光電計數(shù)器的設(shè)計教材

1、景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院電子電路CAD課程設(shè)計課題名稱光敏計數(shù)器所在院系機(jī)電學(xué)院班級13自動化2班學(xué)號201310320210姓名董儒誠指導(dǎo)老師劉蜀陽時間2015年12月30日光敏計數(shù)器設(shè)計一種自動計數(shù)的裝置。在學(xué)習(xí)了脈沖數(shù)字電路的基礎(chǔ)上， 利用光線的通斷來統(tǒng)計數(shù)目的光控計數(shù)器。其主要系統(tǒng)組成為：光 電轉(zhuǎn)換模塊、整形模塊、時序控制模塊、計數(shù)譯碼模塊和顯示模塊, 通過對光電的轉(zhuǎn)換，由時序邏輯電路控制，達(dá)到自動計數(shù)的功能目錄前言 1第一章設(shè)計要求 21.1 基本要求 21.2 提高要求 2第二章系統(tǒng)組成及方案設(shè)計 32.1系統(tǒng)組成 32.1 方案一 32.2 方案二 52.3 方案比較與選擇 5第三章單元電

2、路的工作原理 63.1 光電轉(zhuǎn)換電路 63.2 計數(shù)電路 63.3 報警電路 83.4 電路仿真 10第四章組裝及測試結(jié)果與分析 104.1 焊接是特別要注意的幾點(diǎn)： 104.2 測試 104.3結(jié)果 10第五章總結(jié) 11附錄一元件清單 13附錄二總電路圖 14參考文獻(xiàn) 15.、八、 一前言21世紀(jì)是信息時代，是獲取信息，處理信息，運(yùn)用信息的時代。傳感器是獲取 信息并對信息進(jìn)行必要處理的基礎(chǔ)技術(shù)， 是獲取信息和處理加工信息的手段， 無法獲 取信息則無法運(yùn)用信息?；诠怆娦?yīng)的傳感器，光電式傳感器在受到可見光照 射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。它除能測量光強(qiáng)之外，還 能利用光線的透

3、射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速 度、溫度等，因而光電式傳感器是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。光電計數(shù)器 的設(shè)計是一種比較初級的利用光電傳感器發(fā)出信號脈沖進(jìn)行計數(shù)的一種簡單光電系 統(tǒng)。光電計數(shù)器可完成小型的計數(shù)功能，可應(yīng)用于小教室和小餐廳等小容量的場所， 進(jìn)行相應(yīng)的計數(shù)功能，具有很大的實用價值。工業(yè)生產(chǎn)中常常需要自動統(tǒng)計產(chǎn)品的數(shù) 量，計數(shù)器在這里有其用武之地。數(shù)字式電子計數(shù)器有直觀和計數(shù)精確的優(yōu)點(diǎn)，目前已在各種行業(yè)中普遍使用。數(shù)字式電子計數(shù)器有多種計數(shù)觸發(fā)方式， 它是由實際使用 條件和環(huán)境決定的，通常分為接觸式計數(shù)器和非接觸式計數(shù)器兩種。本次設(shè)計的光電 計數(shù)器為非接觸式計

4、數(shù)器中的一種。在該光電計數(shù)器中，計數(shù)的過程其實是獲取脈沖源的過程， 首先遮擋物遮擋光電 傳感器產(chǎn)生一下降沿，拿掉遮擋物產(chǎn)生一個上升沿，使計數(shù)器得到一個脈沖進(jìn)行計數(shù)。 之后計數(shù)器輸出一個信號輸入到譯碼器中，由譯碼器控制數(shù)碼管的顯示，數(shù)碼管最大 顯示99。計數(shù)范圍為一百，可以預(yù)設(shè)計數(shù)數(shù)目，當(dāng)計數(shù)達(dá)到設(shè)定后，停止計數(shù)并報警， 可手動解除報警。整個電路的設(shè)計先借助于仿真軟件 proteus仿真，得到了預(yù)期的結(jié)果，而后依據(jù) 仿真圖在實驗室焊接、調(diào)試，實現(xiàn)了預(yù)定的功能。15第一章設(shè)計要求1.1 基本要求利用發(fā)光二極管和光敏三極管作為光電計數(shù)器的傳感器進(jìn)行計數(shù)， 用數(shù)碼管顯示 計數(shù)值，當(dāng)數(shù)碼管顯示值與設(shè)定值

