自动化生产线物料计数及报警装置.docx
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自动化生产线物料计数及报警装置
《电子产品装配与调试》试题
题目：
自动化生产线物料计数及报警装置
完成时间：
4小时
工位号：
日期：
______________________________
第一部分电路说明部分
一、电路功能概述
某生产车间生产量不断增大，在生产过程中遇到一个问题，正常情况下1个大袋里要装入10小包物料，但是因为人为疏忽有时导致物料出现漏装或者多装现象。
管理者为了解决这个问题，提出一个物料自动打包系统的想法，同学们学习知识的目的就是要学以致用解决实际问题，下面我们将为工厂设计一个自动打包系统，经过我们的分析，物料自动打包系统可由物流计数器和机械打包设备组成，我们这次要完成的就是物流计数器，帮助管理者解决实际生产问题。
物料流量计数器组成方框图见图1，该电路主要由红外线对射、放大整形、计数显示、计满输出和稳压等电路组成。
电路原理图详见图2，电路板图详见图3。
图1电路方框图
电路通电后红外发射二极管发射的红外线直接射入红外接收二极管中，此时红外接收二极管导通，当物件经过时光线被遮挡，红外接收二极管截止，此信号通过由Q1组成的放大电路，对信号进行放大处理，经过处理后的信号送入由U1组成的施密特触发电路，将模拟的信号装换为脉冲信号，信号分别送入译码显示电路和计满输出电路，译码显示电路由U3和7段LED数码管组成，U3将接收的BCD码经过译码后驱动LED数码管，使其显示当前计数值；计满输出电路，该电路由U4、Q6、R33、R35、LED6和LS1等元件组成，当BCD码输出为1001时启动声光报警，从而证明已计数10件，该信号输出用于启动自动封箱设备。
稳压电路主要由整流滤波电路和串联式稳压电源组成。
通过对上面电路的理解，同学们需要完成以下任务：
1、完成电路板的装配和调试工作
2、完成试题部分的所有内容
二、电路原理图及PCB图
图3电路原理图及元件布局图
三、元件清单
参数
标号
封装
数量
0.1uF（104）
C1,C2,C4,C5,C8,C10
贴片0805
6
1nF（102）
C3
贴片0805
1
10uF/25V
C6,C9
直插
2
220uF/25V
C7
直插
1
1N4007
D1,D2,D3,D4
DO-41（直插）
4
3.6V稳压管
D5
DO-35（直插）
1
单个数码管
DS1,DS2,DS3
19*12.5MM（共阴）
3
红外接收管
IR1
φ5（直插）
1
红外发射管
IR2
φ5（直插）
1
热缩管
φ5（长1.3cm）
1
LED
LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED6,LED7,LED8,LED9,LED10,LED11,LED12,LED13,LED14
贴片0805
14
有源蜂鸣器
LS1
直插
1
端子
P2
HDR1*2（3.81mm）
1
8050
Q1,Q5,Q6,Q7,Q8
TO-92（直插）
5
8550
Q2,Q3,Q4
TO-92（直插）
3
1K
R1,R3,R10,R15,R18,R32,R33,R35,R40,R43,R44,R61
贴片0805
12
4.7K
R2,R16,R20,R21,R22,R23,R25,R26,R27,R28,R36,R41
贴片0805
12
10K
R4,R13,R42,R46
贴片0805
4
10K
R5,R45
3362
2
100R
R6,R7,R8,R9,R11,R12,R14,R47,R48,R49,R50,R51,R52,R53
贴片0805
14
510R
R17,R19,R24,R29,R30,R31,R34,R37,R38,R39,R54,R55,R56,R57,R58,R59,R60,R62,R63,R64
贴片0805
20
轻触按键
S1
Switch_DIP4
1
自锁开关
S2
