具有加减识别功能的绕线机电子计数器

1、目录摘要2前言3第一章 设计方案41.1设计目的41.2设计要求41.3总原理框图41.3各单元框图电路设计4（1）信号采集电路4（2）加减识别电路5（3）计数、译码、驱动、显示7第二章 相关元器件介绍92.1红外发射接收对管92.2施密特触发器102.3 ST18811 2.4芯片CD40106122.5 CD4013-双上升沿D触发器122.6 CD4011014第三章 具有加减识别功能的绕线机电子计数器总电路163.1总电路图163.2总电路原理17第四章 结论18参考文献19致谢20摘要 绕线机是用来绕制线圈的专用设备，而计数器则起到了计数作用。通过计数器我们可以了解产品的工作状态。绕

2、线机种类很多，由于各种线圈产品的功能要求不同，目前常见绕线机的有全自动绕线机、半自动绕线机、环形绕线机、伺服精密绕线机、变压器绕线机、电感线圈绕线机等机种。本课程设计主要是通过红外线传感器来计数绕线机转数，然后通过计数，锁存，译码等步骤最终在数码管显示数字。关键词:绕线机，CD4013，CD40106，CD40110,红外对管Abstract Coiling machine is used for the special equipment of Coilingaround the system, and counter does the count function. Through the

3、 counter we can understand the working state of the products. Coiling machine type many, because all kinds of different requirements for the product function coil, the most common of the winding machine fully automatic winding machine, semi-auto coiling machine, annular coiling machine, servo precis

4、ion coiling machine, transformer winding machine, inductance coil winding machine model. This course is designed by infrared sensors to count coiling machine RPM, and then through the count, lock to save, steps in the digital decoder eventually pipe display Numbers Keyword：coiling machine，CD4013，CD4

5、0106，CD40110，infrared geminate transistors 前言绕制绕组设备一般都装计数器，常用的计数器有机械式和电子式计数器。在绕组绕制中，当绕组匝数达到一定值停机，由于绕线机转动惯量很大，绕线机不会立刻停止转动，即使提前采取措施也很难绕到规定匝数，还去要正转或者反转调整。为此我们需要设计一个绕线机计数器来对绕线机转数进行计数控制。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。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

6、触式电子传感器,利用光电元件制成的自动计数装置。其工作原理是从光源发出的一束平行光照射在光电元件(如光电管、光敏电阻等)上，每当这束光被遮挡一次时，光电元件的工作状态就改变一次，通过放大器可使计数器记下被遮挡的次数。常用于记录成品数量或展览会参观者人数。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。该例光电触发式电子计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位。自动化的计数提高了工业生产上的效率以及准确性，计数的自动化和智能化最终能加速实现现代化的工业。随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展,对光电计数器的需求日益增多。光电计数器在实际生产中已经得到了广

7、泛的应用。在应用中，光电传感器部分主要有光电断路器和光电开关，但在工业生产中主要使用的是光电开关，计数电路有CD系列芯片组成的，也有74系列芯片组成的，实际功能差别不大。 第一章 设计方案1.1设计目的(1)掌握常用基本逻辑电路的工作原理 (2)学习掌握电子电路设计基本方法(3)初步学会使用Alitum Designer软件熟悉基本操作，会用其进行电路的仿真(4)设计并制作用于工件计数的绕线机电子计数器(5)培养独立思考、分析、解决问题的能力(6)通过焊接电路，提高实际动手操作能力(7)通过此次设计，增强理论联系实际的能力1.2设计要求设计一个具有加减识别功能的绕线机电子计数器,能够对绕线机正

8、,反转动的次数进行统计，并将最终数据统计结果显示。1.3总原理框图根据设计要求,其总原理框图1-1如下所示:计数、译码、驱动、显示加减识别电路信号采集电路 图1-1 总原理框图1.3各单元框图电路设计信号采集电路框图如下图1-2所示:（1）信号采集电路 加信号采集电路图（a） 减信号采集电路图（b） 图1-2 信号采集电路图图1-2所示为信号采集电路图，VD1，VD2为红外发射管，VT1，VT2为对应的接收管，F1、F2为施密特反相器。工作原理：当绕线机正向转动时，红外发射管VD1发射的红外光先透过小孔，三极管VT1接收到光后导通，其电阻R1处下面节点电位由高电平变为低电平，完成了信号采样任务

