“多功能視力保護(hù)器”電路

1、電 子 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 書 班級(jí)：姓名： 指導(dǎo)老師： 設(shè)計(jì)課題：多功能視力保護(hù)器 第五小組目 錄1、 內(nèi)容簡(jiǎn)介 2頁(yè)2、 前言 3-4頁(yè)3、 多功能視力保護(hù)器電路原理圖分析 5-7頁(yè)4、 多功能視力保護(hù)器組成部分及部件分析 8-12頁(yè)5、 安裝調(diào)試 12-13頁(yè)6、 心得體會(huì) 14頁(yè)7、 參考文獻(xiàn) 15頁(yè)內(nèi) 容 簡(jiǎn) 介 “多功能視力保護(hù)器報(bào)告書”是根據(jù)“數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)任務(wù)書”設(shè)計(jì)編寫的，它具有閱讀或書寫的距離采用超聲波自檢方式的特點(diǎn)。在各部分電路原理分析中來了解數(shù)字集成電路的工作原理、熟悉各種不同類型的邏輯電路的邏輯關(guān)系，熟悉集成電路的不同類型芯片及有關(guān)電子元件的使用為目的，強(qiáng)調(diào)視力

2、保護(hù)器的多功能，突出視力保護(hù)器的“監(jiān)測(cè)”和“報(bào)警”，講述了它的電路原理：防近視測(cè)光器電路由光敏傳感器、電子報(bào)警集成電路等幾部分組成。 本報(bào)告主要內(nèi)容包括：光電轉(zhuǎn)換器、比較器、顯示器、定時(shí)器、報(bào)警器等五大部分。 本報(bào)告適于作為數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)使用，也可供多功能視力保護(hù)器的介紹說明書。前 言我國(guó)是學(xué)生近視發(fā)生率較高的國(guó)家之一，根據(jù)國(guó)家教育部和衛(wèi)生部的調(diào)查顯示，我國(guó)小學(xué)生近視率為57%、高中生近視率接近80%，大學(xué)生的近視率為74%，近視患者以每年6%的速度遞增。用眼習(xí)慣不良，讀寫姿勢(shì)不正確和光度不符合標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)生近視率高發(fā)的主要原因，眼睛過于靠近桌面，視覺長(zhǎng)期疲勞，引起眼軸長(zhǎng)度改變，造成近視。因此保

3、護(hù)學(xué)生視力，防治近視不僅是醫(yī)學(xué)科學(xué)工作者，教育工作者的重要工作內(nèi)容與研發(fā)課題，更是學(xué)生家長(zhǎng)切實(shí)關(guān)注的大事。 根據(jù)這一情況，我們應(yīng)用所學(xué)數(shù)字電子設(shè)計(jì)了多功能視力保護(hù)器。 “多功能視力保護(hù)器”是數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容；本報(bào)告充分體現(xiàn)了多功能視力保護(hù)器對(duì)視力保護(hù)的特點(diǎn)，保證正常學(xué)習(xí)、工作的情況下起到保護(hù)視力的作用，重點(diǎn)突出了該保護(hù)器的自動(dòng)“監(jiān)測(cè)”和“報(bào)警”功能，該保護(hù)器全部采用CMOS電路設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單、合理、功耗低、實(shí)測(cè)靜態(tài)電流不大于8Ma,由四節(jié)5號(hào)電池供電，一般可用一學(xué)期，我們把它分為五大部分，分別按電路原理、元件選擇、安裝調(diào)試等幾方面一一分析介紹，主要強(qiáng)調(diào)了這種視力保護(hù)器具有的功能和特點(diǎn)

4、：閱讀書寫的距離采用超聲波反射自檢方式，當(dāng)使用者的臉部距離寫字臺(tái)小于35cm時(shí)，“距離”燈閃亮，同時(shí)有急促的“嘀、嘀、嘀”斷續(xù)報(bào)警聲發(fā)出，提醒使用者及時(shí)調(diào)整座姿，還有學(xué)習(xí)環(huán)境光線自動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)光線照度低度低于國(guó)家教委規(guī)定的100LX時(shí)，“光線”燈閃亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，提醒使用者打開臺(tái)燈或暫停工作，當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間達(dá)到45分鐘時(shí)，“定時(shí)”燈閃亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，提醒使用者休息片刻，有了該保護(hù)器保護(hù)視力，我們的眼睛在工作或?qū)W習(xí)當(dāng)中能得到合理的調(diào)解和休息，減少了視疲勞，從而視力得到了保護(hù)，相應(yīng)的工作和學(xué)習(xí)還有我們的健康也得到了保障。本設(shè)計(jì)由第五小組主編，石革紅老師輔導(dǎo)和審閱的，并提出了許多寶貴的意見和建議，