Switch_DIP6
1
NE555
U1
DIP8
1
MC14553
U2
DIP16
1
CD4511
U3
DIP16
1
74LS10
U4
DIP14
1
CD4017
U5
DIP16
1
芯片座
DIP8
1
芯片座
DIP14
1
芯片座
DIP16
3
铜柱
L：
8mmM3
4
螺帽
M3
4
PCB板
1
四、主要元件功能介绍
1.红外线发射/接收二极管
红外发射/接收二极管与普通φ5发光二极管外形相同，他们的区别在于红外发射二极管为透明封装（见图4），红外接收二极管采用黑胶封装（见图5）。
红外发射二极管的电路符号见图4，红外发射二极管工作于正向导通状态，电流流过发射二极管时，发射二极管发出红外线；红外接收二极管的电路符号见图5，接收二极管工作于反向状态，当没有接收到红外线时，接收二极管时高阻状态，当接收到红外线时，接收二极管电阻减小。
图4红外发射二极管图5红外接收二极管
2.时基电路
NE555是一种具有广泛用途的单片集成电路，外界适当的元件可以轻松地组成多谐振荡器、单稳态触发器，施密特触发器等，在波形产生与变化等诸多领域也有着广泛的应用。
NE555引脚图详见图6。
内部组成原理图见图7。
NE555引脚功能简介：
1脚：
公共接地端（负极）
2脚：
低触发端TR，低于1/3电源电压时即导通
3脚：
输出端OUT，输出电流可达200mA
4脚：
强制复位端R0，不用时可与电源正极相连或悬空
5脚：
比较器的基准电压，简称控制端VCO，不用时可悬空或通过0.01μF电容接地
6脚：
高触发端TH，也成阈值端，高于2/3电源电压时即截止
7脚：
放电端DISC
8脚：
电源正极VCC
3.十进制CD4553
CD4553内部有3组BCD码十进制计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。
例如：
当Q0～Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。
CLOCK：
计数脉冲输入端，下调沿有效。
CIA、CIB：
内部振荡器的外界电容端子。
MR：
计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。
LE：
锁定允许。
当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。
DIS：
该端接地时，计数脉冲才能进行计数。
DS1、DS2、DS3：
位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。
Q0、Q1、Q2、Q3：
BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。
4.译码CD4511
CD4511是十进制锁存七段译码驱动芯片，它能将四位二进制数编码转换为七段LED数码管的字段码，同时具有锁存和驱动能力。
CD4511管脚配置见图10。
ABCD—BCD码输入端；LE—锁存允许端，当LE=0时，4位BCD码进入锁存器，当LE=1时，输入的数据被锁存；a~g—七段码输出端；LT和BI的功能见CD4511的真值表图11。
五、装配及调试说明
1、装配
根据电路原理图、PCB图和材料清单表，将元件安装焊接到PCB板上，安装焊接要求详见试题部分第二题（电子产品装配）。
2、调试
电路通电前应仔细检查所有元件焊接是否正确，例如：
是否出现虚焊、连焊、极性装反和元件错焊等常见问题。
检查无误后用万用表测量电源输入端是否有短路，若是一切正常方可根据下面的程序进行调试。
调试步骤：
电源电路：
电源主要由整流滤波电路、串联式稳压电路组成，电路输入的AC12V交流电经过整流滤波后得到一个约15V的直流电压，串联式稳压电路主要由Q7、Q8、D5、R42、R40、R41、R45、R46、C6、C8、C9、C10组成，R40和D5构成一个基准电压，R41、R45、R46构成采样电路，2路信号送入由Q8组成的误差放大电路，然后再将误差信号送入由Q7和R42组成的电压调整电路，C6与电压调整电路组成有源滤波电路，能有效地抑制电路中的纹波电压。
