光电计数器设计报告.docx
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光电计数器设计报告
前言
随着大规模、自动化的生产不断发展，很多企业在生产的过程中，大量使用各种智能化的产品，提高生产管理水平。
采用红外线遮光方式的光电计数器，抗干扰性好，可靠性高。
可用于测量宾馆、饭店、商场、超市、博物馆、展览馆、车站、码头、银行等场所的人员数量及人员流通数量，同时丝毫不会侵犯到被测人员的个人隐私。
该产品应用广泛，也可以测量流水线上的产品的数量，以及可检查产品有无缺损。
适用于各种环境对产品的成品或者是半成品进行计数，以满足现代生产的适时管理和需要，实现了智能控制。
本人根据了光电计数器的工作原理，再结合了刚学过的模拟电子技术、数字电子技术、光电传感技术等电子类专业知识，制作了一个简易的红外光电计数器，本课题设计是对自己所学知识的一个综合运用和检验。
同时也是自己走向社会前对产品的制作工艺以及产品生产流程的了解。
该电路的指导思想是利用红外发光管发射红外线，红外接收管接收此红外线，并将其放大、整流转换成高低电平信号，驱动计数器计数，并经译码驱动电路使数码管显示数值。
该电路还设计了一个报警电路，当计数器计数到上限时（即99）时，产生一个进位脉冲来驱动555产生延时信号使蜂鸣器报警。
由于本人经验不足，且实验器材精确度不高，故设计还有很多不足和缺陷，需做进一步的改进和完善。
第一章设计内容及要求
1.设计主要内容
该设计以红外发射及接收管为主要元器件产生光电脉冲，该脉冲通过双十进制加法计数器计数，4-8译码器译码，7段数码显示管显示来实现系统0-99光电计数及显示。
当计数到99时计数暂停并报警。
启动清零开关可重新计数。
2.设计要求
设计主要包含基本和提高要求两层次
基本要求：
利用红外发射接收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。
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。
第二章系统设计方案选择
方案一
图方案一电路原理设计图
该电路采用遮光式红外管触发计数器计数，当计数器递增计时到99（即定时时间到）时，显示器上显示99，同时发出光电报警信号。
译码显示电路由74LS48和共阴极七段LED显示器以及1K电阻排组成。
报警电路主要由555定时器脉冲控制。
秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，但本设计对此信号要求并不是太高。
主要是利用555产生一个延时信号使蜂鸣器扬声报警，此时可按下复位开关是电路重新从00开始计数。
方案二
图方案二电路原理设计图
方案比较
1.光电转换部分
方案一设计简单，原理清晰，对负载及红外信号的发射强度未予考虑。
方案二红外接收管的负载能力得以提高，但实现光电脉冲对电阻及三极管的开关参数有一定的要求，红外接收管还会受到三极管作用下的外围负载影响，不易于实现标准的高低电平转化。
2.计数显示部分
由于两种方案在计数部分所用的芯片不同，因此在芯片的个数选择和各引角连接方面就存在明显的差异。
其一74LS192多了清零端方便清零功能的实现。
74LS190就需在置数端实现置数功能基础上做点改进，这里通过一双向开关实现硬件复位。
其二是进制设置：
74LS192采用的是S9=1001，74LS190采用的是S10=1010。
都需要使用与非门实现置数，但是74LS192是同步置数，74LS190是异步置数，74LS192当一有进位信号时就开始置数，而74LS190置数信号有延迟。
这是两者最主要的区别，也是方案设计选择前者的主要原因。
3.译码部分
都采用4输入8输出译码方式，实现功能相同，两者没有明显的优劣差异。
4.显示部分
都采用共阴极七断数码驱动显示管，此部分没有区别。
5.报警设置
若实现99报时，方案一设计更简单，直接从CO端引出报警信号，通过555定时器产生一定频率的脉冲驱动报警电路。
方案二报警设计具有通用性，能设置0-99范围内任意数值显示时的报警，但设置报警数值时较为不便。
考虑实际应用采用方案一。
总上所述，方案一更简易、经济，更可行。
第三章系统组成及工作原理
系统组成
图系统原理组成框图
工作原理
该计数器采用了遮光式红外发射与接收管来产生脉冲信号，当没有遮光物时，红外接收管产生低电平信号，再经过三极管信号放大反向后变为高电平信号，最后经过74LS14反向器又变为低电平，同理，当有遮光物挡住对管时，接收管产生高电平信号，在经过放大反向后，作用在74LS192计数器上一个高电平信号，这样就有一个正跳沿脉冲使计数器开始进行加计数，并且通过74LS48译码电路在两个共阴极数码管上显示计数值，计数部分采用了同步时序逻辑电路设计，当计数器递增计数到99（即计数最大值）时，两计数器开始同步置数，同时高位计数器产生进位脉冲信号驱动报警电路报警，报警电路采用的是NE555构成的多谐振荡器，振荡频率f0=1/（R1+2R2）CLn2=（R1+2R2）C，其输出信号经三极管推动蜂鸣器工作。
