传送带上物件计数器的设计.doc

传送带上物件计数器设计传送带上物件计数器设计第一章 方案论证随着社会的进步和生产的发展，物件计数器已经有了很大的发展，同时也有了很多有关物件计数器的设计方案，但针对的对象不同，所设计的电路也是不尽相同的。此次我所设计的传送带上的物件计数器主要是针对那些规则的、间隔均匀的物件，因此我设计出了自己的合适的物件计数器电路。电路的主要功能是对传送带上的物件进行自动计数、装箱以及对所计物件个数进行显示。关于我设计的方案，我主要论证的电路是检测电路和显示电路以及键盘电路。第一节 检测电路的论证在传送带传送物品的作业过程中，许多物品具有规则形状的块状、颗粒状或棒枝状产品,诸如香烟、香皂、糖果、铅笔、饼干、书籍等。这些物品大多数按规定的标准实行自动加工,其重量和形体均匀一致,且大多数实行计数定量包装,如香烟20支一小包,书籍10本一包,图钉100个一盒等。规则形体的物品包装计数时,先以适当的方式将其送到计量给料位置或料斗中,再由计数定量装置按包装要求进行计数给料。目前常用的计数定量装置有：光电检测计数装置,以及用于块状物品的冲头式定量给料装置,用于块状或颗粒状物品的模孔式定量给料装置,用于块状物品的差速定量给料装置,用于棒状物品的容腔式定量给料装置等。采用光电检测装置进行计数供送具有装置轻巧、检测速度快、检测范围广、精确度高、非接触、抗干扰、便于实现自动控制等优点,应用非常广泛。在研制、开发和应用光电计数供送控制系统时,除了要注意一般数控电路共有的防电磁干扰和微机接口技术问题外,还要注意光电计数检测控制特有的几个技术问题,如被检物品的排队、检测信号的整形、防止误计(多计或漏计)以及防车间照明光源的干扰等。由于我们时间和精力有限，我们只研究了规则的、有间隔的物件计数，于是我们选择了光电检测装置。光电检测在工业上的运用也分为好多种。可以检测一切能够影响光量或光特性的非电量，例如，位移、振动、力、转矩、转速、温度、压力、流量、液位、湿度、液体浓度、浑浊度、成分、角度、表面粗糙度、乃至图像等。我用的是光电检测中的光电开关，光电开关又称电眼、光电传感器等，在传送带机械中主要用来检测物件是否通过，保证计数的准确。目前常用的光电开关是红外线光电开关，是利用物体对近红外线光束的反射原理，由同步回路感应反射回来的光的强弱而检测物体的存在与否，即光电传感器首先发出红外线光束到达或透过物体，物体或镜面对红外线光束进行反射，光电传感器接收反射回来的光束，根据光束的强弱判断物体的存在。红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380nm -780nm，发射波长780nm-1mm的长射线称为红外线，浙江省洞头县光电开关厂生产的红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。如图 1.1所示。图 1.1 波长示意图红外光电开关的种类也很多，有镜反射式光电开关、漫反射式光电开关、槽式光电开关、对射式光电开关、光纤式光电开关等。漫反射式光电开关是将发射器与接收器装在一起的传感器，当物体通过时，物体对发射器发来的近红外线进行反射，接收器接收后就形成了开关信号，该信号经过放大后就可以用来控制物体的进退速度，发出停、进指令。很显然，被检测的物体要有较高的反光率，这样才能保证光电开关获得可靠的开关信号。漫反射式光电开关结构简单、安装方便、造价较低、使用范围广，但使用调整困难。接收器接收的光强，会随着物体的远近、光电开关与物体的夹角大小而变化，常常影响到检测的精确度，所以不很实用。其原理图如图 1.2所示。 图1.2 漫反射式光电开关槽式光电开关采用U字型结构，发射器和接收器分置于U型槽的两边，并在同一轴线上，发射器发出的近红外线被接收器接收，光线在槽中形成了光轴，当被检测的物体通过时，物体对光轴形成了阻断，从而能使光电开关产生开关量信号。槽式光电开关的光轴的长短固定。光轴越短，光电开关受到的外界光干扰就越小，因此可靠性越高。所以槽式光电开关主要用于速度较高的场合。其原理图如图 1.3所示。 图 1.3 槽式光电开关镜反射式光电开关解决了漫反射式光电开头反射光强不一的问题。它虽然也是将发射器和接收器集成于一体，但是它在物体的另一面设置了反射镜，发射器发出的近红外线经过反射镜反射到接收器，反射的光强基本是一致的，这就减少了检测的误差。当有物体通过时，就阻断了光线，从而得到了开关量。其原理图如图 1.4所示。图 1.4 镜反射式光电开关对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。其原理图如图 1.5所示。图 1.5 对射式光电开关光纤式光电开关，是通过塑料戴玻璃光纤传递光信号，可以实现远距离控制。对于距离较远的检测项目来说，可以使用光纤式光电传感器。经常使用的光纤传感器有漫反射式和对射式两种，在物料的计数等方面使用较多。其原理图如图 1.6所示。