绕线机计数器电路设计.doc

课程设计说明书 绕线机计数器电路设计 摘 要 绕线机 顾名思义绕线机是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器 凡是电器产品大多需用漆包铜线 简称漆包线 绕制成电感线圈 就需要用到绕线机 例如 各种电动机 日光灯镇流器 各种大小变压器 电视机 收音机用的中周 电感线圈 行输出变压器 高压包 电子点火器 灭蚊器上的高压线圈 喇叭 耳机 麦克风的音圈 各种电焊机等不能一一举例 这些里面的线圈都需要用绕线机来绕 纺织行业多用棉纱线 人造纤维线等绕制各种适合纺织机用的纱团 绽这些都需要用 一款绕线机来绕 绕线机绕的转数一般比较多 圈数的要求在精密器件中要求十分严格 单一的靠 人工计圈数是很麻烦也是不可能完成的 绕线机需要一个能自动计数的装置 绕线 机计数器 本课题是利用 DN834 霍尔传感器 CD40110 十进制可逆计数器 锁存器 译码器 驱 动器以及共阴极数码显示器设计一个可以加减的绕线机计数器 首先用霍尔传感器收 集绕线机转轴运转数据 每转一圈产生一个负脉冲 然后经过非门放大反相后便形成 了计数正脉冲 然后送入 CD40110 CD40110 工作计数开始 并在数码管上显示计数 结果 本文将讲述 DN834 霍尔传感器 CD40110 十进制可逆计数器 锁存器 译码器 驱 动器 共阴极数码显示器以及 CD4069 反相器的基本原理和特点 并对绕线机计数器 的设计原理及功能做了详细介绍 然后又采用数电课本上提到到集成电路 74192 4511 来代替 CD40110 进行绕线机计数器的设计 复习和熟练自己在数字电路课程所学到的 集成电路及其应用 关键词 绕线机 霍尔 DN834 CD40110 CD4069 数码显示器 74192 课程设计说明书 目 录 1 绪论 1 1 1 课题描述 1 1 2 基本工作原理 框图 电路图及元器件 基于 40110 2 2 相关芯片及硬件电路设计 基于 40110 3 2 1 霍尔 DN834 芯片 3 2 1 1 霍尔元件的工作原理及应用 3 2 1 2 DN834 的主要功能 4 2 2 转动信号采集 5 2 3 计数脉冲生成电路 5 2 4 计数 译码电路 6 2 4 1 CD40110 芯片功能 参数介绍 6 2 4 2 数码显示器简介 8 3 绕线机计数器的另一种设计 基于 74192 4511 10 3 1 基本工作原理 电路图及元器件简介 10 3 1 1 基本工作原理 电路图 10 3 1 2 74LS192 简介 12 3 1 3 CD4511 简介 13 4 绕线机计数器安装注意事项 14 总 结 16 致 谢 17 课程设计说明书 参考文献 18 课程设计说明书 第1页 1 绪论 1 1 课题描述 绕线机 顾名思义绕线机是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器 凡是电器产品大多需要用漆包铜线 简称漆包线 绕制成电感线圈 就需要用到绕线 机 例如 各种电动机 日光灯镇流器 各种大小变压器 电视机 收音机用的中周 电感线圈 行输出变压器 高压包 电子点火器 灭蚊器上的高压线圈 喇叭 耳机 麦克风的音圈 各种电焊机等不能一一举例 这些里面的线圈都需要用绕线机来绕 纺织行业多用棉纱线 人造纤维线等绕制各种适合纺织机用的纱团 绽这些都需要用 一款绕线机来绕 常用绕线机绕制的线多为漆包铜线 绕制电子 电器产品的电感线圈 纺织 线 绕制纺织机用的纱绽 线团 还有绕制电热器具用的电热线以及焊锡线 电线 电缆等 绕线机的种类繁多 按其用途分类 可分为通用型和专用型 通用型 由 1 根或数根线适合安装多种框架绕线的绕线机 常见的通用型漆包 线绕线机有 装有 1 根园形绕轴的叫 单头机 依此类堆有 双头机 3 头机 6 头机 专用型 是装有固定的专用绕线夹头 只能绕制一种线圈的绕线机 常见的专 用绕线机有 一 绕制变压器方形变压器专用机 1 方形变压器专用 细线专用机 粗线专用机 2 环形变压器专用 大环机 中环机 小环机 3 其它型式变压器专用 二 绕制电动机线圈专用机 1 风扇电机专用机 座扇 吊扇 转页扇 2 玩具微型电机专用机 飞叉式 专用绕头式 课程设计说明书 第2页 3 串激式转子线圈专用机 电动工具 4 分马力电机 及大马力电机专用机 三 绕制电感线圈的专用机 1 中周及色码电感专用机 2 小磁环电感线圈专用机 3 音箱分频线圈专用机 4 日光灯 电子节能灯 镇流器专用机 四 