光控计数.docx
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光控计数
前言
现今人们在生活、学习和工作中，经常需要对某种物品进行数量统计。
而在学校的教学中，也时常要对教室或实验室里的人数进行统计，以便了解需要准备的教学仪器或是参考资料的数目。
常规的机械计数和人工计数不仅麻烦，而且极为浪费时间和资源。
随着社会自动化的不断普及，人们日渐需求一种自动计数的装置。
在学习了脉冲数字电路的基础上，笔者设计了一种利用光线的通断来统计数目的光控计数器。
其主要系统组成为：
光电转换模块、整形模块、时序控制模块、计数译码模块和显示模块，通过对光电的转换，由时序逻辑电路控制，达到自动计数的功能。
此产品简单方便，非常易于用于实际生活中,有教高的实用价值。
第一章设计要求
本设计主要是利用光线的通断来统计进入实验室人数。
要求设计两路光控电路，一路放置在门外，另一路设置在门里，当有人通过门口时（无论是进入或走出房间），都会先触发一个光控电路，再触发另一个光控电路，要求根据光控电路产生触发脉冲的先后顺序，判断来人是进入还是离开实验，当有人进入实验室时令计数器进行加计数，当有人离开实验室时进行减计数；要求计数器的最大计数容量为99人，并用数码管显示数字。
第二章系统组成及工作原理
2.1系统组成
整个系统由五个部分组成：
光控电路、触发脉冲、加减计数、显示译码和数码显示，其工作原理框图如下：
2.2工作原理
首先由光控电路将接收的光信号转换为电信号，经施密特触发器整形触发脉冲，输出计数脉冲信号。
再通过计数器和译码器，在LED数码显示管上显示数目的增加或减少，实现自动计数的功能。
第三章电路设计
3.1元器件介绍
3.1.1施密特触发器
经光电部分出来的波形是不规则的，需要经过施密特触发器进行整形。
在此课题中选用的施密特触发器是74LS04芯片，因此输出与输入反相。
芯片结构及引脚图如图一。
图一
3.1.2555定时器
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
它使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，广泛用于信号的产生、变换、控制和检测。
在此课题中主要是用555定时器构成多谐振荡器，产生双D触发器所需要的时钟脉冲。
其引脚图如图二。
图二
3.1.3双D触发器
本课题中选用的是74LS74双D触发器，用于和其它芯片一起构成时序逻辑电路。
由于74LS74是上升边沿触发的边沿D触发器，电路结构是维特—阻塞型的，所以又称维特—阻塞触发器。
它要求控制端D的信号应超前CP脉冲上升边沿2Tpd1时间建立，并要求在CP脉冲触发边沿到来后继续维持1Tpd1时间（此处的Tpd1是TTL门的平均传输延迟时间）。
其中一个D触发器引脚结构如图三。
图三
3.1.4与非门
本课题中选用了两个74LS00芯片和一个74LS20芯片，与双D触发器一起构成时序控制电路。
其中74LS00芯片结构及引脚图如图四。
74LS20芯片中为两个四脚合一与非门，74LS08为与门，与74LS00芯片类似，不再具体介绍。
图四
3.1.5加/减计数器
因为本课题中需要对人数统计进行加和减的运算，所以笔者选用了74LS192可逆计数器。
其引脚图如图五。
图五
3.1.6译码器
译码器用以连接计数器和显示部分。
本课题选用了CD4511芯片作为译码器。
其引脚图如右图。
3.1.7数码管
数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管（共阴极）。
其引脚图如图六。
图六
3.2单元电路设计
3.2.1光电转换电路
光电转换电路用于将光信号转换为系统所需的电信号。
由于需要进行数目的加和减的运算，此部分需要两个相同的光控电路。
每个电路的组成为：
一个发射管，一个接收管以及一个三极管，同时还有一个20欧姆和一个20K欧姆的电阻。
接通电源后，接收管接收到发射管射来的红外光线。
当有人通过两个二极管间时，三极管电流增大，内阻减小，集电极输出低电平，送至施密特触发器。
电路图如图3.2.1：
图3.2.1
3.2.2时钟脉冲产生电路
对于双D触发器所需要的1000Hz的脉冲，由于在本课题中电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用了555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为触发器和计数器的CP脉冲.振荡器的频率计算公式为:
f=1.43/（（R1+2*R2）*C）,通过计算选定参数确定了R1取430欧姆,R2取500欧姆,电容取1uF.这样得到了比较稳定的脉冲。
其电路图如图3.2.2所示：
图3.2.2
3.2.3整形电路
此整形电路由74LS04施密特触发器完成，对光电转换电路输出的脉冲信号进行整形，较为简单，在此就不赘述。
3.2.4时序控制电路
时序控制电路在本课题中主要用于判断计数的增加或是减少，在此选用了一个D触发器、两个74LS00芯片、一个74LS20芯片和一个74LS08芯片来实现。
设计思路如下：
设初始状态为0，由光控电路部分产生的两列脉冲分别为A，B，设置计数器为增加状态时，如图：
如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表和卡诺图如下：
ABQ（t）Q（t+1）Z
00000
