快速運(yùn)動(dòng)物體的光電檢測和計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)說明

1、快速運(yùn)動(dòng)物體的光電檢測與計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)摘要：快速運(yùn)動(dòng)物體的光電檢測與計(jì)數(shù)主要是利用光電發(fā)射管和接收管組成檢測單元，當(dāng)發(fā)射管與接收管之間有障礙物（即被檢測計(jì)數(shù)的物體）時(shí)，光線被阻斷，接收管接收不到信號(hào)，從而引起接收管輸出信號(hào)的改變，根據(jù)檢測接收管的這一信號(hào)即可判斷反射管與接收管之間是否有障礙物，達(dá)到計(jì)數(shù)的目的。在較大體積物體的檢測與計(jì)數(shù)、室外等復(fù)雜環(huán)境下的物體檢測與計(jì)數(shù)等應(yīng)用中，環(huán)境中的光線對檢測有很大影響，這種情況下需要考慮到對光電發(fā)射管發(fā)射信號(hào)的PWM調(diào)制，以抑制環(huán)境對檢測的影響。本設(shè)計(jì)采用采用紅外發(fā)射管和接收管組成檢測計(jì)數(shù)傳感器，通過檢測光電接收管的輸出信號(hào)來檢測物體，并對輸出信號(hào)采用NE55

2、5芯片組成的斯密特觸發(fā)器整形，輸入到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器采用74HC161計(jì)數(shù)芯片，其輸出經(jīng)過74LS48解碼后直接驅(qū)動(dòng)7端數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值。經(jīng)過對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析、PROTUES仿真以與綜合調(diào)試分析，本設(shè)計(jì)達(dá)到了快速運(yùn)動(dòng)物體的光電檢測與計(jì)數(shù)所要求的預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵詞：光電檢測 計(jì)數(shù)器 數(shù)字電路17 / 20目錄 1 序言11.1 光電計(jì)數(shù)器的研究背景11.4 光電計(jì)數(shù)器的應(yīng)用領(lǐng)域21.4 課題研究的主要容21.5 本文的主要容22 總體方案設(shè)計(jì)32.1 總體功能分析32.2 紅外調(diào)制與驅(qū)動(dòng)方案選擇42.3 檢波電路方案選擇42.4 信號(hào)整形方案選擇52.5 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)方案52.6 主要

3、器件的選型63 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)83.1 短距離紅外計(jì)數(shù)檢測電路83.2 遠(yuǎn)距離紅外計(jì)數(shù)檢測電路83.2.1 40kHz帶通濾波器93.2.2 LM567鑒頻電路93.3 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)103.4 NE555電路設(shè)計(jì)113.4.1 40kHz信號(hào)發(fā)生電路113.4.2 斯密特觸發(fā)器124 系統(tǒng)電路的PROTUES仿真134.1系統(tǒng)的仿真模型134.2 仿真運(yùn)行13結(jié)束語16致17參考文獻(xiàn)18附錄整體電路圖191 序言1.1 光電計(jì)數(shù)器的研究背景光電計(jì)數(shù)器是電子計(jì)數(shù)器中的一種，其核心部分都是由數(shù)字電路邏輯組成的增計(jì)數(shù)或者減計(jì)數(shù)電路。電子計(jì)數(shù)器是利用數(shù)字電路技術(shù)數(shù)出給定時(shí)間所通過的脈沖數(shù)并顯示計(jì)數(shù)結(jié)果

4、的數(shù)字化儀器，電子計(jì)數(shù)器是其他數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)。在它的輸入通道接入各種模-數(shù)變換器，再利用相應(yīng)的換能器便可制成各種數(shù)字化儀器。電子計(jì)數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、量程寬、功能多、操作簡單、測量速度快、直接顯示數(shù)字，而且易于實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用 。計(jì)數(shù)器是在數(shù)字電子技術(shù)中應(yīng)用的最多的時(shí)序邏輯電路。計(jì)數(shù)器不僅能用于對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以與進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。多功能電子式計(jì)數(shù)器由信號(hào)輸入電路、信號(hào)處理電路、計(jì)數(shù)與顯示驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)數(shù)狀態(tài)控制電路、顯示器和電源電路構(gòu)成，可接受各種電壓幅度的脈沖電壓和觸點(diǎn)開/關(guān)兩種形式的輸入信號(hào)，信號(hào)處理電路

