光电计数器课设报告

课程设计说明书课程设计名称： 数字电路课程设计 课程设计题目： 光电计数器的设计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 11 年 9 月 15 日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光电门实现对通过光电门的物体进行计数，再通过显示模块和报警模块让使用者能够有效的了解到生产情况，可以用于工业生产和实时监控等领域。在这次课设中，我组使用发光二极管和光敏二极管来模拟光电门的效果，再通过由OP07构成的比较电路来模拟一个CP脉冲，之后通过由555构成的施密特触发器对采集到的信号进行整形，再输出给由两片74ls160构成的计数电路，通过74ls47驱动晶体管显示计数情况。当计数达到100时，驱动后级报警电路工作，报警时间为两秒,时间由555构成的但稳态触发器来控制。关键词：计数器 光电传感器 整形 报警目录前言4第一章 设计内容及要求51.1 基本要求51.2 提高要求5第二章 设计方案62.1 基本方案62.2 提高方案62.3 方案设计过程及原理介绍7第三章 系统组成83.1 系统框图83.2 单元电路介绍93.2.1 信号采集电路93.2.2 整形电路103.2.3 计数电路113.2.4数码显示电路133.2.5 满百报警电路133.3 调试与测试结果15第四章 结论与心得体会16第五章 参考文献17附录17附录一 有关芯片管脚图18附录二 电路原理总图20附录三 实物图片21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发光光电二极管传感器。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，经整形后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。当达到100时，通过74ls160的进位端输出一个高电平，驱动后继电路报警。2.2 提高方案该方案在基本方案的基础上，增加一级施密特触发器来进行对采集到的波形进行整形，达到抗干扰的作用。施密特由555芯片和少许分立原件构成，可以得到较为理想的波形。其次，再在74ls160后加入一级方波产生电路，再本次课设中，是由555构成的单稳态触发器完成的，输出方波周期可调，为完成课设要求，将其高电平时间调为2S，使后级9013导通，报警电路工作，灯亮两秒以完成报警。对于提高要求1所要求的设计脉冲电源，本次课设中我组没有采用，其原因是学校所提供的光电二极管灵敏度太低，抗干扰能力也太差，即使使用了脉冲电源为发光二极管供电，也无法使其光电门距离达到一米，考虑到经济成本等问题，故没有设计和采用脉冲电源作为发光二极管的电源，仍使用直流电源供电。（图为脉冲电源设计图，本次课设没有采用。）2.3 方案设计过程及原理介绍在本次课设设计过程中，我组先把整个系统分成几个独立的模块。我组首先将系统分成了信号采集模块、信号处理模块（计数显示模块）、驱动报警模块来完成课设要求。在设计信号采集模块根据设计要求和实验室的设备限制最终选择了经典的对管设计，计数模块使用10进制的加法器74LS160来组合完成，显示部分用了共阳的晶体管，报警部分使用555产生一个2S高电平的方波来导通三极管使蜂鸣器和发光二极管报警。在实际测试后发现信号采集部分输出的波形不能满足后级电路的输入信号要求，故在计数显示模块之前又加入了一个信号处理整形的模块，使得电路能正常工作。在工作过程中，假设有物体夹在对管之间，则光敏二极管电流发生变化，由OP07组成的比较器输入电压发生变化。在调整好比较电压之后，则可以在遮光时模拟产生一个电压变化，但此电压变化不足以达到能模拟一个CP脉冲的波形指标。但我组在此处加入了一个由555构成的施密特触发器，对波形进行整形，使其能模拟一个CP脉冲，并将此信号传给后级电路。74LS160接受到一个CP上跳沿，其自动加一，满十后输出一个进位信号，使高卫片加一。当达到99时，再来一个CP，高位片给一个CP上跳沿，经74LS00反向后输出给555构成的单稳态触发器，触发其进行工作，输出一个2S高电平的方波。高电平使三极管导通，蜂鸣器和发光二极管同时开始历时2S的报警，完成设计要求。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、处理、显示、报警四个功能块。以下将分别介绍各功能块的详细构成。3.2 单元电路介绍3.2.1 信号采集电路该电路主要由光电转换电路，信号滤波比较电路组成。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3.2。图3.2 信号采集电路实际电路由于实验室没有光敏贴片芯片，故实际电路中使用了发光二极管和光敏二极管来设计光电门。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3.3所示。图3.3 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OP07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。