图 1.6 光纤式光电开关在不同的场合使用不同的光电开关，例如在电砚振动供料器上经常使用光纤式光电开关，在间歇式包装机包装膜的供送中经常使用漫反射式光电开关，在连续式高速包装机中经常使用槽式光电开关。我这次设计的是关于传送带上有间隔的物料计数，而对射式是发射与接收形成光轴，直接接收光信号，安装简单，工作可靠，所以我选择使用了对射式光电检测来完成传送带上计数的功能。除了正确选择光电开关的品种与型号外，还要考虑生产厂家的因素。目前国内生产光电开关的厂家很多，企业规模有大有小，质量当然差别较大，但并不是说大企业的产品质量就好。一般来说，直接向企业购买具有较大的质量把握，现在有的企业为了扩大市场份额，对同一种型号的产品标价不一，其内部元器件的质量就差别较大，因此在购买时就要明确使用期限的保证，一般购买较经济实惠的一种比较合算。第二节 显示电路的论证 我们知道，显示技术是光电子技术与计算机技术的结晶，它的应用早已超出数字显示和计算机终端显示的范围，渗透到商业广告、新闻发布、交通运输、体育比赛、文化娱乐、航天及模拟军事演习等领域，成为信息革命的重要工具。在我所设计的课题中，显示电路是为了显示传送带所计的物件的个数和显示所设置的包装箱内要装的个数。要选择什么样的显示电路需要从要完成的功能和与单片机硬件电路之间的关系而定。总的来说，显示电路和计数是紧密相连的，只要有计数，一般都要有显示电路。目前国内外生产的显示器种类繁多，性能各异，分类方式也不尽相同。按发光类型分可分为主动发光型和被动发光型两大类。前者本身发光，后者不发光，只能反射或投射、透射光线。显示器分为灰光管、荧光管、LED数码管、LCD显示器等，显示器的详细分类情况见表1.1。参数辉光管（NRT）荧光管（VFD）阴极射线管（CRT）像元管（扁平CRT）LED数码管LCD显示器工作电压/V17520几千8.5K10K1.724-6（交流）工作电流/mA260.210913060（一位全亮笔段）10uA典型功耗/mA350120几百9007050发光响应时间150us1ms0.1us0.1us0.1us50ms最高工作频率/HZ低较低高高几兆赫几百赫发光颜色桔红、橙绿单色、彩色红、绿、蓝红、绿、橙、黄、白、蓝本身不发光显示亮度/（cd/m2）较高205200150090000.35(mcd)不发光工作温度/-20+80-20+80-55+75-30+70-30+850+50使用寿命/h50021031041.61041052104表1.1 显示器的详细分类我们在设计中考虑到显示电路要显示出光电检测装置所计物体的个数，显示的数值是从0000到9999，只有四位显示，而发光二极管LED的工作电压不高，只有1.72V，价格又便宜，符合我们的要求，所以我就选择了主动发光型发光二极管LED数码管显示。在我们的显示电路中，它的作用是：光电检测系统将传送带上有无物体通过时所接收到的脉冲信号送往单片机，单片机通过内部计数处理后，驱动显示电路的四位LED数码管显示出所计的数值。单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU只要送出标准的BCD码即可，硬件接线有一定标准。软件译码是用软件来完成硬件的功能，硬件简单，接线灵活，显示段码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式由于我所设计的电路中，需要的I/O口比较多，同时为了节省线路板空间，我选择使用动态扫描显示的方法，并且利用软件译码的方式来帮助动态扫描完成显示的功能。我们运用了动态扫描之后，在画PCB板的时候，省去了很多麻烦，况且我们使用的是单面板，如果使用静态扫描，印制出来的电路板会很复杂，不易调试。另外，在我们的设计中，还设有键盘电路。由于键盘电路的功能主要是用来设置包装的个数及控制程序的运行或暂停的，所以用到的按键很少，我们在设计中选用了五个按键分别为：设置键、加一键、减一键、运行或暂停键、清零键，因此，我们用了比较简单方便的独立式键盘。第二章 系统介绍第一节 系统结构原理图在系统中，我们主要是要完成传送带上物件的计数和包装，并通过显示电路显示出所计数值的功能，因此本系统主要包括：单片机、光电检测电路、显示电路、键盘电路、两条传送带控制电路、报警电路以及状态显示电路。有关传送带上物件计数器设计的系统结构原理图如下图2.1所示。检测电路键盘段驱动显示电路驱动电路传送带控制电路报警电路驱动电路单片机状态显示驱动电路图2.1 系统框图第二节 系统工作原理在系统中，我们采用了红外线光电开关与单片机结合对传送带上的物件进行计数的方式。考虑到抗干扰性，这里采用了由红外线发射电路中的NE555组成的时基振荡器产生振荡频率为38kHz的调制信号。再由NE555驱动红外发光二极管以红外线的形式发射出去，由于我们采用的是对射式光电检测装置，所以红外线接收单元就用了集红外接收、放大、鉴频于一身的接收头HRM3800，这样就大大提高了系统的灵敏度和抗干扰性。