)射振蕩器、報(bào)警聲振蕩器和定時(shí)用振蕩器、一個(gè)超聲波接收放大器、一個(gè)光控電路和各功能的控制與指示電路組成。如圖1為電路原理圖圖1 方案一電路原理圖方案二：電路原理分析電路原理如圖2，VT4、VT5組成差分放大電路，用于檢測(cè)周圍環(huán)境光照強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)W1，將光線設(shè)定在一定值上，光線強(qiáng)時(shí)RG1阻值較小，VT5基極得到較高電位，此時(shí)VT5的集電極低于VT4集電極電壓，VT3發(fā)射結(jié)反偏，VT3截止，蜂鳴器失電，不會(huì)發(fā)聲。當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度較弱時(shí)，RG1阻值增加，當(dāng)光照值低于設(shè)定值時(shí)，VT5的集電極高于VT4集電極電壓，VT3正偏，光線變化信號(hào)被得到差分放大，VT1飽和導(dǎo)通，蜂鳴器得電，發(fā)出報(bào)警聲，提醒學(xué)生，此時(shí)光線太弱，不宜長(zhǎng)時(shí)間書寫、看書，達(dá)到保護(hù)視力之目的。圖2 方案二電路原理圖方案三：本電路由CD4001.4二2輸人端或非門集成電路、CD4011.4一2輸人端與非門集成電路和CD4060.4異或門集成電路組成。通過3只門電路中的各個(gè)門的組合，組成一個(gè)具有光強(qiáng)保護(hù)、光弱保護(hù)和超時(shí)閱讀保護(hù)為一體的多功能視力保護(hù)器電路。如圖為電路原理圖。圖3 方案三電路原理圖通過上述比較可以看出第一方案更為合理。它采用三塊電路各自獨(dú)立卻又相互結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了電路板和芯片的合理使用，實(shí)現(xiàn)了距離檢測(cè)、計(jì)時(shí)功能和采光功能。且實(shí)測(cè)靜態(tài)電流不大于8mA。設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、造價(jià)低廉，能起到了預(yù)防近視、保護(hù)眼睛等作用。第二方案設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)單達(dá)不到要求。第三方案設(shè)計(jì)復(fù)雜且制作成本過高。因此我選用第一方案。二.電路設(shè)計(jì)分析（一）電路原理框圖視力保護(hù)器由測(cè)光電路、顯示電路、報(bào)警電路、定時(shí)電路4個(gè)部分組成, 如圖4所示。 圖4 電路原理框圖（二）電路設(shè)計(jì)原理圖圖5 電路設(shè)計(jì)原理圖本電路主要包含：該電路包括3個(gè)振蕩器：（即超聲波發(fā)射振蕩器、報(bào)警聲振蕩器和定時(shí)用振蕩器）、一個(gè)超聲波接收放大器、一個(gè)光控電路和各功能的控制與指示燈電路。1、測(cè)光電路本電路主要有光敏電阻器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(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)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(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)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，接出引線，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(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)了半導(dǎo)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(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)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(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。 圖6 光敏電阻原理圖(2) 測(cè)光電路原理分析本電路的工作原理是：當(dāng)周圍光線變?nèi)鯐r(shí)引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進(jìn)而使可控硅的導(dǎo)通角增大，達(dá)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(dǎo)致可控硅的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端電壓也同時(shí)下降，使燈光變暗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光照度的控制。如圖 7所示圖7 測(cè)光電路2. 定時(shí)電路本電路主要有：定時(shí)控制電路由定時(shí)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(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)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(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)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(hào)。 NE555的特點(diǎn)有： 只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，且其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 NE555引腳位配置說明下： 如圖8所示圖8 NE555接腳圖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(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)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(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)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) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 圖9 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖10 單穩(wěn)態(tài)波形圖用555定時(shí)器組器，圖10為其波形圖。圖中，t0t1為穩(wěn)態(tài)，t1t3為暫穩(wěn)態(tài)，t3時(shí)刻恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。由上述可知，555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)電路由輸入脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)，使其輸出狀態(tài)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，另外，在暫穩(wěn)態(tài)過程結(jié)束前，u1必須恢復(fù)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(fù)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，使輸入脈寬變窄。（2） 定時(shí)電路原理如圖11所示圖11 定時(shí)電路原理分析在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，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?fàn)顟B(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)聲。當(dāng)定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)，NE555的3腳變?yōu)楦唠娖?