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江西航空职业技术学院 毕业设计说明书（论文） 毕业设计说明书（论文） 课题名称：生产线产品产量自动计数器电路设计 航空电子设备维修 专业 学生姓名：李任时 指导老师：姚卫华 081331 班 学号 ： 031 技术职称_ 2011 年 3 月 28 日 1 江西航空职业技术学院 毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）学生姓名：李任时 班级：081331 1.毕业设计（论文）题目： 生产线产品产量自动计数器电路设计 2.毕业设计（论文）使用的原始资料数据及设计技术要求： 1、光电子电路及制作实例；2、计数器及其逻辑设计；3、模拟集成电路的 特性及应用。发光器件和光接收器之间的距离大于 lM；每计数 100，用灯闪 烁 2S 指示一下。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。 3.毕业设计（论文）工作内容及完成时间： 本设计为实现光电计数器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。日期：自 2010 年 12 月 15 日至 2011 年 3 月 8 日 指导老师评语： _ _ _ 指导老师：_ 系主任：_ 2 摘要 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。 关键词：计数器 光电传感器 关键词 数码显示 报警 3 目录 毕业设计（论文）任务书 . 2 毕业设计（论文） 摘要 . 3 前言 . 5 第一章 设计内容及要求 . 6 第二章 设计方案 . 6 第三章 系统组成 . 7 3.1 系统框图 . 7 3.2 单元电路设计 . 8 3.2.1 信号采集电路设计 . 8 3.2.2 计数电路 . 12 3.2.3 数码显示电路 . 15 3.2.4 定数报警电路 . 16 3.2.5 满百报警电路 . 20 附录一 总原理图 . 22 附录二 元件清单 . 23 总结 . 24 参考文献 . 25 4 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。 5 第一章 设计内容及要求 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。发光器件和光接收器之间的距离大于 lM； 有抗干扰技术，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差；每计数 100，用灯闪烁 2S 指示一下。 第二章 设计方案 为实现以上要求，本设计方案采用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。 另此设计还有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。同时再增加一组 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。 在此方案基础上，脉冲发射电路中采用的振荡器采用 555 构成的多谐荡 器，其结构简单，便于调试。计数器本设计采用两块 74LS190 进行级联，实 6 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。 第三章 系统组成 3.1 系统框图 本设计采系统结构如下图 1 所示： 图 1 系统框图 7 由图 1 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。 3.2 单元电路设计 3.2.1 信号采集电路设计 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 VCC 2VCC 和 。A1 和 A2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关状 3 3 2VCC 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 3 VCC 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 3 器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 RD 是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路或接 VCC。 Vc 是控制电压端（5 脚） ，平时输出 2VCC 作为比较器 A1 的参考电平，当 3 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。 8 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。 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。改进型的 555 多谐振荡 器可以方便的调节制定占空比，电路如下图 2 所示： 图2 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 R1 和 Rv 的比例就可以方便的调节输出波形的占空比。上电路中，震 1 荡周期 T 和占空比分别为： T = 0.7( R1 + Rv1 )C 式 3.1 9 = R1 式 3.2 Rv1 本设计中输出波形的频率大约为 30KHz，占空比大约是 20%。所以 T= 1 33.3 10 ?6 s = 0.7( R1 + R v1 )C 式 3.3 f = R1 20 % 式 3.4 Rv1 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 0.022 F，电阻 R1 =390，电阻 Rv 选用 2K的电位器，调节至大约 1.8K。 1 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，如下图 3 所示： 图 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 10 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 3 中节点 3 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有、无物件遮挡住光线时，都输出含有直流交 流分量的信号。