系统还采用了两条传送带来分别完成物件的传送和包装箱的运送，两个继电器在单片机的控制下闭合或打开，从而控制物件传送带和包装箱传送带的运行和停止。在物件传送带上，当没有物体通过时，红外接收二极管能够接收到红外信号，并经接收电路反向放大后输出低电平信号。当有物体通过时，红外接收器收不到红外信号,输出高电平,接收单元HRM3800将此信号放大、鉴频，再经Q8反相成低电平后送入到AT89C51单片机的中断口P3.2口,同时单片机在内部程序的扫描过程中，扫描到低电平信号就加一计数，并由显示电路显示出当前的计数个数。当计到警告计数个数时，状态信号灯绿灯灭，红灯开始闪亮。当计到设置的包装个数时，红灯停止闪亮，蜂鸣器报警，物件传送带停止运行，包装箱传送带开始运行。五秒后，又一个空箱到位，包装箱传送带停止运行，物件传送带又开始运行，计数包装重新开始。 为了更好的说明问题，我选用由株洲工学院机械系的王桥医教授所设计的通过8031单片机对交流电机的控制，结合光电检测技术，实现产品的计数的方案来介绍一下。这个方案和我们的方案具有很大的相似之处，在某些方面我们的和它还有差别，有待改进。我们从图2.2所示可以看出，该系统也控制两条传送带。即包装箱传送带和产品传送带。包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把满箱运走，并用一只空箱来代替。为使空箱恰好对准产品传送带的末端，以便使产品刚好落人箱中，在包装箱传送带的中间装一光电控制器，用以检测包装箱是否到位。产品传送带将产品从生产车间传送到包装箱，当某一产品被送到传送带末端，则会自动落人包装箱内，并由检测器转换成计数的脉冲。图2.2 传送带实物图硬件接口电路为了完成上述控制任务。用P1.7位控制产品传送带，用P1.6位控制包装箱传送带，它们均通过一个反向驱动器，与光电隔离器的发光二极管阴极相连。为了监测包装箱是否到位和计量产品装箱的个数，系统采用两个光电检测器。其中检测器1用来检测包装箱是否到位，检测器2用来检测是否有一个产品落人箱内。在此系统中，他用了两个传送带，一个用于传送包装箱和一个用于传送物件，这与我所设计的是一样的，不一样的是在他所设计的方案中，用了两个光电传感器分别用来检测物件的通过和包装箱的到位，而在我的设计中，仅用了一个光电传感器来检测物件是否通过。对于包装箱的到位问题，为了经济实用，减少器件，我采用了用软件实现的方式，即利用单片机延时程序。计算得出包装传送带从一个箱子装满到下一个箱子到位所需要的时间，用单片机控制延时来实现。这在间隔均匀的规则的传送带上还实用，但一旦出现包装箱间隔不均匀，就会出现错误，物件将不能正确的装入包装箱内。因此，我们的设计还存在着很大的缺点，还需要进一步的改进。第三章 硬件电路设计硬件电路是系统设计的主要组成部分，各个部分硬件电路的组成是就是整个系统各个功能模块的组成。在我们的系统中，硬件电路主要由检测电路、显示电路、键盘、电源、以及继电器、蜂鸣器电路组成。第一节 检测电路在检测电路中，我们使用的是光电检测中的红外线光电开关。光电检测技术是光学和电子学技术相结合而产生的一门新兴检测技术。它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示等。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量或光特性的非电量，例如，位移、振动、力、转矩、转速、温度、压力、流量、液位、湿度、液体浓度、浑浊度、成分、角度、表面粗糙度、乃至图像等。通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接收的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息变换成电量，并进一步经电路放大、处理等，达到电信号输出的目的。这些信息变换技术和电信号处理技术便是光电检测的主要内容。光是一种电磁射线，其特性如同无线电波和X射线，传递速度约为300000千米/秒，因此它可以在发射的一瞬间被其接收。红外线光电开关是利用人眼不可见（波长为780nm-1mm）的近红外线和红外线的来检测、判别物体。通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化：利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。在我们所设计的系统中，由于使用了对射式光电检测装置，所以在检测电路中就一定包含有发射电路和接收电路。一、 发射电路系统中我们所采用的发射电路是由NE555和几个电阻电容组成多谐振荡器，产生振荡频率为38KHZ的调制信号，然后再驱动红外发射管PH303把这38KHZ的调制信号以红外线的形式向外发射。电路图如图3.1所示。