9、。然后信号经过施密特反相器F1反向并调制波形后（将不规则波形整成矩形波），送入加减识别信号处理部分。当转盘继续转动，发射管VD2发射的红外光透过小孔，三极管VT2接收到光后导通，电阻R2处下面节点电位由高电平变为低电平，完成信号采样。信号经施密特反向器反向调制后送入加减识别信号处理部分。当转盘反向转动时，红外发射管VD2发射的红外光先透过小孔，三极管VT2接收到光后导通，其电阻R2处下面节点电位由高电平变为低电平，完成了信号采样任务。然后信号经过施密特反相器F1反向并调制波形送入加减识别信号处理部分。当转盘继续转动，发射管VD1发射的红外光透过小孔，三极管VT1接收到光后导通，电阻R1处下面节

10、点电位由高电平变为低电平，完成信号采样。信号经施密特反向器反向调制后送入加减识别信号处理部分。 (2)加减识别电路加减识别电路框图如下图1-4所示:减信号采集信号加信号采集信号 图1-4 加减识别电路 如图1-4所示为减识别信号处理电路简图，F1F4为芯片CD40106里面的施密特反向器。芯片CD40106里面共有6个施密特反相器。而分别和线CPU,CPD相连的两个芯片其实是一个芯片，即芯片CD4013。这里我们将它看成两部分。工作原理：如图1-3所示当绕线机正转(加计数时)，VT1先导通，经施密特反相器F1反向后为高电平。一部分连接到芯片CD4013（2）的CL2引脚上，另一部分则经过施密特

11、反相器F3反向低电平接到CD4013（1）的R1引脚上。根据表1-1所示的CD4013功能表可知，当刚开始两个红外接收管VT1，VT2都没导通时，由于S1，S2接地故都为低电平L。而R1，R2由于前面VT1,VT2未导通再经过反相器后电平高电平H。脉冲CP没有。故Q处电平为低电平，没有给CPU,CPD一个脉冲。引脚D1，D2处电平为高电平。表1-1 芯片CD4013功能表输入输出CPDRnSnQQ非LLLLHHLLHL×LL保持××HLLH××LHHL××HHHH当VD1的光先透过小孔照到接收管VT1后，三极管VT1导通。R

12、1下节点电位由高电平变为低电平，故R1处电位为低电平，而D2处为高电平，S1处为低电平，CL1处没有脉冲，故该处CD4013（1）不被触发。而CD4013（2）虽然有一个上升沿脉冲到其引脚CL2处，但是由于其R2处电平为高电平，所以不被触发（保持）。当VD2的光透过小孔照到接收管VT2后，三极管VT2导通。R2下节点电位由高电平变为低电平。这时信号经F2给芯片CD4013（1）的CL1处一个上升沿触发（加信号），根据表1-1可知，此时芯片CD4013（1）的Q1处电平由低电平变为高电平，Q1处脉冲经导线连到计数、驱动、译码、显示电路。而此时CD4013(2)上R2处电平为低电平，S2处电平为低

13、电平，D2处电平为高电平，CL2处一个下降沿脉冲，故不触发。 当绕线机反转(减计数时)，VT2先导通，经施密特反相器F2反向后为高电平。一部分连接到芯片CD4013（1）的CL1引脚上，另一部分则经过施密特反相器F4反向低电平接到CD4013（2）的R2引脚上。根据表可知此时CD4013不触发。当VT2导通时，信号经F1给CD4013(2)处一个上升沿脉冲（减信号），此时CD4013（2）触发，Q2处电平由低电平变为高电平，Q2处脉冲经导线连到计数、驱动、译码、显示电路。（3）计数、译码、驱动、显示计数、译码、驱动、显示电路框图如下图1-4所示:图1-5计数、译码、驱动、显示如图1-5所示，有

14、4个芯片CD40110分别对应一个数码管。与CD40110和数码管之间相连的电阻用于限流。而芯片CD4013之间BO引脚与CPD引脚相连，CO引脚与CPU相连。当CPU给最左边的CD4013（1）一个上升沿脉冲时，根据芯片CD40110功能表表1-2可知表1-2 芯片CD40110功能表CPUCPDLETER计数显示×000加1随计数器显示×000减1随计数器显示××0不变不变××1×1清0000不变××0×1清0000随计数器显示（显示0）×××10禁止不变

15、15;100加1不变×100减1不变由于是上升沿脉冲，且LE处低电平，TE低电平，R低电平。所以计数加1，数码管显示1。CD40110 的进位输出CO 和借位输出BO 一般为高电平，当计数器从09 时，BO 输出负脉冲；从90 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。而一共用了4个数码管，故其计数范围可以从0000-9999。当按下开关SB时，可对计数器清零。第二章 相关元器件介绍2.1红外发射接收对管人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是

