光電計數(shù)器的設(shè)計.doc

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 方案二42.3 方案比較與

2、選擇4第三章 單元電路的工作原理53.1 光電轉(zhuǎn)換電路53.2 計數(shù)電路53.3 報警電路73.4 電路仿真9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：104.2 測試10 4.3 結(jié)果11第五章 總結(jié)12附錄一 元件清單13附錄二 總電路圖14參考文獻15前言 21世紀是信息時代，是獲取信息，處理信息，運用信息的時代。傳感器是獲取信息并對信息進行必要處理的基礎(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。它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干

3、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，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)器為非接觸式計數(shù)器中的一種。在該光電計數(shù)器中，計

4、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，當計數(shù)達到設(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)器的傳感器進行計數(shù)，用數(shù)碼管顯示計數(shù)值，當數(shù)碼管顯示值與設(shè)定值相同時報警，此外計數(shù)器停止計數(shù)，手動清除報警后可重

5、新工作。1.2 提高要求l)發(fā)光器件和光接收器之間的距離大于lM(提示：生于距離較遠；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

6、位十進制計數(shù)。利用CD4518芯片進行串行計數(shù)，將設(shè)計的低位輸出的接高位的使能端，使得CD4518芯片的兩位十進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引腳當做電路的開啟端，當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。2.2 方案二第一部分：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

7、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：兩位十進制計數(shù)。在這個方案中，使用74LS160進行編碼，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0099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到實驗效果，而且方案二也比方案一更經(jīng)濟實用，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

8、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，要求輸出光強也越強，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

9、20mA，從而可以估算出限流電阻大約是200，光敏三極管在無光照射下，電阻可達數(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。3.2 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：圖3.2 兩位十進制計數(shù)電路設(shè)計要求是兩位的十進制計數(shù)器，根據(jù)74ls160的功能圖可知，將芯片的進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

10、在下個脈沖來到時計一個在十位的數(shù)。當芯片的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)榈碗娖剑瑒t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?，使電路處于保持狀態(tài)。而當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

11、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，將即引腳3、4、5接高電平，接計數(shù)電路的，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，保護共陽數(shù)碼管不被燒壞。由于數(shù)碼管相當于并聯(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)適當減小限流電阻的大小，這里選取100的電阻。3

12、.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，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 200

13、mA，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、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，利用電源通過、向C充電，以及C通過向放電端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電，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： （1） （2） （3）故 （4）報警電路中，根據(jù)設(shè)計的參數(shù)閃燈與峰

14、鳴周期： （5）考慮其的最佳占空比，將、設(shè)置為常用的10k和4.7k，再根據(jù)計算將電容設(shè)為100uF。則電路中周期的計算為 報警器采用蜂鳴器，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，限流電阻取值為100。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軟件仿真進行驗證，仿真的結(jié)果證實了設(shè)計的電路是正確的。當計數(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

15、4.1 焊接是特別要注意的幾點：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，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；當計數(shù)達到預(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5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

16、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)具有直接擴展性。 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)計有了大概的藍圖, 現(xiàn)經(jīng)過慢慢的探索和仔細的調(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200133k1100210k251024.7k1 電容10nF1