紅外技術(shù)器設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告紅外計(jì)件器的設(shè)計(jì)目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)11.1 系統(tǒng)功能要求11.2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)要求1二、設(shè)計(jì)內(nèi)容12.1 紅外計(jì)數(shù)器系統(tǒng)工作原理12.2 系統(tǒng)框圖與原理圖設(shè)計(jì)22.2.1 系統(tǒng)框圖22.2.2 系統(tǒng)原理圖22.3各模塊工作原理32.3.1 電源模塊32.3.2 紅外檢測(cè)模塊工作原理32.3.3 計(jì)數(shù)器模塊工作原理62.3.4 數(shù)碼管顯示模塊工作原理72.3.5 失落脈沖檢測(cè)模塊工作原理92.3.6 蜂鳴器模塊工作原理11三、焊接與調(diào)試過(guò)程123.1 焊接過(guò)程與調(diào)試結(jié)果123.2注意事項(xiàng)133.2.1 萬(wàn)用表測(cè)量元件時(shí)的注意事項(xiàng)133.2.2 焊接電路板時(shí)注意事項(xiàng)133.

2、3 實(shí)物圖13四、總結(jié)14一、設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易的紅外計(jì)件器，要求如下：（1） 當(dāng)“貨物” 從紅外檢測(cè)模塊經(jīng)過(guò)后，“個(gè)位”數(shù)碼管顯示數(shù)值加1，當(dāng)“個(gè)位”數(shù)碼管加至9時(shí)，當(dāng)下一個(gè)貨物經(jīng)過(guò)時(shí)便向“十位”數(shù)碼管產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)，使其加1，“個(gè)位”數(shù)碼管變?yōu)?，兩位數(shù)碼管最多可顯示99個(gè)貨物信息；（2） 當(dāng)有“貨物”通過(guò)紅外檢測(cè)電路時(shí)，紅外檢測(cè)電路輸出檢測(cè)脈沖， 若 2 秒內(nèi)沒(méi)有“貨物”通過(guò)紅外收發(fā)模塊，即紅外檢測(cè)電路輸出的脈沖失落時(shí)，蜂鳴器報(bào)警； （3） 計(jì)件過(guò)程中，可通過(guò)按鍵隨時(shí)清除計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。1.2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)要求（1） 運(yùn)用所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)知識(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖和系統(tǒng)電路原

3、理圖，并使用Protel DXP 2004繪制系統(tǒng)電路原理圖；（2）完成紅外檢測(cè)模塊、數(shù)碼管顯示模塊、計(jì)數(shù)器模塊、失落脈沖檢測(cè)模塊蜂鳴器模塊的組裝與調(diào)試。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1 紅外計(jì)數(shù)器系統(tǒng)工作原理紅外計(jì)數(shù)器系統(tǒng)通過(guò)紅外檢測(cè)模塊的紅外發(fā)射管和紅外接收管檢測(cè)通過(guò)此模塊的“貨物” ，通過(guò)CD4093BCN芯片產(chǎn)生計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)，計(jì)數(shù)器模塊通過(guò)兩個(gè)M74HC192B1R芯片對(duì)計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行處理后輸出QAQD，數(shù)碼管顯示模塊的兩個(gè)CD4511BCN芯片將QAQD信號(hào)鎖存譯碼后驅(qū)動(dòng)八段數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值。當(dāng)有“貨物”通過(guò)時(shí)，紅外檢測(cè)模塊中CD4093BCN芯片的12引腳輸出低脈沖信號(hào)，其輸入到失落脈沖檢測(cè)模

4、塊中NE555芯片的TRIG端，當(dāng)負(fù)脈沖輸入時(shí)晶體三極管Q5導(dǎo)通，電容C8通過(guò)三極管放電。若輸入脈沖沒(méi)有失落時(shí)，NE555由于電容電壓峰值低于(2/3)VCC,故NE555的3號(hào)引腳輸出為高電平調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)RC的時(shí)間常數(shù)，從而保證被監(jiān)視的貨物通過(guò)頻率在正常情況下，輸出保持在高電平。當(dāng)頻率降低或者脈沖失落時(shí)，電容上的電壓便充到(2/3)VCC，促使NE555觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，3號(hào)引腳輸出變?yōu)榈碗娖?。在蜂鳴器模塊中，當(dāng)3號(hào)引腳輸出變?yōu)榈碗娖綍r(shí)三極管Q4導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。2.2 系統(tǒng)框圖與原理圖設(shè)計(jì)2.2.1 系統(tǒng)框圖紅外計(jì)件器系統(tǒng)框圖如圖1所示。紅外檢測(cè)模塊數(shù)碼管顯示模塊 計(jì)數(shù)器模塊蜂鳴器模塊失落