5、使我們的學(xué)習(xí)有了更大的進(jìn)步，在此謹(jǐn)致衷心的感謝！由于編者的能力和水平有限，報(bào)告書中如有疏漏、欠妥和錯(cuò)誤之處，懇情老師指正。 第五小組全體學(xué)員 2005年01月05日于蘭州電力技術(shù)學(xué)院 多 功 能 視 力 保 護(hù) 器一、 這種視力保護(hù)器具有以下功能和特點(diǎn)：（1）閱讀或書寫的距離采用超聲波反射自檢方式，當(dāng)使用者臉部距離寫字臺(tái)小于35cm時(shí)“距離”燈閃亮，同時(shí)有急促的“嘀、嘀、嘀”斷續(xù)報(bào)警聲發(fā)出，提醒使用者及時(shí)調(diào)整座姿。（2）學(xué)習(xí)環(huán)境光線自動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)光線照度低于國(guó)家教委規(guī)定的100lx時(shí)，“光線燈”閃亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，提醒使用者打開臺(tái)燈或暫停工作。（3）學(xué)習(xí)時(shí)間自發(fā)動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間達(dá)到45分鐘時(shí)

6、，“定時(shí)燈”閃亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，提醒使用者休息片刻。該視力保護(hù)器全部采用CMOS電路設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單、合理，功耗低，實(shí)測(cè)靜態(tài)電流不大于8mA，由四節(jié)5號(hào)電池供電，一般可用一學(xué)期。二、電路原理圖見3號(hào)圖紙所示。三、電路工作原理：該電路包括三個(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，由或非門H1、H2和R3、R4及C1組成超聲波發(fā)射振蕩器，振蕩頻率為40HZ。由超聲振蕩器輸出的脈沖，經(jīng)F2、F3反相和整型后，由超聲波發(fā)射頭向外發(fā)射。超聲波接收頭將反射的超聲信號(hào)接收并轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)后，輸入電壓放大器進(jìn)行放大。電壓放大器由

7、反相器F4F6和反饋電阻F2組成，偏置電阻R2將F4的輸入端偏置于電源電壓的一半，使門電路的工作點(diǎn)處于良好的線性放大區(qū)。經(jīng)電壓放大器放大的信號(hào)，由C5耦合到由VD1、VD2組成的倍壓整流器進(jìn)行整流，由整流器輸出的是負(fù)極性的信號(hào)。這個(gè)負(fù)極性的信號(hào)加至VT的基極，使其導(dǎo)通，它的集電極輸出高電平，并加至與非門Y1的一個(gè)輸入端。與非門Y1、VD3、LED1和R10組成“距離”指示電路。當(dāng)VT導(dǎo)通，輸出端變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，與非門Y1輸出低電平。這時(shí)，距離指示燈LED1發(fā)黃光并閃動(dòng)，這是因?yàn)閅1的另一輸入端輸入的是定時(shí)振蕩器555輸出的定時(shí)振蕩脈沖，它的頻率為3HZ。這個(gè)3HZ的脈沖使Y1的該輸入端形成了間隔

