数电课程设计报告.docx
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数电课程设计报告
河海大学计算机及信息工程学院
课程设计报告
题目对生产线产品计数的光电计数器设计
专业学号
学生姓名
授课班号
指导教师
完成时间
课程设计（报告）任务书
（理工科类）
Ⅰ、课程设计（报告）题目：
对生产线产品计数的光电计数器设计
Ⅱ、课程设计（论文）工作内容
一、课程设计目标
1、通过电子技术基础（模电、数电）课程的学校，使学生在掌握基本理论知识的基础上，学会常见电子集成器件的使用。
2、通过设计一个模数结合的小型电子电路系统，使学生了解电子电路设计的方法、步骤；学会元器件的选用；学会用软件仿真验证设计方案的正确性；培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力。
3、通过搭建调试电路，进一步熟悉相关仪器设备的使用。
4、通过绘制电路图，熟悉Protel的使用，扩充专业知识技能。
5、规范化训练学生撰写技术研究报告，提高书面表达能力。
二、课程设计任务与要求
1、基本部分：
1）由光耦实现产品监测；
2）由计数器对脉冲信号计数，计数结果经LED显示；
3）计数范围0~99，电路具备手动清零功能。
4）根据要求设计电路，画出原理图，用EWB仿真，验证设计方案；
5）学习使用Protel，画出系统的PCB图。
2、发挥部分：
1）计数结果要求实现十位数的动态“零消隐”，即：
当计数结果不超过10时，十位数的那个数码管无显示；
2）报告第三部分给出其他设计方案，画出仿真实现的电路图，并与参考方案对比分析。
三、课程设计考核
平时20%；验收40%；报告40%
摘要
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。
光电式传感器是一种非接触式电子传感器。
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。
本次的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。
光电计数器是通过红外线发射和接收进行计数，有直射式和反射式两种。
本次用的是直射式的光电计数器。
本次对生产线产品计数的光电计数器设计以光电对管接收信号，经LM393N比较器，触发74ALS162计数器，通过CD4511七段显示译码器，触发七段数码管，以显示计数。
本次设计实现的是0~99的计数，且能实现手动清零。
当0~9时实现“零消隐”，从10开始，十位数开始显示，当显示99时，若再计数，则回到0，十位数消隐，如此反复。
本次设计计数器采用LED数码管来计数显示，简单直观明了，可用于半自动和自动生产线上需要进行自动计数的地方等诸多行业，从而以满足现代生产、生活等方面的日益需求。
通过本次光电计数器的设计，不但巩固了课本上所学的知识，完成了知识的迁移，而且对常见电子集成器件，仿真软件EWB，绘制电路图软件Protel99有了一定的熟悉了解，尤其对PCB板的绘制有了一定了解。
此外，还对电子电路的设计方法和步骤有了一定了解，提高了动手能力，识图能力和设计能力。
本次针对光电计数器的设计要求，翻阅了一些资料，基本能实现其所要求的功能。
【关键词】光电计数器七段显示译码器LED数码管设计意义
ABSTRACT
Nowadaysdigitalelectroniccounterhasbeenusedwidelyinvariousindustriesbecauseofitsintuitiveandprecise.Thekindoftriggeredcountofdigitalelectroniccounterismultiple,anditdependsontheactualconditionandenvironmentofuse.Thephoto-electriccounterisoneofthedigitalelectroniccounter,whichisatypeofcontactlesselectronictransducer.Whenthistypeofcounterisusedtocountproductsontheproductionlineofthefactory,itissuperiortoothercounters.Eventhoughthephotoelectriccounterwedesignedinthisexperimentonlyhastwodigits,itcanbeextendtofourdigitsormorebycascadeconnection.
Thephoto-electriccounteristhroughtheinfraredemittingandreceivingtocount.Itincludesdirectstyleandreflective.Inthisexperiment,weusethedirectstyle.
Thisphoto-electriccounterwhichcountsproductsontheproductionlineacceptssignalwithaphotoelectrictube,throughthecomparatorLM393N,triggerthecounter74ALS162,throughtheseven-segmentdisplaydecoderCD4511,triggerseven-segmentdigitaltube,todisplaythecount.
