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哈尔滨工业大学论文

哈尔滨工业大学华德应用技术学院

课程设计说明书

设计题目：

数字式光电计数器

系别：

应用电子与通信技术系

班级：

0892222

学生姓名：

杜洋

指导教师：

计京鸿

成绩：

_______________________

2011年3月24日

课程设计任务书

课程设计题目

数字式光电计数器

功能

技术指标

功能：

通过光电进行加计数，并通过两位数码管显示。

技术指标：

1.通过红外光阻挡进行加法计数。

2.计数范围0~99。

工作量

工作计划

2010年3月8日开题

2010年3月9日—3月10日设计电路

2010年3月11日选购元器件

2010年3月12日—3月14日组装电路

2010年3月15日—3月15日调试电路

2010年3月21日验收电路

2010年3月24日结题

指导教师评语

指导教师：

年月日

目录

第1章绪论1

1.1设计要求1

1.2技术指标2

1.3设计功能2

第2章电路的设计方案3

2.1方案设计3

2.2方案确定3

第3章单元电路设计、参数计算和器件的选择4

3.1红外对射电路的设计4

3.2LM339电压比较器4

3.3计数显示电路6

3.3.1LM339的作用及各引脚的功能6

3.3.274LS90的作用及各引脚的功能6

3.3.374LS75的结构及各引脚的功能7

3.3.474LS48的结构及各引脚的功能7

第4章整机电路的工作原理9

4.1整机电路图9

4.2整机电路原理说明9

第5章电路的组装调试12

5.1脉冲驱动红外检测12

5.2相关测试数据12

结论14

收获和体会15

致谢16

参考文献17

附录元器件清单18

第1章绪论

1.1课题背景

智能光电计数控制系统采用世界最先进的光电探测和转换技术，采用日本OMRON光电探测元件将人体信号转换为数字信号，利用德国BOSCH公司研发的CAN总线系统将信号传送至处理器，处理器经过特定的程序进行分析、判断，确定进出房间的人数，从而为控制灯光、空调、地暖、加湿器、新风系统、窗帘、音乐或其他电器设备提供依据，本控制方式完全以人为本，以有没有人或有多少人来作为设定自动触发相关设备的条件。

传统的人体感应方式是采用探测人体热释红外的原理来判断是否有人，只有在人活动的时候感应器才能探测得到，一旦人静止不动，它便会认为无人，如果以无人为设定条件，在延时一定时间后会关闭灯光等设备，此时便出现了误动作，如果设定延时的时间过长，又造成了不必要的浪费。

鉴于此，热释红外传感器只能用在公共场合，如走廊、楼梯间等。

但是热释红外传感器还有另外一个问题，那就是它容易受气流和温度变化等环境的影响而产生误动作，因此，为了尽量减少误动作，很多厂家便调低了它的灵敏度，使它在用于报警时尽量减少误报。

于是由此又带来了另外一个问题，在作为灯光等设备的触发时反应却显得有些迟钝。

传感器灵敏度高，便容易出现误动作，灵敏度低，反应就会迟钝，这一直是一个困扰业内人士的难题。

现在，这个问题有了突破性的进展，光电计数传感器不但解决了以上问题，实现了灯光等设备的实时开启和关闭，不需要延时，更加节能，由于系统是根据房间内人的有无和人数的多少为条件设定依据的，灵敏度很高，但是不会受环境影响而产生误动作，所以可以无限扩展系统控制的设备数量和种类。

光电计数传感器也可以用于安防报警，可以设定当所有房间的人员都为零时，自动启动安防警戒系统，如果系统设防后再有人非法进入，系统则自动进行拨打电话报警或现场警号报警，并记录有几个人在什么时间出入了那些房间，同时联动摄像机进行跟踪录像，使盗贼无处可逃，最大限度地保障财产的安全。

光电计数传感器采用半隐蔽安装方式，在门的两侧各开两个小圆孔，将光电传感器嵌入安装到小孔里，不影响整体美观有很好的应用价值。

1.2技术指标

1.通过红外光阻挡进行加法计数。

2.计数范围0~99。

1.3设计功能

通过光电进行加计数，并通过两位数码管显示。

第2章电路的设计方案

2.1方案设计

方案一采用中小规模集成电路可以实现计数的功能，其电路原理框图如图2-1所示：

图2-1方案一电路原理框图

方案二采用光电耦合器及其计数器实现光电技术原理，其电路原理框图如图2-2所示：

图2-2方案二电路原理框图

2.2方案确定

由于实际过程中，去掉光电耦合器也能很好的完成指标，为了更加经济些，我们选择了图2－1的方案。

其由两个七段共阴数码管、两个十进制计数器74LS90、两个四位双稳态锁存器74LS75、两个4线7段译码器74LS48、一个LM339集成运放和红外发射及接收电路等组成。