8、時(shí)間為1/3S的高電平，使與非門Y1形成了間隔時(shí)間為1/3S的導(dǎo)通、截止交替進(jìn)行的狀態(tài)，因而形成閃光指示。當(dāng)人體坐姿發(fā)生變化出現(xiàn)前傾時(shí)，由頭部反射到接收頭的超聲波反射信號(hào)較強(qiáng)，經(jīng)放大，檢波后輸出的低電平較強(qiáng)，能使VT導(dǎo)通而發(fā)出閃光警示信號(hào)，提醒學(xué)生糾正坐姿。報(bào)警聲振蕩器是出現(xiàn)坐姿，光照和到達(dá)定時(shí)時(shí)間時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲響，以引起使用者的注意。振蕩器由或非門VD3、VD4、R14、R15及C11組成。這是一由或非門組成的鍵控式多諧振蕩器。鍵控脈沖來自VD3、VD4、VD5的正輸出端，當(dāng)VD3VD5中任何一方的左凋出現(xiàn)低電平時(shí)，多諧振蕩器立即開始振蕩，并通過壓電蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。由電路的結(jié)構(gòu)可知，VD3

9、VD5的左端受與非門Y1Y3的控制，而Y1Y3的輸入端中均有一個(gè)輸入端是受定時(shí)器555的3腳的輸出控制的。如前所述，3腳輸出的是3HZ的脈沖。這樣，報(bào)警聲振蕩器輸出的報(bào)警信號(hào)就是一個(gè)受3HZ脈沖調(diào)制的信號(hào)，BC發(fā)出的報(bào)警聲為“嘀、嘀、嘀”。定時(shí)振蕩是由一組分頻和振蕩集成電路555定時(shí)器與R8、R9及C9、C10組成，本電路振蕩頻率為3HZ。由振蕩器產(chǎn)生的3HZ時(shí)基脈沖，一方面由3腳輸出，作為與非門Y1Y3的門控脈沖；另一方面通過外部分頻器分頻后，得到45分鐘的定時(shí)，由2腳輸出。555定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它的內(nèi)部主要包含一個(gè)R-S觸發(fā)器、兩個(gè)電壓比較器A1和A2，一個(gè)NPN型三極管和3個(gè)等值電阻。

10、這3個(gè)電阻對(duì)電源UCC分壓后，分別得到2UCC/3和UCC/3的電壓加到比較器A1的同相輸入端及A2的反相輸入端。因比A1的基準(zhǔn)電壓為2UCC/3，A2的基準(zhǔn)電壓為UCC/3。555的2腳輸出高電平。這一高電平和3腳輸出的3HZ脈沖，同時(shí)通過VD5觸發(fā)報(bào)警振蕩器，發(fā)出報(bào)警聲。光控電路也稱測(cè)光電路，由光敏電阻RG和R6組成分壓電路。當(dāng)光線正常時(shí)，電源經(jīng)R6和RG的分壓，使與非門Y2的輸入端得到較低的分壓，Y2不導(dǎo)通，輸出端為高電平。當(dāng)光線暗到一定程度時(shí)，RG的阻值增大，使R6與RG的分壓點(diǎn)得到較高的分壓，這時(shí)與非門Y2導(dǎo)通。在3HZ脈沖的作用下，Y2呈斷續(xù)的導(dǎo)通狀態(tài)，光線指示燈LED2閃光指示。

11、同時(shí)通過VD4將報(bào)警振蕩器觸發(fā)，發(fā)出報(bào)警聲。555定時(shí)器能保證在開燈后定時(shí)振蕩器能提供準(zhǔn)確的定時(shí)脈沖。為保證多功能視力保護(hù)器工作穩(wěn)定，電源電路可采用LM7806集成穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。四、電路元器件的選擇： IC1選用六反相器CD4069；IC2選用4-2輸入或非門CD4001；IC3選用4-2輸入與非門CD4011；555構(gòu)成的多諧振蕩器；VD1VD5選用1N4148二極管；LED1LED3應(yīng)選用黃、綠、紅三種顏色的發(fā)光二級(jí)管以示區(qū)別；超聲波發(fā)射頭與接收頭選用UCM40-T與UCM40-R；其他元器件均無特殊要求。五、多功能視力保護(hù)器的組成部分及部件分析1、 電轉(zhuǎn)換器原理分析：光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器的核