5、脈沖檢測(cè)模塊圖1 紅外計(jì)件器系統(tǒng)框圖2.2.2 系統(tǒng)原理圖 紅外計(jì)件器系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖2 紅外計(jì)件器系統(tǒng)原理圖2.3各模塊工作原理2.3.1 電源模塊通過(guò)自鎖按鍵S1控制整個(gè)系統(tǒng)的通斷，通過(guò)發(fā)光二極管L1指示電路的通斷，通過(guò)電容C1、C2消除干擾。電源模塊原理圖如圖3所示。圖3 電源模塊原理圖2.3.2 紅外檢測(cè)模塊工作原理 （1）紅外發(fā)射管與接收管紅外線(xiàn)發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對(duì)安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離；發(fā)射式是指發(fā)光管與接收管并列一起，平時(shí)接收管始終無(wú)光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光線(xiàn)遇到反射物時(shí)，接收管收到反射回來(lái)

6、的紅外光線(xiàn)才工作。本設(shè)計(jì)使用直射式。 紅外發(fā)射管也稱(chēng)紅外線(xiàn)發(fā)射二極管，屬于二極管類(lèi)。它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成近紅外光（不可見(jiàn)光）并能輻射出去的發(fā)光器件，主要應(yīng)用于各種光電開(kāi)關(guān)及遙控發(fā)射電路中。紅外線(xiàn)發(fā)射管前端的球面形發(fā)射部分既不能存在污染物，更不能受到摩擦損傷，否則，發(fā)出的紅外光將產(chǎn)生反射及散射現(xiàn)象，直接影響到紅外光的輻射，可能會(huì)降低遙控的靈敏度和遙控距離，也有可能完全失效,紅外發(fā)射應(yīng)保持清潔、完好狀態(tài)。 紅外線(xiàn)接收管是將紅外線(xiàn)光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，其為了更多更大面積的接受入射光線(xiàn)，PN結(jié)面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一

7、般小于1微米。紅外線(xiàn)接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒(méi)有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱(chēng)為暗電流。當(dāng)有紅外線(xiàn)光照時(shí)，攜帶能量的紅外線(xiàn)光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。紅外線(xiàn)接收二極管在一般照度的光線(xiàn)照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流，如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。（2）CD4093BCN芯片簡(jiǎn)介CD4093由四個(gè)2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成。每個(gè)電路均為在兩輸入端具有施密特觸發(fā)功能的2輸

8、入與非門(mén)。每個(gè)門(mén)在信號(hào)的上升和下降沿的不同點(diǎn)開(kāi)、關(guān)。上升電壓和下降電壓之差定義為滯后電壓。引腳圖如圖4所示。圖4 CD4093引腳圖（3）模塊工作原理紅外檢測(cè)模塊的紅外發(fā)射管和紅外接收管檢測(cè)通過(guò)此模塊的“貨物” ，通過(guò)CD4093BCN芯片產(chǎn)生計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)貨物通過(guò)時(shí)，計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)為低電平，即信號(hào)2輸出低脈沖，其輸入到計(jì)數(shù)器模塊產(chǎn)生QAQD,信號(hào)2還輸入到失落脈沖檢測(cè)模塊，進(jìn)行脈沖是否失落的判斷。紅外檢測(cè)模塊原理圖如圖5所示。圖5 紅外檢測(cè)模塊原理圖2.3.3 計(jì)數(shù)器模塊工作原理 （1）M74HC192B1R芯片簡(jiǎn)介 M74HC192B1R為十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器。其功能如下：具有異步清除功能。

9、當(dāng)清除引腳CLR為高電平時(shí)，不管計(jì)數(shù)時(shí)鐘（UP、DWN）狀態(tài)如何，所有計(jì)數(shù)輸出QAQD均為低電平；具有異步預(yù)置功能。當(dāng)置入控制為低電平時(shí)，QAQD將隨數(shù)據(jù)A、B、C、D一起變化，而與UP、DWN無(wú)關(guān)；具有同步計(jì)數(shù)功能。當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘保持高電平時(shí)，另一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘的上降沿能使QAQD同時(shí)變化。同步計(jì)數(shù)方式消除了異步計(jì)數(shù)器常有的輸出計(jì)數(shù)尖峰。當(dāng)計(jì)數(shù)上溢為9并且UP為低電平時(shí)，進(jìn)位輸出CO產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖；當(dāng)計(jì)數(shù)下溢為0并且DWN為低電平時(shí)，借位輸出產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖。 （2）模塊工作原理 來(lái)自紅外檢測(cè)模塊的計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)輸入到UP引腳，DWN引腳置為高電平，此時(shí)兩個(gè)M74HC192B1R芯片工作在十