图3.1 发射电路（一） NE555的介绍NE555在电路中的作用是极其重要的，抗干扰性很强的38KHZ的调制信号就是有由NE555组成的时基震荡器产生的。NE555是555定时器中的一种，现在先把555定时器介绍一下。1 555定时器简介555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。常见的数字或模拟集成电路型号的阿拉伯数字仅表示其编号。而555时基集成电路的3个“5”，却有具体的含各生产厂家无一例外的在型号中加以保留。这是因为在该集成基片上的基准电压电路是有三个误差极小的5K的电阻组成的，分压精度高。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。555电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警 、电子玩具等诸多方面。可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波产生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。2. 用555定时器构成的多谐振荡器在检测电路中，往往外界或其本身都有很大的干扰，考虑到抗干扰性，我采用了由红外线发射电路中的NE555构成的多谐振荡器产生的振荡频率为38kHz的调制红外信号。在这里就把由555定时器构成的多谐振荡器介绍一下。（1）电路的组成及工作原理多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。如图3.2（a）所示，将555（或1/2 556）与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。与单稳模式不同之处仅在于触发端（2脚）接在充、放电回路的C上，而不是受外部触发控制。图3.2 多谐振荡器电路图和波形图当加上VDD电压后，由于C上端电压不能突变，故555处于置位状态，输出端（3脚）呈高电平“1”，而内部的放电管VT1截止，C通过RA RB对其充电，2脚电位随C上端电压的升高呈指数上升，如波形图3.2(b)所示。当C上的电压随时间增加，达到2/3VDD阈值电平（6脚），上比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出V0呈低电平“0”。此时，放电管VT1饱和导通，C上的电荷经RB置VT1管放电。当C放电使其电压降至1/3VDD触发电平（2脚）时，比较器A2翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端（3脚）呈高电平“1”。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。其振荡频率为： (3-1)其输出波形占空比q为： (3-2) 从上面的公式我们不难得出以下结论：a. 振荡周期与电源电压VDD无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅与R A、R B和C的值有关。b. 振荡波的占空比与C的大小无关，而仅与RA、RB的大小比值有关。3555的选择 在发射电路中，通过发射管的电流越大，发射管发射出的红外线的强度越强，传送的距离越远，抗干扰的能力越强，这在实际的电路中是非常重要的 。所以在选择脉冲形成电路中，就需要选择一个驱动能力强的矩形波产生电路。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为516V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为318V，最大负载电流在4mA以下。通过对两种型号的555进行比较，我了解到，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合，宜选用CMOS型 555。而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555。关于驱动能力，双极型555可直接驱动低阻负载，如感性继电器、小电动机及扬声器等。CMOS型 555只可直接驱动高阻抗负载。若驱动大的负载，可在输出端外接小功率放大晶体管来弥补。由于在设计电路时，我们考虑到通过发射管的电流越大，发射管发射出的红外线的强度越强，传送的距离越远，抗干扰的能力越强。所以需要选择具有大驱动电流的555，因此，我在电路中选用了NE555。此外，由于双极型的555冲击峰值电流大，在电路中要加电源滤波电容，且容量要大，我们在画图的时候没有考虑到这一点，等做出来产品的时候才发现脉冲信号波动很大。在指导老师的建议下，我们又接了一个滤波电容在上面，出来的脉冲就非常稳定了。