01000
10010
11000
00100
01100
10110
11111
ABQ
00
01
11
10
0
1
1
1
1
因此，得Q（t+1）=AB′+AQ
=（（AB′）′（AQ））′
Z=ABQ（t）
同理：
设置计数器为减少状态时，
如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表和卡诺图如下：
ABQ（t）Q（t+1）Z
00000
01010
10000
11000
00100
01110
10100
11111
ABQ
00
01
11
10
0
1
1
1
1
得：
Q（t+1）=BA′+BQ
=（（BA′）′（BQ））′
Z=ABQ（t）
因此可得此部分时序逻辑图，如图3.2.4：
图3.2.4
3.2.5计数和译码和显示部分
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。
在本课题中选用了74LS192加减计数器、CD4511译码器和共阴极LED数码显示管，其电路图如图3.2.5：
图3.2.5
3.3电路总图
此光控计数器电路总图见附录二。
第四章安装与调试
按照电路图在计算机上进行仿真以后，开始在电路板上连接线路并且焊接。
为了更有效的检测电路连接的正确性，笔者采取了边连接边测试的方法。
总共测试了三个部分：
◆时钟脉冲部分：
首先进行测试的是时钟脉冲部分。
连接好线路后，连接电源，将555定时器的脉冲输出接口接入示波器，却未得到任何波形。
经检查，发现是芯片的位置错了。
重新安置芯片后，示波器得到如下波形：
◆计数显示部分：
其次测试了计数显示部分。
同样的，连接电源，信号发生源调至输出适当频率的脉冲信号，并将其输出接口触碰加减计数器的up/down两脚，数码管稳定而有序地进行数的加减。
◆光电转换部分：
最后测试了光电转换部分。
将数字万用表的负极端接地，正极端接在三极管的集电极，用硬纸片隔断发射管和接收管，集电极由原来的高电平变为低电平。
在测试了以上三个部分以后，对总的电路进行测试，数码管却没有数字显示，经过多方检查才发现是由于虚焊的缘故。
这是焊接过程中经常遇到的问题，不加以纠正将使电路无法工作，而且这个问题很难检查出来，也只能利用万用表检查。
在解决了虚焊的问题后，整个电路终于正常工作，实现了光控计数的功能。
第五章结论
本次课程设计总的来说比较成功，但在设计及操作过程中也有一些问题，现将发现问题及解决方法总结如下：
1）在检测电路板的过程中，出现本该相通的地方却未通的状况，后经检验发现是由于万用表笔尖未与电路板内部垂直接触所至。
2）在检测CD4511驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。
用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。
其次是由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好，其解决方法为把CD4511的芯片拔出，根据电路板的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入电路板中，此后发现能正常显示，本次实验中还发现一块坏的LED数码管和两块坏的CD4511，经更换后均能正常显示。
3）在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的，例如仿真的连接示意图中，往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚，因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。
第六章心得体会
通过电子实习，印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有一个好的设计。
设计思路是最重要的，只要设计思路是成功的，那设计已经成功了一半。
其次还要有耐心，要有坚持的毅力。
在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如CP脉冲的供给通断，计数器的进位连接等。
，经过仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。
实习过程中，笔者深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
此外，团队精神和老师的指导对笔者本次课题的完成也是相当重要，在此对笔者的合作伙伴和指导老师表示感谢。
总体来说，这次实习受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了设计思维，增加了实际操作能力。
在体会到了设计电路的艰辛的同时，更体会到成功的喜悦和快乐心得体会。
参考文献
1.康华光.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社.1998
2.王毓银.数字电路逻辑设计.高等教育出版社.1995.
3.钱培怡.电子电路实验与课程设计.西安电子科技大学出版社.1992.
4.M.MorrisMano..高等教育出版社.2002
5.中国集成电路大全.国防工业出版社
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