光电计数器的设计.docx
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光电计数器的设计
光电计数器的设计
景德镇陶瓷学院
电子电路CAD课程设计
课题名称光敏计数器
所在院系机电学院
班级13自动化2班
学号201310320210
姓名董儒诚
指导老师刘蜀阳
时间2015年12月30日
光敏计数器
设计一种自动计数的装置。
在学习了脉冲数字电路的基础上，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
前言
21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。
传感器是获取信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。
基于光电效应的传感器，光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。
它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而光电式传感器是一种应用极广泛的重要敏感器件。
光电计数器的设计是一种比较初级的利用光电传感器发出信号脉冲进行计数的一种简单光电系统。
光电计数器可完成小型的计数功能，可应用于小教室和小餐厅等小容量的场所，进行相应的计数功能，具有很大的实用价值。
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。
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。
在该光电计数器中，计数的过程其实是获取脉冲源的过程，首先遮挡物遮挡光电传感器产生一下降沿，拿掉遮挡物产生一个上升沿，使计数器得到一个脉冲进行计数。
之后计数器输出一个信号输入到译码器中，由译码器控制数码管的显示，数码管最大显示99。
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，可手动解除报警。
整个电路的设计先借助于仿真软件proteus仿真，得到了预期的结果，而后依据仿真图在实验室焊接、调试，实现了预定的功能。
第一章设计要求
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
l）发光器件和光接收器之间的距离大于lM（提示：
生于距离较远；需要增大发光二极管的电流，这种情况下只能采用脉冲供电方法，此时有物体和无物体其输出频率会产生变化
2）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
第二章系统组成及方案设计
根据设计要求，方案的设计与制作过程都分为三个部分：
产生脉冲源、两位十进制计数、报警。
2.1系统组成
本电路设计的系统框图如图3.1所示。
图3.1系统设计原理框图
2.1方案一
第一部分：
产生脉冲源。
根据设计要求利用发光二极管和光敏三极管产生光电转换信号，并经过555单稳电路输出稳定的脉冲源。
第二部分：
两位十进制计数。
利用CD4518芯片进行串行计数，将设计的低位输出的
接高位的使能端，使得CD4518芯片的两位十进制输出端位有高低之分，再用CD4511芯片译码，将译码结果输出给共阴数码管。
同时通过CD4511芯片的LE锁存控制端，使译码器的输出在99的时候停止。
而用CD4518芯片的1引脚CK端进行清零操作。
第三部分：
报警，使用NE555芯片多稳震荡电路。
将NE555芯片的4引脚当做电路的开启端，当4为高时，芯片开始工作，此时NE555与外围电路构成多谐振荡，实现发光LED的闪烁，蜂鸣器报警的作用。
2.2方案二
第一部分：
产生脉冲源。
询问老师并查阅资料后，发现光电转换电路产生的下降、上升沿比较稳定，所以在这个方案中直接采用光电转换电路产生脉冲源。
第二部分：
两位十进制计数。
在这个方案中，使用74LS160进行编码，并通过他的引脚1实现清零的操作，引脚10实现锁存功能。
再经过74LS47译码给共阳数码管，实现从00—99的计数。
第三部分：
报警功能。
这部分电路与方案一的设计相同。
通过NE555芯片与外围电路构成多谐振荡，实现发光LED的闪烁，蜂鸣器报警的作用。
2.3方案比较与选择
方案一虽然比方案二实现起来更稳定一些，但这这是一个小实验，使用方案一会使简单问题复杂化，有些部分不需要也可以达到实验效果，而且方案二也比方案一更经济实用，总体来讲方案二比方案一的元器件少一些，焊起电路来会更方便一些，分析实验时也会更有效简洁，更主要的是在学科设计中接触74LS160芯片比较多，对其功能比较了解，所以最后决定用方案二来完成实际电路。
第三章单元电路的工作原理
3.1光电转换电路
发光器件（例如LED）的输出光强于与通过其工作电流成正比，发光侧与接收侧的距离越大时，要求输出光强也越强，即要求工作电流越大。
一般LED的工作电流约为10—50mA，因此为了提高传送距离，必须提高LED的工作电流。
无遮挡物挡光时，输出一个高电平，产生一个上升沿；有遮挡物挡光时，输出一个低电平，产生一个下降沿。
根据此原理可向计数电路输送其所需脉冲。
图3.2光电转换电路
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200Ω，光敏三极管在无光照射下，电阻可达数兆欧姆，有足够的光照时，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33kΩ。
3.2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，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为该电路计数元件。