双极型555的输入阻抗远比CMOS型 的输入阻抗低，一般要在555的电压控制功能端加一去耦电容。如图3.1中的电容C5。（二）PH303的介绍PH303是红外发光二极管的一种，它在发射电路中的作用是把由NE555组成时基振荡器产生的振荡频率为38KHZ的调制信号以红外线的方式发送出去，以供红外接收电路接收信号。红外发光二极管的原理、结构工艺与大家熟悉的发光器件LED基本一样，它们都是一种把电能直接转化为光能并具有一种P-N结的发光二极管，只是两者所用的半导体材料不同，LED发出的是可见光，红外发光二极管发出的是不可见光红外光或红外线。光是一种电磁波，可见光的波长范围为380760nm（纳米），红光波长为650760nm（超过760nm的为红外光），红外发光二极管也是一种发光二极管，仅仅是发光的波长不同，为了区别起见，加上“红外”二字。制造发光二极管的材料，主要有磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP），而制造红外发光二极管的材料有砷化镓(GaAs)、砷铝化镓（GaAlAs）等，其中用的最多的就是GaAs。红外发光二极管与普通发光二极管一样也具有以下几个特点：1. 体积小、寿命长、可靠性高、耐振动、耐冲击。2. 耗电省、发热少。一般来说正向电流小于60Ma，正向电压小于1.6V，功耗是60Mw。3响应速度快，调制容易。4能用晶体管和集成电路直接驱动，且驱动电路简单，易于和集成电路或晶体管配用。红外发光二极管的基本参数：(a) 伏安特性红外发光二极管的管压降与材料及流过的电流有关，GaAs 材料的小功率管Vf=11.3V，中功率管Vf=1.6V，大功率管Vf=2V。（b）工作电流If及峰值电流Ifp一般小功率红外线发光二极管的正向工作电流IF为3060mA。如果长期超过Vf范围工作，管子会过热而烧坏，在使用时必须加上拉电阻。峰值电流Ifp是指流过管子脉冲电流的最大峰值。二接收电路在我们的系统中，红外接收电路是由华联公司生产的集红外接收、放大、鉴频于一身的一体化的接收头HRM3800和一个三极管9013、几个用于滤波限流的电容、电阻组成的电路，另外为了能清楚的知道是否有物体通过，还在电路中加了一个发光二极管。电路图如图3.3所示。图3.3 接收电路当无物体通过时，红外接收头能够接收到发射电路发射的红外信号，并输出一个低电平信号，再经Q8反向后输出高电平信号送往单片机AT89C51的P3.2口。当有物体通过时，红外接收头接收不到红外信号而输出高电平,经Q8反相成低电平并送往单片机的P3.2口,此时单片机扫描到低电平就加一计数，并控制显示电路显示出当前的计数个数。红外接收电路也可以由红外接收二极管与放大电路组成，放大电路通常是由一个集成块及若干电阻电容等元件组成，并且需要封装在一个金属屏蔽盒里，否则，电路的抗干扰能力特别差，因而这个电路比较复杂，体积也比较大。市场上这类接收单元最具有代表性的是由红外接收管PH302和用来放大、鉴频的集成电路upc1373组成的电路。它们组成的电路图如下图3.4所示。图3.4 由Upc1373H组成的发射电路图3.4是以Upc1373H为核心组成的红外接收电路，它包括红外光电转换电路，Upc1373H及外围电路和集电极输出级。Upc1373H的7脚外接红外光电二极管；6脚为Upc1373H内的前置放大器的反向输入端，外接R、C滤波网络；3脚外接LC谐振选频回路；4脚为峰值检波的RC滤波端，外接R、C以实现检波和滤波功能。电路的工作过程如下：当接在Upc1373H输入端的红外光电二极管PH302 接收到红外发射器发出的38KHZ的红外光指令信号后，PH302将红外光信号转换成相应的电信号，并送入Upc1373H内的前置放大和由L、C组成的并联谐振回路选频，（L、C调谐在38KHZ）后，使输入的38KHZ指令信号获得最大增益，并滤除其他干扰波，然后经限幅和峰值检波后，由1 脚整形输出一个负跳变脉冲信号。当没有物体通过时，红外光电二极管PH302接收到红外信号，经Upc1373H内部放大，检波和整形后，Upc1373H的输出端1脚呈低电平，因VT采用了NPN型三极管，故此时截止不导通，其集电极输出一个高电平。只有当有物体通过，红外光电二极管PH302接收不到38KHZ红外光信号时，Upc1373H的1脚呈高电平，VT饱和导通，在其集电极才输出一个经过整形的负跳变脉冲。 接收电路采用的红外接收、译码集成电路Upc1373H是日本NEC公司的产品。Upc1373H集成电路包括前置放大器、限幅放大器、峰值检波器、整形电路、自动偏压控制电路和自动亮度电平控制电路（ABLC）等。ABLC可保证在输入信号较弱时有较高的增益，而在输入信号较强时，放大器又不会过载，以保证红外光强度变化较大时该集成电路能正常工作。Upc1373H的内部没有自动亮度控制（ARC）电路，对于强度不一，频率相符的红外信号，均能做出准确反应，频率相符是指外加谐振回路的频率与接收的红外信号的频率一致，此时它的输出端1脚由高变低，从而对后面的执行电路进行遥控。