光电计数器课程设计实验报告

系别：专业：学生姓名 课程设计题目皖西学院机械与电子工程学院课程设计皖西学院课程设计报告书机械与电子工程系电子信息科学与技术学号：光电计数器起 迄 日 期:12 月10日 12 月22日课程设计地点:教学实验楼B楼皖西学院机械与电子工程学院课程设计前言计数器对某物件进行自动计数，在实际生产生活中具有广泛的应用，对通过 的物体进行计数，实现统计数据的搜集，如在生产流水线包装数量控制等领域的 应用，能节省劳动力有能高效地完成任务。光电计数器采用光电传感器构成的广 电门实现对通过光电门的物体进行计数，是一种非接触式计数，在部分场合有着 其无比的优越性，从而使其广泛应用于工业生产、实时监测、自动化控制等领域。本作品为实现光电计数器的功能，采用模数结合的电路，以红外对射光电传 感器为传感器件。电路主要分为信号采集电路、两位十进制计数电路、数码显示 电路三个模块，分别实现对通过光电门的物体感应，计数，显示。计数范围为一 百，可以预设计数数目，当计数达到设定后，闪灯报警两秒。在光电计数部分我们考虑到脉冲信号的稳定度、方便检测是否能够产生脉冲 信号，因此在电压比较器和NE555之间我们选择了 NE555，又要利用遮断式红外 控制原理对通过的物件计数，为了感应良好，我们使红外发光管与光电接收管相 对安放。本计数器可实现099的计数显示。每当物件通过一次，红外光被遮挡一次，光电接收管的输出电压发生一次变 化，这个变化的电压信号通过放大和处理后，形成计数脉冲，去触发一个十进制 计数器，便可实现对物件的计数统计。作品电路主要采用常用分立元件和小规模集成电路，结构简单可靠，能够提 供准确的统计值，成本低廉，实用性强，二次开发性高目录前言 2第一章 设计内容及要求 41.1 本次课程设计应达到的目的 41.2 本课程设计课题任务的内容和要求 4第二章 设计方案 52.1 设计思路 42.2 方案选择 4第三章 系统组成 63.1 系统框图 63.2 单元电路介绍 63.2.1 信号采集电路 63.2.2 计数电路 73.2.3 数码显示电路 93.2.4 满百报警电路 113.3 调试与测试结果 12第四章 实验总结 13第五章 参考文献 14附录一 电路原理总图 15第一章 设计内容及要求1.1 本次课程设计应达到的目的1、综合运用相关课程中所学到的理论知识去独立完成某一设计课题；2、通过查阅手册和相关文献资料，培养学生独立分析和解决问题的能力；3、进一步熟悉常用芯片和电子器件的类型及特性，并掌握合理选用器件的 原则；4、学会电路的安装与调试；5、进一步熟悉电子仪器的正确使用；6、学会撰写课程设计的总结报告；7、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。1.2 本课程设计课题任务的内容和要求1、发光器件和接收器件之间的距离大于lm；2、有抗干扰技术，防止由于抖动产生的误计数；3、每计数100,用等闪烁2s指示一下；4、LED数码管显示计数值。皖西学院机械与电子工程学院课程设计第二章 设计方案2.1 基本思路我们的设计思路是将基本部分与发挥部分统筹考虑，进行方案设计。第一、 光信号的采集，光能否被接收会产生不同的信号，将其转换成高低电平；第二、 计数器记录高低电平的变化，实现计数功能；第三、计数器计满后，输出信号通 过单稳态触发器与多谐振荡电路，产生 2 秒延时。2.2 方案选择方案满足设计的基本要求，红外发射管采用直流供电，接收对管判断是否有 物体通过光电门，并且当物体通过光电门时输出一个高电平，触发后面的加法计 数器，使其加一，为简单起见，计数器为一组BCD码输出，输出由BCD-七段数 码管译码器译码，输入至数码管显示。同时有设有四位二进制数码比较器，由拨 码盘预先设定一个数量，比较器时时将计数器输出与预设数字进行比较，当两者 相同时，发出信号。 在该方案的具体器件选择上，又有许多方案，如脉冲发射 电路中采用的振荡器有多种选择，可以采用元件构成，也可以采用集成电路构成， 为简化电路，本设计采用555 构成的多谐荡器，其结构简单，便于调试。