下图所示为计数电路：
图3.2两位十进制计数电路
设计要求是两位的十进制计数器，根据74ls160的功能图可知，将芯片的进位端连接高位芯片的P、T端，使其只有在低位芯片计到9，Co端输出高电平时才在下个脉冲来到时计一个在十位的数。
当芯片的CR非端、LD非端，即引脚1、引脚9为高电平时，引脚10由高电平变为低电平，则电路将会处于保持状态。
根据电路知高低位芯片的Q3、Q2、Q1、Q0分别为1001时，经过与门与与非门的作用，此时引脚10的电位将会由高电平变为低电平，使电路处于保持状态。
而当CR非端低电平时，电路无论何种状态，芯片产生的功能都为异步清零，将输出直接清零。
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。
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，而七段数码管的选择与之配套。
译码器无特殊功能要求。
这里选用了常用的74LS47共阳数码管驱动器，配套选取共阳八段数码管，但小数点位不用。
74LS47为内部有上拉电阻的BCD—七段数码管译码器/驱动器，输出端为低电平有效，可用于驱动缓冲器或共阳数码管。
根据功能表，将
即引脚3、4、5接高电平，
接计数电路的
，该部分电路简单，只要根据功能表将相应端口连接起来即可完成功能，其中公共端要接电阻，起限流作用，保护共阳数码管不被烧坏。
由于数码管相当于并联LED，因此前面计算的限流电阻计算值仍然适用，但又由于是LED并联情况，在正常工作时，存在同时数个LED共同发光的情况，总线中的电流加大，因此应适当减小限流电阻的大小，这里选取100Ω的电阻。
3.3报警电路该电路是为了实现数码管显示值为99时报警，此外计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作。
当74LS00输出一个输出一个高电位给NE555芯片的4引脚，此信号可用来触发满百报警电路。
引脚4为高电位时，触发由NE555与外围电路构成多谐振荡，使其输出一个周期为两秒的高电平，使LED灯闪烁。
NE555是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
由555定时器和外接元件
、
、C构成多谐振荡器，引脚2与引脚6直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过
、
向C充电，以及C通过
向放电端
放电，使电路产生振荡。
电容C在
和
之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。
输出信号的时间参数为：
（1）
（2）
（3）
故
（4）
报警电路中，根据设计的参数闪灯与峰鸣周期：
（5）
考虑其的最佳占空比，将
、
设置为常用的10kΩ和4.7kΩ，再根据计算将电容
设为100uF。
则电路中周期的计算为
报警器采用蜂鸣器，只需要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
取值为100Ω。
74LS00输出端为锁定信号，用于锁定计数器，处于锁定状态时，按下复位电路的复位键后，解除报警，计数器重新开始计数。
图3.4报警电路
3.4电路仿真
设计的正确性通过proteus软件仿真进行验证，仿真的结果证实了设计的电路是正确的。
当计数到99时，显示器将不会改变，蜂鸣器与二极管在高低电位间，可以实现其功能，只有按复位键后才开始由00重新计数。
第四章组装及测试结果与分析
4.1焊接是特别要注意的几点：
1.共阳数码管的各引脚接到不同的管脚分清，要不然会产生乱码。
2.安装时要求发光管与接收管正对，同时为避免自然光线干扰引起的误计数，可在接收管上套一段黑色圆筒作遮光筒。
3.注意芯片的耐温能力，避免烧坏元器件，可以采用引热的方法。
4.连线过程不能发生短接，不然轻则短路，重则烧坏元器件。
4.2测试
4.3结果
经测试后，电路正常工作，相关功能完全实现：
用手通过一次光电门，记数加一；当计数达到预设的数字时，停止计数，LED灯以周期2秒闪烁，同时发出报警声，报警声也以2s为周期鸣响，按下复位键停止报警，电路重新工作。
第5章总结
经过自己与搭档的努力制作和调试，我们的光电计数器终于完成。
电路板调试成功，满足了设计要求中的基本要求及大部分提高要求，并且计数显示部分的计数位数具有直接扩展性。
从这次课程设计中，学到了很多的专业知识，以及一些宝贵的心得。
从找寻参考书这方面来说，别人的答案只能参考，不能照搬。
要有独立的见解，善于发现错误，勤于讨论和提问，这样才能改正错误。
专业知识的缺乏成为了整个过程最大的阻力，“书到用时方知少”，此时才知自己专业知识的贫乏。
通过不懈的找寻，查资料，对于电路的构造和基本设计有了大概的蓝图,现经过慢慢的探索和仔细的调试，电路功能得以实现,通过这次设计，巩固了之前学习的数字电路模拟电路的相关知识，并把这些知识运用到实际中。
这次设计是理论和实践的相结合，放大了理论和实践之间的差别，问题带来了设计经验，从而为以后的发展添加了资本。
附录二总电路图
附录一元件清单
名称
数目
74LS160
2
74LS47
2
74LS08
1
74LS00
1
NE555
1
共阳数码管
2
B键
1
光敏三极管
1
发光二极管
1
NPN三极管
1
蜂鸣器
1
LED灯
1
电阻
200Ω
1
33kΩ
1
100Ω
2
10kΩ
2
510Ω
2
4.7kΩ
1
电容
10nF
1
4.7μF
1
10μF
2
参考文献
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高等教育出版社，2006.5
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