Upc1373H内的放大器不带有用于滤波的网络，使用时应在外电路中接入LC谐振网络，以便进行选频放大。在接入合适参量的L、C元件后，Upc1373H可成为一个高灵敏度、高增益（约60DB）的红外接收放大电路。PH302是与PH303配套的专用红外接收二极管，它把接收到的红外信号送入集成块upc1373进行放大、鉴频后再送往单片机。这种由PH302和Upc1373H组成的红外接收电路虽然比较方便，但电路还是有点复杂，抗干扰性也不强。比起这个电路来讲，在使用过程中用西门子公司生产的SFH506-38或厦门华联生产的HRM3800这种集接收、放大、鉴频与一身的接收头，会更好一些。这种集成块将接收管与放大电路集成在一体，体积小，密封性好，灵敏度高。它仅有三条管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5V左右，只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，使用非常方便。图3.5为SFH506-38的外观图。图3.5 SFH506-38的外观图SFH506-38红外遥控接收模块是将红外光电二极管，前置放大器、解调器和整形电路等集成在同一基片上的功能模块。它不像常见的红外遥控接收放大器那样有将upc1373H前置放大的解调器件、红外光电二极管及其外围元件组装而成，SFH系列模块具有体积小、重量轻、抗干扰性能好、接收视角宽、无外部元件等优点，因而性价比较高，由于体积小巧、耗电省、稳定性好，他可取代常用的电视、音响及空调等电器的红外遥控接收、放大、解调电路。由于近年来国际市场上迅速发展的一种新型半导体红外接收器件HRM3800采用的是一体化塑封集成技术，将红外光探测器前置放大器封装在一起，在其结构、性能优于传统分立元件组装的金属外壳接收放大器，具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强、可靠性好等显著特点，而且价格更低，于是逐渐淘汰了价格稍高的SFH506-38。厦门华联电子有限公司生产的红外遥控接收放大器HRM3800是将光探测器与前置放大器封装在一起，以实现接收脉冲编码信号调制的红外光信号，塑料封装可滤除可见光，检波输出信号可直接由微处理器译码，主要用于电视机、录像机、卫星接收器、空调器，数据通讯领域。HRM3800的主要特点是在光探测器接收红外遥控发射器的调制红外光信号，输入前置放大器，经过放大、检波、解调后输出，实现红外遥控接收放大信号。HRM3800的技术参数指标和外形结构也是综合比较国外同类产品性能、参数、工艺可行性及国内市场需求多等因素确定的。在抗电磁干扰方面，HRM3800带有屏蔽罩的支架及满足结构性能的封装模条，光探测器芯片全是进口专用IC芯片。芯片装架采用导电胶和非导电胶两种，其胶的性能既能保证充分导电或绝缘，又能适应温度的要求。导电胶和非导电胶均是进口产品。他还采用的是环氧树脂全包封，在里面掺杂可滤除可见光的填充料，器件的抗光干扰性能很强。综合以上所介绍的比较之后，我们在实际电路中运用了HRM3800结合一个上拉电阻，两个滤波电容和一个三极管9012就组成了我们所需要的红外线接收电路，电路如图3.3 所示。这个电路不但简单、方便而且性能好，具有很好的灵敏度和抗干扰性。第二节 显示电路在系统中，显示电路的作用就是显示出检测电路所测出的物件的个数。它显示的数值范围是从00009999。单片机把检测电路送往中断口的脉冲个数，经过软件处理后，外加74LS245，驱动显示电路的数码管点亮，数码管进行加一计数并显示。显示电路原理图如下图3.6所示。图3.6 显示电路从图3.6我们可以看出，显示电路共有以下几个部分组成：单片机AT89C51、总线驱动74LS245以及四位LED数码管显示。现把显示电路的各个部分分别介绍一下。一 、单片机AT89C51单片机就是将中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串行输入输出I/O接口、定时/计数器、中断控制器等部件都集成到一块半导体芯片上的完整的微型计算机。单片机体积小、功能强、功耗低、可靠性高的特点，在过程控制、机电一体化产品、智能仪器、家用电器、计算机网络及通信等方面得到广泛的应用。我们在设计中用的是美国Atmel公司生产的16位的单片机AT89C51。与其他的单片机相比，它有很多优点，它具有低电压、高性能、片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM) 、兼容标准MCS一51指令系统等显著特点， ATMEL公司采用高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，我们再不用外加程序存储器，使用起来非常方便。