将电源输入端接入AC12V的电源，调节R45使电容C9两端电压为DC5V，电源电路调整正常后，短接P1为整个电路供电。
红外发射/接收电路：
将发射二极管的管头对准接收二极管的管头，管头与管头的间距应不低于5mm，发射和接收二极管均需卧式安装，但不能将发射/接收二极管贴着PCB安装，间距应小于5mm。
调节R5使流过发射二极管的电流为1mA，此时若接收二极管接收到红外线，Q1集电极电压下降。
用万用表的电压档测Q1集电极电压，然后用纸或其他障碍物遮挡发射二极管，测Q1集电极电压是否有明显变化，若有明显的电压变化红外发射/接收电路调试完成。
计数显示电路：
计数显示电路由施密特触发电路、二/十进制计数电路、译码驱动电路和数码管显示电路组成。
Q1集电极输出的电压信号，送入由NE555组成的施密特触发电路，经过施密特触发电路后，Q1集电极输出的电压信号被转化为数字信号，当发射二极管没有被挡住时，NE555的OUT引脚输出为1，反之输出为0。
NE555输出信号送入由CD4553计数电路，S1为归零按键，C5和R32组成复位电路，确保电路通电时计数器归零；计数器归零。
CD4511和数码管组成译码显示电路，CD4553输出的BCD码送入CD4511，CD4511将BCD码译码后，直接驱动数码管显示数字。
计满输出电路：
当CD4553计数值为9时，三极管Q6导通，蜂鸣器LS1鸣叫，发光二极管LED6点亮。
经过以上调试步骤，整机调试完成。
使用一个障碍物挡住发射与接收二极管的光路，障碍物移开时，数码管上显示加1，当数码管上个位为9时，启动声光报警，按下S1按钮数码管的数字归零。
第二部分考试答卷部分
一、元器件识别与检测（10分）
1、元件识别（3分）
清点套件中的元件，其中共有三极管______只，二极管_____只，此外还包括_______________________________________________________________等原件。
2、元件测试（7分）
将下表涉及的元件检测结果填入表中。
质量判定填写“可用”、“短路”、“断路”、“漏电”等。
所使用的万用表为：
_______________________
元器件
识别及检测内容
配分
评分标准
得分
电阻
R4
标称值
测量值
测量档位
0.5
错1项，该电阻测试项不得分
电容
C6
标称值
介质
质量判定
0.5
错1项，该电容测试项不得分
二极管
D1
正向电阻
反向电阻
测量档位
质量判定
1
错1项，该二极管测试项不得分
三极管
Q7
画出外形示意图标注管脚名称
电路符号
质量判定
1
错1项，该三极管测试项不得分
可调电阻
R45
画出外形示意图标注管脚名称
电路符号
质量判定
1
错1项，该电位器测试项不得分
数码管
DS1
画出外形示意图标注管脚名称
电路符号
质量判定
1
错1项，该数码管测试项不得分
元件挑选
全部元器件
元器件应用正确
1
元件装错、漏或损坏1分/件
万用表的使用和维护
万用表正常使用和维护
操作全过程无失误
1
各项操作方法不当及失误扣0.5分/项
二、电子产品装配（50分）
工艺要求：
元件安装整齐、焊点美观
内容
技术要求
配分
评分标准
得分
元器件安装
1、元件引脚加工尺寸及成型符合相关装配工艺要求。
2、元件安装应横平竖直。
3、元件字符方向应与PCB的字符方向一致。
4、红外发射和接收管在安装时，管头与管头应对准，发射和接收管都为卧式安装。
10
检查成品，不符合要求的，每处每件扣3分/件。
焊点质量
1、焊点大小适中，无漏、虚、连、假焊点，焊点光滑、圆润、干净、无毛刺。
2、焊盘不应脱落。
3、修剪管脚长度合适、一致、美观。
15
安装质量
1、集成电路，二、三极管及导线安装应符合工艺要求。
2、元器件安装牢固，排列整齐。
3、无烫伤和划伤处，整机清洁无污物。
10
工具的使用和维护