PR未控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。
此时可以用复位开关使其清零，当再有脉冲信号时，计数器又开始循环计数。
第四章单元电路设计、参数计算、器件选择
光电转换模块
光电转换的电路见图由于发光二极管的工作电压大约在左右，工作电流大约在4mA到10mA左右，并且电源电压为5V，所以R3=（）/（4mA~10mA）=250Ω~625Ω，因此选择470的电阻作为发光管的限流电阻。
三极管有放大作用，所以集电极的电流较大，所以要加一个阻值较大的电阻作为限流电阻，因此选择了10KΩ电阻。
当接通电源的时候，红外发射管发光，红外接收管反向导通，相当于短路，所以A点的电压为低电平，基极电流降低，发射结的电压降低，所以发射结反向截止，根据三极管基极电压与集电极电压反向的特性，所以集电极电压为高电平，当一旦有东西遮在发光管和光敏三极管中间时，红外接收管正向截止，即A点电位为高电平，当之超过三极管的导通电压（一般为硅管为，锗管为左右）时，三极管就会导通，当基极电流继续增加时，三极管会饱和导通，此时三极管相当于工作在开关的闭合状态，发射极相当于直接接地，所以集电极输出为低电平。
再经过一个反向器后变为高电平，这样就可以给后面计数器一个上升沿脉冲。
使其触发开始工作。
图光电转换电路
计数显示模块
4.2.1数码管
译码：
编码的逆过程，即将输入代码“翻译”成特定的输出信号。
译码器：
实现译码功能的数字电路。
七段数字显示器原理
按内部连接方式不同，七段数字显示器分为共阴极和共阳极两种
（a）管脚排列图;（b）共阴极接线图;（c）共阳级接线图
图数码管内部电路
4.2.2显示译码器74LS48
图74LS48的管脚排列图和其逻辑符号
图4.3A0=0时，/LT=1时，若七段均完好，显示字形是“8”，该输入端常用于检查74LS48显示器的好坏;当A1=1时，译码器方可进行译码显示。
用来动态灭零，当A2=1时，且A3=0，输入A3A2A1A0=0000时，则/IBR=0使数字符的各段熄灭；/LT为灭灯输入/灭灯输出，当VCC=0时不管输入如何,数码管不显示数字；为控制低位灭零信号,当A3=1时,说明本位处于显示状态;若A3=0,且低位为零,则低位零被熄灭。
图译码显示电路
根据设计要求由于数码管是由发光二极管构成的，所以要在译码器与数码管之间加1K的电阻保护，因为选择的是共阴的数码管，数码管的两个公共端与地端相接。
4.2.3十进制计数器74LS192
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。
LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。
CO为进位输出：
1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：
0000状态后负脉冲输出。
图（a）74ls192引脚图（b）74LS192逻辑符号图
表74LS192的真值表
工作原理：
当
=1，CR=0时，若时钟脉冲加入到
端，且
=1，则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，
端发出进位下跳脉冲；若时钟脉冲加入到
端，且
=1，则计数器在预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到0时，
端发出借位下跳变脉冲。
由74LS192组成的一百进制递加计数器如下图，其预置数为N=（10011001）8421BCD=（99）。
它的计数原理是：
只有当低位
端发出进位脉冲时，高位计数器才作加计数。
当高、低位计数器处于99，且置数端
=0，计数器完成并行置数，此计数器的置数值为99，当置数到99时可用复位端使其清零，在
端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下一循环加计数。
图计数器计数置位部分
声光报警模块
由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。
其中，555构成多谐振荡器，振荡频率f0=1/（R1+2R2）CLn2=（R1+2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR未控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。
图报警工作电路
555电路的工作原理
555电路的内部电路方框图如图所示。
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成的分压器提供。
它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为
