资源描述
引言传感器是一种敏感器件，它能将被测物理量转换成便于测量和处理的另一种物理 量。例如，光、声、磁、温度、压力等非电量通过传感器可转换成电压或电流，从而采 用电子设备对其进行控制、测量和处理。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量 过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指 示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测 量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。传感器应用广泛，种类很多。其中光电传感器作为一种新型的电压电流测量装置， 与传统电磁式互感器相比较，具有绝缘强度高、动态范围大、频带宽、抗干扰能力强、 不会产生磁饱和及铁磁谐振、体积小、重量轻、造价低等一系列优点。本论文主要阐述 了利用光电断路器做为敏感元件，将光转换为电信号输出，并用数码管显示，实现光电 计数器的功能的过程。对该电路的工作原理、制作和调试方法等做了深入介绍。光电计数器在本论文设计中，主要是由光电信号检出、放大、整形、计数和显示5 个部分电路构成。光电断路器、三极管VT1、VT2组成的电路是为了检测输出光电脉冲。 集成计数器A1、A2以及数码管LED等构成的计数电路是为了脉冲信号进行计数。因此， 也可以说该电路是由这两部分电路组成。本计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数，并且采用LED数码显示，简单 直观，可适用于诸多行业，以满足现代生产、生活等方面的需求。本篇论证仔细、全面、深入，通俗易懂，实用性强，本报告所用词汇仔细洗练，都 是一些简单易懂的词，读者可以容易了解电路的相关性能。附录还对整个电路设计中很 多问题给予相应的解释和扩展，相信适合多层次电子相关专业人士参阅和参加各种电子 竞赛活动的参考资料。1主要器件介绍1. 1光电断路器光电断路器是光耦合器中的一种。光电断路器以光为媒介传输电信号。它对输入、 输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为 种类最多、用途最广的光电器件之一。光电断路器由三部分组成：光的发射、光的接收 及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测 器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换，从而 起到输入、输出、隔离的作用。由于光电断路器输入输出间互相隔离，电信号传输具有 单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光电断路器的输入端 属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息 中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。光电断路器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔 离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输 效率高。光电断路器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转 换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉 冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、 通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路， 通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。十几年来，新型光电断路器不断涌现，满足了各种光控制的要求。其应用范围已扩 展到计测仪器，精密仪器，工业用电子仪器，计算机及其外部设备、通信机、信号机和 道路情报系统，电力机械等领域。这里侧重介绍该器件的工作特性，驱动和输出电路及 部分实际应用电路。