第3章单元电路设计、参数计算和器件的选择

3.1红外对射电路的设计

红外检测电路：

由红外发射二极管LED和红外接收二极管VTD等组成。

红外对射电路的设计如图3-1所示，红外发射管和红外接收管选择的是直径为五毫米的。

其中与红外发射二极管串联的220欧姆电阻用于限流，若将红外发射二极管直接跨接于电源将被损坏；经我们实际测量红外接收二极管的反向导通电压变化范围非常大：

当没有接收到红外光信号时，其反向导通电阻为几M欧左右；当红外光照条件较好时，其反向导通电阻会下降到1K欧左右。

故，选择10K欧姆的固定电阻与之串联，在红外接收二极管受红外光照射程度发生变化时，红外接收二极管于10K电阻直接的节点电压会有一个相当明显的变化，而这也正是我们将红外接收二极管与10K电阻分压的初衷。

图3-1红外对射电路

3.2LM339电压比较器

LM339电压比较器原理图如图3-2所示。

表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。

比较器的传输特性曲线如图3-3所示。

当传输特性当ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。

输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即uO＝UZ。

当ui＞UR时，运放输出低电平，Dz正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即uo＝－UD。

因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。

图3-2LM339电压比较器原理图

图3-3比较器的传输特性曲线

发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。

为了增加红外线的控制距离，流过红外发光二极管的电流应该尽可能大，所以我们改掉了许多资料中与红外发光二极管串联的1K电阻，而换成220欧姆，在不损毁红外发光二极管的前提下，尽可能增加红外光的发射距离，从而保证电路稳定工作。

3.3计数显示电路

计数显示电路由十进制计数器74LS90实现计数，锁存器74LS75实现数据的锁存，74LS48驱动共阴数码管。

3.3.1LM339的作用及各引脚的功能

LM339为双电压比较器，LM339系列由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成。

该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。

该产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。

本品还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。

LM339系列可直接与TTL及CMOS逻辑电路接口。

无论是正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，LM339系列便与MOS逻辑电路直接接口。

LM339的引脚图如图3-4所示。

各引脚功能如下：

3脚—电源正极；

12脚—电源负极；

2、1、14、13脚—内部四组比较器（对应A组，B组，C组和D组）的输出端；

4脚和5脚，6脚和7脚，8脚和9脚，10脚和11脚为内部四组比较器的反向端和同向端。

图3-4LM339的引脚图

3.3.274LS90的作用及各引脚的功能

74LS90的引脚图如图3-5所示。

74LS90功能为十进制计数器（÷2和÷5）。

原理说明：

本电路是由4个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除的3位2进制计数器所用的附加选通所组成。

有选通的零复位和置9输入。

为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B输入同QA输出连接，输入计数脉冲可加到输入A上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。

LS90可以获得对称的十分频计数，办法是将QD输出接到A输入端，并把输入计数脉冲加到B输入端，在QA输出端处产生对称的十分频方波。

图3-574LS90的引脚图

3.3.374LS75的结构及各引脚的功能

74LS75是一TTL型四位双稳态D锁存器数字集成电路，互补输出、所有输入都加有箝位二极管、与大多数TTL完全兼容。

这种锁存器最适合作运算单元和输入/输出（或指示）单元之间二进制数据的暂时储存之用。

当使能G是高电平时，数据D输入上的信息便传送至Q输出；只要使能保持高，Q输出便随数据输入而变。

当使能变为低电平时，跳变时数据输入端的信息将保持在Q输出上，直至使能变成高电平为止。

3.3.474LS48的结构及各引脚的功能

4线－七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻）简要说明74LS48为有内部上拉电阻的BCD－七段译码器/驱动器。

74LS48的引脚图如图3-6所示。

74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。

图3-674LS48引脚图

第4章整机电路的工作原理

4.1整机电路图

整机电路图如图4-1所示：

图4-1整机电路图

4.2整机电路原理说明

整机电路图如图4-1所示。

电路接通电源后，红外线发光二极管发出稳定的红外线信号。

当红外线接收管VT接收到红外线发光二极管LED发出的红外线信号时，其自身导通，并将红外接收管与10K电阻之间的节点电压拉到一个相对于没有红外光照时更高的值，此电平送至电压比较器LM339同向输入端，比较器的参考电压由可变电阻滑动端分压获得。

送至LM339同向输入端的相对较低低电平信号使得反相输入端电位高于同相输入端的电位，LM339输出低电平；同理，送至LM339同向输入端的相对较高电平信号使得反相输入端电位低于同相输入端的电位，LM339输出高电平。

当有物体通过红外发射二极管和红外接收二极管之间时，红外线被阻挡，红外接收管接收不到红外线信号，导通电阻变大，从而分压值上升，使得其与10K电阻直接的节点电压明显下降，也就是电压比较器LM339的同向输入端的电位明显下降并低于人为通过电位器设定的基准电压值，电压比较器输出低电平。

