数电课程设计报告《光电计数器设计.doc

理 理 工工 科科 类 类 课程设计 报告 题目 对生产线产品计数的光电计数器设计对生产线产品计数的光电计数器设计 课程设计 论文 工作内容 一 课程设计目的一 课程设计目的 1 通过电子技术基础 模电 数电 课程的学习 使学生在掌握基本理论知识 的基础上 学会常见电子集成器件的使用 2 通过设计一个模数结合的小型电子电路系统 使学生了解电子电路设计的方 法 步骤 学会元器件的选用 学会用软件仿真验证设计方案的正确性 培 养综合运用知识和独立开展实践创新的能力 3 通过搭建调试电路 进一步熟悉相关仪器设备的使用 4 通过绘制电路图 熟悉 Protel 的使用 扩充专业知识技能 5 规范化训练学生撰写技术研究报告 提高书面表达能力 二 课程设计任务与要求二 课程设计任务与要求 1 基本部分 基本部分 1 由光耦实现产品监测 2 由计数器对脉冲信号计数 计数结果经 LED 显示 3 计数范围 0 99 电路具备手动清零功能 4 根据要求设计电路 画出原理图 用 EWB 仿真 验证设计方案 5 学习使用 Protel 画出系统的 PCB 图 2 发挥部分 发挥部分 1 计数结果要求实现十位数的动态 零消隐 即 当计数结果不超过 10 时 十位数的那个数码管无显示 2 报告第三部分给出其他设计方案 画出仿真实现的电路图 并与参考方案 对比分析 三 课程设计考核三 课程设计考核 平时 20 验收 40 报告 40 摘摘 要要 21 世纪是信息时代 是获取信息 处理信息 运用信息的时代 传感与 检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术 是获 取信 息和处理加工信息的手段 无法获取信息则无法运用信息 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 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 有采用机械方式的接触式触 发的 有采用电子传感器的非接触式触发的 光电式传感器是其中之一 它是 一种非接触式电子传感器 采用光电传感器制作的光电式电子计数器 这种计 数器在工厂的生产流水线上作产品统计 有着其他计数器不可取代的优点 关键词关键词 光电效应 光电传感器 光电计数器 ABSTRACT The 21st century is the age of information it is the access to information treatment information use of the information age Sensing and detection technology is important because it is the access to information and the information necessary to deal with the underlying technology is access to information and means of processing information unable to get information you won t be able to use information Photoelectric sensor is a light signal into an electric signal of the sensor It is the theoretical basis of the photoelectric effect These effects can be broadly divided into three categories The first type is outside of the photoelectric effect namely in daylight can make the tungsten surface Use this effect caused by device with vacuum photocell photomultiplier tubes etc The second category is the photoelectric effect i e in the light can make the electrical resistivity of the material change Such devices include various types of photosensitive semiconductor The third category is photo voltaic effect in the light the objects within the EMF EMF this is called light induced electromotive