用于传递模拟信号的光电断路器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当 有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏 三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大 小成正比。由于光电断路器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间 在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和 光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。输入 和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约 10Q），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光电断路器构成的模拟信号隔离电 路具有优良的电气性能。事实上，光电断路器是一种由光电流控制的电流转移器件，其输出特性与普通双极型品体管的输出特性相似，因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路，并且 输入与输出间可实现电隔离。从光电断路器的转移特性与温度的关系可以看出，若使光耦合器构成的模拟隔离电 路稳定实用，则应尽量消除暗电流（ICBO）的影响，以提高线性度，做到静态工作点IFQ 随温度的变化而自动调整，以使输出信号保持对称性，使输入信号的动态范围随温度变 化而自动变化，以抵消。值随温度变化的影响，保证电路工作状态的稳定性。1 2十进制计数器/译码器CD4026CD4026是一个十进制计数/7段译码器,适用于时钟计时电路，利用C端的功能可方 便的实现60或12分频CD4026属于金属-氧化物-半导体型互补MOS,电源电压=515V。 CD4026的CR端（复零端，15脚）接地为低电平。计数器处于等待计数工作状态。CD4026 的B1端（3脚）为显示允许输入端，高电平有效，因此接电源正端。INH端（2脚）为 禁止信号输入端，高电平有效，低电平时则不禁止计数。2工作原理本电路由光电信号检出、放大、整形、计数和显示5个部分电路构成。光电断路器、 三极管VT1、VT2组成的电路是为了检测输出光电脉冲。集成计数器A1、A2以及数码管 LED等构成的计数电路是为了脉冲信号进行计数。因此，也可以说该电路是由这两部分 电路组成。光电计数器电路原理图如图1所示，相应PCB图如图2、图3所示：VCCBIVd dCR14 CD4 02 4e-5fB6 1gnd1g h7C11|_2VCC34图12. 1电源部分光电计数器由5V直流稳压电源供电。其中使用了 C11, CAP,为普通电容，取值为 104,用于滤低频的波；C10： ELECTRO，为电解电容，取值为470uf，用于滤高频的波； R10： RES，电阻，用于限流，保护发光二极管。如果要直接接入220V的交流电压，则 可使用变压器使电压降为6.5V左右，再经一个桥式整流和滤波，直流电压正端接至集成 稳压器，集成稳压器的输出端就可以得到相当稳定的直流5V电压给电路供电。2. 2光电计数部分电路的工作过程是：接通电源后，拨动一下拨动开关SB，计数器即复零等待计数。 这时候光电断路器Q的输出光电流最大（槽中不遮光），使三极管VT1饱和导通，VT1 集电极输出为低电平，通过R4和VT2直接耦合，因而VT2截止，其集电极输出为高电 平，计数器显示保持零不变。此时若将遮光板切入Q的槽中，则由红外发光二极管发出 的红外光被遮住，不能进入光电三极管的接收窗口，于是Q输出光电流很小，近似等于 暗电流，从而使三极管VT1由导通变为截止，VT2则由截止变为导通，VT2输出由高电 平变为低电平。因为集成计数器CD4026的CP端（时钟脉冲输入端，1脚）对上升沿有 效，所以对于VT2输入从高电平跳变为低电平时不计数。当切入光电断路器槽中的遮光 板移出时，红外发光二极管发出的红外光射入光电三极管，此时输出光电流最大，于是 VT1导通而VT2截止，VT2输出由低电平跳变为高电平，作用至计数器A1的输入端（1 脚），计数为“1”，数码管显示为“01”。