10、進(jìn)制加狀態(tài)，置入控制為高電平，說(shuō)明QAQD只隨UP引腳的低電平脈沖變化。當(dāng)貨物通過(guò)時(shí)輸入到個(gè)位的UP引腳一個(gè)低電平信號(hào)，此時(shí)QAQD按十進(jìn)制加1，個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位標(biāo)志位接到十位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端UP控制十位計(jì)數(shù)器工作計(jì)數(shù)，當(dāng)個(gè)位加至9時(shí)，產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)（CO產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖），使得十位加1。當(dāng)按鍵按下時(shí)個(gè)位的CLR引腳輸入高電平，所有計(jì)數(shù)輸出QAQD均為低電平，數(shù)碼管顯示為00。計(jì)數(shù)器原理圖如圖6所示。圖6 計(jì)數(shù)器模塊原理圖2.3.4 數(shù)碼管顯示模塊工作原理 （1）CD4511BCN芯片簡(jiǎn)介 CD4511BCN是BCD鎖存/7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。引腳功能如下：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)

11、，不管其它輸入端狀態(tài)是怎么樣的，七段數(shù)碼管都會(huì)處于消隱也就是不顯示的狀態(tài)； LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值；  ：3腳是測(cè)試信號(hào)的輸入端，當(dāng)=1，=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮全部顯示。它主要用來(lái)檢測(cè)8段數(shù)碼管是否有物理?yè)p壞； A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端；  a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。其引腳圖如圖7，真值表如圖8所示。 圖7 CD4511BCN引腳圖 圖8 CD4511

12、BCN真值表 （2）八段數(shù)碼管簡(jiǎn)介數(shù)碼管顯示模塊采用兩個(gè)共陰極8段LED數(shù)碼管，分別顯示個(gè)位和十位。共陰型就是把多個(gè)LED顯示段的陰極接在一起，即為公共端。陽(yáng)極即為二極管的正極，陰極即為二極管的負(fù)極。通常的數(shù)碼管分為8段，即8個(gè)LED顯示段，這是為工程應(yīng)用方便如設(shè)計(jì)的，分別為A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小數(shù)點(diǎn)位段，每一段包含一個(gè)發(fā)光二極管。外加正向電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，發(fā)出清晰的光。只要按規(guī)律控制各發(fā)光段亮、滅，就可以顯示數(shù)字。共陰極8段LED數(shù)碼管原理圖和符號(hào)圖如圖10。圖9 共陰式8段LED數(shù)碼管原理圖和符號(hào)圖（3）模塊工作原理 CD4511BCN芯片將8421BCD碼輸入端

13、的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼后輸出到共陰式8段LED數(shù)碼管的 a、b、c、d、e、f、g端，共陰式8段LED數(shù)碼管將計(jì)數(shù)值進(jìn)行顯示。數(shù)碼管顯示模塊原理圖如圖10所示。圖10 數(shù)碼管顯示模塊原理圖2.3.5 失落脈沖檢測(cè)模塊工作原理（1） NE555芯片簡(jiǎn)介NE555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效成23個(gè)晶體三極管，17個(gè)電阻，兩個(gè)二極管。組成了比較器、RS觸發(fā)器等多組單元電路。特別是由三只精度較高5K電阻構(gòu)成了一個(gè)電阻分壓器。為上下比較器提供基準(zhǔn)電壓，所以稱(chēng)之為555。引腳功能如下：Pin 1 (接地) ：地線(xiàn)(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)

14、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(kāi)始555的輸出腳位，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(lái)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

15、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 +) ：計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是4.5V至16V。NE555管腳圖及內(nèi)部原理圖功能如圖11所示。圖11 NE555管腳圖及內(nèi)部原理圖功能（2）模塊工作原理當(dāng)有“貨物”通過(guò)時(shí)，紅外檢測(cè)模塊中CD4093BCN芯片的12引腳輸出低脈沖信號(hào)，其輸入到失落脈沖檢測(cè)模塊中NE555芯片的TRIG端，當(dāng)負(fù)脈沖輸入時(shí)晶體三極管Q5導(dǎo)通，電容C8通過(guò)三極管放電。若輸入脈沖沒(méi)有失落時(shí)