3.2.2 信号处理电路由于实际情况OP07输出的高低电平波形不能达到设计所需的方波（上升沿不够陡，且有毛刺，高电平约为4.7V，低电平约为1.2V），故在此加了一级整形电路，主要是为了能够提供一个较为理想的CP脉冲。在本次课设中，我组使用了555构成了一个经典的施密特触发器对OP07输出波形进行整形，如图3.4。当VI1/3VCC时，VC1=1,VC2=0,Q=1,故VO=VOH;当1/3VccVI2/3VCC时，VC1=0、VC2=1,Q=0,故VO=VOL。因此=2/3VCC。当1/3VCCVI2/3VCC时，VC1=VC2=1,故VO=VOL不变；当VI1/3VCC以后，VC1=1,VC2=0,Q=1,故VO=VOH。因此=1/3VCC。本次课设采用5V直流电源供电，所以VT+约为3.33V，VT-约为1.66V。图3.4 信号处理电路3.2.3 计数电路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74LS160作为该电路的计数器。74LS160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器,置数后，每来一个CP上升沿触发信号，计数器自动加一，到九时会输出一个进位信号。在本次课设中，为实现达到100的计数，采用了2片74LS160级联，用低位片的进位信号来作为高位片的CP脉冲输入端，低位的CP输入信号由前级的施密特触发器提供，来完成每来一个CP脉冲就自动加一，完成计数功能。电路如图3.5。图3.5 计数电路计数电路还包含一个复位电路，如图3.6。电键按下时，RESET端为低电平，reset接74LS160复位端，给74LS160复位，不按下为高电平，复位无效。图3.6 复位电路3.2.4 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。七段共阳数码管，由74LS47控制，它们之间实际连接了1K的限流电阻，电路图未体现出。如图3.7。图3.7 数码显示电路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，74LS160的TC端给出一个高电平，经74LS00构成的反向器来得到一个低电平，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：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（C5）为100F，R（R5）为18K（R5实际采用了电位器以实现时间可调，并在调试过程中用秒表校准）。之后在由555的3号输出端驱动后级报警电路，报警电路由一个9013三极管、LED灯、蜂鸣器以及限流电阻组成。555触发后会输出一个2S方波，当高电平时导通三极管，使蜂鸣器和LED灯工作，报警开始，2S后方波消失，三极管不导通，报警结束。R6为限流电阻，防止555烧坏，R7、R8是为保护LED和9013设计的限流电阻，设计电路图如图3.8。图3.8 满百报警电路3.3 调试与测试结果按照电路图焊接好电路后，发现并重新焊接个别虚焊点后，开始按板块调试。信号采集电路经调试，在光电二极管处电压，输出电平，有物体遮挡在对管之间时为3.03V，没有遮光物体时电压为4.13V。故调节比较器处电位器，将比较电压调整为3.50V，经测试，OP07输出的高电平为4.69V，低电平为1.27V，伏值上能满足后级电路需求。但OP07输出波形经示波器观察并不是很理想，从低电平向高电平越变需要一个较长的时间，并且在波形上也有毛刺，如果直接接入计数电路，每产生一个越变会使后级电路产生多次误触发。于是引入了一个整形电路。将施密特整形电路接入后，输出高电平为4.98V，低电平为0.00V，且波形陡峭，没有毛刺，能够满足后级电路的输入信号波形。计数和显示电路，输入信号使用函数发生器提供，能够正常计数和显示，但计数到了90时74LS160进位端会产生一个误触发信号。这个问题在更换了一块74LS160芯片后解决。在调试驱动报警电路的过程中，开始在设计过程中电容C6选择不合理，导致电路报警延迟严重，经更改电解电容后解决。调节电位器，以调节报警时间。经秒表校准，电位器为18.92K时，报警时间为两秒，经示波器观察，555输出了一个约为2S高电平的方波，电路工作正常。将各级电路连接成一个系统后，接通直流5V稳压电源，系统能正常计数，并且能够消除抖动带来的影响，当计数到达100时，报警2S，按下电建后可以进行手动复位并重新计数，电路工作正常。第四章 结论与心得体会经以上设计、制作、调试与测试，我组设计电路能够完成光电计数器的基本要求和提高要求2、3，且工作稳定，完成了一个光电计数器的设计。在设计电路及确定电路参数的过程中，再一次学习和认识了数字电子电路的理论知识，并且了解了一些工程概念，积累的实际设计的经验。焊接过程中，系统中的某个模块也出现了一些问题，如虚焊和短路现象导致模块无法正常工作，最后经过诊断和重旱解决了问题，又加强了实际动手能力。调试过程中的体会就是要细心，出现了什么意外情况不能着急，有的时候越着急就越难找出错误，冷静是关键。此次设计还算是比较成功的，没有出