16、可见光。常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通5mm发光二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约100mW。红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。红外线接收管是将红外线光信号变成电信号

17、的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对（简称：光生载流子）。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接收二极管在一般照

18、度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 红外线接收管有两种，一种是光电二极管，另一种是光电三极管。光电二极管就是将光信号转化为电信号，光电三极管在将光信号转化为电信号的同时，也把电流放大了。因此，光电三极管也分为两种，分别别是NPN型和PNP型。 红外接收管的作用是进行光电转换，在光控、红外线遥控、光探测、光纤通信、光电耦合等方面有广泛的应用。 如何选择红外线接收管：红外线最重要的参数就是光电信号的放大倍率，一般的有1000-1300,1300,1800，1800-2500这些对灵敏度有决定性作用。2.2施密特

19、触发器施密特触发器不同于前述的各类触发器，它具有下述特点： 属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压，它具有如图2-1所示的传输特性。(a) 同相输出 (b)反向输出图2-1施密特电路的传输特性在模拟电路中，曾经讨论过由集成运放构成的施密特触发器（带正反馈的迟滞比较器），下面介绍数字技术中常用的施密特触发器。一、 门电路组成的施密特触发器由CMOS门组成的施密特触发器如图2-2所示。图2-2 CMOS反相器组成的施密特触发器电路中两个CMOS反相器串接，分压电阻R1 、R2

20、0;将输出端的电压反馈到输入端对电路产生影响。普通的门电路可以构成施密特触发器。因为CMOS门的输入电阻很高，所以G1的输入端可以近似的看成开路。把叠加原理应用到R1和R2构成的串联电路上，我们可以推导出这个电路的正向阈值电压和负向阈值电压。当时，VI=0时，VO=0 。当VI从0逐渐上升到VT+时，VI从0上升到VTH，电路的状态将发生变化。我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚未发生变化，VO所以仍然为0，VI = VTH =R2/(R1+R2)VI = R2/(R1+R2)VT+ ，于是，VT+ =（1+R1/R2）VT+。与此类似，当VI = VDD时，VO =

21、 VDD。当VI从VDD逐渐下降到VT-时，VI从VDD下降到VTH，电路的状态将发生变化。我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚未发生变化，所以VO仍然为VDD =2 VTH，VI = VTH =R2/(R1+R2) VI +R1/(R1+R2) VO =R2/(R1+R2) VT+ +R1/(R1+R2)2 VTH，于是，VT+ =（1-R1/R2）VTH。通过调节R1或R2，可以调节正向阈值电压和反向阈值电压。不过，这个电路有一个约束条件，就是R1<R2。如果R1>R2，那么，我们有VT+ >2 VTH =VDD及VT- < 0，这说明，即

22、使VI上升到VDD或下降到0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”，不能正常工作。2.3 ST1881 采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。2 检测距离可调整范围大，4-13mm 可用。3 采用非接触检测方式。其内部电路图如下图图2-3所示图2-3 ST188内部电路图如图2-3所示 A、K是红外发射二极管的正负极，C、E是接收管的正负极。因此只要A极接高电平、K极接低电平，红外发射管就能发出红外线。可以在传感器加上外围电路来检测接收管的信号，进而确定是否接受到反射回来的红外线。 2.4芯片CD40106CC40106由六个斯密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入

23、端具有斯密 特触发器功能的反相器。触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V T+)和下降电压(V T-)之差定义为滞后电压。其引脚图如图2-4所示    图2-4 CD40106引脚图引脚功能：2 4 6 8 10 12  数据输出端1 3 5 9 11 13   数据输入端14 电源正7 接地2.5 CD4013-双上升沿D触发器CC4013 由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q 及Q输出。此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。

24、在时钟上升沿触发时，加在D 输入端的逻辑电平传送到Q 输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。CC4013 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）4 种封装形式。引出端符号 推荐工作条件1D2D 数据输入端 电源电压范围3V15V1CP2CP 时钟输入端 输入电压范围0VVDD1SD2SD ，1RD2RD 直接复位端 工作温度范围1Q2Q 原码输出端 M 类551251Q2Q 反码输出端 E 类.4085VDD 正电源 极限值Vss 地 电源电压.0.5V18V 输入电压0.5VVDD+0.5V 输入电流

25、.±10mA 表2-1 CD4013功能表输入输出CPDRnSnQQ非LLLLHHLLHL×LL保持××HLLH××LHHL××HHHH图2-5 CD4013 引脚图2.6 CD4011040110 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。CD40110 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作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。40110 的进位输出CO