5、通過光電耦合器與信號(hào)輸入電路聯(lián)接實(shí)現(xiàn)了信號(hào)輸入電路與計(jì)數(shù)工作電路的光電隔離，利用計(jì)數(shù)狀態(tài)控制電路可控制輸入信號(hào)的阻斷與計(jì)數(shù)器的復(fù)位。計(jì)數(shù)器有外接端子可與外部控制電路或裝置聯(lián)接由外部來控制計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)和計(jì)數(shù)器的復(fù)位。 多功能電子式計(jì)數(shù)器，包括有電源電路，其特征是由信號(hào)輸入電路、信號(hào)處理電路、計(jì)數(shù)與顯示驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)數(shù)狀態(tài)控制電路、顯示器構(gòu)成，信號(hào)輸入電路由至少兩條由限流電阻與開關(guān)串聯(lián)構(gòu)成的分擋開關(guān)電路并聯(lián)構(gòu)成的迭擋器、一端與選擋器輸入端并聯(lián)另一端與電源電路正極聯(lián)接的輸入方式控制開關(guān)、陽極與選擋器輸出端聯(lián)接的發(fā)光二極管、陽極與發(fā)光二極管陰極聯(lián)接，集電極經(jīng)電阻與電源電路正極聯(lián)接的光電偶合器，陽極與

6、光電偶合器陰極聯(lián)接的整流二極管構(gòu)成，信號(hào)處理電路由輸入端與信號(hào)輸入電路光電偶合器集電極聯(lián)接，其輸出端經(jīng)電阻與電源電路正極聯(lián)接的施密特觸發(fā)器、輸入端與施密特觸發(fā)器輸出端聯(lián)接的同相緩沖器、反相緩沖器，控制端分別與同相緩沖器、反相緩沖器輸出端聯(lián)接，其輸出端并聯(lián)的兩個(gè)膜擬開關(guān)、與模擬開關(guān)輸出端并聯(lián)的濾波電路構(gòu)成，與同相緩沖器輸出端聯(lián)接的模擬開關(guān)的輸人端接電源正極與反相緩沖器輸出端聯(lián)接的模擬開關(guān)的輸入端接公共地，計(jì)數(shù)與顯示驅(qū)動(dòng)電路由計(jì)數(shù)與顯示驅(qū)動(dòng)集成電路芯片和芯片工作輔助外圍電路構(gòu)成，其計(jì)數(shù)輸入端接信號(hào)處理電路輸出端，其輸出接顯示器輸入端，計(jì)數(shù)與顯示驅(qū)動(dòng)集成電路芯片為具有復(fù)位端和計(jì)數(shù)使能端的并對計(jì)數(shù)輸入

7、端的脈沖信號(hào)以十進(jìn)位方式計(jì)數(shù)的具有多位顯示譯碼和直接驅(qū)動(dòng)顯示器進(jìn)行數(shù)碼顯示的集成電路芯片，計(jì)數(shù)狀態(tài)控制電路由一端接計(jì)數(shù)與顯示驅(qū)動(dòng)集成電路芯片復(fù)位端，另一端接系統(tǒng)公共地的復(fù)位開關(guān)和公共端接集成電路芯片的計(jì)數(shù)使能端，其另外面端分別接電源電路正極和公共地的單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成。1.4 光電計(jì)數(shù)器的應(yīng)用領(lǐng)域光電計(jì)數(shù)器被廣泛用于社會(huì)生活的多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著它的作用，為人民提供便利。在高速公路的管理中，為了更好地提高高速公路的現(xiàn)代化管理水平，發(fā)揮專業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢，尋找高速公路管理方面的切入點(diǎn)，可選用光電計(jì)數(shù)器用來記錄出、入高速公路的車流量。由于采用了先進(jìn)的電子技術(shù)，避免了人為記錄的誤差，做到車流記錄智能化，為高速