force This class of devices including photovoltaic cells photo transistor etc Photoelectric effect is using optoelectronic components affected by the lighting the electric characteristics change Sensitive optical wavelength is visible in the vicinity including infrared wavelength and UV wavelengths Digital electronic counters have intuitive and counts accurate benefits has been in widespread use in various industries There are a variety of digital electronic counter counter mode it is triggered by the actual use conditions and the environment Using mechanical means of contacting fires using electronic sensors for non contact type photoelectric sensor triggered is one of them it is a non contact electronic sensors Adopts photoelectric sensor production of opto electronic counters This counter is the factory s production lines for products with other counters irreplaceable the merit Keywords photoelectric effect photoelectric sensor photoelectric counter 目录目录 1 1 光电感应计数器课程设计光电感应计数器课程设计 1 1 2 2 课程设计 报告 任务书 课程设计 报告 任务书 2 2 3 摘要 中文 摘要 中文 3 4 摘要 英文 摘要 英文 4 5 5 目录目录 5 5 6 6 设计任务及方案设计任务及方案 6 6 7 7 光电计数器系统简介光电计数器系统简介 6 6 7 7 1 1 计数器系统的基本特点计数器系统的基本特点 6 6 7 7 2 2 计数器系统的组成计数器系统的组成 7 7 7 37 3 电路整体原理电路整体原理 1010 7 47 4 PROTEL99PROTEL99 的学习的学习及及应用应用 1313 7 57 5 调试及测试过调试及测试过程程中的问题及查找故障的方法中的问题及查找故障的方法 1414 8 8 其它设计方案与比较 其它设计方案与比较 1414 9 9 结果 结果 1616 1010 结束语结束语 1717 1111 附录附录 1717 第一章第一章 系统设计系统设计 第一节第一节 设计任务及总体方案设计任务及总体方案 该计数器系统总体设计方案较为简单 用光电感应器实现对生产线产品的 数量的采集 将信号传送到防干扰的迟滞比较器 共经过两级比较器 传输信 号脉冲 通过 74ls162 计数器进行计数 计数范围是 0 99 通过 4 511 七段 译码器进行译码 输出信号给 LED 数码管进行显示 其中 个位计数器的进位 标志位接到十位计数器的计数控制端 CET 和 CEP 控制十位计数器工作计数 因 为 74ls162 是十进制计数器 计数的结果是 BCD 码 0000 1001 经过译码器数 码管后显示的十进制 00 99 本设计还实现了十位数的动态 零消隐 当 计数结果不超过 10 时 十位数的数码管无显示 原理就是将十位计数器的输出 端通过 4072 进行相或 从而只有当数码管个位显示时十位数码管 BL 端低有效 即十位数码管熄灭 本设计还实现清零时 是两位数码管都显示 0 因为这样 可以让工作人员方便确定计数系统工作正常 原理就是利用 7404 的非门功能 输入端接复位端 输出与十位七段译码器的灭灯输入端 BL 端相接 每当复位 时 BL 就会输入高电平 从而使两个数码管都会清零 实际情况下 生产线上产品每经过光电传感器 信号在通过两级比较器后 就会有一个上升沿信号作为时钟信号 控制计数器工作 同时计数开始 可以 连续实现对 100 个产品进行计数 如需重新开始 只要按下清零按键就能重新 计数 第二节第二节 光电计数器系统简介光电计数器系统简介 一 计数器系统的基本特点一 计数器系统的基本特点 本系统具有体积小 硬件少 电路结构简单及容易操作等优点 本计数器 