26、 和借位输出BO 一般为高电平，当计数器从09 时，BO 输出负脉冲；从90 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： 推荐工作条件：BO 借位输出端 电源电压范围3V18VCO 进位输出端 输入电压范围0VVDDCPD 减计数器时钟输入端 工作温度范围CPU 加计数器时钟输入端 M类55125CR 清除端 E 类.4085/CT 计数允许端 极限值：/LE 锁存器预置端 电源电压.0.5V18VVDD 正电源 输入电压0.5VVDD+0.5VVss 地 输入电流.±10mAag 锁存译码输

27、出端 储存稳定65150 逻辑图图2-6 CD40110引脚图表2-2 CD40110功能表CPU(CLK UP)CPD(CLK DN)LETE(EN非)R计数显示×000加1随计数器显示×000减1随计数器显示××0不变不变××1×1清0000不变××0×1清0000随计数器显示（显示0）×××10禁止不变×100加1不变×100减1不变第三章 具有加减识别功能的绕线机电子计数器总电路根据设计要求其总电路图如图4-1所示3.1 总电路图图4-1

28、 总电路图3.2 总电路原理如图所示，当绕线机正转时，ST188里的VD1的光先透过小孔照到接收管VT1后，三极管VT1导通。R1下节点电位由高电平变为低电平，故R1处电位为低电平，而D2处为高电平，S1处为低电平，CL1处没有脉冲，故该处CD4013（1）不被触发。而CD4013（2）虽然有一个上升沿脉冲到其引脚CL2处，但是由于其R2处电平为高电平，所以不被触发（保持）。当VD2的光透过小孔照到接收管VT2后，三极管VT2导通。R2下节点电位由高电平变为低电平。这时信号经F2给芯片CD4013（1）的CL1处一个上升沿触发（加信号），此时芯片CD4013（1）的Q1处电平由低电平变为高电平

29、而CD4013(2)上R2处电平为低电平，S2处电平为低电平，D2处电平为高电平，CL2处一个下降沿脉冲，故不触发。由于Q1处有个上升沿触发，根据CD40110的芯片资料可知,计数加1，数码管显示1。CD40110 的进位输出CO 和借位输出BO 一般为高电平，当计数器从09 时，BO 输出负脉冲；从90 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。而一共用了4个数码管，故其计数范围可以从0000-9999。当按下开关SB时，可对计数器清零。当绕线机反转时，ST188里的VD2的光先透过小孔照到接收管VT2后，三极管

30、VT2导通。R2下节点电位由高电平变为低电平，故R2处电位为低电平，而D1处为高电平，S2处为低电平，CL2处没有脉冲，故该处CD4013（2）不被触发。而CD4013（1）虽然有一个上升沿脉冲到其引脚CL1处，但是由于其R1处电平为高电平，所以不被触发（保持）。当VD1的光透过小孔照到接收管VT1后，三极管VT2导通。R2下节点电位由高电平变为低电平。这时信号经F2给芯片CD4013（1）的CL2处一个上升沿触发（加信号），此时芯片CD4013（2）的Q1处电平由低电平变为高电平而CD4013(1)上R2处电平为低电平，S1处电平为低电平，D1处电平为高电平，CL1处一个下降沿脉冲，故不触发

31、。由于Q2处有个上升沿触发，根据CD40110的芯片资料可知,计数减1。CD40110 的进位输出CO 和借位输出BO 一般为高电平，当计数器从09 时，BO 输出负脉冲；从90 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。而一共用了4个数码管，故其计数范围可以从0000-9999。当按下开关SB时，可对计数器清零。第四章 结论本次毕业设计让我更加熟悉了从理论到实践的跨越。通过毕业设计我学会了如何运用Altium Designer Winter 09来绘制电路的原理图以及一些基础的PCB绘图技巧。Altium Des

32、igner Winter 09 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer Winter 09 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能。从电路板绘制到最后焊接元器件的过程中,有时候画原理图一不小心就会接错线或者用错芯片,特别是原理图布线的时候,总要考虑器件之间不能交线,这总让人很头疼。但仔细多想想，多试试总会找到解决的办法。在绘制PCB这部分，基本上啥都不懂。多亏了周华同学的很大帮助，我才能够把它的图做了出来。在拿到电路板进行焊接的时候，总要考虑焊锡的多少，以免出现虚焊等现象。当把设计焊完之后，特地测试了一下。刚开始的时候，本以为直接遮住对管就可以计数。但是，当我再把电路图拿过来研究之后才发现，其实当纸片划过之后给第一个透过光的芯片CD401