8、公路管理的決策者提供第一手精確的資料。在流水線生產(chǎn)線上，對生產(chǎn)產(chǎn)品的計(jì)數(shù)中，若采用光電計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)生產(chǎn)線上的各種產(chǎn)品數(shù)量，不僅能夠節(jié)約人力資源，還能夠提高計(jì)數(shù)的精確度和可靠性，并且可以通過聯(lián)網(wǎng)的方式，將各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況上傳到車間管理者的電腦，或者公司其他管理者的電腦上，這樣對實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)遠(yuǎn)程管理化具有很大的促進(jìn)作用?？梢哉f需要計(jì)數(shù)，就會(huì)用到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的應(yīng)用圍的確很廣泛。1.4 課題研究的主要容本課題的主要研究容是設(shè)計(jì)一個(gè)基于數(shù)字電路的快速移動(dòng)物體的光電計(jì)數(shù)器系統(tǒng)，當(dāng)有被計(jì)數(shù)物體快速穿過光電傳感器中間的時(shí)候，計(jì)數(shù)器能夠準(zhǔn)確地檢測到被測物體，并進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)最大值可以達(dá)到99。1.5 本文的主

9、要容本文介紹的主要容安排如下：（1）第一章 序言。主要介紹了光電計(jì)數(shù)器的發(fā)展和應(yīng)用價(jià)值，對計(jì)數(shù)器的通用結(jié)構(gòu)等問題作了探討。（2）第二章 總體方案設(shè)計(jì)。介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和工作原理，以與核心器件的選型和系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算。（3）第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。對系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體框圖和各模塊的詳細(xì)電路圖。（4）第四章 PROTUES仿真。主要介紹了本系統(tǒng)中的核心部分?jǐn)?shù)字電路組成的計(jì)數(shù)器電路的PROTUES軟件仿真。（5）結(jié)束語闡述了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，簡要描述了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并對進(jìn)一步的研究提出了展望。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體功能分析光電計(jì)數(shù)器主要組成部分有：供

10、電部分的電源電路、傳感器部分的紅外光電發(fā)射管和接收管、紅外發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)調(diào)制電路、紅外接收管的信號(hào)調(diào)理電路、還有核心部分的計(jì)數(shù)器電路以與顯示驅(qū)動(dòng)電路和顯示電路，如圖2-1所示。被計(jì)數(shù)物體紅外發(fā)射管計(jì)數(shù)器顯示驅(qū)動(dòng)顯示電源系統(tǒng)紅外接收管調(diào)制與驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理圖2-1 電路總體框圖電源系統(tǒng)主要完成整個(gè)系統(tǒng)的供電，包括計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路的供電，以與傳感器信號(hào)調(diào)理和驅(qū)動(dòng)部分的供電。當(dāng)被測物體的體積較大時(shí)，需要紅外發(fā)射管與接收管之間的距離較大，這就需要紅外發(fā)射的功率加大，一般采用大功率的紅外發(fā)射管，其供電電壓都要高于不同數(shù)字電路的工作電壓5V或者3.3V，所以電源系統(tǒng)主要完成整個(gè)系統(tǒng)的能力供應(yīng)。紅外發(fā)射

11、管的驅(qū)動(dòng)電路功能較簡單，主要完成紅外發(fā)射管的激發(fā)。紅外發(fā)射管的調(diào)制電路主要用在大功率或者室外等工作環(huán)境較復(fù)雜的工作場所，避免太以與日光燈等白光發(fā)光物體對系統(tǒng)工作的影響，因?yàn)樘劝l(fā)光物體發(fā)出的光線中包括紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線光譜信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)對接收管產(chǎn)生影響，是接收管錯(cuò)誤判斷。調(diào)制電路是利用一種已知頻率的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，使其以固定頻率發(fā)出紅外線信號(hào)，在接收端，通過將接收管的信號(hào)放大和濾波，再檢波，即可判斷發(fā)射管發(fā)出的紅外光是否到達(dá)接收管出，這樣可以很好的對環(huán)境光的影響起到抑制作用。紅外接收管的信號(hào)調(diào)理主要包括對接收管信號(hào)的放大和濾波檢波等，將接收管的信號(hào)進(jìn)行整形，以數(shù)字計(jì)數(shù)器可以識(shí)別的脈