遮光板又一次切入光电断路器Q的槽中然后 移开时，VT2集电极又输出一个上升沿信号至计数器A1的输入端，数码管显示为“02”。 同理，当经过99次遮光后，计数器A2、A1显示为“99”。如果再一次遮光时，计数应 当是100，但由于2位数显示而溢出，显示变为“00”。因此计数量较大时，必须根据实 际需要，增加计数器的位数。例如，采用4位计数器时最大计数是9999。2. 3计数显示部分由图1可见，十进计数器/脉冲分配器CD4026 （七段译码输出）是直接驱动LED数 码管显示计数，接线十分简便。需要增加位数时，只要将进位端CO（5脚）接到高一位 的CP输入端（1脚）即可，其余引脚连接方法和其功能相对应。SB平时处于接地状态，使CR端（复零端，15脚）接地为低电平。计数器处于等待 计数工作状态，此时如果有输入计数脉冲即进行计数。当拨动开关SB使其处于高电平 时，CR端通过电阻R5接电源正端为高电平，计数器处于复零状态，此时计数无效。CD4026的B1端（3脚）为显示允许输入端，高电平有效，因此接电源正端。INH 端（2脚）为禁止信号输入端，高电平有效，低电平时则不禁止计数，因此将它接地（电 源负端）。输出端Ya、Yb、Yc、Yd、Ye、Yf、Yg分别与共阴极LED数码管的笔段a、b、 c、d、e、f、g对应引脚相接。数码管的阴极接地。3元器件选择光电断路器Q的尺寸应根据应用场合实际情况选定，目前市场上品种多且售价不贵， 用户有足够的选择余地。例如FSH104，槽宽4mm，深9mm，安装孔0 3.2mm，器件最大 尺寸约24mm。光电三极管暗电流实测值N4MQ，如果红外发光二极管正极接1.5V电源， 则光电三极管C、E之间电阻将1kQ。A1、A2选用七段译码管输出十进计数集成电路CD4026、CH4026等。发光二极管数 码管采用共阴极型，如BS207或字形尺寸较小的BS205等。VT1、VT2用9014型NPN三 极管，00。R1R6均用1/8W碳膜或金属膜电阻。C1、C2用耐压大于等于16V的电解电容器，如CD11-16V。SB为拨动开关。4电路性能该光电计数器是一种通过计算光电断路器的光敏三极管被遮光的次数来实现计数 的装置，性能指标：1、计数误差二02、电源电压：直流5V3、重量：1kg4、功耗：3W5、显示位数：2位6、适用范围：由于红外发光二极管发出的红外光被遮住，不能进入光电三极管的 接收窗口，每当光被遮住一次，后级的三极管工作状态就改变一次，通过三极管的放大 作用可使计数器记下被遮挡的次数，因此该计数器最大特点是没有误差，相当于在计算 器上按1再加1，加1 一样是没有误差的。本计数器可实现099的计数显示，若要增加计数位数，可直接对计数显示部分进 行扩展。5装配过程先焊比较低的元器件，再焊高的元器件。瓷片电容、电阻管脚没有极性，可以任意 插在电路板上的相应位置。要求元件引脚要尽量短，电阻根据电路设计可采用卧式安装， 也可采用竖立式安装。插针长脚朝上；发光管的长脚正极，要与电路板上标有“+”的发光管插口对应，. 数码管最好能插在数码管专用的插脚上，有保护数码管作用，也方便更换，焊接的跳线可 选用铜线，也可使用元器件剪下来的管脚。焊接的时候要注意烙铁的温度，只有到了适当的温度，才能好、快、准的焊接。焊 出的焊点也会比较好看、实用。焊接好元件后，不要马上安装芯片，应该调试过电源正常供电，并且电路无短路后， 再插入芯片。6制作、调试和应用调试过程是利用符合指标要求的各种电子测量仪器，如示波器、万用表、信号发生 器、频率计、逻辑分析仪等。对安装好的电路或电子装置进行调整和测量，以保证电路 或装置正常工作；同时，判别其性能的好坏，各项指标是否符合要求等。因此，调试必 须按一定的方法和步骤进行。调试的方法和步骤如下：6. 1不通电检查电路安装完毕后，不要急于通电，应首先认真检查接线是否正确，包括多线、少线、 错线等，尤其是电源线不能接错或接反，以免通电后烧坏电路或元器件。查线的方式有 两种：一种是按照设计电路接线图检查安装电路，在安装好的电路中按原理图一一对照 检查连线；另一种方法是按实际线路，对照电路原理图按两个元件接线端之间的连线去 向检查。无论哪种方法，在检查中都要对已经检查过的连线做标记，使用万用表检查连 线很有帮助。连线检查完毕后，直观检查电源、地线、信号线、元器件接线端之间有无短路、断 路，连线处有无接触不良，二极管等有极性元器件引线端有无错接、反接，集成块是否 插对。