產(chǎn)品計數(shù)器的電路設(shè)計[行業(yè)二類]

1、河南城建學(xué)院安全檢測技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書產(chǎn)品計數(shù)器的電路設(shè)計 班 級 0232111 姓 名 學(xué) 號 023211128 專 業(yè) 安全監(jiān)測技術(shù) 指導(dǎo)教師 黃戰(zhàn)峰、馬斌 環(huán)境與市政工程系2012年6月14日摘要計數(shù)器對某物件進行自動計數(shù)，在實際生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用，對通過的物體進行計數(shù)，實現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的搜集，如在生產(chǎn)流水線包裝數(shù)量控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，能節(jié)省勞動力有能高效地完成任務(wù)。光電計數(shù)器采用光電傳感器構(gòu)成的廣電門實現(xiàn)對通過光電門的物體進行計數(shù)，是一種非接觸式計數(shù)，在部分場合有著其無比的優(yōu)越性，從而使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、實時監(jiān)測、自動化控制等領(lǐng)域。本設(shè)計為實現(xiàn)光電計數(shù)器的功能，采用模數(shù)結(jié)合的電

2、路，以紅外對射光電傳感器為傳感器件。電路主要分為信號采集電路、兩位十進制計數(shù)電路、數(shù)碼顯示電路、報警電路四個模塊，分別實現(xiàn)對通過光電門的物體感應(yīng)，計數(shù)，顯示，并按要求完成報警功能。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，可手動清除報警；還可以計數(shù)達一百時，閃燈報警兩秒。關(guān)鍵詞：計數(shù)器 光電傳感器 數(shù)碼顯示 報警目錄摘要1前言4第一章 設(shè)計內(nèi)容及要求5第二章 設(shè)計方案5第三章 系統(tǒng)組成63.1 系統(tǒng)框圖63.2 單元電路設(shè)計73.2.1 信號采集電路設(shè)計73.2.2 計數(shù)電路113.2.3 數(shù)碼顯示電路143.2.4 定數(shù)報警電路153.2.5 滿百報警電路19附錄一

3、 總原理圖21附錄二 元件清單22總結(jié)23參考文獻24前言工業(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。而數(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。本設(shè)計的光電計數(shù)器為非接觸式計數(shù)器中的一種。光電計數(shù)器采用光電傳感器利用光學(xué)原理實現(xiàn)對物件的數(shù)目統(tǒng)計。光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的一種傳感器。它的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。這類效應(yīng)大致可分為三類。第一類是外光電效應(yīng)，即在光照射下，能使電子逸出物體表面。利用這種效應(yīng)所做成的器件有真空光電管、光電倍

4、增管等。第二類是內(nèi)光電效應(yīng)，即在光線照射下，能使物質(zhì)的電阻率改變。這類器件包括各類半導(dǎo)體光敏電阻。第三類是光生伏特效應(yīng)，即在光線作用下，物體內(nèi)產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，此電動勢稱為光生電動勢。這類器件包括光電池、光電晶體管等。光電效應(yīng)都是利用光電元件受光照后，電特性發(fā)生變化。敏感的光波長是在可見光附近，包括紅外波長和紫外波長。市場上的光電計數(shù)器采用的光電傳感器有攝像頭、光電管等，采用的光的種類有普通光和激光，可見光和不可見光等。本文采用的傳感器為紅外光電傳感器。第一章 設(shè)計內(nèi)容及要求利用發(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)

5、器停止計數(shù)，手動清除報警后可重新工作。發(fā)光器件和光接收器之間的距離大于lM；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；每計數(shù)100，用燈閃爍2S指示一下。第二章 設(shè)計方案為實現(xiàn)以上要求，本設(shè)計方案采用紅外發(fā)射管采用直流供電，接收對管判斷是否有物體通過光電門，并且當物體通過光電門時輸出一個高電平，觸發(fā)后面的加法計數(shù)器，使其加一，為簡單起見，計數(shù)器為一組BCD碼輸出，輸出由BCD-七段數(shù)碼管譯碼器譯碼，輸入至數(shù)碼管顯示。同時設(shè)有四位二進制數(shù)碼比較器，由撥碼盤預(yù)先設(shè)定一個數(shù)量，比較器時時將計數(shù)器輸出與預(yù)設(shè)數(shù)字進行比較，當兩者相同時，發(fā)出信號，使計數(shù)器停止工作，并且觸發(fā)定數(shù)報警器工作，發(fā)出報警。