和
。
A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平
时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于
时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。
是复位端（4脚），当
＝0，555输出低电平。
平时
端开路或接VCC，VC是控制电压端（5脚），平时输出
作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个μf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
图555电路的内部电路方框图
本电路由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Ct放电，使电路产生振荡。
电容C在
和
之间充电和放电，其波形如图（b）所示。
输出信号的时间参数是
T＝tw1＋tw2，tw1＝（R1＋R2）C，tw2＝2C
555电路要求R1与R2均应大于或等于1KΩ，但R1＋R2应小于或等于Ω。
图多谐振荡器结构及工作电压波形
第五章实验、调试及测试结果与分析·
调试
电路板焊接好后，先不能急着通电，先要检查硬件线路，其步骤如下：
（1）检查连线是否正确
根据电路原理图连线，按一定顺序一一检查安装好线路，这样可以比较容易查出错线或少线。
为了防止出错，对于已查过的线路在电路图上做出标记。
（2）元器件的安装情况
检查元器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良，有无虚焊，假焊情况；二极管的极性和集成元件的引脚是否连接有误。
这样检查无误后就开始通电，通电后发现十位数码管中e极二极管不亮，找出其连接译码器的15脚，发现是虚焊了，重新焊了下，通上电数码管正常工作。
当我们把遮光物放在对管再抽出的过程中，数码管没变化，还是显示00，通过用数字万用表检测后，发现红外接收管内阻很大，已经烧坏了，可能是在焊接的过程中，温度过高散热不当所致，后又换了个红外接收管。
当再次通电后，在用同样的方法发现数码管还是不计数，我们用万用表检查了以下，发现当没有遮住红外管时，红外接收管的电压为（本应该在左右），当遮住了红外管后，电压变为，总结下低电平电压过高，不能使反向器反向，也就不能使计数器计数，我们把红外管对折后重新焊接，在通上电，这次把电源电压改小了，改为（原来是），结果板子正常工作了，能实现00-99计数了，而且比较稳定。
结果与分析
通过调试以后，电路板可以按照预定的要求实现功能。
刚开始通电，数码管显示00，当有遮光物挡住又拔出时，计数器进行加1，这样能完成00—99计数，通过检测我们发现红外管需要对折焊接后才会更加灵敏，这样才能使脉冲信号更加稳定，计数更准确，还有板子的工作电压要调好，不能过高也不能太低，要让板子能正常工作即可，在焊接时一定注意温度控制好，可以先把一些敏感元件引脚留长些，这样可以方便散热，以免烧坏元件。
总结
为期一周的电子课题设计终于落下帷幕了，我和我的搭档经过这一周的辛苦努力，终于得到了收获，完成了我们的电子设计---光电计数器。
因为以前动手很少，对做电子线路板经验不足，所以刚开始有点不知所措，但我们没有放弃这次难得的动手机会，通过查阅相关资料，把原理图画好，经过仿真确定其可行性，然后就开始焊接电路板，在焊接电路板的过程中，我们从中发现了许多问题，也遇到了不少难题，不过我们没有退却，在指导老师的帮助下，把问题给逐一解决了，而且在动手操作的过程中，也领悟到了许多焊接技巧，方法，增强了实践动手能力，当我和搭档把电路板成功焊接完成后，非常兴奋，很有成就感，更增加了我们以后动手操作的信心，在后期调试过程中，通过数字万用表，示波器等相关测量工具获得了计数器的一些工作参数，在结合实验现象和结果分析，更加懂得了该光电计数器的工作原理。
感谢学校给我们提供了这次宝贵的动手实践机会，通过动手操作，我们学到了许多书本上没有的知识，而且更加巩固了所学知识，真正做到了所学即所用。
经过这次电子设计，我从中收获了很多，更加懂得了理论联系实际的重要性，让我们对电子设计这门科目有了更深一层次的了解。
我相信我能在以后的电子设计中做的更好，会有更多新的发现。
参考文献
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附录1
电路原理总图
附录2
电路元器清单
元件名称
元件部分参数
数量
红外发射管
限流4---10mA
2
红外接收二极管
限流4---10mA
2
电阻
68K欧
2
欧
2
20K欧
2
1K欧
14
200欧
2
电容
100uF
1
2
扬声器
R=8欧P=
1
数码显示管
共阴极
2
芯片
74LS48
2
74LS192
2
74LS14
2
74LS20
1
74LS04
1
升级会员 