其它专用绕线机喇叭音圈专用机 1 喇叭音圈专用机 2 电热管专用机 3 绝缘胶带包带机 4 纺织纱绽专用机 绕线机按自动化程度又可分为简易型 半自动型 全自动型 电子控制方式有 数控式微电脑单片机及 IBM 电脑控制 按安装方式分类为桌面式和落地式机 绕线机绕的转数一般比较多 圈数的要求在精密器件中要求十分严格 单一的靠 人工计圈数是很麻烦也是不可能完成的 绕线机需要一个能自动计数的装置 绕线 机计数器 本课题的内容就是研究绕线机计数器的设计 有基于 CD40110 以及基于 74LS192 和 CD4511 的 1 2 基本工作原理及框图 本课程设计的绕线机计数器由速度传感器电路 信号放大反相电路 计数译码电 路 圈数数码显示构成 其基本工作原理 霍尔传感器电路将测量到的转动信号转换 成负脉冲信号输出到信号放大反相电路 构造成计数脉冲 输入到 CD40110 进行计数 并驱动数码管显示计数结果 霍尔 传感器 信号 放大整 形电路 CD40110 J 计数 译码电 路 数码管 显 示电路 图 1 1 基本工作原理框图 课程设计说明书 第3页 图 1 2 绕线计数器电路 本电路用到的元器件有 CD40110 4 DN843 CD4069 C1 1000p C2 1u R1 10K 2 R2 8K R3 2K R4 2 2M 数码显示器 4 开关 2 相关芯片及硬件电路设计 基于 40110 2 1 霍尔 DN834 集成电路 DN834 是由霍尔效应而制成的霍尔元件的集成电路 作为磁性传感器 2 1 1 霍尔元件的工作原理及应用 所谓霍尔效应 是指磁场作用于载流金属导体 半导体中的载流子时 产生横 向电位差的物理现象 金属的霍尔效应是1879 年被美国物理学家霍尔发现的 当 电流通过金属箔片时 若在垂直于电流的方向施加磁场 则金属箔片两侧面会出现 横向电位差 半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显 而铁磁金属在居里温度 以下将呈现极强的霍尔效应 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器 霍尔电位差UH 的基本关系为 UH RHIB d 18 RH 1 nq 金属 19 式中 RH 霍尔系数 课程设计说明书 第4页 n 单位体积内载流子或自由电子的个数 q 电子电量 I 通过的电流 B 垂直于 I 的磁感应强度 d 导体的厚度 由于通电导线周围存在磁场 其大小与导线中的电流成正比 故可以利用霍尔 元件测量出磁场 就可确定导线电流的大小 利用这一原理可以设计制成霍尔电 流传感器 其优点是不与被测电路发生电接触 不影响被测电路 不消耗被测电源 的功率 特别适合于大电流传感 若把霍尔元件置于电场强度为 E 磁场强度为 H 的电磁场中 则在该元件中将 产生电流 I 元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E 成正比 如果再测出该电 磁场的磁场强度 则电磁场的功率密度瞬时值P 可由 P EH 确定 利用这种方法可以构成霍尔功率传感器 如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上 当装在运动物 体上的永磁体经过它时 可以从测量电路上测得脉冲信号 根据脉冲信号列可以传 感出该运动物体的位移 若测出单位时间内发出的脉冲数 则可以确定其运动速度 霍尔元件应用 霍尔效应的半导体 根据霍尔效应 人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件 它具有对磁场敏感 结构简单 体积小 频率响应宽 输出电压变化大和使用寿命长等优点 因此 在 测量 自动化 计算机和信息技术等领域得到广泛的应用 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种 一 线性型霍尔传感器由霍尔元件 线性放大器和射极跟随器组成 它输出模拟 量 二 开关型霍尔传感器由稳压器 霍尔元件 差分放大器 斯密特触发器和输出 级组成 它输出数字量 霍尔传感器在现实中有很广的应用 电流传感器 电压传感器 位移测量 2 1 2 DN834 的主要功能 课程设计说明书 第5页 DN834 是霍尔元件集成电路 它对磁场敏感 在磁场变化时能输出电压变化大的 脉冲信号 用来收集信息 是霍尔传感器的重要部件 2 2 转动信号采集 在绕线机的转轴上安装一永久强磁铁 让它随着转轴的转动来驱动霍尔元件产生 