数电课程设计-成品计数电路.doc

2014 2015 学年 第 一 学期 数 字 电 子 技 术 课 程 设 计 报 告 题 目： 成品计数电路 专 业： 自动化 班 级： 姓 名： 指导教师： 电气工程学院2014年11月24日-2014年11月27日摘要成品计数器对某物件进行自动计数，在实际生产生活中具有广泛的应用，对通过的物体进行计数，实现统计数据的搜集，如在生产流水线包装数量控制等领域的应用，能节省劳动力有能高效地完成任务。光电计数器采用光电传感器构成的广电门实现对通过光电门的物体进行计数，是一种非接触式计数，在部分场合有着其无比的优越性，从而使其广泛应用于工业生产、实时监测、自动化控制等领域。本课程设计为实现光电计数器的功能，采用模数结合的电路，以红外对射光电传感器为传感器件。电路主要分为信号采集电路、两位十进制计数电路、数码显示电路、报警电路四个模块，分别实现对通过光电门的物体感应，计数，显示，并按要求完成报警功能。计数范围为一百，可以预设计数数目，当计数达到设定后，停止计数并报警，可手动清除报警；还可以计数达一百时，闪灯报警两秒。作品电路主要采用常用分立元件和小规模集成电路，结构简单可靠，能够提供准确的统计值，成本低廉，实用性强，二次开发性高。关键词：计数器 光电传感器 数码显示 报警目录前言1第一章 设计内容及要求21.1 基本要求21.2 提高要求2第二章 设计方案32.1 基本方案32.2 提高方案3第三章 系统组成43.1 系统框图43.2 单元电路介绍53.2.1 信号采集电路53.2.2 计数电路93.2.3 数码显示电路123.2.4 定数报警电路133.2.5 满百报警电路153.3 调试与测试结果17第四章 结论20第五章 参考文献21附录22附录一 电路PCB版图22附录二 电路原理总图22光电计数器前言工业生产中常常需要自动统计产品的数量，计数器在这里有其用武之地。而数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的，通常分为接触式计数器和非接触式计数器两种。本次设计的光电计数器为非接触式计数器中的一种。光电计数器采用光电传感器利用光学原理实现对物件的数目统计。光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。市场上的光电计数器采用的光电传感器有摄像头、光电管等，采用的光的种类有普通光和激光，可见光和不可见光等。本文采用的传感器为红外光电传感器。第一章 设计内容及要求1.1 基本要求利用发光二极管和光敏三极管作为光电计数器的传感器进行计数，用数码管显示计数值，当数码管显示值与设定值相同时报警，此外计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作。1.2 提高要求1) 发光器件和光接收器之间的距离大于lM2) 有抗干扰技术，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差3) 每计数100，用灯闪烁2S指示一下第二章 设计方案2.1 基本方案该方案可以满足设计的基本要求，红外发射管采用直流供电，接收对管判断是否有物体通过光电门，并且当物体通过光电门时输出一个高电平，触发后面的加法计数器，使其加一，为简单起见，计数器为一组BCD码输出，输出由BCD-七段数码管译码器译码，输入至数码管显示。同时有设有四位二进制数码比较器，由拨码盘预先设定一个数量，比较器时时将计数器输出与预设数字进行比较，当两者相同时，发出信号，使计数器停止工作，并且触发定数报警器工作，发出报警。2.2 提高方案该方案在基本方案的基础上，增加脉冲电路为红外发光二极管供电，使其发射红外脉冲，从而可以提高瞬时功率而使平均功率满足正常工作要求，从而可以加大光电门的宽度，以通过较大的物体。同时又增加一组BCD码，使计数范围加大，实现一百以内的计数。又为了间接扩大计数范围，增加了计数满一百，闪灯两秒的提示。该方案较上一方案复杂，但完成的功能更多。满足提高要求。在该方案的具体器件选择上，又有许多方案，如脉冲发射电路中采用的振荡器有多种选择，可以采用元件构成，也可以采用集成电路构成，为简化电路，本设计采用555构成的多谐荡器，其结构简单，便于调试。在计数器方面也有多种选择，计数器种类繁杂，有同步的，有异步的；有十进制的，有十六进制的，在满足要求的基础上，为尽量简化电路，减小各模块之间的联系，本设计采用两块74LS190进行级联，实现模一百计数器。在定数报警电路中，采用两块74LS85实现两组BCD码的比较，报警方式采用蜂鸣器报警。