12、沖信號(hào)輸出給計(jì)數(shù)器電路，一般包括脈沖寬度整形和脈沖幅度整形。計(jì)數(shù)器電路是本設(shè)計(jì)中中心部分，主要完成信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)，以與將計(jì)數(shù)值實(shí)時(shí)地輸出。顯示驅(qū)動(dòng)電路和顯示電路主要完成計(jì)數(shù)器輸出的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)的顯示，共用戶直觀地看到當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。2.2 紅外調(diào)制與驅(qū)動(dòng)方案選擇對紅外發(fā)射管的調(diào)制選擇如圖2-2所示的40kHz方波信號(hào)，由該信號(hào)控制紅外發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)電路，所以發(fā)射管發(fā)射紅外線波形的時(shí)間間隔和發(fā)射波形的寬度均為：（1.1）圖2-2 紅外發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形（頻率40kHz）整個(gè)紅外發(fā)射與接收電路的功能框圖如圖2-3所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過功率放大電路后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管來發(fā)射信號(hào)，接收頭接收到的信號(hào)比較微弱，首

13、先需要經(jīng)過一級(jí)阻抗匹配將信號(hào)提取出來，再經(jīng)過濾波和放大，濾除信號(hào)中的干擾信號(hào)，放大信號(hào)幅值，并將信號(hào)脈沖進(jìn)行整形后輸出給計(jì)數(shù)器電路。功率放大阻抗匹配濾波放大接收管發(fā)射管驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形圖2-3 紅外發(fā)射與接收電路功能框圖本設(shè)計(jì)中需要電路產(chǎn)生40kHz方波信號(hào)，擬采用NE555芯片來組成固定頻率振蕩電路產(chǎn)生這一驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)。2.3 檢波電路方案選擇對調(diào)制信號(hào)的檢波的方法較多，其中最常用的是利用LM567芯片。LM567為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器，LM567的部電路與詳細(xì)工作過程非常復(fù)雜，這里僅將其基本功能概述如下：當(dāng)LM567的腳輸入幅度25mV、頻率在其帶寬的信號(hào)時(shí)，腳由高電平變成低電平，腳輸出經(jīng)

14、頻率/電壓變換的調(diào)制信號(hào)；如果在器件的腳輸入音頻信號(hào)，則在腳輸出受腳輸入調(diào)制信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻方波信號(hào)。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。LM567主要是用于解決對40kHz方波的檢波，其工作過程和紅外線信號(hào)的頻率和波長無關(guān)。2.4 信號(hào)整形方案選擇本設(shè)計(jì)號(hào)整形電路擬采用斯密特觸發(fā)器作為信號(hào)的整形，斯密特觸發(fā)器又稱斯密特與非門，是具有滯后特性的數(shù)字傳輸門。該器件既可以像普通“與非”門那樣工作， 也可以接成斯密特觸發(fā)器來使用。斯密特觸發(fā)器具有如下兩個(gè)特點(diǎn)： 1、電路具有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓

15、和負(fù)向閾值電壓；2、與雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不同，斯密特觸發(fā)器屬于“電平觸發(fā)型”電路，不依賴于邊沿陡峭的脈沖。它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入輸出特性的門電路。這種電路被設(shè)計(jì)成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。 當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá)V+時(shí)，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達(dá)V-時(shí)，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對于要求一定延遲啟動(dòng)的電路，它是特別適用的。 而從IC部的邏輯符號(hào)和“與非”門的邏輯符號(hào)相比就略有不同，它增加了一個(gè)類似方框的圖形，該圖形正是代表斯密特觸發(fā)器一個(gè)重要的滯后特性。滯后特性是指當(dāng)把輸入端并接