，與非門D9輸出3kHz的矩形脈沖信號(hào)，使VL3閃亮，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(Dl-D6)內(nèi)部的D4-D6、或非門集成電路IC3(DlO-D13)內(nèi)部的或非門Dl0、Dl1和電阻器RlO-Rl2和電容器C7、C8組成。另一部分接收電路由超聲波接收器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。 超聲波接收和發(fā)射電路元件發(fā)生器的原理是首先由信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是正弦信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，這個(gè)特定頻率就是換能器的頻率，一般應(yīng)用在超聲波設(shè)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(huì)逐步擴(kuò)大。 比較完善的超聲波發(fā)生器還應(yīng)有反饋環(huán)節(jié)，主要提供二個(gè)方面的反饋信號(hào)：第一個(gè)是提供輸出功率信號(hào)，我們知道當(dāng)發(fā)生器的供電電源（電壓）發(fā)生變化時(shí)。發(fā)生器的輸出功率也會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)反映在換能器上就是機(jī)械振動(dòng)忽大忽小，導(dǎo)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(hào)相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定。 第二個(gè)是提供頻率跟蹤信號(hào)。當(dāng)換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)其效率最高，工作最穩(wěn)定，而換能器的諧振頻率點(diǎn)會(huì)由于裝配原因和工作老化后改變，當(dāng)然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號(hào)可以控制信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)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(diǎn)。 超聲波發(fā)生器實(shí)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(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)成為超聲波接收器了。 超聲波接收控制電路。如圖12圖12 超聲波發(fā)射接收電路圖工作原理:人與書桌的距離大于35厘米時(shí) ，超聲波接收器無法接收來自發(fā)射器的信號(hào)。因此電路布工作，當(dāng)人與書桌的距離小于5厘米時(shí)。超聲波接收器能準(zhǔn)確的接收到來自于發(fā)射器的信號(hào)并將信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)導(dǎo)通電路。使發(fā)光二極管燈亮，同時(shí)報(bào)警器響起提醒人的坐姿不正確或離書桌太近 需要調(diào)整姿勢(shì)保持距離。（三）電路總體工作原理接通電源開關(guān)S，整機(jī)各電路通電工作。NE555的3腳輸出的3kHz方波振蕩信號(hào)一路加至與非門D7-D9的一個(gè)輸入端上，另一路經(jīng)C8加至非門D6的輸入端上，該方波振蕩信號(hào)經(jīng)D6整形后對(duì)4OkHz振蕩器 (由或非門Dl0、Dl1和C7、R10、R11組成)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的振蕩信號(hào)經(jīng)非門D4、D5驅(qū)動(dòng)B2發(fā)射出超聲波。 在使用者的臉部與書寫面之間的距離大于35cm時(shí)，B1接收不到B2發(fā)射的超聲波信號(hào)，VD2和V處于截止?fàn)顟B(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(dāng)使用者的臉部與書寫面之間的距離小于35cm時(shí)，B2發(fā)射的超聲波信號(hào)被人臉部反射回來，B1接收到反射回來的超聲波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)非門Dl-D3放大整形及C3、VD1、VD2、C4倍壓檢波后，產(chǎn)生負(fù)的直流電壓便V導(dǎo)通，與非門D7輸出3kHz的矩形脈沖信號(hào)，VL2閃爍發(fā)光;同時(shí)VD3間歇導(dǎo)通，由或非門Dl2、D13和Rl5、R16、C11組成的音頻振蕩器在3kHz脈沖信號(hào)控制下振蕩工作，驅(qū)動(dòng)HA發(fā)出間歇的蜂鳴聲，提醒使用者注意讀寫距離。 在環(huán)境光線適合讀寫時(shí)，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?fàn)顟B(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)聲。當(dāng)環(huán)境光線較弱，達(dá)不到讀寫要求時(shí)，RG的阻值變大，使與非門D8輸出3kHz的矩形脈沖信號(hào)，VL2閃爍發(fā)光，VD4間歇導(dǎo)通，使音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲，提醒使用者環(huán)境光線偏弱，應(yīng)打開臺(tái)燈。 在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，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?fàn)顟B(tài)，音頻振蕩器不工作，HA不發(fā)聲。當(dāng)定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)，lC4的3腳變?yōu)楦唠娖?，與非門D9輸出3kHz的矩形脈沖信號(hào)，使VL4閃亮，音頻振蕩器振蕩工作，HA發(fā)出警示聲。三、制作調(diào)試元件正確焊接后，即可通電調(diào)試。首先用一根導(dǎo)線把IC3-3的輸入端與VDD接通，使定時(shí)器暫時(shí)不工作。然后把保護(hù)器放在光線較弱處，調(diào)節(jié)RP，使VD2發(fā)光且報(bào)警器響。再把報(bào)警器放在光線較強(qiáng)處，調(diào)節(jié)RP1，使VD3發(fā)光且報(bào)警器響。最后將保護(hù)器移至光線正常處，此時(shí)VD1應(yīng)亮且報(bào)警器不響。假如其他發(fā)光二極管也亮，則微調(diào)RP1或RP2，使只有VD1亮，這樣反復(fù)調(diào)幾次就可以了。調(diào)試好后把導(dǎo)線拆除，使定時(shí)器工作。如覺得定時(shí)器的時(shí)間太長(zhǎng)或太短，可改變C1、R2的數(shù)值。時(shí)間t的計(jì)算公式為0.69R2C1。4片數(shù)字電路安裝時(shí)最好使用插座，這樣焊接及更換均方便。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(shí)需注意以下幾點(diǎn)：(1)B1、B2外形相同，其中發(fā)射為T，接收為R，不能搞錯(cuò)。(2)B2有一引腳與外殼相通，安裝時(shí)應(yīng)將此腳接地，而另一腳與R1相連。(3)B1、B2相距應(yīng)在810cm左右。檢查元器件安裝無誤后，通電配合頻率計(jì)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試步驟如下：(1)微調(diào)電阻R8使IC3的腳輸出信號(hào)頻率為3Hz。(2)微調(diào)電阻R4使“非”門F2輸出信號(hào)的頻率為40kHz，再用手置于超聲波收發(fā)頭前，讓其反射超聲波信號(hào)，此時(shí)LED1應(yīng)閃亮，BC應(yīng)發(fā)出報(bào)警聲。然后慢慢使手遠(yuǎn)離收發(fā)頭，同時(shí)調(diào)節(jié)R2，使手到收發(fā)頭的距離大于35cm時(shí)LED1恰好熄滅。進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)試時(shí)，如發(fā)現(xiàn)電路一通電LED1