在整百报警电路中，采用555构成单稳态触发器，实现两秒延时，闪灯由555多谐振荡器控制，实现大概每秒3次的闪烁。整个设计中对频率、定时的要求不高，555完全能够胜任。本设计采用提高方案，满足提高要求。第三章 系统组成3.1 系统框图本设计采用提高方案，其系统结构如图3.1所示：图3.1 系统框图由图可见，系统可分为信号采集、计数、显示、定数报警、满百报警四个功能块。以下将分别介绍各功能块的详细构成。各模块重复部分只说明一次。3.2 单元电路介绍3.2.1 信号采集电路该电路主要由脉冲（方波）发生电路，光电转换电路，信号滤波比较电路组成。脉冲发生电路为555构成的多谐振荡器，振荡频率大约为30KHz。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级，它提供两个基准电压，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01f的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。由555定时器和外接元件、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过、向C充电，以及C通过向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图三所示。输出信号的时间参数是：式3.1式3.2式3.3所以，式3.4其中，为由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求与均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。在本设计中，要求发光器件和光接收器之间的距离大于lM，这就需要增大发光器件的瞬时发射功率但又保证平均功率在正常工作范围内，这样只有缩短每次发光器件的工作时间，反映到脉冲发生电路即是减小脉冲的占空比。但上述电路的占空比始终大于50%，且调节影响频率。而改进型的555多谐振荡器可以方便的调节制定占空比，电路如图3.2。图3.2 可空占空比的555多谐振荡器电路中增加了两个导引二极管，使充放电的电流流过指定的电阻，只要分别调节和的比例就可以方便的调节输出波形的占空比。上电路中，震荡周期T和占空比分别为：式3.5式3.6本设计中输出波形的频率大约为30KHz，占空比大约是20%。所以式3.7式3.8按常规，电阻和电容选取不宜过大或过小，中和调节，选取电容0.022F，电阻=390，电阻选用2K的电位器，调节至大约1.8K。如图3.2。光电转换电路采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换传感器，采用典型电路，如图3.3。图3.3 光电转换电路从555多谐振荡器输出的信号控制小功率三极管的导通与截止，从而控制发光二极管发光与否。接收电路由光敏三极管上接电源并加一下拉电阻实现。发光二极管的正常工作压降大约是1.2V，电流大约是20mA，从而可以估算出限流电阻大约是150，但是由于由脉冲信号控制，工作时间大约占20%，因此瞬时功率可以提高5倍，即限流电阻减小80%，大约是30。光敏三极管在无光照射下，电阻可达输兆欧姆，有足够的关照时，电阻降到几千欧姆，因此其分压电阻可以取几十到几百千欧，具体需根据实际情况调整，这里采用了典型值33K。图中3节点输出含有直流分量的信号，其交流部分大致同步于前面脉冲输出信号。光电转换电路输出信号在无物件遮挡住光线时，输出含有直流交流分量的信号，再有物件遮挡光线时，输出是一电压较低的直流信号。因此通过滤波电路，可以将两种信号转换为不同电压的直流信号，再通过一定阈值的比较器，可以将两种信号转换为数字电路中的高低电平，从而控制后续电路。电路如图3.4所示。图3.4 滤波比较电路电路中，和构成滤波电路，为了减小纹波，一般电阻、电容取得较大。但电容和电阻取得过大又会使的在两种输入信号切换时，电路反应迟钝，这里选用了一般值。比较电路采用LM258构成，3脚输入参考电压，即是阈值电压，2脚输入待处理信号。阈值的选取需根据实际情况设定，是电路能够准确的区分两种不同的输入信号电压，因此采用一电位器从电源分压获得，其中电容为纹波滤除电容。综合上述三个电路，信号采集电路可以实现提高要求1和2，电路情况为当有物体从广电门中通过是，遮挡住红外光线，电路输出高电平，平时输出低电平。所以当有物件通过光电门时，电路输出一个高电平脉冲。3.2.2 计数电路计数电路主要采用计数器统计信号采集电路输出的脉冲个数，实现对物件计数的功能。