16、成非門時(shí)，它們的輸入、輸出特性是：當(dāng)輸入電壓V1上升到VT電平時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出負(fù)跳變；過了一段時(shí)間輸入電壓回降到VT電平時(shí)，輸出并不回到初始狀態(tài)而需輸入V1繼續(xù)下降到VT電平時(shí)，輸出才翻轉(zhuǎn)至高電平（正跳變），用公式：VTVT=VT 表示，VT稱為斯密特觸發(fā)器的滯后電壓。VT與IC的電源電壓有關(guān)，當(dāng)電源電壓提高時(shí)，VT略有增加，一般VT值在3V左右。因斯密特觸發(fā)器具有電壓的滯后特性，常用它對脈沖波形整形，使波形的上升沿或下降沿變得陡直；有時(shí)還用它作電壓幅度鑒別，在數(shù)字電路中它也是很常用的一種器件。本設(shè)計(jì)中擬采用NE555芯片來構(gòu)成斯密特觸發(fā)器作為輸入信號(hào)的整形電路。2.5 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)方案

17、本設(shè)計(jì)中擬采用74HC161計(jì)數(shù)芯片來組成計(jì)數(shù)電路的核心部分。74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，他可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以與單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能.從74HC161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號(hào)上升沿作用后，74HC161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)

18、位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74HC161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。2.6 主要器件的選型濾波和放大模塊部分，需要用到運(yùn)算放大器，本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器是LM324。LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1

19、所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位一樣。LM324系列由四個(gè)獨(dú)立的，高增益，部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其中專為從單電源供電的電壓圍經(jīng)營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨(dú)立的電源電壓的幅度。應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器現(xiàn)在可以更容易地在單電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松

20、地將提供所需的接口電路，而無需額外的±15V電源標(biāo)準(zhǔn)的5V電源電壓。NE555為8腳時(shí)基集成電路，大約在1971年由Signetics Corporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一非?？焖偾疑虡I(yè)化的Timer IC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路，后來基于CMOS技術(shù)版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原規(guī)格的NE555依然正常的在市場上供應(yīng)，盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其腳位勁能并沒變化，所以到目前都可直接的代用。NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能與運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不

21、同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大一樣；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。該芯片具有以下特點(diǎn)：1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 2.它的操作電源圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平與輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1 短距離紅外計(jì)數(shù)檢測電路短距離對射式紅外檢測電

22、路如圖3-6所示，發(fā)送端由三極管C8050控制發(fā)送管的開通和管段，當(dāng)電路工作時(shí)，打開三極管開通紅外發(fā)射管，電阻R4為紅外發(fā)射管的限流電阻，電阻R5為接收端光敏三極管的上拉電阻，光敏三極管的集電極輸出，發(fā)射極接地。該電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件較少，但是檢測距離較短只有數(shù)厘米左右，這也是一般不用調(diào)制發(fā)射管的發(fā)光頻率來較低干擾的原因。該電路可用于信號(hào)干擾較小的密封型空間部的移動(dòng)物體的計(jì)數(shù)測量。圖3-1 短距離紅外檢測電路3.2 遠(yuǎn)距離紅外計(jì)數(shù)檢測電路遠(yuǎn)距離紅外檢測電路除了考慮到發(fā)射管的發(fā)送功率外，還要考慮到傳輸圍的自然光的干擾等問題。發(fā)送功率可通過提高發(fā)射管的功率以與供電電壓來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)給出了一種遠(yuǎn)距離

23、紅外檢測信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的電路原理圖，其發(fā)射部分與短距離紅外發(fā)射電路類似，只是提高了輸出功率，用40kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)，相當(dāng)于紅外波作為40kHz信號(hào)波的載波。而接收電路采用運(yùn)放組成的放大和濾波電路對紅外接收管的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，再經(jīng)過檢波后輸出，如圖3-2所示。圖3-2 紅外接收解調(diào)電路3.2.1 40kHz帶通濾波器根據(jù)安裝時(shí)紅外發(fā)射器和接收器之間的距離不等，接收頭產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度也不一樣，接收電路涉與到對接收信號(hào)的放大、濾波和解調(diào)制，解調(diào)制即檢波。圖3-2是紅外接收濾波電路，其通頻帶為30kHz-50kHz，中心頻率40kHz，用于將光敏三極管的信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除高頻