12、心器件是光電二極管，顧名思義它就是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)的二極管。但是由于它輸出的電信號(hào)很微弱，為了讓主板能有效的利用電信號(hào)，必須在光電二極管與主板之間加上放大器。在電子電路中，人們把半導(dǎo)體發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光電二極管、光電三極管)組合封裝在一起，成為一種“電光電”的器件，這就是光電耦合器。當(dāng)我們給輸入端的發(fā)光器件輸入一個(gè)電信號(hào)，則發(fā)光器件發(fā)光，光被輸出端的光接收器件接收又轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。（光電轉(zhuǎn)換器超聲波測(cè)距離原理方框圖） 已知超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，現(xiàn)由一個(gè)超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波并且在控制電路的控制下定時(shí)定向發(fā)生超聲波，超聲波在遇到障礙物發(fā)生反射用另外一

13、個(gè)超聲波接收電路來接收超聲波的反射回波，假如t1時(shí)發(fā)出超聲波，在t2 時(shí)收到回波，超聲波發(fā)生電路及接收電路與障礙物之間的距離為S，那么超聲波的傳播2S距離的時(shí)間即為t=t2-t1,因此2S=V·t，其中V是超聲波的傳播速度已知為340m/s、t由控制計(jì)算電路測(cè)定，因此可計(jì)算所控制的距離S。光敏電阻組成光電轉(zhuǎn)換器，把光強(qiáng)、光弱轉(zhuǎn)換成高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)；異或門組成比較器，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行鑒別，以控制相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示，并確定報(bào)警電路是否工作；設(shè)定閱讀時(shí)間長(zhǎng)短的定時(shí)電路需要采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。光電轉(zhuǎn)換器是由光敏電阻和可變電阻組成的兩個(gè)分壓器，它們的輸出分別作為兩個(gè)異或門的輸入信號(hào)。2、

14、 較器、定時(shí)器原理分析（555定時(shí)器）（555定時(shí)器的內(nèi)部原理圖）555定時(shí)器各管腳引線介紹： 腳：GND 電源負(fù)極接地。 腳：TR 低電平（負(fù)脈沖）觸發(fā)端，這是內(nèi)部比較器A2的同相輸入端，因此當(dāng)加在該端的電壓小于UCC/3（反相端電壓）時(shí)，比較器輸出為“0”，反之輸出為“1”。 腳：OUT 輸出端，輸出的高電平值略小于電源電壓。 腳：RD 置“0”端，低電平有效，當(dāng)該端加低電平或負(fù)脈沖時(shí)腳輸出“0”。 腳：VC 電壓控制端，它是比較器A1的同相輸入端（基準(zhǔn)電壓端）若外接附加電阻或電壓則可以改變?cè)摶鶞?zhǔn)電壓的大小，否則該端電壓為2UCC/3，不使用該端時(shí)接一個(gè)約0.01 微法的電容到地，以防止干

15、擾由此引入。 腳：TH 高電平觸發(fā)端，又稱高電平復(fù)位端，它是比較器A1的反相輸入端，當(dāng)該端加大于2UCC/3的電壓（同相輸入端電壓）時(shí)，比較器A1的輸出為“0”，這時(shí)若TR端不加觸發(fā)信號(hào)（即保持為高電平），那么輸出端OUT為“0”。 腳：DIS 放電端，它是內(nèi)部放電三極管的集電極。 腳：VCC 電源下端。用555構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖3、顯示器在本電路中，顯示器采用了三個(gè)發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LED，分別為黃燈、綠燈、紅燈，并每個(gè)二極管都配有限流電阻防止在電路工作中電壓過高擊穿。發(fā)光二極管與普通二極管一樣具有單向?qū)щ娦?，?dāng)外加反向電壓時(shí)，發(fā)光二極管截止，當(dāng)外加正向電壓且數(shù)值足夠大時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通工作

16、。4、 報(bào)警器： 報(bào)警電路是由或非門H3、H4及R14、C15組成的音頻振蕩器及壓電陶瓷片BC所構(gòu)成。但是，這種音頻振蕩器只有在它的控制端G2是高電平“1”時(shí)才能產(chǎn)生振蕩，因?yàn)楫?dāng)G2為“0”時(shí)，門H3輸出為“1”，門H4輸出為“0”，電容器C2不能充電，無法起振。 所以，每次閉合電源開關(guān)S后，必須立即使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入暫穩(wěn)狀態(tài)，開始定時(shí)，定時(shí)結(jié)束時(shí)自動(dòng)翻回穩(wěn)定狀態(tài)，報(bào)警電路隨之發(fā)出報(bào)警聲，提醒閱讀者休息一下，以保護(hù)視力。 （光敏電阻光控報(bào)警電路）定時(shí)器腳和腳連接到光電阻與靈敏度控制電阻R1的接點(diǎn)上光敏電阻的阻值與光線強(qiáng)度成反比，即光度小時(shí)阻值大，反之則?。划?dāng)光線被遮斷或得到R1所設(shè)定的強(qiáng)