6、另此設(shè)計還有脈沖電路為紅外發(fā)光二極管供電，使其發(fā)射紅外脈沖，從而可以提高瞬時功率而使平均功率滿足正常工作要求，從而可以加大光電門的寬度，以通過較大的物體。同時再增加一組BCD碼，使計數(shù)范圍加大，實現(xiàn)一百以內(nèi)的計數(shù)。又為了間接擴大計數(shù)范圍，增加了計數(shù)滿一百，閃燈兩秒的提示。在此方案基礎(chǔ)上，脈沖發(fā)射電路中采用的振蕩器采用555構(gòu)成的多諧蕩器，其結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試。計數(shù)器本設(shè)計采用兩塊74LS190進行級聯(lián)，實現(xiàn)模一百計數(shù)器。在定數(shù)報警電路中，采用兩塊74LS85實現(xiàn)兩組BCD碼的比較，報警方式采用蜂鳴器報警。在整百報警電路中，采用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，實現(xiàn)兩秒延時，閃燈由555多諧振蕩器控制，實

7、現(xiàn)大概每秒3次的閃爍。第三章 系統(tǒng)組成3.1 系統(tǒng)框圖本設(shè)計采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示：圖1 系統(tǒng)框圖由圖1可見，系統(tǒng)可分為信號采集、計數(shù)、顯示、定數(shù)報警、滿百報警四個功能塊。3.2 單元電路設(shè)計3.2.1 信號采集電路設(shè)計該電路主要由脈沖（方波）發(fā)生電路，光電轉(zhuǎn)換電路，信號濾波比較電路組成。脈沖發(fā)生電路為555構(gòu)成的多諧振蕩器，振蕩頻率大約為30KHz，555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級，它提供兩個基準電壓，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相

8、比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號輸入并超過時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01f的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當T

9、導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。在本設(shè)計中，要求發(fā)光器件和光接收器之間的距離大于lM，這就需要增大發(fā)光器件的瞬時發(fā)射功率但又保證平均功率在正常工作范圍內(nèi)，這樣只有縮短每次發(fā)光器件的工作時間，反映到脈沖發(fā)生電路即是減小脈沖的占空比。但上述電路的占空比始終大于50%，且調(diào)節(jié)影響頻率。改進型的555多諧振蕩器可以方便的調(diào)節(jié)制定占空比，電路如下圖2所示：圖2電路中增加了兩個導(dǎo)引二極管，使充放電的電流流過指定的電阻，只要分別調(diào)節(jié)和的比例就可以方便的調(diào)節(jié)輸出波形的占空比。上電路中，震蕩周期T和占空比分別為：式3.1式3.2本設(shè)計中輸出波形的頻率大約為30KHz，占空比大約是20%。所以式3.

10、3式3.4按常規(guī)，電阻和電容選取不宜過大或過小，中和調(diào)節(jié)，選取電容0.022F，電阻=390，電阻選用2K的電位器，調(diào)節(jié)至大約1.8K。光電轉(zhuǎn)換電路采用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感器，采用典型電路，如下圖3所示：圖3 光電轉(zhuǎn)換電路從555多諧振蕩器輸出的信號控制小功率三極管的導(dǎo)通與截止，從而控制發(fā)光二極管發(fā)光與否。接收電路由光敏三極管上接電源并加一下拉電阻實現(xiàn)。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150，但是由于由脈沖信號控制，工作時間大約占20%，因此瞬時功率可以提高5倍，即限流電阻減小80%，大約是30。光敏三極管在無光照射

11、下，電阻可達輸兆歐姆，有足夠的關(guān)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。圖3中節(jié)點3輸出含有直流分量的信號，其交流部分大致同步于前面脈沖輸出信號。光電轉(zhuǎn)換電路輸出信號在有、無物件遮擋住光線時，都輸出含有直流交流分量的信號。因此通過濾波電路，可以將兩種信號轉(zhuǎn)換為不同電壓的直流信號，再通過一定閾值的比較器，可以將兩種信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路中的高低電平，從而控制后續(xù)電路。電路如下圖4所示：圖4 濾波比較電路電路中，和構(gòu)成濾波電路，為了減小紋波，一般電阻、電容取得較大。但電容和電阻取得過大又會使的在兩種輸入信號切換時，電路反應(yīng)遲鈍，這里選

12、用了一般值。比較電路采用LM258構(gòu)成，3腳輸入?yún)⒖茧妷?，即是閾值電壓?腳輸入待處理信號。閾值的選取需根據(jù)實際情況設(shè)定，是電路能夠準確的區(qū)分兩種不同的輸入信號電壓，因此采用一電位器從電源分壓獲得，其中電容為紋波濾除電容。綜合上述三個單元電路，信號采集電路可以實現(xiàn)“發(fā)光器件和光接收器之間的距離大于lM；抗干擾，防止背景光和瓶子抖動產(chǎn)生計數(shù)誤差”要求，電路情況為當有物體通過時，遮擋住紅外光線，電路輸出高電平，平時輸出低電平。3.2.2 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，在此選用74LS190為此電路的計數(shù)器。74LS190為可預(yù)