在焊接电路板前，对所用元器件性能进行一次检测。例如通过检测识别LED数码管 的引脚排列，检查各个笔段是否正常发光。通常，共阴极LED数码管引脚排列和内部电 路如图6所示。最简单的一种检查方法是：用4.5V干电池串联约500。左右电阻后， 将其两端与数码管的笔段两端引脚相碰接，如果是正向接法则该笔段就发光。检查七段 译码输出十进计数集成电路是否正常，应在检查数码管正常后才插入实验板（面包板） 试验为宜，一般来说，按实用需要计数器应不小于4位。共阳极数码首共阴极数码首管脚原图66. 2通电检查把经过准确测量的电源电压加入电路，但暂不放入芯片。电源接通之后不要急于测 量数据和观察结果，首先要观察有无异常现象，包括有无冒烟、有无异常气味、触摸元 件是否有发烫现象、电源是否短路等。如果出现异常，应立即切断电源，排除故障后方 可重新通电。调试包括测试和调整两个方面。测试是在安装后对电路的参数及工作状态进行测 量；调整则是在测试的基础上对电路的结构或参数进行修正，使之满足设计要求。检修电路的故障，可先检查电源部分是否W+5V电压输出。可用万用表测量电源的 各输出端，若有电压输出，说明电源部分无故障，应检查电源部分与解码板之间的连线 是否接触不良，有无断线现象；若无电压输出，则说明故障发生在电源部分。数码管显示不正常，可用导线一端与电源连接，另一端接到数码管的各个焊点，看 看数码管能否正常发光，如果不能，数码管坏了。如果出现开关工作不正常，查看是否连线有误，是否虚焊。如果不能正常计数，则要逐级测试各个元器件的性能参数，看是否工作在正常 状态，以便检测出有可能已经不能正常工作的元器件。只要元器件性能良好，电路接线正确，全部电路连接好后一般无需调整，接通电源 就能正常工作。拨动复零拨动开关SB，计数器显示为“00”，处于待计数状态。此时普 通照明灯的开和关不会对它起干扰作用。若手持宽10mm的挡光片（厚纸板剪成）划过 光电断路器的凹槽时，计数器将显示为“01”，再划过一次即将显示为“02”，最大计数 可达99。7光电计数器的应用这里列举本电路设计的光电计数器的应用之一，如果将一个转速时，计数器可进行 转速计数光电传感器应用装置如图所示，计数时不必规定时间，但总计数值不得大于最大计 数。测量转速时采用定时计数，即在规定时间内进行不溢出计数。通常，转速的单位是 转每分钟（r/min），因此测量结果应按下式计算：n=60N/t （N=N1/N2）式中n转速，（r/min）；N1定时时间内的计数结果；N2测量轮的叶片数或透光孔数；T定时计数时间，s。因CD4026型集成计数器的禁止信号输入端（2脚，INH）高电平有效，所以允许低 电平计数有效，将定时器输出端接计数器A1的2脚即可。计数器的其余引脚接线方式 与图相同。定时器电路可以有多种形式，这里介绍一种简单而效果好的单稳态定时器，其核心 期间是555型集成定时器，其电路如图所示。电路工作原理是：接通电源后，电源通过电阻R1对电容C1充电，当C1正极电位 上升到大于（2/3）VCC时，由555定时器的输出端（3脚）为低电平，因而三极管VT 集电极输出为高电平，电路进入电平小于（1/3）VCC，则电路发生翻转而进入暂稳态， 555定时器输出端（3脚）变为高电平，VT变为低电平。同时，C1被阻止放电转而进行 充电。当C1正极电位上升到（2/3）VCC时，电路又发生翻转，由暂稳态恢复为稳态， VT输出由低电平恢复为高电平状态。定时脉宽约1.1s。若Rp阻值为100kQ，则定时时间约为11s。因此，用10 kQ固 定电路和200 kQ可调电阻与C1组成的充电电路就可在120s范围调节定时时间。若 需要较长的定时时间，可再将阻值取大一些。试验表明，555定时器性能优良，电源电 压波动基本上不会影响定时时间.参考文献:1 何其才，薛永毅.传感器及其应用实例。北京：机械工业出版社,2002.82 单成祥，传感器教程.第1版.北京：北京航空航天大学出版社，20013 金发庆.传感器的理论与设计基础及其应用.北京：机械工业出版社,，2001.34 李瑜芳，传感技术。北京：电子科技大学出版社,1999.25 吴桂秀，传感器应用制作入门。浙江科学技术出版社，2004.56 黄贤武，郑莜霞，传感器原理与应用。北京：电子科技大学出版社1995.2.
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