5、相同時報警， 此外計數(shù)器停止計數(shù)，手動清除報警 后可重新工作。1.2 提高要求1）發(fā)光器件和光接收器之間的距離大于IM（提示：生于距離較遠(yuǎn)；需要增大發(fā)光 二極管的電流，這種情況下只能采用脈沖供電方法，此時有物體和無物體其輸出頻率 會產(chǎn)生變化2）有抗干擾技術(shù)，防止背景光和瓶子抖動產(chǎn)生計數(shù)誤差3）每計數(shù)100，用燈閃爍2S指示一下第二章系統(tǒng)組成及方案設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，方案的設(shè)計與制作過程都分為三個部分：產(chǎn)生脈沖源、兩位十進(jìn)制計數(shù)、報警。2.1 系統(tǒng)組成本電路設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖3.1所示圖3.1系統(tǒng)設(shè)計原理框圖2.1 方案一第一部分：產(chǎn)生脈沖源。根據(jù)設(shè)計要求利用發(fā)光二極管和光敏三極管產(chǎn)生光電轉(zhuǎn) 換信

6、號，并經(jīng)過555單穩(wěn)電路輸出穩(wěn)定的脈沖源。第二部分：兩位十進(jìn)制計數(shù)。利用 CD4518芯片進(jìn)行串行計數(shù)，將設(shè)計的低位輸 出的Q4接高位的使能端，使得CD4518芯片的兩位十進(jìn)制輸出端位有高低之分，再用 CD4511芯片譯碼，將譯碼結(jié)果輸出給共陰數(shù)碼管。同時通過CD4511芯片的LE鎖存控制端，使譯碼器的輸出在99的時候停止。而用CD4518芯片的1引腳CK端進(jìn)行清 零操作。第三部分：報警，使用NE555芯片多穩(wěn)震蕩電路。將NE555芯片的4引腳當(dāng)做電 路的開啟端，當(dāng)4為高時，芯片開始工作，此時NE555與外圍電路構(gòu)成多諧振蕩，實 現(xiàn)發(fā)光LED的閃爍，蜂鳴器報警的作用。Sli2.2 方案二第一部

7、分：產(chǎn)生脈沖源。詢問老師并查閱資料后，發(fā)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的下降、 上升沿比較穩(wěn)定，所以在這個方案中直接采用光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生脈沖源。第二部分：兩位十進(jìn)制計數(shù)。在這個方案中，使用 74LS16 0進(jìn)行編碼，并通過他 的引腳1實現(xiàn)清零的操作，引腳10實現(xiàn)鎖存功能。再經(jīng)過74LS47譯碼給共陽數(shù)碼管， 實現(xiàn)從00 99的計數(shù)。第三部分：報警功能。這部分電路與方案一的設(shè)計相同。 通過NE555芯片與外圍 電路構(gòu)成多諧振蕩，實現(xiàn)發(fā)光LED的閃爍，蜂鳴器報警的作用。2.3 方案比較與選擇方案一雖然比方案二實現(xiàn)起來更穩(wěn)定一些，但這這是一個小實驗，使用方案一會使簡單問題復(fù)雜化，有些部分不需要也可以達(dá)到實驗效果

8、， 而且方案二也比方案一更 經(jīng)濟(jì)實用，總體來講方案二比方案一的元器件少一些， 焊起電路來會更方便一些，分 析實驗時也會更有效簡潔，更主要的是在學(xué)科設(shè)計中接觸74LS160芯片比較多，對其 功能比較了解，所以最后決定用方案二來完成實際電路。第三章單元電路的工作原理3.1光電轉(zhuǎn)換電路發(fā)光器件（例如LED的輸出光強(qiáng)于與通過其工作電流成正比，發(fā)光側(cè)與接收側(cè) 的距離越大時，要求輸出光強(qiáng)也越強(qiáng)，即要求工作電流越大。一般LED的工作電流約 為1050mA因此為了提高傳送距離，必須提高 LED的工作電流。無遮擋物擋光時， 輸出一個高電平，產(chǎn)生一個上升沿；有遮擋物擋光時，輸出一個低電平，產(chǎn)生一個下 降沿。根據(jù)此

