工件计数器设计报告.docx

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工件计数器设计报告

电子课程设计说明书

设计题目：

工件计数器

学院：

物理与机电工程学院

专业：

测控技术与仪器

姓名：

学号：

指导教师：

时间：

2010年7月4日

一、设计目标………………………………………………………

二、系统方案设计与论证…………………………………………

2.1系统设计思路………………………………………………

2.2电路结构分析及系统框图…………………………………

三、硬件电路设计……………………………………………

3.1光电传感电路设计…………………………………………

3.2信号整形处理电路设计……………………………………

3.3显示计数电路设计…………………………………………

3.4系统总体电路原理……………………………………………

3.5电路仿真及结果分析………………………………………

四、硬件制作与调试…………………………………………………

4.1电路板布线及焊接……………………………………………

4.2电路调试过程及问题分析……………………………………

五、结论………………………………………………………………

参考文献

工件计数器

一、设计目标

设计、制作用于工件计数的光电计数器，功能如下：

（1）对流水线上通过的工件进行计数统计

（2）若工件为次品不合格，工件总数目进行相应扣减

（3）一位数码管显示

二、系统方案设计与论证

2.1系统设计思路

系统上电复位，计数器复位清零。

当无物体遮挡时计数器不被触发计数，使之保持原态，计数器显示数值不会变化。

在生产线上，设有两路检测通道，工件正向通过通道一和二时记总数，而以工件是否从通道二退回判断工件是否合格，退回为不合格。

当有工件遮挡时使计数器可靠触发，计数器被触发翻转计数。

若工件为正品，当工件下次到通道一时，计数器将自动加一，直到加至计数值为9。

继续加一，使计数器进入下次从0-9的循环计数。

若为次品，工件从通道二退回时，计数器做减法循环。

2.2电路结构分析及系统框图

通过以上分析，工件计数器电路主要由光电变换电路、信号处理电路、两位数电子计数器电路及译码显示电路及控制电路等组成。

系统组成框图如图1所示：

图1

三、硬件电路设计

3.1光电传感电路设计

（1）如图所示：

为光电传感部分的电路原理图（两个通道信号）

图1通道一图2通道二

闭合开关A或B,红外二极管发光，红外接收管收到红外信号使支路接地导通，2或19点输出高电平。

当工件通过时，红外信号被遮挡，红外接收管的接地支路截止，2或19点输出为低电平。

工件通过时可产生一个脉冲信号，从2或19端输入至信号整形处理电路。

（2）该电路部分主要的元器件为由发光二极管和光敏三极管组成的光电耦合器。

图1光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。

它由发光源和受光器两部分组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。

发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。

光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。

工作原理

　　在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

基本工作特性

　　1、共模抑制比很高

　　在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

　　2、输出特性

　　光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。

当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。

IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

3、光电耦合器可作为线性耦合器使用。

　　在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。

光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。

在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

本设计采用的光耦合器u1主要利用其开关特性，发光电流为10mA,光电流约为0.3mA。

3.2信号整形处理电路设计

（1）如图所示：

为信号处理电路部分电路原理图

图3通道一图4通道二

通过光电传感电路电路接收的信号从2和19端分别进入通道一和二的整形电路，模拟信号经由三极管放大和反相器、与非门等转换成数字信号后进入计数显示电路。

其中，通道一的输出信号作为计数脉冲，接计数器CLK引脚；而通道二的输出信号控制计数器的计数方式（加或减），接计数器U/D引脚。

（2）本电路部分主要采用的元器件为晶体三极管和TTL器件与非门74LS00D。