24、和低頻干擾信號(hào)，信號(hào)在經(jīng)過放大和整形，處理成為標(biāo)準(zhǔn)占空比50%的方波，再送到檢波電路，通過檢波電路的檢測，由單片機(jī)來處理檢波電路檢測的狀態(tài)。3.2.2 LM567鑒頻電路LM567為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器，LM567的基本功能概述如下：當(dāng)LM567的3腳輸入幅度25mV、頻率在其帶寬的信號(hào)時(shí)，8腳由高電平變成低電平，2腳輸出經(jīng)頻率/電壓變換的調(diào)制信號(hào)；如果在器件的2腳輸入音頻信號(hào)，則在5腳輸出受2腳輸入調(diào)制信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻方波信號(hào)。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。其壓控振蕩器的中心頻率是由5、6

25、腳外接的電阻R1和電容元C1件參數(shù)覺得，由以下公式計(jì)算：（2.1）2腳外接電容影響著鎖相環(huán)的信號(hào)捕捉帶寬Bw，其關(guān)系為：（2.1）該公式表明，f0與C2的值越大，捕捉帶寬就越窄，因此可通過改變C2的值來調(diào)節(jié)捕捉帶寬。如圖3-7是有LM567芯片構(gòu)成的紅外波40kHz檢波電路，由LM567的帶寬Bw與壓控振蕩器中心頻率f0的關(guān)系式可知，LM567中鎖相環(huán)的撲捉帶寬Bw與頻率f0有關(guān)，而頻率f0又和外部RC元件值有關(guān)。因此可以通過改變外部RC元件的值來改變中心頻率f0，相應(yīng)地就改變了捕捉帶寬Bw。在實(shí)際應(yīng)用中，通?？偸菍㈦娙軨的值固定，通過改變電阻R的值來改變捕捉帶寬，從而完成對不同頻率通道的譯碼

26、工作。在改變電阻的方法中，有采用電位器調(diào)節(jié)電阻值得方法，也有采用波段開關(guān)將不同電阻值的電阻分別接入的方法，在本電路中因?yàn)檩斎腩l率為40kHz固定，所以采用了固定電阻值。本設(shè)計(jì)中解調(diào)的紅外調(diào)制波頻率為40kHz，取R11=20k，C12=2.2pF，有以下計(jì)算公式可以驗(yàn)證解調(diào)頻率：（2.1）3.3 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用74HC161作為計(jì)數(shù)器的核心器件，以74LS48作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片，其組成的計(jì)數(shù)器電路和顯示如圖3-3所示。圖3-3 計(jì)數(shù)與顯示驅(qū)動(dòng)電路計(jì)數(shù)器電路中，U27作為個(gè)位計(jì)數(shù)器，U30作為十位計(jì)數(shù)器，74HC161可以設(shè)置計(jì)數(shù)初始值，在本設(shè)計(jì)中沒有用到該功能，所以將相關(guān)引腳做了處

27、理，以防止其誤動(dòng)作。個(gè)位計(jì)數(shù)器芯片的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)來自LM567的檢波輸出信號(hào)，由U29A與非門芯片來配合U27實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器U27計(jì)數(shù)到10后，與非門輸出低電平，該低電平脈沖接到U27的MR清零端，將計(jì)數(shù)器U27清零，該脈沖信號(hào)還接到計(jì)數(shù)芯片U30的計(jì)數(shù)脈沖輸入端，用于計(jì)數(shù)U27的十進(jìn)制進(jìn)位次數(shù)，也就是計(jì)數(shù)高位。計(jì)數(shù)器U30也和與非門芯片U29B組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其工作原理和U27一樣。計(jì)數(shù)芯片U27和U30的清零端都接到兩位按鈕開關(guān)S1處，當(dāng)需要將計(jì)數(shù)器值清零時(shí)，只需要按下按鍵S1即可清零。計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)顯示電路由74LS48芯片和數(shù)碼管組成，74LS48是4線-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，是7