9、原理可向計數(shù)電路輸送其所需脈沖。圖3.2光電轉(zhuǎn)換電路發(fā)光二極管的正常工作壓降大約是 1.2V，電流大約是20mA從而可以估算出限 流電阻大約是200Q,光敏三極管在無光照射下，電阻可達(dá)數(shù)兆歐姆，有足夠的光照 時，電阻降到幾千歐姆，因此其分壓電阻可以取幾十到幾百千歐， 具體需根據(jù)實際情 況調(diào)整，這里采用了典型值 33k Qo3.2 計數(shù)電路計數(shù)電路主要采用計數(shù)器統(tǒng)計信號采集電路輸出的脈沖個數(shù)， 實現(xiàn)對物件計數(shù)的 功能。為了使電路簡單化，減少其它器件的使用，通過查看各種計數(shù)器芯片的技術(shù)手 冊，選取74LS160為該電路計數(shù)元件。下圖所示為計數(shù)電路：U3U4圖3.2兩位十進(jìn)制計數(shù)電路設(shè)計要求是兩位的

10、十進(jìn)制計數(shù)器，根據(jù)74IS160的功能圖可知，將芯片的進(jìn)位端 連接高位芯片的P、T端，使其只有在低位芯片計到 9, Co端輸出高電平時才在下個 脈沖來到時計一個在十位的數(shù)。當(dāng)芯片的CR非端、LD非端，即引腳1、引腳9為高電平時，引腳10由高電平變?yōu)榈碗娖?，則電路將會處于保持狀態(tài)。根據(jù)電路知高低 位芯片的Q3 Q2 Q1、Q0分別為1001時，經(jīng)過與門與與非門的作用，此時引腳10的電位將會由高電平變?yōu)榈碗娖剑闺娐诽幱诒３譅顟B(tài)。而當(dāng)CR非端低電平時，電路無論何種狀態(tài)，芯片產(chǎn)生的功能都為異步清零，將輸出直接清零。3.2.3 數(shù)碼顯示電路該電路是實現(xiàn)將計數(shù)電路的計數(shù)值以直觀的數(shù)字方式顯現(xiàn)出來，只需實

11、現(xiàn)基本要 求即可，無特殊要求。計數(shù)電路輸出兩組BCD碼，為了使電路簡單，應(yīng)選用BCD碼一七段數(shù)碼管譯碼驅(qū)動器， 而七段數(shù)碼管的選擇與之配套。譯碼器無特殊功能要求。這里選用了常用的74LS47共陽數(shù)碼管驅(qū)動器，配套選取共陽八段數(shù)碼管，但小數(shù)點(diǎn)位不用。74LS47為內(nèi)部有上拉電阻的BCD-七段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器，輸出端為低電平有效，可用于驅(qū)動緩 沖器或共陽數(shù)碼管。根據(jù)功能表，將BI/RBORIB、LT即引腳3、4、5接高電平，A。A3接計數(shù)電路 的Do D3，該部分電路簡單，只要根據(jù)功能表將相應(yīng)端口連接起來即可完成功能， 其中公共端要接電阻，起限流作用，保護(hù)共陽數(shù)碼管不被燒壞。由于數(shù)碼管相當(dāng)于并

12、 聯(lián)LED因此前面計算的限流電阻計算值仍然適用，但又由于是LED并聯(lián)情況，在正常工作時，存在同時數(shù)個LED共同發(fā)光的情況，總線中的電流加大，因此應(yīng)適當(dāng)減小 限流電阻的大小，這里選取100Q的電阻。3.3 報警電路該電路是為了實現(xiàn)數(shù)碼管顯示值為 99時報警，此外計數(shù)器停止計數(shù)，手動清除 報警后可重新工作。當(dāng)74LS00輸出一個輸出一個高電位給 NE555芯片的4引腳，此 信號可用來觸發(fā)滿百報警電路。引腳4為高電位時，觸發(fā)由NE555與外圍電路構(gòu)成多 諧振蕩，使其輸出一個周期為兩秒的高電平，使LED燈閃爍。NE555是 一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作 的稱為555，

13、用CMOS工藝制作的稱為7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V工作，7555可在318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為200mA因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼 容。555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振 蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。由555定時器和外接元件R、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，引腳2與引腳6直接相 連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通1,