13、置十進制同步加減計數(shù)器，其功能表如下表1、表2。其預(yù)置是異步的，當置入控制端為低電平時，不管時鐘端CP狀態(tài)如何，輸出端即預(yù)置成與數(shù)據(jù)輸入端相一致的狀態(tài)。其計數(shù)是同步的，靠CP同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當計數(shù)控制端為低電平時，在CP上升沿作用下同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當計數(shù)方式控制為低電平時進行加計數(shù)；當為高電平時進行減計數(shù)。只有在CP為高電平時和才可以跳變。其有超前進位功能，當計數(shù)上溢或下溢時，進位/借位輸出端輸出一個寬度等于脈沖周期的高電平脈沖；行波時鐘輸出端輸出一個寬度等于CP低電平部分的低電平脈沖。；利用端可級聯(lián)成N位同步計數(shù)器。當采用并行時鐘控制時，則將接到

14、后一級；當采用并行控制時，則將接到后一級CP。輸入輸出CPLd0d1d2d3d0d1d2d3HLL加計數(shù)HLH減計數(shù)HH保 持表1 功能表狀態(tài)輸出CPLHHHLHH 高電平;L 低電平;低電平脈沖;任意; 上升沿表二本設(shè)計要求設(shè)計兩位十進制計數(shù)器，根據(jù)其具備的功能，可得電路，如下圖5，其中和分別為低位和高位的BCD碼輸出，CLK輸入端為信號采集電路的輸出信號，RESET輸入端為復(fù)位電路的復(fù)位信號，HOLD為定數(shù)報警電路的鎖定信號。正常計數(shù)時，RESET為高電平，HOLD為低電平。當計數(shù)滿一百時，輸出端FLASH輸出一個下降沿，用以觸發(fā)滿百報警電路。圖5 兩位十進制計數(shù)電路圖6 上電復(fù)位電路復(fù)位

15、電路如圖6，是一個典型的上電低電平復(fù)位電路。剛通電時，電容充電，RESET的電壓接近于0V，隨著電容不斷充電，RESET的電壓逐漸上升，當達到74LS190的高電平定義電壓時，復(fù)位結(jié)束。延時時間為：式3.5 據(jù)計算、查找資料，選取如圖 的參數(shù)，可實現(xiàn)大概0.02s的復(fù)位時間。當電路正常工作后，按下開關(guān)SW，可實現(xiàn)手動復(fù)位。加入復(fù)位電路是為了防止在上電瞬間使計數(shù)器誤觸發(fā)而計數(shù)錯誤。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)值以數(shù)字方式顯現(xiàn)出來。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。在此選用了常用的74LS48共陰數(shù)碼管驅(qū)動器，選取共陰八段數(shù)碼管，

16、但小數(shù)點位不用。74LS48 為內(nèi)部有上拉電阻的BCD七段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器，輸出端為高電平有效，可用于驅(qū)動共陰數(shù)碼管。其功能表如表三所示：表三 功能表十進制輸入輸出字形A3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYg0HHLLLLHHHHHHHL1HLLLHHLHHLLLL2HLLHLHHHLHHLH3HLLHHHHHHHLLH4HLHLLHLHHLLHH5HLHLHHHLHHLHH6HLHHLHLLHHHHH7HLHHHHHHHLLLL8HHLLLHHHHHHHH9HHLLHHHHHLLHH根據(jù)功能表，將接高電平，接計數(shù)電路的，此電路只要根據(jù)功能表將相應(yīng)端口連接起來即可完成功能，如下圖7所示

17、： 圖7 數(shù)碼顯示電路電路中、分別接計數(shù)電路中的相應(yīng)標號的管腳。電阻起限流作用，由于數(shù)碼管相當于并聯(lián)LED，故選取200的電阻即可。3.2.4 定數(shù)報警電路定數(shù)報警電路是實現(xiàn)當數(shù)碼管顯示值與設(shè)定值相同時報警同時計數(shù)器停止計數(shù)，手動清除報警后可重新工作等功能而設(shè)計的。為是電路簡單，未使用撥碼盤用以設(shè)定數(shù)值，而采用開關(guān)組加下拉電阻代替，采用兩個四位二進制比較器進行兩種數(shù)值的比較。開關(guān)的閉合用以表示二進制數(shù)中的0、1，八個開關(guān)可以表示兩組BCD碼可以達到要求。電路如下圖8總線左邊部分。圖中SW1為開關(guān)組，含有八個開關(guān)，RP為排電阻，含有八個共端電阻，1腳為公共端。排電阻作為下拉電阻，當開關(guān)關(guān)的時候，

