红外技术器的设计

1、数字电子技术课程设计报告红外计件器的设计目 录一、设计任务11.1 系统功能要求11.2 数字电路设计要求1二、设计内容12.1 红外计数器系统工作原理12.2 系统框图与原理图设计22.2.1 系统框图22.2.2 系统原理图22.3各模块工作原理32.3.1 电源模块32.3.2 红外检测模块工作原理32.3.3 计数器模块工作原理62.3.4 数码管显示模块工作原理72.3.5 失落脉冲检测模块工作原理92.3.6 蜂鸣器模块工作原理11三、焊接与调试过程123.1 焊接过程与调试结果123.2注意事项133.2.1 万用表测量元件时的注意事项133.2.2 焊接电路板时注意事项133.

2、3 实物图13四、总结14一、设计任务1.1 系统功能要求设计并制作一个简易的红外计件器，要求如下：（1） 当“货物” 从红外检测模块经过后，“个位”数码管显示数值加1，当“个位”数码管加至9时，当下一个货物经过时便向“十位”数码管产生进位信号，使其加1，“个位”数码管变为0，两位数码管最多可显示99个货物信息；（2） 当有“货物”通过红外检测电路时，红外检测电路输出检测脉冲， 若 2 秒内没有“货物”通过红外收发模块，即红外检测电路输出的脉冲失落时，蜂鸣器报警； （3） 计件过程中，可通过按键随时清除计数数据。1.2 数字电路设计要求（1） 运用所学数字电子技术知识，设计系统框图和系统电路原

3、理图，并使用Protel DXP 2004绘制系统电路原理图；（2）完成红外检测模块、数码管显示模块、计数器模块、失落脉冲检测模块蜂鸣器模块的组装与调试。二、设计内容2.1 红外计数器系统工作原理红外计数器系统通过红外检测模块的红外发射管和红外接收管检测通过此模块的“货物” ，通过CD4093BCN芯片产生计数触发信号，计数器模块通过两个M74HC192B1R芯片对计数触发信号进行处理后输出QAQD，数码管显示模块的两个CD4511BCN芯片将QAQD信号锁存译码后驱动八段数码管显示计数值。当有“货物”通过时，红外检测模块中CD4093BCN芯片的12引脚输出低脉冲信号，其输入到失落脉冲检测模

4、块中NE555芯片的TRIG端，当负脉冲输入时晶体三极管Q5导通，电容C8通过三极管放电。若输入脉冲没有失落时，NE555由于电容电压峰值低于(2/3)VCC,故NE555的3号引脚输出为高电平调节单稳态RC的时间常数，从而保证被监视的货物通过频率在正常情况下，输出保持在高电平。当频率降低或者脉冲失落时，电容上的电压便充到(2/3)VCC，促使NE555触发翻转，3号引脚输出变为低电平。在蜂鸣器模块中，当3号引脚输出变为低电平时三极管Q4导通，驱动蜂鸣器发出警报声。2.2 系统框图与原理图设计2.2.1 系统框图红外计件器系统框图如图1所示。红外检测模块数码管显示模块 计数器模块蜂鸣器模块失落

5、脉冲检测模块图1 红外计件器系统框图2.2.2 系统原理图 红外计件器系统原理图如图2所示。图2 红外计件器系统原理图2.3各模块工作原理2.3.1 电源模块通过自锁按键S1控制整个系统的通断，通过发光二极管L1指示电路的通断，通过电容C1、C2消除干扰。电源模块原理图如图3所示。图3 电源模块原理图2.3.2 红外检测模块工作原理 （1）红外发射管与接收管红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；发射式是指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来

6、的红外光线才工作。本设计使用直射式。 红外发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管前端的球面形发射部分既不能存在污染物，更不能受到摩擦损伤，否则，发出的红外光将产生反射及散射现象，直接影响到红外光的辐射，可能会降低遥控的灵敏度和遥控距离，也有可能完全失效,红外发射应保持清洁、完好状态。 红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，其为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一

7、般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流，如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。（2）CD4093BCN芯片简介CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有施密特触发功能的2输

8、入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压和下降电压之差定义为滞后电压。引脚图如图4所示。图4 CD4093引脚图（3）模块工作原理红外检测模块的红外发射管和红外接收管检测通过此模块的“货物” ，通过CD4093BCN芯片产生计数触发信号，当货物通过时，计数触发信号为低电平，即信号2输出低脉冲，其输入到计数器模块产生QAQD,信号2还输入到失落脉冲检测模块，进行脉冲是否失落的判断。红外检测模块原理图如图5所示。图5 红外检测模块原理图2.3.3 计数器模块工作原理 （1）M74HC192B1R芯片简介 M74HC192B1R为十进制加/减计数器。其功能如下：具有异步清除功能。

9、当清除引脚CLR为高电平时，不管计数时钟（UP、DWN）状态如何，所有计数输出QAQD均为低电平；具有异步预置功能。当置入控制为低电平时，QAQD将随数据A、B、C、D一起变化，而与UP、DWN无关；具有同步计数功能。当一个计数时钟保持高电平时，另一个计数时钟的上降沿能使QAQD同时变化。同步计数方式消除了异步计数器常有的输出计数尖峰。当计数上溢为9并且UP为低电平时，进位输出CO产生一个低电平脉冲；当计数下溢为0并且DWN为低电平时，借位输出产生一个低电平脉冲。 （2）模块工作原理 来自红外检测模块的计数触发信号输入到UP引脚，DWN引脚置为高电平，此时两个M74HC192B1R芯片工作在十