在计数 器方面也有多种选择，计数器种类繁杂，有同步的，有异步的；有十进制的，有 十六进制的，在满足要求的基础上，为尽量简化电路，减小各模块之间的联系， 本设计采用两块74LS190进行级联，实现模一百计数器。在定数报警电路中，采 用两块74LS84实现两组BCD码的比较。在整百报警电路中，采用555构成单稳 态触发器，实现两秒延时，闪灯由 555 多谐振荡器控制，实现大概每秒 3 次的闪 烁。整个设计中对频率、定时的要求不高，555完全能够胜任。皖西学院机械与电子工程学院课程设计第三章系统组成3.1系统框图图3.1系统框图3.2单元电路介绍 3.2.1信号采集电路图3.2 信号采集电路该电路主要由，光电转换电路，迟滞比较电路组成。光电转换电路采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换传感器，采用典型电路，如图3.2。如图3.4所示为双向限幅方波产生电路。如图可知光电转换电路输出信号在无物件遮挡住光线时，输出含有直流交流 分量的信号，再有物件遮挡光线时，输出是一电压较低的直流信号。因此通过迟 滞比较电路，可以将两种信号转换为不同电压的直流信号，再通过一定阈值的比 较器，可以将两种信号转换为数字电路中的高低电平，从而控制后续电路。322计数电路计数电路主要采用计数器统计信号采集电路输出的脉冲个数，实现对物件计 数的功能。为了使电路简单化，减少其它器件的使用，通过查看各种计数器芯片 的技术手册，选取74LS190该电路的计数器。74LS190为可预置十进制同步加减计数器，其功能表见表3.1。其预置是异 步的，当置入控制端ld为低电平时，不管时钟端CP状态如何，输出端QQ即 03预置成与数据输入端DD相一致的状态。其计数是同步的，靠CP同时加在四03个触发器上而实现的。当计数控制端CT为低电平时，在CP上升沿作用下QQ03同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制U/D为 低电平时进行加计数;当U / d为高电平时进行减计数。只有在cp为高电平时CT 和U /D才可以跳变。其有超前进位功能，当计数上溢或下溢时，进位/借位输出 端CO/BO输出一个宽度等于脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端RC输出 一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。；利用RC端可级联成N位同步计数 器。当采用并行时钟控制时，则将RC接到后一级CT ；当采用并行CT控制时， 则将RC接到后一级cp。状态输出E由CTCO / BOCPRCLHLTnrHXXHXLXH于计数H咼电平L低电平廿低电平脉冲X 任意t上升沿表3.1功能表输入输出LD CT 刀CP吗耳2 辽a a 2 &LXXXdddd0123HLLtXXXXHLHtXXXXHHXXX XXXdddd0J 、23加计数减计数 保持模值为100,我们采用两片74LS190级联，低位片的进位端RCO与高位片CLK相 连。扩展功能要求实现加减计数，我们在5管脚接入加减选择开关。同时加减计 数起始值不同（00或99）,我们又加入预置数与预置开关，预置数D0与D3连接 加减选择开关，D1与D2接地。74LS190引脚图如下:U4 74LS諾冃VNIWN密-tlr=(:oo- a u - K - 匚-T-rj-J* IILTOS! - gnl - - - o口 2 JigETiYci ci clL L L 口P 亡Oui tw* lte-石ih rmjrr 举CATaHM亞 XEhATA.CM/rjii7-qw1 Iffl|MB-qdlZB毛二 1.1Aa11丄:rpTI |Ir51 *an日 1_E 口 OkIMhQteOo,丘IHFLFT-L-d5i&图3.5两位十进制计数电路3.2.3数码显示电路计数电路输出两组BCD码，为了使电路简单，应选用BCD码一七段数码管 译码驱动器，而七段数码管的选择与之配套。译码器无特殊功能要求。这里选用 了常用的74LS48共阴数码管驱动器，配套选取共阴八段数码管，但小数点位不 用。