Thecounterwedesignedtakescountof0to99,aswellasresetsmanually.Itcanimplementthe“zeroblanking”whendisplaying0to9.Afterdisplayingthenumber10,tensdigitstartstoshownumber.Untildisplayingthenumber99,itcomesbackto0ifcontinues,andthenumberonthetensdigitdisappear,soagain.ThecounterwedesignedusestheLEDdigitaltubetodisplaythecount.Itcanbeappliedtothesemiautomaticandautomaticproductionlinewhereneedtocountnumbers.
Duringtheperiodofdesignthephotoelectriccounter,wenotonlyconsolidateknowledgewegetfromthebooks,butalsohaveanoverallunderstandingofthemeasuresandstepsofthedesignofthecircuits.Still,wehavebeenfamiliarwiththecommonelectronicintegratedchips,thesoftwareEWBandProtel99especiallythedesignofPCB.Besides,weenhanceourabilityofstartingworks,analyzingimagesanddesigningcircuits.Aimedattherequirementsofdesigningthephoto-electriccounter,wereadsomeinformation;itcanachievethebasicfunctionsthatarerequired.
【Keywords】thephoto-electriccounterseven-segmentdisplaydecoderLEDdigitaltubedesignmeanings
第一章系统设计
第一节课题目标及总体方案
计数器是一种基础测量仪器，早期设计师们追求的目标主要是扩展测量范围再加上提高测量精度和稳定度等，这些也是人们衡量电子计算器的技术水平，也决定电子计数器价格高低的主要依据，随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求，对于低档产品要求使用操作方面，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。
而对于中高档产品，则要求高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率。
本次设计是希望由光耦合实现产品监测。
对生产线产品计数的光电计数器设计，以光电对管接收信号，经LM393N电压比较器，触发74ALS162计数器，通过CD4511BCN七段译码管，触发七段数码管，以显示计数。
本次设计实现的是0~99的计数，并且能实现手动清零。
在0~9时实现“零消隐”，从10开始，十位数开始显示，当显示99时，若再计数，则回到0，十位数消隐，如此反复。
本设计中的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。
本次课程设计一方面要巩固课堂知识，另一方面还要对常用电子集成器件有所了解，对电子电路的设计方法和步骤也应该有一定的了解，完成知识的迁移，锻炼动手能力，开拓视野，发散思维。
总体方案：
首先，了解课题的目标，接着，通过自己曾经在课堂上学到的知识或者查阅相关资料以确定每个所选元器件的作用，了解每个元器件的引脚图以及每个引脚的作用，以方便后面的连接电路和焊接电路板。
再接着，学习Protel99相关知识，学会用Protel99画图。
在Protel99中画出设计的原理图，确认无误后，在EWB中画出仿真原理图，对电路进行仿真，若，仿真结果和预期目标吻合，则着手焊接电路板，否则，要仔细查找错误的缘由并加以改正，直到仿真通过才可进行下一步操作。
否则，电路板一旦焊好，就不易改动了。
仿真进行顺利后，开始焊接电路板，在焊接过程中，一定注意人身安全，不需要焊接的时候，一定要把焊铁的电源断掉，以防烫伤；在焊接过程中，一定要认真核对每个元器件的位置，和引脚的位置，防止接错，时刻检查每根导线所连接的两端是否匹配；在截取导线时，为保证美观，若有转折处须将导线弯成
角；连接每根导线后都要用万用表检测是否连接良好，防止短路或断路。
最后，经过仔细核对检查，电路无误后，连接电源，测试电路。
第二节元器件简介
ⅰ.光电对管
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电-光-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、集成电路型等。
1.1引脚图
ⅱ.LM393N比较器
电压比较器的基本功能是能对两个输入电压的大小进行比较，判断出其中哪一个比较大。
比较的结果用输出电压的高和低来表示。
电压比较器可以采用专用的集成比较器，也可以采用运算放大器组成。
由集成运算放大器组成的比较器，其输出电平在最大输出电压的正极限值和负极限值之间摆动，当要和数字电路相连接时，必须增添附加电路，对它的输出电压采取箝位措施，使它的高低输出电平，满足数字电路逻辑电平的要求