为了使电路简单化，减少其它器件的使用，通过查看各种计数器芯片的技术手册，选取74LS190该电路的计数器。74LS190为可预置十进制同步加减计数器，其功能表见表3.1。其预置是异步的，当置入控制端为低电平时，不管时钟端CP状态如何，输出端即预置成与数据输入端相一致的状态。其计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。当计数控制端为低电平时，在CP上升沿作用下同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制为低电平时进行加计数；当为高电平时进行减计数。只有在CP为高电平时和才可以跳变。其有超前进位功能，当计数上溢或下溢时，进位/借位输出端输出一个宽度等于脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。；利用端可级联成N位同步计数器。当采用并行时钟控制时，则将接到后一级；当采用并行控制时，则将接到后一级CP。表3.1 功能表输入输出CPLd0d1d2d3d0d1d2d3HLL加计数HLH减计数HH保 持状态输出CPLHHHLHH 高电平L 低电平低电平脉冲 任意 上升沿本设计要求设计两位十进制计数器，根据其具备的功能，可得电路，如图3.5，其中和分别为低位和高位的BCD码输出，CLK输入端为信号采集电路的输出信号，RESET输入端为复位电路的复位信号，HOLD为定数报警电路的锁定信号。正常计数时，RESET为高电平，HOLD为低电平。当计数满一百时，输出端FLASH输出一个下降沿，用以触发满百报警电路。图3.5 两位十进制计数电路图3.6 上电复位电路复位电路如图3.6，是一个典型的上电低电平复位电路。刚通电时，电容充电，RESET的电压接近于0V，随着电容不断充电，RESET的电压逐渐上升，当达到74LS190的高电平定义电压时，复位结束。延时时间为：式3.9根据经验，选取如图3.5的参数，可实现大概0.02s的复位时间。当电路正常工作后，按下开关SW3，可实现手动复位。加入复位电路是为了防止在上电瞬间使计数器误触发而计数错误。3.2.3 数码显示电路该电路是实现将计数电路的计数值以直观的数字方式显现出来，只需实现基本要求即可，无特殊要求。计数电路输出两组BCD码，为了使电路简单，应选用BCD码七段数码管译码驱动器，而七段数码管的选择与之配套。译码器无特殊功能要求。这里选用了常用的74LS48共阴数码管驱动器，配套选取共阴八段数码管，但小数点位不用。74LS48 为内部有上拉电阻的BCD七段数码管译码器/驱动器，输出端为高电平有效，可用于驱动缓冲器或共阴数码管。其功能表如表3.2所示：表3.2 功能表十进制输入输出字形A3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYg0HHLLLLHHHHHHHL1HLLLHHLHHLLLL2HLLHLHHHLHHLH3HLLHHHHHHHLLH4HLHLLHLHHLLHH5HLHLHHHLHHLHH6HLHHLHLLHHHHH7HLHHHHHHHLLLL8HHLLLHHHHHHHH9HHLLHHHHHLLHH根据功能表，将接高电平，接计数电路的，该部分电路简单，只要根据功能表将相应端口连接起来即可完成功能，如图3.7，除了复位电路外，无需其他外围电路支撑。图3.7 数码显示电路电路中、分别接计数电路中的相应标号的管脚。电阻起限流作用，保护共阴数码不被烧毁。由于数码管相当于并联LED，因此前面计算的限流电阻计算值仍然适用，但又由于是LED并联情况，在正常工作时，存在同时数个LED共同发光的情况，总线中的电流加大，因此应适当减小限流电阻的大小，这里选取200的电阻。3.2.4 定数报警电路定数报警电路是实现当数码管显示值与设定值相同时报警同时计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作等功能而设计的。由于设定值以及数码管显示值也就是计数器计数值与手动设定值之间的比较，因此电路采用开关组代替拨码盘用以设定数值，采用两个四位二进制比较器进行两种数值的比较。为是电路简单，未使用拨码盘用以设定数值，而采用开关组加下拉电阻代替，因此操作上存在一些不直观，开关的闭合用以表示二进制数中的0、1，八个开关可以表示两组BCD码可以达到要求。电路见图3.8总线左边部分。图中SW1为开关组，含有八个开关，RP1为排电阻，含有八个共端电阻，1脚为公共端。排电阻作为下拉电阻，开关的开闭状态标识符在图中已表明，当开关关（off）的时候，相应输出为低电平，表示“0”，当开关位于开的状态时，相应输出端为高电平表示“1”。