74LS48为内部有上拉电阻的BCD七段数码管译码器/驱动器，输出端为高 电平有效，可用于驱动缓冲器或共阴数码管。其功能表如表3.2所示。根据功能表，将BI/RBO、RIb.、T接高电平，AA接计数电路的DD，0303该部分电路简单，只要根据功能表将相应端口连接起来即可完成功能，如图3.7。电路中0D 0D、ID1D分别接计数电路中的相应标号的管脚。电阻R 030315起限流作用，保护共阴数码不被烧毁。由于数码管相当于并联LED，因此前面计 算的限流电阻计算值仍然适用，但又由于是LED并联情况，在正常工作时，存在 同时数个LED共同发光的情况，总线中的电流加大，因此应适当减小限流电阻的 大小，这里选取200Q的电阻。表3.2功能表CKuaU6_S48D5T2：LJ -5吉P pQ CJ-冃Ed 4 J511-1 -c-:y;11A 13； C D E F G H-.IIILI.? -JjlIKU5 74LS十进 制输入B/ RBO输出字形LTRBIAAAAYYYYYYY0HHLLLLHaHHHHHHgL1HXLLLHHLHHLLLL2HXLLHLHHHLHHLH3HXLLHHHHHHHLLH4HXLHLLHLHHLLHH5HXLHLHHHLHHLHH6HXLHHLHLLHHHHH7HXLHHHHHHHLLLL8HXHLLLHHHHHHHH9HXHLLHHHHHLLHH图3.7数码显示电路电路中0D 0D、ID1D分别接计数电路中的相应标号的管脚。电阻R0 3 0 3 15起限流作用，保护共阴数码不被烧毁。由于数码管相当于并联LED，因此前面计 算的限流电阻计算值仍然适用，但又由于是LED并联情况，在正常工作时，存在 同时数个LED共同发光的情况，总线中的电流加大，因此应适当减小限流电阻的 大小，这里选取200Q的电阻。3.2.4 满百报警电路该电路是为了实现每计数 100，用灯闪烁 2S 指示一下功能而设计的。根据 计数电路介绍，当计数器由99回转向0时，74LS190输出端将输出一个下降沿， 因此可以用此信号来触发满百报警电路。得到一个短暂的负向脉冲，用以触发由 555 构成的单稳态触发器，使其输出一个两秒的高电平，用以控制555 多谐振荡 器使其工作两秒，输出为时两秒的低频率方波，使LED灯闪烁2s。单稳态触发电路由C、R，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电11开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C加到21端，并使2端电位瞬时低于3vCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，V按指数规律增长。当V充电到2VCC时，高电平CC3 CC比较器动作，比较器A翻转，输出V从高电平返回低电平，放电开关管T重新10导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触 发脉冲的来到作好准备。暂稳态的持续时间t （即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小：wt 沁 1.1RC式 3.10w通过改变 R、C 的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当 这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4 脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。按要求t沁1.1RC = 2s，为使R和C都 w不至取得过大，选取C （C ）为100 口 F，R（R为20KQ。如图3.8。1 1）这里对555多谐振荡器的频率占空比无严格要求，主观选取频率为3Hz，占空比随机。根据前面的介绍，选取R为13kQ, R为15kQ, C为10叮，如图2333.8 。多谐振荡器的工作与否取决于单稳态触发器输出高低。R为限流电阻。4图 3.8 555 组成的单稳态电路与多谐振荡电路3.3 调试与测试结果电路焊接完毕后，对照原理图检查是否有漏焊、错焊之处，特别要检查电源 引线是否短路。