17、度之下R1阻值的上升導(dǎo)到 、腳的電壓上升，如果R1所設(shè)置得使當(dāng)應(yīng)該電壓上升到超過2/3VCC時(shí)繼電器接通，則當(dāng)光線強(qiáng)度增加時(shí)，繼電器釋放而且光敏電阻上的壓降到低于1/3VCC，該電路可以改成將繼電器K1和二極管D1置于腳和地之間，在這種情況下，當(dāng)、腳的電壓上升到2/3VCC之上時(shí)繼電器釋放，當(dāng)該電壓降到1/3VCC之下時(shí)接通，當(dāng)繼電器具有單投觸點(diǎn)時(shí)，這種修改是有價(jià)值的，繼電器觸點(diǎn)的閉合和斷開發(fā)生在不同的照度之下，這種1/3VCC的滯后是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)照度變化很小時(shí)，可防止電路振蕩和繼電器抖動(dòng)。六、安裝調(diào)試： 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

18、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)：B1、B2外形相同，其中發(fā)射為T，接收為R，不能搞錯(cuò)。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。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：微調(diào)電阻R8使555的腳輸出信號(hào)頻率為3HZ。微調(diào)電阻R3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)

19、電路一通電LED1就閃亮且BC發(fā)出報(bào)警聲這是“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(duì)地接0.1微法的退耦電容試試，若無效可在“非門”F6兩端并接一只幾十皮法的反饋電容。光線報(bào)警調(diào)整應(yīng)在暗室或晚間進(jìn)行。調(diào)試時(shí)，若無照度革，可點(diǎn)亮一只15W的燈泡，將其置于光敏電阻上方30cm處，此時(shí)光照度約為100lx，調(diào)節(jié)R5使LED2恰好熄滅為止。調(diào)試結(jié)束后，將整個(gè)裝調(diào)好的電路板置于一合適的小盒中，在小盒上方鉆一個(gè)直徑為8mm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透聲，并用膠將壓電片固定在該位置。整機(jī)需與寫字臺(tái)成約40度角，以便使用者臉部

20、反射超聲波信號(hào)。使用時(shí)將視力保護(hù)器置于閱讀的書本上方即可。需注意的是，一旦定時(shí)時(shí)間已到，LED3就閃亮，此時(shí)應(yīng)關(guān)掉電源開關(guān)，休息片刻，然后再打開開關(guān)。心 得 體 會(huì) 作為一名高級(jí)班的學(xué)生，我覺得能做類似的課程設(shè)計(jì)是十分有意義，而且是十分必要的。這不僅可以提起我們對(duì)這門課的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還可以在專業(yè)上用實(shí)踐鍛煉一下我們，使我們不但不在對(duì)所學(xué)專業(yè)感到陌生，而且還可以培養(yǎng)大家的積極性。雖然時(shí)間短暫，但通過一周的數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)，我們認(rèn)識(shí)并了解了多功能視力保護(hù)器，對(duì)基本的設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)方法有了初步的認(rèn)識(shí)。  這次課程設(shè)計(jì)，我們可以從中學(xué)到很多我們?cè)趯W(xué)習(xí)理論時(shí)所不能學(xué)到的東西，不但可以鍛煉我們的動(dòng)手能力而且還能鞏固我們所學(xué)的理論知識(shí)，在做本次設(shè)計(jì)的過程中，我感觸最深的當(dāng)數(shù)查閱大量的設(shè)計(jì)手冊(cè)了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，更加符合標(biāo)準(zhǔn)，一次次在各大書店翻閱各類設(shè)計(jì)手冊(cè)是十分必要的，同時(shí)也是必不可少的。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求用光電轉(zhuǎn)換器、比較器、定時(shí)器、