1、电烙铁的正确使用和维护。
2、万用表的正确使用和维护。
3、螺丝刀、斜口钳等工艺的正确使用。
7
根据监考记录，工具的不正确操作，每次扣3分。
工作环境
1、工作过程中应保证工作台的整洁。
2、工作完成后应降工作台和测试设备清理干净，测试设备应归位。
8
根据监考记录和结束时的现场环境每次扣3分
三、电子产品功能调试（25分）
注意：
电路的调试方法，详见装配调试说明。
1、本电路功能完成（12分）
鉴定内容
技术要求
配分
评分
得分
实现功能
当物件通过红外线检测电路后，计数器加1，当数码管最后一位显示为“9”时，蜂鸣器叫，LED6点亮
12分
1、电源部分能正常工作，能正常输出5V直流电，LED13、LED14能正常点亮。
（3分）
2、红外发射和接收电路能正常工作。
（3分）
3、由U1、U2、U3、U4构成的计数显示电路能正常计数显示，按下S1时数码管显示归零。
（3分）
4、由U5构成的流水等电路能正常工作、当数码管最后一位显示为9时，蜂鸣器叫，LED6亮。
（3分）
2、完成检测报告分析（7分,1—2题，每空1分。
）
1）用物体遮住红外接收射管，用万用表测得Q1的集电极（测试点3）电压为_______V，
在测得NE555的输出端（测试点2）的电压为________V；移开遮挡的物体，此时Q1的集电极电压为______V，NE555的输出端为_______V。
这说明当有物体遮挡红外接收管时、会在NE555的输出端产生一个__________脉冲。
2）用万用表测得Q7的发射极（测试点1下方的焊盘）电压为_______V,在此时调整R45的值________（会，不会）对输出电压产生影响。
3、电路原理分析。
（6分）
（1）试分析下图所示电路的工作原理。
（3分）
（2）当前的计数器是在物料经过后（遮挡物移开后）计数器加1，试分析电路应如何改进才能使物料进入（遮挡物刚进入）时加1？
（3分）
第三部分原理图与PCB板图的设计（15分）
要求：
1．选手在指定盘根目录下建立一个文件夹。
文件夹名称为PCB+工位号。
选手所有的文件均保存在该文件夹下。
各文件的主文件名：
设计数据库文件（工程文件）：
PCB+工位号
原理图文件：
SCH+××
原理图元件库文件：
SLIB+××
Pcb文件：
PCB+××
Pcb元件封装库文件：
PLIB+××
其中：
××为考生的工位号。
如SCH08
2．绘制原理图（5分）
要求：
（1）元件电路符号应标准，序号、参数应一致。
（2）元件库里没有的元件应该单独制作并保存完整。
（3）在原理图下方注明自己的工位号。
3．绘制双面电路板图（10分）
要求：
（1）元件封装标准，应与实际元件一致。
（2）封装库里没有的元件应该单独制作并保存完整。
（3）信号线宽20mil，电源线宽30mil，接地线宽40mil。
（4）电路板的尺寸大小合理。
（5）在电路板边界外侧注明自己的工位号。
试题（以下所有题目都以下图为依据）：
话筒放大电路原理图
制作电路图元件符号，新建原理图元件库文件，在库中绘制U1。
制作封装：
建立PCB元件库文件，并在库中绘制元件RP1和C8的封装。
要求：
元件RP4的封装外形尺寸如图1所示，它的焊盘直径为2mm，焊盘孔径为0.8mm，焊盘间距为2.54mm。
元件C8的封装外形尺寸如图2所示，它的焊盘直径为1.5mm，焊盘孔径为0.7mm，焊盘间距为3mm，外形直径为5mm。
图1（单位：
mm）图2（单位：
mm）
元件的封装根据表一
元件代号
封装形式
C3
rad0.2
C4
rad0.2
C2
自制
R1
AXIAL0.3
R2
AXIAL0.3
R3
AXIAL0.3
C1
自制
C9
自制
C8
自制
R4
AXIAL0.3
R5
AXIAL0.3
R6
AXIAL0.3
RP1
自制
C6
RB.2/.4
C5
RB.2/.4
C7
rad0.2
U1
DIP8
表一
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