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。电路如下图 4 所示： 图 4 滤波比较电路 11 电路中， R5 和 C3 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 C4 为纹波滤除电容。 综合上述三个单元电路，信号采集电路可以实现“发光器件和光接收器 之间的距离大于 lM；抗干扰，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差”要求， 电路情况为当有物体通过时，遮挡住红外光线，电路输出高电平，平时输出 低电平。 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，在此选用 74LS190 为此电路的计数器。 74LS190 为可预置十进制同步加减计数器，其功能表如下表 1、表 2。其 预置是异步的，当置入控制端 LD 为低电平时，不管时钟端 CP 状态如何，输 其计数是同步的， 靠 出端 Q0 Q3 即预置成与数据输入端 D0 D3 相一致的状态。 CP 同时加在四个触发器上而实现的。当计数控制端 CT 为低电平时，在 CP 上 升沿作用下 Q0 Q3 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 U / D 为低电平时进行加计数；当 U / D 为高电平时进行减计数。只 有在 CP 为高电平时 CT 和 U / D 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 CO / BO 输出一个宽度等于脉冲周期的高电平脉 12 冲；行波时钟输出端 RC 输出一个宽度等于 CP 低电平部分的低电平脉冲。 ；利 用 RC 端可级联成 N 位同步计数器。 当采用并行时钟控制时， 则将 RC 接到后一 级 CT ；当采用并行 CT 控制时，则将 RC 接到后一级 CP。 输入 CP 输出 d0 d1 表1 状态 CO / BO L H H H L L H L H d2 d3 d0 d1 d2 加计数 减计数 保 持 d3 功能表 输出 CP RC L H H H L H H 低电平脉冲;任意; 表二 上升沿 高电平;L 低电平; 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 下图 5， 其中 0 D0 0 D3 和 1D0 1D3 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。 13 图 5 两位十进制计数电路 图 6 上电复位电路 复位电路如图 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 U on 时，复位结束。延时时间为： T = RC ln VCC ? U 0+ VCC ? U on = RC ln VCC ? 0 式 3.5 VCC ? U on 14 据计算、查找资料，选取如图 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 SW，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数字方式显现出来。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。 在此选用了常用的 74LS48 共阴数码管驱动器，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，可用于驱动共阴数码管。其功能表如表三所示： 表三 十 进 LT RBI 功能表 输出 字 输入 BI A3 A2 A1 A0 L L L L L H H H L L H H L L H L H L H L H L RBO Ya H L H H L H L Yb H H H H H L L Yc H H L H H H H Yd H L H H L H H Ye H L H L L L H Yf H L L L H H H Yg 形 L L H H H H H 制 0 1 2 3 4 5 6 H H H H H H H H H H L H L H L H L H L H L 15 根 7 8 9 H L H H H H H L L H L L H L H H H H H H H H H H H H H L H L L H L L H H L H H 据功能表，将 BI / RBO、 、 接高电平， A 0 A 3 接计数电路的 D0 D3 ， RIB LT 此电路只要根据功能表将相应端口连接起来即可完成功能，如下图 7 所示： 图7 数码显示电路 电路中 0 D0 0 D3 、1D0 1D3 分别接计数电路中的相应标号的管脚。电阻 R15 起限流作用，由于数码管相当于并联 LED，故选取 200的电阻即可。 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 16 止计数，手动清除报警后可重新工作等功能而设计的。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，采用两个四位二进 制比较器进行两种数值的比较。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。电路如下图 8 总线左边部分。图 中 SW1 为开关组，含有八个开关，RP 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，当开关关的时候，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 8 。 