可将机械或人工计数方式变为电子计数 并且采用 数码显示 简单直观 可适用于诸多行业 以满足现代生产 生活等方面的需求 随着生产技术的不 断改善和提高 在现代化生产的许多场合都可以看到计数器的使用 本计数器 具有低廉的造价以及控制简单等特点 该系统还具有以下特点 该系统具有清零功能 工作人员可以通过复位开关使两个数码管都显 示零 这样可以方便进行人工操作以及确认计数器是否正常工作 原理就是利 用 7404 的非门功能 输入端接复位端 输出与十位七段译码器的灭灯输入端 BL 端相接 每当复位时 BL 就会输入高电平 从而是两个数码管都会清零 该系统还具有十位的 零消隐 功能 原理就是将十位计数器的输出 2 端通过 4072 进行相或 从而只有当数码管个位显示时十位数码管 BL 端低有效 即十位数码管熄灭 该系统还采用了抗干扰较强的迟滞比较器 这样大大加强了其在实际 3 生或中的应用能力 可以得到有效地推广 该例光电触发式计数器只有两位数 但通过级联可以扩展为四位 甚 4 至多位 二 计数器系统的组成二 计数器系统的组成 1 1 7 74 4L LS S1 16 62 2 图 1 1 74LS162 引脚图 1 1 个位计数器 个位计数器 时钟脉冲给的是比较器的输出信号 计数器自上电起一直处于计数状态 每当有产品经过光电对管之间时 计数器的 CP 端就接收到上升沿信号 开 始计数 进位输出端接到十位计数器的技术控制端 CEP 和 CEP 四个输出引 脚的信号作为七段译码器的输入信号 2 2 十位计数器 十位计数器 时钟脉冲给的是比较器的输出信号 计数器的 CP 端就接收到上升沿信 号时 还不能进行计数 只有当个位的计数溢出时 CEP 和 CEP 端才高有效 进行计数 为实现任务书中十位数的动态 零消隐 四个输出引脚的信号 必须经过或门作为七段译码器的输入信号 7 74 4L LS S1 16 62 2引脚功能表 PE Parallel Enable Active LOW Input 并行启用 低电平 输入 P0 P3 Parallel Inputs 并行输入 CEP Count Enable Parallel Input 计数启用并行输入 CET Count Enable Trickle Input 计数启用涓流输入 CP ClOCk Active HIGH Going Edge Input 时钟输入 MR Master Reset Active LOW Input 主复位 低电平 输入 SR Synchronous Reset Active LOW Input 同步复位 低电平 输入 Q0 Q3 Parallel Outputs Note b 并行输出 注 b TC Terminal Count Output Note b 终端计数输出 注 b 2 2 C CD D4 45 51 11 1 图 2 1 CD4511 管脚图 其电路原理如下 CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED 数码管 显示器的 BCD 码 七 段码译码器的特点 具有 BCD 转换 消隐和锁存控制 七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流 可直接驱动 LED 显示其中 a b c d 为 BCD 码输入 a 为最低位 LT 为灯测试端 加高电平时 显示器正常显示 加低电 平时 显示器一直显示数码 8 各笔段都被点亮 以检查显示器是否有故障 BI 为消隐功能端 低电平时使所有笔段均消隐 正常显示时 B1 端应加高电 平 另外 CD4511 有拒绝伪码的特点 当输入数据越过十进制数 9 1001 时 显 示字形也自行消隐 LE 是锁存控制端 高电平时锁存 低电平时传输数据 a g 是 7 段输出 可驱动共阴 LED 数码管 另外 CD4511 显示数 6 时 a 段消隐 显示数 9 时 d 段消隐 所以显示 6 9 这两个数时 字形不太美观 若要多位计数 只需将计数器级联 每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码 管即可 所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的 在应用 中应接地 限流电阻要根据电源电压来选取 电源电压 5V 使用 510 的限流电 阻 3 3 L LM M3 39 93 3 图 3 1 LM393 管脚图 LM393 参数如表 3 1 所示 表 3 1 引脚功能表 引出端序号功能符号引出端序功能符号 1 输出端 1 OUT15 正向输入端 2 1N 2 2 反向输入端 1 1N 1 6 反向输入端 2 1N 2 3 正向输入端 1 1N 1 7 输出端 2 OUT2 4 地 GND8 电源 VCC 4 4 数数码码管管 数码管通常有发光二极管 LED 数码管和液晶 LCD 数码管 数码 管是共阴极数码管 译码器的输出端接到数码管的输入端 