28、端數(shù)碼管的專用驅(qū)動(dòng)集成芯片，本設(shè)計(jì)中采用的是靜態(tài)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的方式。3.4 NE555電路設(shè)計(jì)3.4.1 40kHz信號(hào)發(fā)生電路由NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖3-4所示。接通電源后，電源VCC 通過R1 和R102 對電容C64充電，當(dāng)Uc<1/3VCC 時(shí)，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng)Uc 充電到2/3VCC 后，振蕩器輸出Vo 翻轉(zhuǎn)成0，此時(shí)放電管導(dǎo)通，使放電端(DIS)接地，電容C64通過R102 對地放電，使Uc 下降。當(dāng)Uc 下降到1/3VCC 后，振蕩器輸出Vo 又翻轉(zhuǎn)成1，此時(shí)放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VCC 通過R101和R102 又對電容C

29、64充電，又使Uc 從1/3VCC 上升到2/3VCC,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，從而在輸出端Vo 得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖寬度TL0.7R102 C64，由電容C放電時(shí)間決定；TH=0.7(R101+R102)C64，由電容C64充電時(shí)間決定，脈沖周期TTH+TL。圖3-4 40kHz信號(hào)發(fā)生電路本設(shè)計(jì)中，采用在電容C64的從點(diǎn)電阻R102上并聯(lián)一只快速二極管，這樣對電容充電時(shí)，只有R101為電容充電，電容放電時(shí)，只有通過電阻R102放點(diǎn)，將電阻R101和電阻R102的阻值取相等，就可以得到正負(fù)脈寬相等的信號(hào)。本設(shè)計(jì)中選擇電阻值和電容值為：R101=R102=180C64=10

30、nF計(jì)算輸出信號(hào)的頻率為3.4.2 斯密特觸發(fā)器如圖3-5所示為NE555芯片構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器電路。輸入信號(hào)接5.1k上拉電阻，在輸入信號(hào)的上升沿，當(dāng)輸入電壓上升至2/3VCC后，輸出置一，在輸入信號(hào)的下降沿，當(dāng)輸入信號(hào)下降至1/3VCC時(shí)，輸出信號(hào)清零。圖3-5 NE555組成的斯密特觸發(fā)器4 系統(tǒng)電路的PROTUES仿真4.1 系統(tǒng)的仿真模型系統(tǒng)的PROTUES仿真模型如圖4-1所示，主要有NE555組成的斯密特觸發(fā)器，個(gè)位、十位計(jì)數(shù)電路以與顯示電路等部分。示波器用于對比斯密特觸發(fā)器的輸入正弦波和整形后的輸出方波。圖4-1 系統(tǒng)的POTUES仿真模型4.2 仿真運(yùn)行如圖4-2是計(jì)數(shù)器的P

31、ROTUES仿真的整體運(yùn)行狀況。圖4-3是示波器的界面顯示情況。圖4-2 系統(tǒng)的仿真運(yùn)行圖4-3 仿真中示波器的顯示在仿真過程中，當(dāng)按下開關(guān)S1后，運(yùn)行中的計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并將顯示清零，器運(yùn)行效果如圖4-4所示。圖4-4 按下清零按鍵后仿真效果圖結(jié)束語本設(shè)計(jì)主要介紹了一種高速運(yùn)動(dòng)物體的光電檢測與計(jì)數(shù)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和具體實(shí)現(xiàn)過程。本系統(tǒng)采用74HC161作為計(jì)數(shù)器件，通過檢測光電傳感器模塊的輸出，檢測是否有物體通過計(jì)數(shù)傳感器，由脈沖整形電路等模塊的配合，將計(jì)數(shù)值實(shí)時(shí)地顯示在數(shù)碼管上。經(jīng)過對光電檢測與計(jì)數(shù)器系統(tǒng)的研究和PROTUES仿真，按期完成了畢業(yè)論文的撰寫和系統(tǒng)的功能仿真，經(jīng)過對實(shí)物模型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的方案能夠完成預(yù)期目標(biāo)的要求，達(dá)到了良好的效果。經(jīng)過多方面的測試和驗(yàn)證，系統(tǒng)具有良好的工作性能和較好的環(huán)境適應(yīng)性，造價(jià)較低，而且具有較高擴(kuò)展性，系統(tǒng)可以通過稍加改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，得到更廣闊的應(yīng)用前景和較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如將