图1.2LM393N引脚图
ⅲ.74ASL162同步十进制计数器
本次设计所采用的74ALS162芯片为可预置的十进制同步计数器。
清零是同步的，当CR为低电平时，在时钟端CP上升沿作用下，才能完成清零功能。
预置是同步的，当置入控制端PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端
与输入端
相一致。
计数是同步的，靠CP同时加在4个触发器上实现的。
当CEP和CET同时为高电平时，在CP上升沿作用下
同时发生变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
芯片有超前进位功能。
当计数益处时，进位输出端TC输出一个高电平脉冲。
图1.374LS162引脚图
74ALS162功能表
输 入
输 出
CP
EP
ET
Q
↑
×
0
×
×
全“L”
↑
0
1
×
×
预置数据
↑
1
1
1
1
计数
×
1
1
0
×
保持
×
1
1
×
0
保持
ⅳ.CD4511BCN七段译码器
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图所示。
其中：
①.abcd为BCD码输入，a为最低位；②.LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障；③.BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平；另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐；④.LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据；⑤.a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。
所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。
限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
图1.4CD4511BCN引脚图
CD4511功能表
十进制或功能
输入
输出
字形
LE
D3D2D1D0
a
b
c
d
e
f
g
0
L
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
L
0
1
L
H
H
L
L
L
H
L
H
H
L
L
L
L
1
2
L
H
H
L
L
H
L
H
H
L
H
H
L
H
2
3
L
H
H
L
L
H
H
H
H
H
H
L
L
H
3
4
L
H
H
L
H
L
L
L
H
H
L
L
H
H
4
5
L
H
H
L
H
L
H
H
L
H
H
HL
H
H
5
6
L
H
H
L
H
H
L
L
L
H
H
H
H
H
6
7
L
H
H
L
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
7
8
L
H
H
H
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
8
9
L
H
H
H
L
L
H
H
H
H
H
L
H
H
9
10
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
L
L
L
L
熄灭
11
L
H
H
H
L
H
H
L
L
L
L
L
L
L
熄灭
12
L
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
L
L
熄灭
13
L
H
H
H
H
L
H
L
L
L
L
L
L
L
熄灭
14
L
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
L
熄灭
15
L
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
熄灭
灯测试
X
X
L
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
8
灭灯
X
L
H
X
X
X
X
L
L
L
L
L
L
L
熄灭
锁存
H
H
H
X
X
X
X
*
*
ⅴ.LED数码显示管
数码管显示的数码均是由七个发光二极管构成的。
每段上加上合适的电压，该段就点亮。
图1.5LED数码显示管
它是由若干个发光二极管组成显示的字段。
当二极管导通时相应的一个点或一个笔划发光，控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符。
共阳：
将所有发光二极管的阳极连在一起，公共端3，8接高电平，当某个字段的阴极接低电平时，对应的字段就点亮。
共阴：
将所有发光二极管的阴极连在一起，公共端3，8接低电平，当某个字段的阳极接高电平时，对应的字段就点亮。
ⅵ.CD4072BCN四输入或门
图1.6CD4072BCN引脚图
第三节系统电路图
ⅰ.原理图
系统结构图：
整个光电计数器系统是由光电传感电路、计数电路和两个部分组成的。
光电传感电路把被计数的物体的变化转换成电信号，由计数电路计数，并用数码显示管显示计数。
并通过四输入或门CD4072BCN实现“零消影”，信号波形的放大和整形都在LM393N中完成,计数功能通过74ALS162实现，译码在CD4511BCN译码器中完成.