输出端与地之 间接电阻 510 欧姆限流保护数码管 否则数码管容易烧坏 本设计提供的 为 LED 数码管 共阴极 其引脚图如图 2 所示 5 5 CD4072BCD4072B 设计中要实现 零消隐 就要用到 CD4072B 四输入或门 将计数器 74LS162 的输出端 Qa Qb Qc Qd 分别接入 4072 中 输出端接入译码器 4511 的 BI 端 就可实现 零消隐 见图 5 1 图 5 1 CD4072B 引脚图 三三 电电路路整整体体原原理理 系统采用光电感应器实现对产品的数量的采集 由红外发射管发出红外信 号 红外接收管收到红外信号使接地支路导通 当红外信号被阻挡时 接地支 路阻断 由于电压变化 电路向 cp 端输出一个脉冲 将信号传送到防干扰的 迟滞比较器 共经过两级比较器 传输信号脉冲 通过 74ls162 计数器进行计 数 计数范围是 00 99 配合 4 511 七段译码器进行译码 输出信号给 LED 数 码管进行显示 其中 个位计数器的进位标志位接到十位计数器的计数控制端 CET 和 CEP 控制十位计数器工作计数 因为 74ls162 是十进制计数器 计数的 结果是 BCD 码 0000 1001 经过译码器数码管后显示的十进制 00 99 实际情 况下 生产线上产品每经过光电传感器 信号在通过两级比较器后 就会有一 个上升沿信号作为时钟信号 控制计数器工作 同时计数开始 可以连续实现 对 100 个产品进行计数 如需重新开始 只要按下清零按键就能重新计数 EWB 图 K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 D P 7 b 9 a 10 D S 1 D py A mber C C K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 D P 7 b 9 a 10 D S 2 D py A mber C C B 1 C 2 LT 3 B I 4 LE 5 D 6 A 7 G N D 8 e 9 d 10 c 11 b 12 a 13 g 14 f 15 V D D 16 U 4 M C 14511B C P B 1 C 2 LT 3 B I 4 LE 5 D 6 A 7 G N D 8 e 9 d 10 c 11 b 12 a 13 g 14 f 15 V D D 16 U 6 M C 14511B C P G N D G N D C LR 1 LD 9 EN T 10 EN P 7 C LK 2 R C O 15 A 3 Q A 14 B 4 Q B 13 C 5 Q C 12 D 6 Q D 11 V C C 16 G N D 8 U 3 D M 74A LS 162B M C LR 1 LD 9 EN T 10 EN P 7 C LK 2 R C O 15 A 3 Q A 14 B 4 Q B 13 C 5 Q C 12 D 6 Q D 11 V C C 16 G N D 8 U 5 D M 74A LS 162B M V C C V C C G N D V C C V C C G N D G N D V C C V C C 10K R 9 R es1 G N D S 1 S W PB G N D V C CG N DV C C 100K R 5 R es1100K R 4 R es1 U 2 O ptoisolator1 V C C 150K R 7 R es1 100K R 8 R es1 0 51K R 10 R es1 0 51K R 11 R es1 0 51K R 12 R es1 0 51K R 13 R es1 0 51K R 14 R es1 0 51K R 15 R es1 0 51K R 16 R es1 0 51K R 17 R es1 0 51K R 18 R es1 0 51K R 19 R es1 0 51K R 20 R es1 0 51K R 21 R es1 0 51K R 22 R es1 0 51K R 23 R es1 8 1 4 3 2 1 U 1A N E5532A JG 10K R 1 R es S emi 1 5 4 3 2 U 2A C D 4072B C N protel 原理电路图 效果图 1 1 计数 译码部分 计数 译码部分 计数和译码由两个个计数器 两个译码器和两个数码管来完成 用于接收 计数脉冲信号并将其转化成单独的信号输出并显示 在本系统中选用了 74LS162 加减计数器 CD4511 译码器和共阴极 LED 数码显示管 74LS162 是十进制同步计数器 TC 是进位输出端 当计数溢出时输出一高 电平脉冲 CEP 和 CET 为计数控制端 只有都接入高电平是计数器才能计数 Q 0 Q3 为输出端 CP 为时钟输入端 上升沿有效 SR 端为低电平有效的异步清 除输入端 PE 为低电平有效的同步并行置入控制端 七段译码器 74HC4511 