比较器采用四位二进制比较器74LS85，既可以用于二进制数码的比较，也可以用于BCD码的比较。其外引线排列如图3.2.4.2 。对两个4位二进制数的比较结果，由三个输出端、输出。该芯片还具有级联以具有比较较长的字，此时低位级的、连接到高位级的相应输入端、，并使低位级的为高电平，其功能表见表3.3。但在本设计中，比较两组BCD码，只取相等的情况，因此没有采用较复杂的级联电路，二十两组BCD码各自比较，取相等的情况相与。但是应该考虑输入端、的电平输入情况，按要求，、接低电平，接高电平，如图3.2.4.1，电路中、分别接计数电路中的相应标号的管脚。图3.8 设数与比较电路表3.3 功能表输入输出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图3.8输出端3接报警电路。该报警电路具有声音报警和锁定计数器的功能。由于计数器的计数范围为099，所以能够预先设定的数值也在099，当该功能有效时，计数值最多为 99 ，达不到100，使得满百报警电路永远不能被触发而报警。为了防止其功能与满百报警电路功能相冲突，设有功能开关，如图3.9中的SW2，断开开关，关闭定数报警功能，从而可以使满百报警功能得以实用。报警器采用蜂鸣器，只需要采用三极管驱动即可，由于蜂鸣器工作状况与LED相似，限流电阻取值仍未之前的计算值。HOLD输出端为锁定信号，用于锁定计数器，处于锁定状态时，按下复位电路的复位键后，解除报警，计数器重新开始计数。图3.9 报警电路3.2.5 满百报警电路该电路是为了实现每计数100，用灯闪烁2S指示一下功能而设计的。根据计数电路介绍，当计数器由99回转向0时，FLASH输出端将输出一个下降沿，因此可以用此信号来触发满百报警电路。将该信号进行微分后，得到一个短暂的负向脉冲，用以触发由555构成的单稳态触发器，使其输出一个两秒的高电平，用以控制555多谐振荡器使其工作两秒，输出为时两秒的低频率方波，使LED灯闪烁2s。单稳态触发电路由C1、R1，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C1加到2端，并使2端电位瞬时低于，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，VC 按指数规律增长。当VC充电到时，高电平比较器动作，比较器A1 翻转，输出V0 从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到作好准备。暂稳态的持续时间（即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小：式3.10通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。按要求，为使R和C都不至取得过大，选取C（）为100F，R（）为18K。如图3.10 。图中和构成微分器，其参数的选取参考信号采取电路中的滤波电路。RESET为控制信号输入端，信号来自计数电路中的上电复位电路。为防止上电的瞬间产生的扰动信号使单稳态触发器误触发，加入控制信号RESET，在上电瞬间，由复位电路分析可知，RESET处于低电平，单稳态触发器中的555的4管脚为低电平，因此单稳态触发器不工作，直到RESET恢复至高电平。这里对555多谐振荡器的频率占空比无严格要求，主观选取频率为3Hz，占空比随机。根据前面的介绍，选取为13k，为15k，为10F，如图3.11 。多谐振荡器的工作与否取决于单稳态触发器输出高低。为限流电阻。 图3.10 单稳态触发器 图3.11 多谐振荡器3.3 调试与测试结果电路焊接完毕后，对照原理图检查是否有漏焊、错焊之处，特别要检查电源引线是否短路。确认无误后，上电调试，先查看感觉各元器件是否正常工作，是否有异味发烫等，如有即及时断电检查；若无，测试电路是否完成相应功能，若不能实现某些功能，首先检查相应功能块电路的核心元件是否工作，如检查震荡电路时，先检查555是否起振，用示波器查看2管脚是否有电容充放电的波形，如有，则能正常起振；若无，检查该振荡器是否焊接正确，元件是否选取正确等。经测试，电路正常工作，相关功能完全实现：用手通过一次光电门，记数加一；当计数达到预设的数字时，停止计数，并发出报警，按复位键停止报警，电路重新工作；当断开功能开关计数达一百时，LED灯闪烁2秒。以下是电路的相关仿真图：图3.12为信号采集电路中555多谐振荡器输出波形。图3.13为数码显示电路计数中某一视值。图3.14分别为电路PCB板三维仿真的正