①、光电传感部分光电传感部分由光电对管,电阻组成，光电对管接收到信号使接地支路导通。
当信号被阻挡时，接地支路阻断，由于电压变化，电路向外输出脉冲。
②、计数电路通过级联把两个计数器连接起来,当第一个计数器显示9的时
候等到下一个脉冲来的时候下一个计数器显示1,即当个位到9时再来一个脉冲就会在十位上跳变一个数.CD4511BCN是十进制加减数/译码/锁存/驱动器集成电路。
在芯片内部完成译码后由数码管显示，由个位到十位依次进位，最后计数到99后手动清零。
图1.7原理图
第二章结果与讨论
第一节仿真与结果
在明确课程目的与目标，熟悉了解所要用的电子集成器件，确定课程大致方案后，首先对本次课程设计做了EWB仿真。
以确定电路的准确性，并保证连线正确。
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室。
它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中包含了许多大公司的晶体管元器件，集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件还可以由外部模块导入。
相对于其他EDA软件而言，EWB是个较小巧的软件，但它的仿真功能却非常强大，几乎可以100%仿真出真实电路的结果。
在EWB中，由于没有光耦器件，因此采用了信号发生器替代，也能达到预期的效果。
经仿真实验得到想要的效果。
经仿真后发现“零消影”并没有实现。
经讨论后用一个四输入或门，将74162输出接进去，实现了“零消影”。
图2.1仿真电路图
在进行本次课程设计时，我们采用了EWB的仿真实验和Protel的仿真实验。
仿真通过后，绘制PCB图，如下：
图2.2PCB电路图
如图所示，经过和队员的合作，绘制出上图PCB图，图为单层板，由于知识和技巧欠缺，尚有两根地线和电源线未连上，需要外部接线；补泪滴，铺铜后，得到上图。
实践使用的焊板不是通过此PCB泡制成的，而是使用现成的板子焊接。
第二节出现的问题及解决方法
调试电路过程中，开始因为没有考虑消抖的问题，光耦计数器不太稳定，不能一个一个计数。
通过在比较器输入3和输出1之间加一个
电阻，在输出端加上一个
的上拉电阻，解决了这个问题。
如下图所示：
图2.3改进后的原理图
经过焊接和调试工作，最终制作完成了本次对生产线计数的光耦计数器设计。
如图12：
图2.3光耦计数器实物图
第三节提高拓展
除了以上讨论并制作的光耦计数器之外，还做了另外一种设计。
其电路图如下：
.光电技术部分：
当光电二极管VT1接收到红外发光二极管VD1射来的红外线时，其亮，电流增大，内阻减小，集电极输出低电平，此低电平加到电压比较器IC2-B的反相输入端6脚，同时，因5脚经
分压后，电压为4.5V，因此，6脚电压小于5脚，IC2-B的7脚输出高电平。
此高电平又加到比较器IC2-A的反相输入端2脚，使2脚电压高于3脚，1脚输出低电平，使光电耦合的光敏管导通，三极管VT2导通，VT2集电极输出低电平。
.当有物体通过光电二极管VT1时，在VT2的集电极输出计数脉冲信号。
.计数显示部分：
采用CD4518组成8421码同步十进制计数器，对VT2集电极脉冲信号下降沿进行计数。
为满足下降沿计数的要求，需将CD4518的cp端接地，计数脉冲信号接EN输入端。
因CD4518内含两个相同的计数器，可将第一级的
输出接第二级的EN端，构成两级串行计数，实现0~99的计数显示。
CD4518的第7，15脚为清零端
，通过电阻
接地为零电平，与电容
一起实现开机清零作用。
.译码电路采用两块CD4543，分别组成BCD七段译码器，驱动LED数码显示器。
电阻
为限流电阻。
IC2选用LM393集成电路。
．若要增加计数位数，可直接对计数显示部分进行扩展。
图2.4拓展光电计数器原理图
下面是PCB版的图：
图2.5拓展PCB图
结束语
通过本次课程设计，我学到了很多知识，首先，通过对电路的研究，进一步了解巩固了课本知识，在翻阅资料的同时，也同时学到更多有关Protel99画图,绘制PCB图的知识；其次，在实验的过程中，也能体现团结协作的精神，在分工合作的同时，还要互帮互助，虽然只有两人一组，团结的力量也是可以显现的。
我的同伴之前有学过Protel99，所以，我就跟着她，边绘制原理图，边学习Protel99的相关知识，而她也不厌其烦的给我讲解，在遇到比如，怎么选器件，怎么画封装，怎么定义器件等简单问题时，我就能更快更准的掌握其中技巧。
再次，在焊接的过程中，我注意到：
为了防止两根导线短接在一起，用锡焊的时候，尽量让锡液呈圆锥状，底盘尽量小，最好不要趴在板上；而且，电烙铁不能长时间接电源暴露在空气中，防止氧化，一旦氧化了，就要用刷子刷，直至刷干净。
焊接插件时，还有个技巧是，先将对角线的脚焊上，固定插件，这样更容易焊接。
在焊接过程中，插件相对于导线是比较容易的，我的焊接技术也得到一定的锻炼，不过焊接导线的技术有待提高。
最后，电路在测试的时候遇到了问题，遇到问题的时候，千万不可“病急乱投医”，有的电路其实只是一点小问题，只要稍加检查就可以得到想要的结果了。
所以，在测试不正确的情况下，要静下心来，动脑筋想想，可能会是什么出问题，这种问题又该怎么解决，这样，才能追根溯源，釜底抽薪。
另外，在实验的过程中一定要勤思考，勤动脑，这样才能学会更多的东
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