钢球自动计数装置.docx
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钢球自动计数装置
摘要
在进入21世纪的今天，机械制造和电子产品的的的应用已经蓬勃发展，而钢球自动计数就是这两者的完美结合。
它不仅有着超高标准的机械工艺，而且在电子产品的制造和应用方向有着严格的要求。
钢球自动计数要求掌握检径筛选机构、分组计数机构、供球机构,控制系统和霍尔计数装置。
这就要求对机械制造工艺电子工艺很熟悉。
对霍尔传感器系统控制的设计过程有较充分的了解和掌握。
对现代放大器uA741和三极管2N5812的原理熟知。
关于计数部分，使用74160N芯片、7406N、封装DCD-HEXled显示数码管联接计数电路。
钢球自动计数装置用机械化取代手工作业，效率高、确保质量，实现了轴承装配钢球的多种规格多种功能的机械化作业。
在科学技术不断发展的今天，钢球自动计数装置的作用也日趋重要。
本设计采用霍尔传感器作为设计的核心单元，设计了一款具有自动检径计数的高效装置。
即简单又实用。
关键字：
UGN-3501T霍尔传感器，74160N，检径筛选
ABSTRACT
Inthe21stcentury,machineryandelectronicproducts,theapplicationhasbeenbooming,andtheballautomaticallycountsistheperfectcombinationofboth.Itnotonlyhasahighstandardofmechanicaltechnology,andelectronicproductmanufacturingandapplicationofdirectionswithstrictrequirements.Balldiameterautomaticfiltercountingrequiredtomasterinspectionagencies,groupscountingbodies,institutionsfortheball,controlsystemsandHall-countingdevice.Thisrequiresthemachinemanufacturingprocessofelectronictechnologyverywell.Hallsensorsystemonthecontrolofthedesignprocesshaveamorefullunderstandingandgrasp.Modernamplifiersandtransistor2N5812uA741principleknown.Onsomecounts,theuse74160Nchips,7406N,packagingDCD-HEXleddisplaydigitalcountercircuitpipeconnection.Ballmechanizedautomaticcountingdevicestoreplacemanualwork,highefficiency,ensurequality,enablingavarietyofspecificationsofsteelballbearingassemblyofavarietyoffunctionsmechanized.Thecontinuousdevelopmentofscienceandtechnologytoday,ballautomaticcountingdeviceisalsoincreasinglyimportantrole.ThisdesignusesaHallsensorasthedesignofthecoremodules,designedatrackcountingwithhighefficiencyautomaticinspectionequipment.Thatissimpleandpractical.
KEYWORDS：
UGN-3501THallsensor，74160N，InspectionPathselection
目录
前言1
第一章绪论2
1.1机械方向2
1.2传感器3
1.3新技术在钢球计数中的应用3
1.3.1系统的工作流程图4
1.3.2VB与并行接口4
1.3.3信号处理6
第二章送料和检径7
第三章霍尔传感器及部分元件8
3.1霍尔效应及霍尔元件8
3.1.1霍尔效应8
3.1.2霍尔元件基本结构12
3.1.3霍尔元件基本特性12
3.1.4霍尔元件不等位电势补偿14
3.1.5霍尔元件温度补偿16
3.1.6霍尔传感器及应用18
3.2
A741型运算放大器21
3.32N5812三极管22
第四章计数器实现23
4.174160N的基本介绍23
4.2十进制计数器设计24
4.2.1原理24
4.2.2创建电路24
4.2.3译码显示25
4.3多位计数器设计26
第五章整体设计28
致谢30
参考文献31
前言
传感器被称为工业时代的测量工具---仪器仪表的“五官”，承担着信息感知和获取的关键任务，是当今信息时代的信息源头，在国民经济和国防各个领域中发挥着不可替代的作用。
本文主要是研究霍尔传感器，如霍尔移位传感器、霍尔开关式转速传感器。
在科技如此发达的当今社会，钢球计数也有了新的突破。
在以前钢球计数是以人工繁重的重复劳动计算钢球数量，这样不仅麻烦，而且由于人们的记忆力不同，会导致可能忘记计数数量，这样就得从头开始，十分繁琐。
但是现在有了供球机构、检径筛选机构、分组计数机构、,控制系统和霍尔计数装置这一系列的机构设计，完全由机器劳动代替了人工劳动，机器工作出错少而且效率高。
论文结构如下，共分五个章节：
第一章描述了钢球计数的研究背景，意义以及技术发展现状，并根据霍尔传感器的原理和特点及设计要求，给出了设计实现的基本方案。
第二章主要给出了送料机构和检径筛选机构的工作原理。
第三章为霍尔传感器介绍及分组计数机构中的一些主要的原件。
第四章为最后的计数工作，用74160N连接的计数器，在有脉冲信号时在DCD-HEX封装的译码显示器上显示钢球数量。
第五章为整体的设计。
本论文在写作和设计过程中参考了不少的文献，，包括参考书籍、参考论文、参考期刊、参考网页，均列在本论文的后面。
第一章绪论
信息技术已经成为当今全球性的战略技术，作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理，已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的核心部件。
传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建设的各个领域。
1.1机械方向
机械设计（machinedesign），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能的最主要因素。
由于各产业对机械的性能要求不同而有许多专业性的机械设计，如纺织机械设计、矿山机械设计、农业机械设计、船舶设计、汽车设计、机床设计、压缩机设计、内燃机设计、汽轮机设计、泵设计等专业性的机械设计分支学科。
而钢球自动计数的送料和检径完全是机械的，靠机械凸轮的运动使钢球自动下落，根据严格的机械加工使得检径的精度在微米级以上，要求筛选正确率高。
1.2传感器
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
1.3新技术在钢球计数中的应用
机电一体化是设备机械类模块、电子计算机模块、电力电子模块等集成融合的一体化，这些部分内容及其之间通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转移有机融合集成一个完整的系统。
本文介绍了滚珠计数并模拟的过程。
采用VB编程并结合接口技术，运用模拟电路，数字电路的原理，再加上信号处理技术成功地实现了所要求的内容。
达到了计数准确无误，误差小，代价低的设计目的。