负脉冲 每转一圈霍尔元件就会产生一个负脉冲 这样就把转动的圈数转换成了一个 一个的负脉冲 这就完成了转动信号的采集过程 2 3 计数正脉冲生成电路 IC1是霍尔集成电路 DN834 它与永久小磁铁一起构成传感电路 永久磁铁固定在 绕线机的转轴的塑料圆盘上 每当主轴转动一周 相当于线圈线一匝 便会在 DN834 的输出端的第三脚上输出一个负脉冲 该信号经过非门 1 2 放大后 再经过非门三反 相 便形成了一个技术正脉冲 加入 IC3的 CP 端进行计数 这里的非门采用的是 CD4069 反相器来完成的 下面就介绍一下 CD4069 的基本信息 CD4069 六反相器 简要说明 CD4069 是由六个反相器的电路组成 此器件主要作通用反相器 即用于不需要中 功率 TTL 驱动和逻辑电平转换的电路中 CD4069 提供了 14 引线多层陶瓷双列直插 D 熔封陶瓷双列直插 J 塑料双列直 插 p 和陶瓷片状载体 c 四种封装形式 推荐工作条件 电源电压范围 3v 5v 输入电压范围 0 Vcc 课程设计说明书 第6页 图 2 1 CD4069 引脚图 图 2 2 CD4069 逻辑图 2 4 计数 译码电路 当电路通电工作时 由 C2 R33 微分电路形成的正脉冲会使电路自动清零 S1 为手 动清零开关 正脉冲计数信号送入 CD40110 的加计数时钟端 开始计数 IC3 IC6 组 成的四位级联计数电路 当绕线满 10 匝时 IC3 的 Q 端输出一个进位正脉冲 满 100 匝时 IC4 产生一个进位正脉冲 满 1000 匝时 IC5 产生一个进位正脉冲 因此最大 计数为 9999 匝 也可以加 CD40110 以及数码显示器级联成计数位数更大的计数器 2 4 1 CD40110 芯片功能 参数介绍 简要说明 40110 为十进制可逆计数器 锁存器 译码器 驱动器 具有加减计数 计数器状态 锁存 七段显示译码输出等功能 40110 有 2 个计数时钟输入端 CPU 和 CPD 分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输 入 由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑 因此当一个时钟输入端计数工作时 另一个时钟输入端可以是任意状态 40110 的进位输出 CO 和借位输出 BO 一般为高电平 当计数器从 0 9 时 BO 输出 负脉冲 从 9 0 时 CO 输出负脉冲 在多片级联时 只需要将 CO 和 BO 分别接至下级 40110 的 CPU 和 CPD 端 就可组成多位计数器 引出端符号 BO 借位输出端 CO 进位输出端 CPD 减计数器时钟输入端 CPU 加计数器时钟输入端 CR 清除端 CT 计数允许端 LE 锁存器预置端 VDD 正电源 Vss 地 Ya 6g 锁存译码输出端 课程设计说明书 第7页 推荐工作条件 电源电压范围 3V 18V 输入电压范围 0V VDD 工作温度范围 M 类 55 125 E 类 40 85 电源电压 0 5V 18V 输入电压 0 5V VDD 0 5V 输入电流 10mA 储存稳定 65 150 引出端排列如图 2 3 逻辑图如图 2 4 功能表如图 2 5 图 2 3 CD40110 引脚图 课程设计说明书 第8页 图 2 4 CD40110 逻辑图 图 2 5 CD40110 功能表 2 4 2 数码显示器简介 某些特殊的半导体材料 但外加正向电压时 可以将电能转化为光能 从而发 出清晰悦目的光线 利用这样的半导体材料制成的 PN 结即可以封装成单个的发光二极 管 也可以封装成分段式或点阵式的显示器件 其中七段发光二极管有以下两种接法 共阳极和共阴极 课程设计说明书 第9页 图 2 6 七段发光二极管的两种接法 左共阴极 右共阳极 图 2 7 共阴极数码管引脚定义图 在图中 只要使不同段的发光二极管发光 即可改变所显示的数字和字母 例如 a b g e d 各段的二板管发光 即可显示 2 使图中的 a f g e d 五个发光 二极管亮则可显示英文大写字母 E LED 七段数码管根据其内部 LED 的连接方法不同 有共阴极和共阳极两种接法 如图 2 6 所示 在共阴极接法中 当某一段发光二极管输入为高电平时 该发光二极管亮 反之 则熄灭 而在共阳极接法中 刚好与共阴极接法相反 课程设计说明书 第10页 由于发光二极管通常需几个 几十个毫安的驱动电流才能发光 因此 每个显示 器必须用一个七位的驱动器才能正常工作 