18、相應(yīng)輸出為低電平，表示“0”，當開關(guān)位于開的狀態(tài)時，相應(yīng)輸出端為高電平表示“1”。比較器采用四位二進制比較器74LS85，既可以用于二進制數(shù)碼的比較，也可以用于BCD碼的比較。其外引線排列如圖8 。對兩個4位二進制數(shù)的比較結(jié)果，由三個輸出端、輸出。該芯片還具有級聯(lián)以具有比較較長的字，此時低位級的、連接到高位級的相應(yīng)輸入端、，并使低位級的為高電平，其功能表如下表四。但在本設(shè)計中，比較兩組BCD碼，只取相等的情況，因此沒有采用較復(fù)雜的級聯(lián)電路，兩組BCD碼各自比較，取相等的情況相與。但是應(yīng)該考慮輸入端、的電平輸入情況，按要求，、接低電平，接高電平，如圖8，電路中、分別接計數(shù)電路中的相應(yīng)標號的管腳。

19、圖8 計數(shù)與比較電路表四 功能表輸入輸出A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0ABABFAB3HLLA3B2HLLA3=B3A2B1HLLA3=B3A2=B2A1B0HLLA3=B3A2=B2A1=B1A0B0LHLA3=B3A2=B2A1=B1A0=B0HLLHLLA3=B3A2=B2A1=B1A0=B0LHLLHLA3=B3A2=B2A1=B1A0=B0HLLHA3=B3A2=B2A1=B1A0=B0HHLLLLA3=B3A2=B2A1=B1A0=B0LLLHHL圖8輸出端接報警電路。由于計數(shù)器的計數(shù)范圍為099，所以能夠預(yù)先設(shè)定的數(shù)值也在099，計數(shù)值最多為 99。使得滿百報警電路永遠

20、不能被觸發(fā)而報警。為了防止其功能與滿百報警電路功能相沖突，設(shè)有功能開關(guān)，如圖9中的SW2，斷開開關(guān)，關(guān)閉定數(shù)報警功能，從而可以使?jié)M百報警功能得以實用。報警器采用蜂鳴器，采用三極管驅(qū)動即可，由于蜂鳴器工作狀況與LED相似，限流電阻仍取200歐。HOLD輸出端為鎖定信號，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，重新開始計數(shù)。圖9 報警電路3.2.5 滿百報警電路此電路是為了實現(xiàn)每計數(shù)100，用燈閃爍2S指示一下功能而設(shè)計的。根據(jù)計數(shù)電路介紹，當計數(shù)器由99回轉(zhuǎn)向0時，F(xiàn)LASH輸出端將輸出一個下降沿，因此可以用此信號來觸發(fā)滿百報警電路。將該信號進行微分后，得到一個短暫的負向脈沖，用以觸發(fā)

21、由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使其輸出一個兩秒的高電平，用以控制555多諧振蕩器使其工作兩秒，輸出為時兩秒的低頻率方波，使LED燈閃爍2s。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路有C1、R1，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端F輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號經(jīng)C1加到2端，并使2端電位瞬時低于，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個暫態(tài)過程，電容C開始充電，VC 按指數(shù)規(guī)律增長。當VC充電到時，高電平比較器動作，比較器A1 翻轉(zhuǎn)，輸出V0 從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間

22、（即為延時時間）決定于外接元件R、C值的大小：式3.6通過改變R、C的大小，可使延時時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化。當這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅(qū)動小型繼電器，并可以使用復(fù)位端（4腳）接地的方法來中止暫態(tài)，重新計時。按要求，為使R和C都不至取得過大，選取C（）為100F，R（）為18K。如圖10 。圖中和構(gòu)成微分器，其參數(shù)的選取參考信號采取電路中的濾波電路。RESET為控制信號輸入端，信號來自計數(shù)電路中的上電復(fù)位電路。為防止上電的瞬間產(chǎn)生的擾動信號使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器誤觸發(fā)，加入控制信號RESET，在上電瞬間，由復(fù)位電路分析可知，RESET處于低電平，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的555的4管腳為低電平，因此單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不工作，直到RESET恢復(fù)至高電平。這里對555多諧振蕩器的頻率占空比無嚴格要求，主觀選取頻率為3Hz，占空比隨機。根據(jù)前面的介紹，選取為13k，為15k，為10F，如圖11 。多諧振蕩器的工作與否取決于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高低。為限流電阻。 圖1