1.3.1系统的工作流程图
图1–1工作流程图
1.3.2VB与并行接口
打印机端口脚位定义
打印机端口共有25支脚，这些脚被区分成3种主要的功能分别用于数据传送、检查打印机的状态及控制打印机。
脚位从下端从右至左依次编号为PIN1～PIN25。
（1）数据端口脚位
这些脚位是PIN2～PIN9：
当我们要通过打印机端口传送数据时，就是改变这8支脚的状态而达到传送数据的目的。
如，我们要传送“A”，它的ASCII是41H，转换成二进制就是01000001．最高位是0，最低位是1，因此上述8支脚位的状态就如下：
Pin2高电位，令其为1；Pin3低电位，令其为0；Pin4低电位，令其为0；Pin5低电位，令其为O；Pin6低电位令其为0；Pin7低电位：
令其为0；Pin8高电位，令其为1；Pin9低电位，令其为0。
如果我们按上述的方式将这些脚位的状态更改，接收一方如也按照ASCII解释的话，就能得到“A”这个字符。
（2）打印机状态端口脚位
所谓的（基地址+1）指的是：
如果我们的地址是378H再加上1就是379H；这个地址专门用来传递打印机的状态。
并行接口输入输出过程描述输入过程：
在并行接口应该有一个控制寄存器用来接收CPU对它的控制命令，有一个状态寄存器提供各种状态位供CPU查询，为了实现输入输出，并行接口中还必定有相应的输入缓冲寄存器和输出缓冲寄存器，当并行接口处于输入过程时，使状态线“数据输入准备好”信号。
数据到达接口后，接口会在状态寄存器中设置“输入准备信号”状态位。
以使CPU进行查询，接口也可以在此时向CPU发送一个中断请求，所以CPU即可以用软件查询方式，也可以用中断方式设法读取接口中的数据，CPU从并行接口中读取数据后，接口会自动清除状态寄存器中的“输入准备好”状态位，并使数据总线处于高阻状态，此后又开始下一个输入过程。
而输出过程基本上和输入过程相似。
编写程序我们只能自己写程序语言不能实现的程序代码，这种代码称之为子程序。
在VB中通常这些程序代码集合在一起，而以一个扩展名为.bas的文件储存起来。
如果我们引用的是其他厂家开发的函数，这些函数已经被编译成机器码而成为可执行文件（扩展名称通常为．DLL），如果要引用这些函数，就必须告诉程序语言编译器这些函数的存在位置及函数的参数传递方式。
我们要用到两个可用来“传送”及“读取”地址数据的函数，分别是DIO-OutputByte和DIO-InputByte，它们用来传送一个字节及传送一个字节的数据指特定的地址。
在模块中作以下声明，作完声明后就可以在程序中依照声明方式使用函数：
DeclareSubDIO_OutputbyteLib“dio.dll”（ByValaddressasinteger,ByValDataOutasinteger）
DeclareFunctionDIO_IntputByteLib“dio.dll”（ByValaddressasinteger）asinteger
1.3.3信号处理
本次采用的传感器是电感式接近开关,它利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时,使物体内部产生涡流。
这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。
信号处理电路：
图1–2信号处理电路
第二章送料和检径
把钢球放入漏斗形的容器里，让钢球从里面的滑槽内挨个下落，滑槽位于机壳内由电机驱动凸轮连杆使其上下移动，所有机构设置在固定机壳一侧的支架板上，检径筛选机构的钢球通道上端与送料仓连通，下端与供球机构连接。
送料仓内的钢球进入检径筛选机构里面，钢球直径筛选分为好几个方面，而且检径的精度在0.001mm范围内，将检径分成5个档次。
从小到大排列能通过的钢球则自己下落到滑槽内，顺利通过滑入分组计数机构。
要求检径的精度在微米级以上（0.001mm）。
图2–1送料和检径示意图
第三章霍尔传感器及部分元件
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。
1879年美国物理学元件家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。
随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。
3.1霍尔效应及霍尔元件
3.1.1霍尔效应
置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。
该电势称霍尔电势。
如图3-1所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板,导电板通以电流I,方向如图所示。
导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。
此时,每个电子受洛仑磁力fm的作用，
大小为
=eBv（3-1）
式中:
e——电子电荷;
v——电子运动平均速度;
B——磁场的磁感应强度。
图3-1霍尔效应原理图
的方向在图3-1中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在fm的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场Eh,称霍尔电场,该电场强度为
（3-2）
式中
为电位差。
霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,其大小为
，此力阻止电荷继续积累。
随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即
=
（3-3）
则
=
（3-4）
此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。
若金属导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=
则
（3-5）
将式（3-5）代入式（3-4）得
（3-6）
将上式代入式（3-2）得
（3-7）
式中令RH=1/（ne）,称之为霍尔常数,其大小取决于导体载流子密度，则
（3-8）
式中
称为霍尔片的灵敏度。
由式（3-8）可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。
为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。
对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔常数RH,霍尔元件激励极间电阻R=ρL/（bd）,同时R=UI/I=EIL/I=vL/（μnevbd）,其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。
则
（3-9）
解得
（3-10）
从式（3-10）可知,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。
若要霍尔效应强,则RH值大,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。
一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低。
故只有半导体材料适于制造霍尔片。
目前常用的霍尔元件材料有:
锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。
其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。
N型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。
锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,
但在室温时其霍尔系数较大。
砷化铟的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。
表3-1为常用国产霍尔元件的技术参数。
表3–1常用国产霍尔元件的技术参数
3.1.2霍尔元件基本结构
霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如图7-9（a）所示。
霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。
1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。
霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。
在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图7-9（b）所示。
图3–2霍尔元件
（a）外形结构示意图（b）图形符号
霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成连续测量。
其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。
3.1.3霍尔元件基本特性
1）额定激励电流和最大允许激励电流
当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。
以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。
因霍尔电势随激励电流增加而性增加,所以,使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件,可以使激励电流增加。
2）输入电阻和输出电阻
激励电极间的电阻值称为输入电阻。
霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。
以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。
3）不等位电势和不等位电阻
当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。
这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。
图7-11产生这一现象的原因有:
①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;
②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;
③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
不等位电势也可用不等位电阻表示
（3-11）
式中:
——不等位电势;
——不等位电阻;
——激励电流。
由上式（3-11）可以看出,不等位电势就是激励电流流经不等位电阻
所产生的电压。
图3-3不等位电势示意图
4）寄生直流电势
在外加磁场为零#,霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。
其产生的原因有:
①激励电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效果;
②两个霍尔电极大小不对称,则两个电极点的热容不同,散热状态不同形成极向温差电势。
寄生直流电势一般在1mV以下,它是影响霍尔片温漂的原因之一。
5）霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1℃时,霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。
它同时也是霍尔系数的温度系数。
3.1.4霍尔元件不等位电势补偿
不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。
分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。
图3-4为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。
理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等位电势U0为0。
实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。
此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。
几种补偿线路如图3-5所示。
图（a）、（b）为常见的补偿电路，图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（d）用于交流供电的情况。
图3–4霍尔元件的等效电路
图3–5不等位电势补偿电路
3.1.5霍尔元件温度补偿
霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。
当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化,从而使霍尔元件产生温度误差。
为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外,由UH=KHIR可看出：
采用恒流源供电是个有效措施,可以使霍尔电势稳定。
但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。
霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数,它随温度的变化引起霍尔电势的变化。
霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成
KH=KH0（1+αΔT）（3-12）
式中:
KH0——温度T0时的KH值;
ΔT=T-T0——温度变化量;
α——霍尔电势温度系数。
并且大多数霍尔元件的温度系数α是正值,它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+αΔT）倍。
如果,与此同时让激励电流I相应地减小,并能保持KHI乘积不变,也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。
图3–6就是按此思路设计的一个既简单、补偿效果又较好的补偿电路。
电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。
当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时,旁路分流电阻Rp自动地加强分流,减少了霍尔元件的激励电流I,从而达到补偿的目的。
图3–6恒流温度补偿电路
在图3-3所示的温度补偿电路中,设初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH1,分流电阻为Rp0,根据分流概念得
（3-13）
当温度升至T时,电路中各参数变为
Ri=Ri0（1+δΔT）（3-14）
Rp=Rp0（1+βΔT）（3-15）
式中:
δ——霍尔元件输入电阻温度系数;
β——分流电阻温度系数。
则
（3-16）
（3-17）
（3-18）
将式（3-12）、（3-13）、（3-16）代入上式,经整理并略去α、β、（ΔT）2高次项后得
（
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