同理，在阻挡撤销后，红外接收管可以接收到红外线信号，导通电阻瞬间变小，从而分压值下降，使得其与10K电阻直接的节点电压明显上升，也就是电压比较器LM339的同向输入端的电位明显上升并高于人为通过电位器设定的基准电压值，电压比较器输出高电平。

由此，当有物体从红外线发光二极管LED和接收管VTD之间通过时，VT就截止1次，其集电极电位也随之跳变1次，相当于输出1个计数脉冲。

如果有物体不断通过，电压比较器输出端就得到了连续的计数脉冲。

通过对两片十进制计数器74LS90的级联完全可以胜任此题目计数器部分00—99的计数工作，此部分电路较为简单，只是将两片74LS90都分别接成十进制计数模式，然后将各位计数器的溢出端接到十位计数器的计数输入端即可。

将两片74LS90的2、3脚都同时接在一起，即得到了清零信号的输入端。

两片TTL型四位双稳态D锁存器74LS75构成了对74LS90的计数信息进行锁存的锁存部分，此部分主要为了保证整机电路的稳定工作以及有一定的抗干扰能力。

两片74LS75接法较为常规，只是将74LS90的四个二进制输出端分别对应接于74LS75的输入端，而将74LS75的Q0、Q1、Q2、Q3端送到74LS48以作显示信息。

4线－七段译码器/驱动器74LS48和共阴极型LED数码管构成了计数显示电路，计数器74LS90输出的BCD码计数数据送至74LS75进行锁存处理，并送到74LS48驱动LED数码管显示计数结果，本电路可显示0~99。

电路中，按键开关K和1K电阻组成手动清零电路，常态时，两片74LS90的2、3脚为低电平，计数器正常计数工作；当按键开关被按下时，两片74LS90的2、3脚为高电平，计数器数据被清零。

第5章电路的组装调试

5.1脉冲驱动红外检测

5.1.1组装连接

在结构上，LED和VTD应并列平行安装，按照电路图以此连接，注意布局美观，最好做到无交叉线，在万能板周边先布地线。

5.1.2调试的方法：

1.使用软件仿真的方法，将自己的设计思路在proteus软件上模拟运行出来，从理论的角度验证方案是否可行，以免浪费不必要的精力、时间和元器件。

2.断电检查——硬件电路完成之后，逐个检查接点，及对照原理图检查硬件电路。

3.按照老师的指标、整个调试过程分层次进行，先调试单元电路，再调试模块电路，最后系统联调。

4.通电检查：

加入正常电压，观察各模块工作波形及工作电压有无异常。

5.单元电路调试：

利用信号源或其他实验仪器判断各单元电路的工作状态。

6.整机联调：

从最前端到末级进行统调，检查各级动态信号工作情况，分析是否满足设计要求。

5.2相关测试数据

当反复遮挡红外对射电路传感器时，电压比较器LM339的输出端波形如图5-1所示，在在proteus仿真软件上得到的电路仿真图如图5-2所示。

图5-1电压比较器LM339的输出端波形

图5-2proteus仿真图

结论

通过三周的努力，我们圆满的完成了所规定的通过红外光阻挡进行加法计数，计数范围0~99的指标，并自行加上了对计数结果手动清零的附加指标。

结果很令人满意。

经过一段时间的努力，在保证设计方案可行性的前提下，将电路焊接出来，在经过一定的调试，最终实现基本要求的全部功能，证实了方案的正确性及可行性。

本次设计中，全部采用分立元件和常用的小规模集成电路，电路的结构简单，性能可靠，成本低廉。

但是本电路的人性化设计做的不足，比如在光线特别强是会出现计数不准的现象，故在电路中加入一个稳压电路效果会更好。

收获和体会

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

致谢

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在计京鸿老师的辛勤指导下，终于游逆而解。

同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！

同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

在此，感谢计京鸿老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

参考文献

1.郭宏.电子技术应用实践指导.哈尔滨工程大学出版社，2008

2.余孟尝.数字电子技术基础简明教程.高等教育出版社，1985

3.彭铭泉.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社，2004

4.高志清.数字电路逻辑设计.大连理工出版社，2002

5.沈明山.常用电子元件手册.机械工业出版社，2001

6.郭培源.电子电路及电子器件.高等教育出版社，2004

7.杨素行.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2005

8.刘维恒.实用电子电路基础.电子工业出版社，2004

9.王武江..常用集成电路速查手册.冶金工业出版社，2004

附录元器件清单

序号

符号

名称

规格

数量

1

74LS48

BCD－七段译码器

——

2

2

74LS75

锁存器

——

2

3

74LS90

十进制计数器

——

2

4

R

电阻

10K

1

5

R

电阻

1K

1

6

R

电阻

220

1

7

R

电阻

91

2

8

DT

红外接收管

——

1

9

DR

红外发射管

——

1

10

数码管

共阴极显示器

——

2

11

LM339

集成运放

——

1

12

K

按键开关

——

1

13

RP

电位器

10K

1