是四输入七输出的译码器 当输入 8421BCD 码时 输 出高电平有效 用以驱动共阴极显示器 当输入为 1010 1111 六个状态时 输 出全为低电平 显示无显示 LT 是灯测试端 BL 是灭灯输入端 LE 是锁存使 能输入端 四四 P Pr ro ot te el l9 99 9 的的学学习习及及应应用用 Protel 99 采用全新的管理方式 即数据库的管理方式 Protel 99 是 在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印 制板设计系统 所有 Protel99 设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库 中 并显示在唯一的综合设计编辑窗口 Protel 99 软件沿袭了 Protel 以前 版本方便易学的特点 内部界面与 Protel 98 大体相同 新增加了一些功能 模块 Protel 公司引进了德国 INCASES 公司的先进技术 在 Protel99 中集 成了信号完整性工具 精确的模型和板分析 帮助你在设计周期里利用信号 完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性 Protel99 容易使用的特性就是 新的 这是什么 帮助 按下任何对话框右上角的小问号 然后选择你所 要的信息 现在可以很快地看到 特性的功能 然后用到设计中 按下状态 栏末端的按钮 使用自然语言帮助顾问 1 1 元器件赋值 元器件赋值 连好所有的线以后 要对元器件进行赋值鼠标右键单击所需赋值的元器件的 图标 可以选定该元器件 使图标红亮 再单击鼠标左键出现对元器件属性的 设置 2 2 实物焊接 实物焊接 当在 Proteus 集成环境调试成功时 接下来 利用实物进行焊接 按上述 的实验原理在电路板上摆放好每个元件的位置 把每个元件焊接起来 焊接完 成后 在实物板的电源正极和负极接入稳压器中 调节好合适的电压 观察 7 段数码显示器的计数情况 如果不能正确计数 要对实物电路进行调试 直到 能够正确计数为止 则该课程设计是成功的 五 调试过程中的问题五 调试过程中的问题 在电路的检验过程中发现了有管脚虚焊了 相当于是高电平 解决方法 对该管脚重新焊接 调试是至关重要的步骤 能够一次性焊接成功理想情况极少出现 尤其是 像我们焊接水平不专业的 所以我们出错的概率是相当的大的 因此调试就显 得至关重要了 在第一次通电前 应该用万用表检查正负极是否短路 若存在 短路 就按照原件的功能一个单元一个单元的排查故障 然后再检查没个焊接 点的正面和反面是否导通 以及两个焊接点之间有连线的是否导通 要一根根 的仔细排查故障 这些都是在第一次上通电前完成的 检查完成后 通电前一 定要再次确认正负极没有短路 检查完毕后在接上 5V 电源 通电后观察现象 通常情况下还存在一些问题 主要是分模块进行检查 六 六 查找故障的方法查找故障的方法 1 检查用于测量的一起是否使用得当 2 检查安装的线路与原理是否一致 包括连线 元件的参数 集成电路的 安装位置是否正确等 3 测量元器件接线端的电源电压 使用接插板做实验出现故障时 应检查 是否因接线端不良而导致元器件本身没有正常工作 4 断开故障模块输出端所接的负载 可以判断故障来自模块本身还是负载 5 检查元器件使用是否得当或已经损坏 在实验 实习中大量使用的是中 规模集成电路 由于它的接线端比较多 使用时会将接线端接错 从而造成故 障 在电路中 由于安装前经过调试 元器件损坏的可能性很小 如果怀疑某 个元器件损坏 必须对它进行单独调试 并对已损坏的元器件进行更换 第三节第三节 其它设计方案与比较其它设计方案与比较 一 用一 用 555555 定时器实现计数器功能定时器实现计数器功能 由电路原理图可知 当电源电压为 5V 时 电阻 R1 和 R17 分压 通过芯片 NE555 时转换成时钟脉冲信号 我们可以通过改变滑动变阻器 R17的电阻 从而改变时钟脉冲信号的振荡频率 时钟脉冲信号输入 到 CD4511 的使能端 EN 这时我们用时钟下降沿触发 而CP 为低电 平接地 我们可以改变开关S 的闭合状态来达到对电容C 充放电的控 制 从而控制CD4511 的复位端 R 的电平 当时钟脉冲信号为高电平且 复位端 R 保持为低电平 0 时 芯片 CD4511 开始计数 CD4511 的 输出端接 CD4511 的输入 这里我们两个CD4511 的级联来实现两位计 数器的计数功能 通过CD4511 的译码驱动使数 码管 显示各个数字 通过对电路图的原理分析可知 从理论上可以实现对两位自动计数 器的设计要求 方案中所用的触发器是 555 定时器所构成的施密特触发器 施密特触发器 是数字系统中常见的电路之一 它可以把变化缓慢的脉冲波形变换成为数字电 路所需要的矩形脉冲 与原方案相比 本方案中不涉及电位器的调试 即无需 太多考虑反馈电压等参数 施密特电路的特点在于这两个稳