单片机AT89C51芯片有40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装。40个引脚中有两个专用于主电源的引脚，两个外接晶体的引脚，四个控制或与其他电源共用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。其引脚示意如图3.7所示。图3.7 AT89C51的管脚图一般单片机的输入/输出接口在运用的时候非常重要，我在设计的时候也用到了单片机的几乎所有I/O接口，现在把AT89C51的I/O接口介绍一下。我们已经知道，AT89C51有4个8位并行输入/输出接口：P0口、P1口、P2口、P3口，共计32根输入/输出线。这四个接口可并行输入或输出8位数据，也可以按位使用，即每一位均能独立作输入或输出用。每个口虽功能有所不同，但都具有一个锁存器（即特殊功能寄存器P0P3）、1个输出驱动器和2个（P3口为3个）三态缓冲器。下面分别介绍一下。P0口是一组8位通用双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。作为地址/数据复用总线时，可以从P0口输出地址或数据，也可以从P0口输入数据。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻；作为I/O口使用时，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号正常输出，必须外接上拉电阻。同时P0口作为I/O口使用时也是一准双向口。在设计中，刚开始我们用P0直接加一个74LS245来驱动共阳极数码管，结果就出现了上电后八段码全亮的情况，给一个高或低电平都没反应，怎么也不显示我们所输入的数据，后来在老师的指导下，我们在P0口加了上拉电阻以后，所用的数码管显示才正常。所以在使用P0口做I/O口使用时加上拉电阻是非常重要的。这一点我在以后的设计中一定注意。Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，当某某位输出高电平时，可以提供拉电流负载，不必像P0口那样需要外接电阻。另外，P1.0与P1.1除作为通用I/O接线口外，还具有第二功能，即P1.0可作为定时器/计数器2的外部计数脉冲输入端T2，P1.1可作为定时器/计数器2的外部控制输入端T2EX。 P2也是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时，P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容)，在整个访问期间不改变。P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向1/0口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的1/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示。表3.1 P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2INTO （外中断口0）P3.3INT1 （外中断1）P3.4T0 （定时/计数器0）P3.5T1 （定时/计数器1）P3.6 WR （外部数据存储器写选通）P3.7 RD （外部数据存储器读选通）在设计中，我用P0口外接总线驱动74LS245，来对LED数码管的段进行驱动；P1口主要用于对键盘进行扫描和对继电器、蜂鸣器进行控制；P2口主要用于四个LED数码管显示的位选通控制和两个信号指示灯的控制； 在计数的时候我们没有使用P3口的第二功能,把P3.2口用作I/O口用扫描的方式来实现计数的功能。但在延时的时候，用了P3.5的定时功能。AT89C51的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种方式：一种是内部时钟方式；一种是外部时钟功能。在AT89C51内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALI和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果我们使用石英晶体，电容使用一般要求30pF士10pF，而如使用陶瓷谐振器一般选择40PF士10F。 AT89C51也可以采用外部时钟。采用外部时钟这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。通常外接振荡信号为低于12MHz的方波信号。 为了方便、简单，我选用了内部时钟方式，电容C1和C2都用了30PF的独石电容，晶振用了12MHz的石英晶体震荡器。