10、进制加状态，置入控制为高电平，说明QAQD只随UP引脚的低电平脉冲变化。当货物通过时输入到个位的UP引脚一个低电平信号，此时QAQD按十进制加1，个位计数器的进位标志位接到十位计数器的计数控制端UP控制十位计数器工作计数，当个位加至9时，产生进位信号（CO产生一个低电平脉冲），使得十位加1。当按键按下时个位的CLR引脚输入高电平，所有计数输出QAQD均为低电平，数码管显示为00。计数器原理图如图6所示。图6 计数器模块原理图2.3.4 数码管显示模块工作原理 （1）CD4511BCN芯片简介 CD4511BCN是BCD锁存/7段译码器/驱动器。引脚功能如下：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时

11、，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态； LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值；  ：3脚是测试信号的输入端，当=1，=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测8段数码管是否有物理损坏； A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端；  a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。其引脚图如图7，真值表如图8所示。 图7 CD4511BCN引脚图 图8 CD4511

12、BCN真值表 （2）八段数码管简介数码管显示模块采用两个共阴极8段LED数码管，分别显示个位和十位。共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起，即为公共端。阳极即为二极管的正极，阴极即为二极管的负极。通常的数码管分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小数点位段，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示数字。共阴极8段LED数码管原理图和符号图如图10。图9 共阴式8段LED数码管原理图和符号图（3）模块工作原理 CD4511BCN芯片将8421BCD码输入端

13、的数据进行译码后输出到共阴式8段LED数码管的 a、b、c、d、e、f、g端，共阴式8段LED数码管将计数值进行显示。数码管显示模块原理图如图10所示。图10 数码管显示模块原理图2.3.5 失落脉冲检测模块工作原理（1） NE555芯片简介NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个二极管。组成了比较器、RS触发器等多组单元电路。特别是由三只精度较高5K电阻构成了一个电阻分压器。为上下比较器提供基准电压，所以称之为555。引脚功能如下：Pin 1 (接地) ：地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) ：这个脚位是触发NE555使其启动

14、它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) ：当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) ：一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) ：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) ： Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC

15、电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin 7 (放电) ：这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) ：计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是4.5V至16V。NE555管脚图及内部原理图功能如图11所示。图11 NE555管脚图及内部原理图功能（2）模块工作原理当有“货物”通过时，红外检测模块中CD4093BCN芯片的12引脚输出低脉冲信号，其输入到失落脉冲检测模块中NE555芯片的TRIG端，当负脉冲输入时晶体三极管Q5导通，电容C8通过三极管放电。若输入脉冲没有失落时

16、，NE555由于电容电压峰值低于(2/3)VCC,故NE555的3号引脚输出为高电平调节单稳态RC的时间常数，从而保证被监视的货物通过频率在正常情况下，输出保持在高电平。当频率降低或者脉冲失落时，电容上的电压便充到(2/3)VCC，促使NE555触发翻转，3号引脚输出变为低电平。3号引脚输出到蜂鸣器驱动电路，当脉冲失落时使得蜂鸣器报警。失落脉冲检测模块如图12所示。图12 失落脉冲检测模块2.3.6 蜂鸣器模块工作原理失落脉冲检测模块中NE555芯片的3号引脚输出接到蜂鸣器模块中三极管Q4的基极。当“货物”通过时间间隔小于2s时，3号引脚始终输出高电平，此时三极管Q4不导通，蜂鸣器不响；当2s

17、内无货物通过时，3号引脚输出为低电平，此时三极管Q4导通，从而驱动蜂鸣器发声。蜂鸣器模块原理图如图13所示。 图13 蜂鸣器模块原理图三、焊接与调试过程3.1 焊接过程与调试结果当在Protel DXP 2004软件中画好电路图时开始进行焊接。首先焊接电源模块，按原理图在电路板上摆放好每个元件的位置，把每个元件焊接起来。使用USB将5V电源接入到5V-DC插座，按下自锁按键后发光二极管发光正常，使用万用表测量输出电压为5V，电源模块工作正常；接下来依次进行进行红外检测模块、计数器模块、数码管显示模块的焊接，焊接过程中注意不要短路，对于快要连接起来的焊点，要用万用表检测是否短路。焊接完成后再依次

18、按照电路原理图核对，没有连接线错误处，用万用表检查，没有短路、断路处。按下自锁按键，将5V电源接入系统，连续地用手断开红外对管的接收，可以看到数码管能够从00计到99。按下异步清除按键，可以看到两位数码管同时清0，显示为00；然后进行失落脉冲检测模块和蜂鸣器模块的焊接。焊接完成后单独测试蜂鸣器模块是否正常工作，加到蜂鸣器模块三极管Q4的基极一个低电平，可以听到蜂鸣器发声响，证明蜂鸣器模块工作正常。再将这两个模块与上述模块进行连接，组成简易红外计数器系统；最后进行整个系统的调试，上电后不断开红外对管的接收，过段时间后蜂鸣器发出报警声，此时断开红外对管的接收，报警声消失。调节失落脉冲检测模块中的电位器，使用秒表计时，将失落脉冲检测间隔设定为2s,至此整个红外技术器系统焊接并调试成功。3.2注意事项3.2.1 万用表测量元件时的注意事项（1） 在测量电流、电压时，不能带点换量程；（2） 选择量程时，要先选大的，后选小的，尽量使被测量值