驱动电路也可以用集成电路驱动器 现在 已经生产出带译码器的驱动器 如 74LS47 74LS48 等 此外 由于要显示的数字为 BCD 码 而七段数码管的显示模型为七段代码 所以在显示之前 必须把 BCD 码转换成 七段代码 3 绕线机计数器的另一种设计 基于 74192 4511 CD40110 为十进制可逆计数器 锁存器 译码器 驱动器 具有加减计数 计数状态 锁存 七段显示译码输出等功能 它集计数 译码驱动于一体 用起来很方便 在我 们的数字电路技术教程里有单独计数器 74192 还有单独的七段码显示译码器驱动器 4511 下面就介绍一下如何应用 74192 及 4511 设计出绕线机计数器 3 1 基本工作原理 电路图及元件简介 3 1 1 基本工作原理 电路图 基于 74192 与 4511 的绕线机计数器的设计原理和基于 CD40110 的一样 只不过是 计数器 译码器 驱动器的选择不一样罢了 原理框图如下 霍尔 传感器 信号 放大整 形电路 计数 译码电 路 数码管 显 示电路 图 3 1 绕线机计数器的原理框图 原理图有了 下面就是电路图了 电路图如图 3 2 所示 课程设计说明书 第11页 图 3 2 基于 74192 4511 的绕线机计数器电路图 课程设计说明书 第12页 3 1 2 74LS192 简介 74LS192 是同步十进制可逆计数器 它具有双时钟输入 并具有清除和置数等功能 其引脚排列及逻辑符号下图所示 图 3 3 74LS192 引脚排列及其功能 图 3 4 74LS192 逻辑符号 CPU 为加计数时钟输入端 CPD 为减计数时钟输入端 LD 为预置输入控制端 异步预置 CR 为复位输入端 高电平有效 异步清除 CO 为进位输出 1001 状态后负脉冲输出 BO 为借位输出 0000 状态后负脉冲输出 D1 D3 为置数端 QA QD 为输出端 下面再介绍一下 74LS192 的功能 其功能表如下 课程设计说明书 第13页 表 3 1 74LS192 的功能表 3 1 3 CD4511 简介 BCD 七段显示器译码器 译码器 IC CD4511 是一组用来作为 BCD 对共阴极 LED 七段 显示器译码的包装 其引脚如图 3 5 所示 图 3 5 CD4511 引脚图 LT 做灯泡测试用 当 LT 0 则不论其它输入状态为何 其输出 abcdefg 1111111 使七段显示器全亮 即显示 8 以便观测七段显示器是否正常 当 LT 1 则正 常解码 ab126 计算公式大全 BI 空白输入控制 当 BI 0 LT 为 1 时 则不论 DCBA 之输入为何 其输出 输入 输出 CLR LD D4D3D2D1QDQCQBQA 1 0000 00 dcbadcba 01 1 加计数 011 减计数 课程设计说明书 第14页 abcdefg 皆为 0 即七段显示器完全不亮 此脚可供使用者控制仅对有效数据译码 避免 在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱 LE 数据栓锁致能控制 在 CD4511 中 不但具译码功能 更具有数据栓锁的记忆功能 当 LE 0 时 LT 1 且 BI 1 DCBA 数据会被送入 IC 的缓存器中保存 以供译码器码 当 LE 1 时 则 IC 中的暂存器会关闭 仅保存原来在 LE 0 时的 DCBA 数据供译码器译 码 换句话说当 LE 1 时 不论 DCBA 的输入数据为何 皆不影响其输出 其输出 abcdefg 仍保留原来在 LE 由 0 转为 1 以前的状态 CD4511 的真值表如图 3 6 表格所示 图 3 6 CD4511 真值表 4 绕线机计数器安装时的注意事项 课程设计说明书 第15页 计数器设计好之后 接下来的就是计数器与绕线机的硬件结合了 电路中的磁铁 做好事选用磁性较强的专用霍尔磁钢 体积要小巧 再者就是要安装在绕线机主转轴 的塑料盖子上 使磁钢随主轴的转动而转动 然后是霍尔集成电路的安装 把霍尔集 成电路固定在主转轴安放磁钢的旁边 与磁钢垂直相对 距离保持在 3 7mm 左右 这 样保证霍尔集成电路的敏感性 使测量更准确 课程设计说明书 第16页 总 结 经过近多日的努力 终于将本次课程设计做完了 但由于水平有限 文中肯定有 很多不恰当的地方 请老师指出其中的错误和不当之处 使我能做出改正 我会虚心 接受 在本次课程设计过程中 我增强了自己的动手能力和分析能力 通过跟老师和 同学的交流 也通过自己的努力 我按时完成了这次课程设计 在此过程中 我学会 了很