14、2vcc過Ri、R2向C充電，以及C通過R2向放電端一 -放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在 丁和之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波。輸出信號的時間參數(shù) 為:T - tw1 tw2(1)tw2 二 0.7R2C(2)tw廠 0.7(%RJC(3)故T 二 0.7(R 2R2)C(4)報警電路中，根據(jù)設(shè)計的參數(shù)閃燈與峰鳴周期：0-7(R + 2Rl2)C5 = 2S( 5)考慮其的最佳占空比，將 R8、Ri2設(shè)置為常用的10kQ和4.7k Q,再根據(jù)計算將 電容C5設(shè)為100uF。則電路中周期的計算為T = 0.7 & R2 C5 = 0.710 4.7 2 100 102s報警器采用蜂

15、鳴器，只需要采用三極管驅(qū)動即可，由于蜂鳴器工作狀況與LED相似，限流電阻R7取值為100Q。74LS00輸出端為鎖定信號，用于鎖定計數(shù)器，處于鎖定 狀態(tài)時，按下復(fù)位電路的復(fù)位鍵后，解除報警，計數(shù)器重新開始計數(shù)。圖3.4報警電路3.4 電路仿真設(shè)計的正確性通過proteus軟件仿真進(jìn)行驗證，仿真的結(jié)果證實了設(shè)計的電路是 正確的。當(dāng)計數(shù)到99時，顯示器將不會改變，蜂鳴器與二極管在高低電位間，可以 實現(xiàn)其功能，只有按復(fù)位鍵后才開始由 00重新計數(shù)。第四章組裝及測試結(jié)果與分析4.1 焊接是特別要注意的幾點(diǎn)：1. 共陽數(shù)碼管的各引腳接到不同的管腳分清，要不然會產(chǎn)生亂碼。2. 安裝時要求發(fā)光管與接收管正對

16、，同時為避免自然光線干擾引起的誤計數(shù), 可在接收管上套一段黑色圓筒作遮光筒。3. 注意芯片的耐溫能力，避免燒壞元器件，可以采用引熱的方法。4. 連線過程不能發(fā)生短接，不然輕則短路，重則燒壞元器件。4.2 測試4.3 結(jié)果經(jīng)測試后，電路正常工作，相關(guān)功能完全實現(xiàn)：用手通過一次光電門，記數(shù)加一; 當(dāng)計數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的數(shù)字時，停止計數(shù)，LED燈以周期2秒閃爍，同時發(fā)出報警聲，報 警聲也以2s為周期鳴響，按下復(fù)位鍵停止報警，電路重新工作。第五章總結(jié)經(jīng)過自己與搭檔的努力制作和調(diào)試， 我們的光電計數(shù)器終于完成。電路板調(diào)試成 功，滿足了設(shè)計要求中的基本要求及大部分提高要求， 并且計數(shù)顯示部分的計數(shù)位數(shù) 具有直接

17、擴(kuò)展性。從這次課程設(shè)計中，學(xué)到了很多的專業(yè)知識，以及一些寶貴的心得。從找尋參考書這方面來說，別人的答案只能參考，不能照搬。要有獨(dú)立的見解, 善于發(fā)現(xiàn)錯誤，勤于討論和提問，這樣才能改正錯誤。專業(yè)知識的缺乏成為了整個過程最大的阻力，“書到用時方知少”，此時才知自己專業(yè)知識的貧乏。通過不懈的找尋，查資料，對于電路的構(gòu)造和基本設(shè)計有了大概 的藍(lán)圖，現(xiàn)經(jīng)過慢慢的探索和仔細(xì)的調(diào)試，電路功能得以實現(xiàn) ，通過這次設(shè)計，鞏固 了之前學(xué)習(xí)的數(shù)字電路模擬電路的相關(guān)知識， 并把這些知識運(yùn)用到實際中。這次設(shè)計 是理論和實踐的相結(jié)合，放大了理論和實踐之間的差別，問題帶來了設(shè)計經(jīng)驗，從而 為以后的發(fā)展添加了資本。附錄二總電路圖附錄一元件清單名稱數(shù)目74LS160274LS47274LS08174LS001NE5551共陽數(shù)碼管2B鍵1光敏三極管1發(fā)光二極管1NPN三極管1蜂鳴器1LED燈1電阻200 Q133k Q1100Q210kQ2510Q24.7k Q1電