二 、74LS245的介绍 用P0口直接驱动数码管点亮的时候，效果很不好，亮度不够，因此我用总线驱动74LS245来弥补这一点。总线驱动器有两种：74LS244和74LS245。这两种驱动都是三态数据缓冲器，74LS244为单向三态数据缓冲器，其逻辑电路图和引脚图如图3.8所示。(a) 逻辑电路 （b）74LS244的引脚图图3.8 74LS244的逻辑电路和引脚图由图3.8可见，74LS244有8个输入端，分为两路1A11A4和2A12A4,有8个输出端，也分为两路1Y11Y4和2Y12Y4。两路数据传送分别由两个控制信号1G和2G控制： 当1G有效(为低电平) 时，1Y11Y4的电平与1A11A4的电平相同，即输出反映输入的逻辑电平；同样，当2G有效时，2Y12Y4的电平与2A12A4的电平相同。而当1G(或2G) 无效(为高电平) 时输出1A11A4(或2A12A4) 为高阻态。74LS244缓冲器主要用于存储器地址驱动器、单向总线接收器和发送器等。例如，可将其8个输入端的某几位接地，其余接+5V，即可提供特定的8位二进制代码，如为某设备接口提供8位中断类型码。74LS245是一种三态输出的8位双向总线收发器(transceiver)，其逻辑电路图和引脚图如图3.9所示。 （a）逻辑电路 （b）74LS245的引脚图 图3.9 74LS245的逻辑电路和引脚图由图3.9可见，74LS245有16个双向传输的数据端，即A1A8和B1B8；另有两个控制端，即允许端G和方向控制端DIR。G用于允许该收发器的操作，DIR用于控制数据传送的方向(AB或BA)。若G信号无效(为高电平)，则无论DIR为何种电平，下面两个“与门” 的输出均为低电平，从而使两个方向上的三态门的输出均为高阻态，收发器处于“隔开”状态，即两个方向上的数据传送均不能进行；若G信号有效(为低电平)，则可在某一个方向上进行数据传送，到底在哪个方向上进行传送，则由方向控制端DIR的逻辑电平来决定。74LS245的真值表如表3.2所示。表3.2 74LS245的真值表允许G方向控制DIR数据传送方向LLBALHABHX隔开74LS245通常用于数据的双向传送、缓冲与驱动。与74LS245功能类似的双向总线收发器电路还有Intel 8286/8287等。一般情况下，在单片机的P0口需要增加驱动能力时，可采用74LS245，在连接的时候将控制端G接地，将单片机的PSEN和RD信号经与门后接到它的DIR端。当从片外程序存储器取指令或读片外数据存储器时，与门输出是0，即DIR=0，数据从右向左，即通过74LS245传向P0口再送往单片机；其余时间PSEN和RD信号均失效，DIR=1，数据从左向右，即由P0口经驱动器向外输出。在单片机的P2口需要增加驱动能力时，可采用74LS244。我在设计的时候是P0口需要驱动数码管的段选，所以我使用74LS245，并把控制端DIR接高电平，使数据从左往右，这样在电路连线的时候，更容易，更方便。特别是在画印制电路板的时候，我们使用的是单面板，如果用74L244，将会增加很大的困难，还是74LS245一边进一边出更简单方便一些。三、 LED数码管显示在显示系统中，从前面的方案论证中我已论证了我所选用的显示器件是LED数码管，单片机进行扫描的方式是动态扫描显示方式。所谓动态扫描显示，就是让各位数码管按照一定的顺序轮流地发光显示。与静态驱动显示相比，动态扫描显示具有以下优点：第一，能显著降低显示器的功耗，这对于采用电池供电的便携式数字仪表尤为重要；第二，能大大减少显示器的外部引线，给印制板的设计和安装带来方便；第三，能采用BCD码多路输出的方式，不仅使译码、驱动电路大为简化，还可以与微机相连；第四，只要位扫描信号频率足够高，由于人眼的“视觉暂留”现象，就观察不到闪烁现象。正是由于动态扫描显示具有上述优点，许多专用大规模集成电路（例如ICM7216D、MC14433）都采用了这种工作方式。目前，动态扫描显示技术已被广泛用于新型数字仪表、智能仪器和智能显示屏中。实现动态扫描的方案很多，在数字仪器中大致可分成两种：第一种方案为间接控制法，即把位选通信号加至译码驱动器的消隐控制端，间接地控制LED显示器的亮灭。该方案是对静态显示的改进，只能降低显示功耗，不能简化电路，它仅适用于由通用数字集成电路构成的仪器。第二种方案是直接驱动法，它是利用位选通信号直接驱动各位LED显示器（必要时中间可加达林顿驱动器），适用于由专用大规模集成电路或单片机构成的智能仪器。究竟选哪种方案，应视具体电路而定。在系统中，按显示方式我选用的是动态扫描LED数码管显示，在扫描的过程中，位扫描顺序是从最最高位扫到最低位，即LED4（最高位）LED3LED2LED1（最低位），然后再扫到LED4，这样周而复始地进行下去。当然也可改成从最低位扫到最高位。为避免出现闪烁现象，扫描频率不能太低。鉴于人眼的临界闪烁频率（CFF）为50Hz，一般可将显示位数N乘以50Hz的结果作为扫描频