16、，NE555由于電容電壓峰值低于(2/3)VCC,故NE555的3號(hào)引腳輸出為高電平調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)RC的時(shí)間常數(shù)，從而保證被監(jiān)視的貨物通過(guò)頻率在正常情況下，輸出保持在高電平。當(dāng)頻率降低或者脈沖失落時(shí)，電容上的電壓便充到(2/3)VCC，促使NE555觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，3號(hào)引腳輸出變?yōu)榈碗娖健?號(hào)引腳輸出到蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)脈沖失落時(shí)使得蜂鳴器報(bào)警。失落脈沖檢測(cè)模塊如圖12所示。圖12 失落脈沖檢測(cè)模塊2.3.6 蜂鳴器模塊工作原理失落脈沖檢測(cè)模塊中NE555芯片的3號(hào)引腳輸出接到蜂鳴器模塊中三極管Q4的基極。當(dāng)“貨物”通過(guò)時(shí)間間隔小于2s時(shí)，3號(hào)引腳始終輸出高電平，此時(shí)三極管Q4不導(dǎo)通，蜂鳴器不響；當(dāng)2s

17、內(nèi)無(wú)貨物通過(guò)時(shí)，3號(hào)引腳輸出為低電平，此時(shí)三極管Q4導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。蜂鳴器模塊原理圖如圖13所示。 圖13 蜂鳴器模塊原理圖三、焊接與調(diào)試過(guò)程3.1 焊接過(guò)程與調(diào)試結(jié)果當(dāng)在Protel DXP 2004軟件中畫(huà)好電路圖時(shí)開(kāi)始進(jìn)行焊接。首先焊接電源模塊，按原理圖在電路板上擺放好每個(gè)元件的位置，把每個(gè)元件焊接起來(lái)。使用USB將5V電源接入到5V-DC插座，按下自鎖按鍵后發(fā)光二極管發(fā)光正常，使用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓為5V，電源模塊工作正常；接下來(lái)依次進(jìn)行進(jìn)行紅外檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)器模塊、數(shù)碼管顯示模塊的焊接，焊接過(guò)程中注意不要短路，對(duì)于快要連接起來(lái)的焊點(diǎn)，要用萬(wàn)用表檢測(cè)是否短路。焊接完成后再依次

18、按照電路原理圖核對(duì)，沒(méi)有連接線(xiàn)錯(cuò)誤處，用萬(wàn)用表檢查，沒(méi)有短路、斷路處。按下自鎖按鍵，將5V電源接入系統(tǒng)，連續(xù)地用手?jǐn)嚅_(kāi)紅外對(duì)管的接收，可以看到數(shù)碼管能夠從00計(jì)到99。按下異步清除按鍵，可以看到兩位數(shù)碼管同時(shí)清0，顯示為00；然后進(jìn)行失落脈沖檢測(cè)模塊和蜂鳴器模塊的焊接。焊接完成后單獨(dú)測(cè)試蜂鳴器模塊是否正常工作，加到蜂鳴器模塊三極管Q4的基極一個(gè)低電平，可以聽(tīng)到蜂鳴器發(fā)聲響，證明蜂鳴器模塊工作正常。再將這兩個(gè)模塊與上述模塊進(jìn)行連接，組成簡(jiǎn)易紅外計(jì)數(shù)器系統(tǒng)；最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，上電后不斷開(kāi)紅外對(duì)管的接收，過(guò)段時(shí)間后蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，此時(shí)斷開(kāi)紅外對(duì)管的接收，報(bào)警聲消失。調(diào)節(jié)失落脈沖檢測(cè)模塊中的電位器，使用秒表計(jì)時(shí)，將失落脈沖檢測(cè)間隔設(shè)定為2s,至此整個(gè)紅外技術(shù)器系統(tǒng)焊接并調(diào)試成功。3.2注意事項(xiàng)3.2.1 萬(wàn)用表測(cè)量元件時(shí)的注意事項(xiàng)（1） 在測(cè)量電流、電壓時(shí)，不能帶點(diǎn)換量程；（2） 選擇量程時(shí)，要先選大的，后選小的，盡量使被測(cè)量值