这些元器件使用简单而且价格便宜，采用它们可优化设计成本。

3.3显示计数电路设计

（1）如图所示：

为计数显示电路原理图。

本电路部分主要由计数器74LS190N和7段数码管连接构成，1端为通道一输入的计数信号，7端为通道2输入的控制信号。

当工件通过时产生计数脉冲，输入计数器，计数器根据控制信号进行加法或减法计数并通过数码管显示结果。

（2）74LS190计数器功能介绍。

74LS190是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号功能描述如下所示：

（3）在本设计中，因multisim仿真软件中提供有不需要加驱动电路的数码管DCD-HEX,使电路更简单。

3.4系统总体电路原理

根据以上三大电路模块的设计结果可得总体设计电路原理图，如下所示：

3.5电路仿真及结果分析

（1）在multisim软件中绘制好电路图，以方波信号（频率100hz）代替工件通过产生的脉冲信号输入如图所示：

（2）开始仿真后所得几个关键点的波形图：

图112点信号波形及输入矩形波波形图

图2为2点即光电传感电路输出端波形图

图3为24点即信号处理电路中三极管放大后的输出信号波形图

图4为1点即信号处理完后与非门输出端信号波形图

图5为以上各点信号在同一坐标轴中的波形（黄色为v2，绿色为v1，紫色为v24，蓝色为v12）

（3）以下为仿真计数结果：

（图6、7为加法计数，图8、9为减法计数）

图6，为仿真计数（开关b闭合，计数起做加法计数）计数4

图7，为仿真计数（开关b闭合，计数起做加法计数）计数6

图8，为仿真计数（开关b打开，计数起做减法计数）计数8

图9，为仿真计数（开关b打开，计数起做减法计数）计数7

图9为clear开关接地后（清零），计数器清零

（4）仿真过程中遇到的问题及仿真结果分析。

在仿真过程中，在调节输入信号频率过程中，会出现计数不稳的情况，可能是选择额元器件参数的限制，使得计数频率不得超过10khz，否则计数紊乱。

其他情况都很正常。

根据系统仿真结果可知，本电路可实现设计目标所要求的内容，因此本设计的系统原理图式正确可行的。

四、硬件制作与调试

4.1电路板布线及焊接

（1）给定的元器件清单如下表所示。

电源

电阻

电容（容值）

芯片

输入DC一个

20k两个

47uF两个

六反相器4069一个

稳压管一个

510一个

0.1uF两个

双D触发器74LS74一个

万能电路板一个

1k一个

十进制计数器40110一个

导线若干

220一个

七段数码管一个

（2）绘制电路原理图，如下图所示：

（3）焊接电路板，如图所示：

图1电路板正面

图2电路板反面

4.2电路调试过程及问题分析

焊接好电路板后，给电路板通电。

电源指示灯亮，数码管显示1。

用纸片遮挡与光电发射接收管之间，并来回运动。

数码管计数不发生变化。

对比其它同学的电路发现，电路板上的光电发射接收管没有相对着排列，断电并调整好它们的位置。

重新通电后，利用纸片遮光并来回运动，数码管依旧显示1，后不在变化。

用万用表测试各节点，发现有个光电接收管两端电压一直为4.9V左右，不发生变化。

判断该光电接收管可能损坏，将之拆除。

到市场上重新买了个光电接收管并焊接上。

再次通电，数码管依旧显示1，利用纸片遮光并来回运动，计数不发生变化。

用万用表测试关键点，发现BB，AA两个输入端有脉冲输入，信号经过4069反相器处理后输出也正常，但双D触发器7474两个输出端一直为低电平。

用万用表测试7474各管脚连接情况，发现其vcc端与电源线没有良好接触。

断电后，用电烙铁焊好该管脚连线。

重新通电，数码管显示1，利用纸片遮光并来回运动，数码管计数发生变化，但无规律，且中间段一直不亮。

对比数码管各管脚连线，发现数码管方向焊反了。

因数码管焊上后不好拆下，便将其接线拆下，并重新焊好。

再次通电，数码管显示0，纸片由上往下依次通过两对光电管之间数码管计数显示加1，几次通过，就加1几次并显示，显示在0-9之间循环。

纸片由下往上依次通过两对光电管之间数码管计数减1，几次通过，就减1几次并显示，显示在9-0之间循环。

电路成功实现设计所要求的目标。

在多次通断电测试过程中，电路都能稳定实现加减计数的功能。

这表明，本电路板电路调试成功。

五、结论

实验结果证明本电路设计符合要求，且操作简单。

不过计数范围较小，可扩展成多位的十进制计数器。

通过这次课程设计，学到了不少知识，积累了电路设计的经验和教训。

设计时要将理论知识与实际情况相结合，要有耐心和毅力。

要有科学的态度才能有科学的试验。

参考文献

（1）毕满清主编．电子技术实验与课程设计.第3版.北京：

机械工业出版社，2005

（2）康华光．《数字电子技术基础（第四版）》．[M]北京∶高等教育出版社，2004年4月第12次印刷

（3）谢自美.《电子线路设计•实验•测试》[M].武汉：

华中理工大学出版社,1995年2月第2次印刷

（4）《中国集成电路大全》.编写委员会.CMOS集成电路[M].北京：

国防工业出版社,1996年1月第7次印刷

（5）彭介华．《电子技术课程设计指南》．[M]北京∶高等教育出版社，2004年2月第7次印刷