确认无误后，上电调试，先查看感觉各元器件是否正常工作，是 否有异味发烫等，如有即及时断电检查；若无，测试电路是否完成相应功能，若 不能实现某些功能，首先检查相应功能块电路的核心元件是否工作，如检查震荡 电路时，先检查555 是否起振，用示波器查看 2 管脚是否有电容充放电的波形， 如有，则能正常起振；若无，检查该振荡器是否焊接正确，元件是否选取正确等。焊接时，每焊接完一个模块都要进行调试。不要把所有的电路全部焊接完了 再进行调试，否则如果出现问题将会很难查出来，而且还会给修改电路带来不必 要的麻烦。芯片的管脚要正确读取，接电源的管脚和接地的管脚不搞反了。万能 板上的电源线和地线要分清楚，焊接时千万不要搞错了。分模块进行调试，我们首先对光采集信号部分进行调试，由于光敏三极管对 外界影响，很难进行光信号的采集。我们用一个多谐振荡器产生的方波信号来代 替光信号的采集。经测试，电路正常工作，相关功能完全实现：用手通过一次光电门，记数加 一；当计数达到预设的数字时，LED灯闪烁2秒。第四章 实验总结进过自己与搭档的努力制作和调试，我们的光电计数器终于完成。电路板调 试成功，满足了设计要求中的基本要求及大部分提高要求，并且计数显示部分的 计数位数具有直接扩展性。从这次课程设计中，学到了很多的专业知识，以及一 些宝贵的心得。从找寻参考书这方面来说，别人的答案只能参考，不能照搬。要 有独立的见解，善于发现错误，勤于讨论和提问，这样才能改正错误。起初，拿到设计要求的时候，大脑是很空白的，因为这就是专业知识的缺乏 成为了整个过程最大的阻力，“书到用时方知少”，此时才知自己专业知识的贫乏。 通过不懈的找寻，查资料，以及向老师提问，对于电路的构造和基本设计有了大 概的蓝图，从而开始了电路板的焊接制作。经过慢慢的探索和仔细的调试，电路 功能得以实现，这让自己很有满足感！通过本次课程设计，也进一步让自己熟悉了万用表、示波器、信号发生器NE555等实验设备的使用，判别元器件的引脚、好坏等能力有所提高。通过这次设计，巩固了之前学习的数字电路模拟电路的相关知识，并把这些 知识运用到实际中。这次设计是理论和实践的相结合，放大了理论和实践之间的 差别，问题带来了设计经验，从而为以后的发展添加了资本。最后衷心的感谢张斌老师细心指导，以及同学们的鼎力相助！第五章 参考文献1,电子技术基础 数字部分（第五版） 康华光 高等教育出版社2，电子技术基础 模拟部分（第五版） 康华光 高等教育出版社3， 计数器及其逻辑设计 蔡雅铮 高等教育出版社4，电子技术课程设计指导 彭介华 高等教育出版社 5,电子电路基础 童诗白 高等教育出版社6,电子电路基础 谢沅清 人民邮电出版社7，数字电子技术基础 侯建军 高等教育出版社8，电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计 侯建军 高等教育出版社 9，实用电子电路设计制作300 例 刘修文 中国电力出版社 10，数字电子技术基础鬲淑芳 陕西师范大学出版社 11，数字电子技术基础阎石 高等教育出版社附录一电路原理总图vccEVkUUk.A2Q VIRTUAL V(lUOuFnRT moUE71 ：C3C-an 口 v :“口口l 1USMLS 醴 DuccESmonjdblmODU5YUuD IU3NLS190D.:U4 71LS19DD-p4u?STIMFP_Ra-FDIOjFHI灯I 1TLED13k0TST皿mTW!TKEHIiJlUS KEYBOAROKEV - A世l呗，丄曲2000lOkCFg.lb14亠;一 BCrriGD jtRDI?17CPAM3T_RAICU2L附录二 元件清单元件序号型号主要参数数量U3, U474LS1902U5,U674LS082U8, U97LEG共阴2U7, U11NE5552U1光敏三级管，1MCT6发光二极管1Cl, C3, C4极性电容lOpF3U1074LS081U2LM3281Dl, D2RD4.72X1发光二级管1C2极性电容100吓1电阻1000200KQ13K0若干15KQ 182K010K020mQ180mQ*2200m0*2