对两个 4 位二进制数的比较结果，由三个输出端 F A B 、F A = B 、F A B 、F A = B 、 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 F F A B 连接到高位级的相应输入端 A B 、A = B 、A B 、 A = B 、 A B 、 A B3 A3B 功能表 输出 AB H L H L H L H FAB2 A3=B3 A2B1 A2=B2 A1B0 18 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 A2=B2 A1=B1 A0=B0 A2=B2 A1=B1 A0=B0 A2=B2 A1=B1 A0=B0 A2=B2 A1=B1 A0=B0 A2=B2 A1=B1 A0=B0 H L H L L H H L L L H L L L H L L L H H L H L L H L L L H L L 图 8 输出端接报警电路。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，计数值最多为 99。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 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，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 R9 仍取 200 欧。HOLD 输出端为锁定信号，处于锁定状态时， 按下复位电路的复位键后，解除报警，重新开始计数。 图9 报警电路 19 3.2.5 满百报警电路 此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。 单稳态触发电路有 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 1 加到 2 端，并使 2 端电位瞬时低于 VCC ，低电平比较器动作，单稳态电路即 3 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 2 VCC 3 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 t w （即为延时时间）决定于外接元件 R、C 值的大小： t w 1 . 1 RC 式 3.6 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 tw 1.1RC = 2s ，为使 R 和 C 都不至取得过大，选取 C（ C8 ）为 100F，R（ R11 ）为 18K。如图 10 。 20 图中 R10 和 C6 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 R1 为 13k， R2 为 15k， C 为 10F， 如图 11 。 多谐振荡器的工作与否取决于单稳态触发器输出高低。 R 13 为限流电阻。 图 10 单稳态触发器 图 11 多谐振荡器 21 +5V A 0 +5V 1 2 3 1 3 +5V R 1 200 1 5 P3 PQ in A 4 A 9 5 A 1 6 1 Q 0 Q1 NPN Q 1 R 5 1K Q 2 Q 3 R 7 510 G D N GN D U SN 4 S8 N 2 7L 5 G D N A 1 7 4 1 8 SN 4 S8 N 7L 5 Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 G D N U 1 G D N PQ u ot 5 PQ in PQ u ot 4 5 P=Q u ot 6 P=Q in P=Q u ot 3 6 PQ u ot 7 PQ in PQ u ot 2 7 P3 2 3 4 A 0 A 9 1 A A 1 0 2 1 1 6 1 5 1 4 1 3 8 1 2 1 1 1 0 9 6 1 A 7 A 6 A 5 A 3 A 4 A 2 1 A A 1 1 3 4 R 4 S 1 +5V 1K P2 1 5 P2 1 3 4 5 6 7 +5V 8 +5V 9 1 0 A 7 1 2 1 1 A 5 A 6 1 3 A 4 1 4 A 3 P1 P1 U +5V 1 5 A 1 A 2 1 2 P0 1 2 & V C C P0 V C C 1 6 1 0 1 6 1 0 1 6 +5V G D N 1 C 1 R 6 510 10nF 2 5 6 4 5 6 C 4 4.7uF 7 8 3 4 2 1 T IG R C OT V L T R H R ST L 55 N M5 C GN D LS 1 B er uzz +5V 6 1 D1 S K K K K +5V 1 1 4 L D E N D /U C K M /M L A I A B C D G D N +5V U D 7L 9M 5 M 4 S1 0 8 1 1 4 G D N 5 1 4 V C C D /U R O C C K M /M L A I A B C D G D N 1 5 1 1 0 9 8 A B C D G D N U1 1 G ND D 7L 9M M 4 S1 0 Q A Q B Q C Q D Q B Q C Q D Q A 3 2 6 7 +5V 1 2 R O C 1 3 V C C 5 S 3 1 4 A B R 11 100K C 1 0 9 8 D S 4 Q 2 N PN 1 1 5 C 6 4.7uF 1 6 +5V R 10 1K DP g f e d c b a DP g f e d c b a +5V 7 3 2 4 5 8 9 10 16 14 15 9 10 11 12 13 16 14 15 9 10 11 12 13 GN D +5V U 9 g f e d c b a g f e d c b a G ND V C C V C C 1 6 L D E N 1 3 1 2 3 2 6 7 A0 A1 A2 A3 +5V D 2 2 R 15 510 U8 3 LM 258D 4 U7A C 8 1 1 D 74LS M 48M D 74LS M 48M A 3 A 2 A 1 A 0 A 3 A 2 A 1 A 0 LT RI B B B I/R O LT RI B B B I/R O G ND G ND 4.7uF R 16 R 17 8 8 6 2 1 7 6 2 1 7 3 5 4 3 5 4 10K 33K C 9 10nF GN D A4 A5 A6 A7 GN D R 2 R 3 附录一 总原理图 15k 13K 4 6 R ST V C C 8 3 O T U +5V