红外线电子进出门计数器.docx
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红外线电子进出门计数器
##科技学院
2010届本科毕业论文〔设计〕
论文题目:
红外线电子进出门计数器的设计
学生##:
吕乐飞
所在院系:
机电学院
所学专业:
电子信息工程
导师##:
陈艳峰
完成2010年5月15
摘要
本文利用红外线发射、承受模块作计数传感器基于光电检测原理,设计了红外线电子计数器。
对于乘客的进出门计数更方便快捷。
由于该装置使用了模块化结构与加密、解码技术,解决了抗干扰问题。
故工作稳定计数准确。
可广泛用于汽车等记录进出门人数的设备。
关键词:
LED可逆计数器红外线传感器红外线发射驱动器
Abstract
Usingtheinfraredemission,acceptmoduleforcountingsensorbasedonthephotoelectricdetectionprinciple,designofinfraredelectroniccounters.Forthepassengersintooutcountmoreconvenientandquick.Becausethedeviceusingmodularstructureandencryption,decoding,solvethetechnicalproblem.Anti-interferenceSostablecountaccurately.Canbewidelyusedinautomobilesrecordintothenumberofdevices.
Keywords:
LED,Reversiblecounter,Infraredsensors,Infraredemissiondrive
1引言..........................................................................................................................1
1.1课题的来源和意义..........................................................................................11.2国内外“电子售票员〞现状..........................................................................1
1.3方案论证..........................................................................................................11.4设计制作工作步骤..........................................................................................2
2.计数器设计..............................................................................................................3
2.1总体设计要求...............................................................................................32.2乘客进出门统计..............................................................................................4
2.35KHZ红外发射驱动器..................................................................................62.45KHZ带通滤波器..........................................................................................7
2.5可逆计数器......................................................................................................92.6译码显示电路................................................................................................11
2.7读卡器电路.....................................................................................................132.8买票按钮........................................................................................................14
3设计与制作...........................................................................................................15
3.1原理图输入中的问题与解决........................................................................153.2没有封装的元件――自建封装库................................................................15
3.3单面布线中的飞线问题................................................................................163.4调试中的问题................................................................................................16
3.4.1LED缺段问题...........................................................................................163.4.2进出门计数变反问题...............................................................................17
3.4.3刷卡无动作问题......................................................................................173.4.41米外发射接收测试..................................................................................17
结论18
参考文献19
致谢...........................................................................................................................20
附录............................................................................................................................21
红外发射、计数检测、刷卡电路总原理图..............................................................21
1引言
传统的计数统计是人工的、机械的、离散的。
如果改造成电子自动计数方式那么不仅节省了人力资源,而且能联网,实现远程控制和存储。
电子自动计数还具有抗干扰能力强,误差小、可持续工作时间长、便于加密处理而且##强度高等优点。
利用电子自动计数采集大量的人流、物流信息,不仅对当前调度有用,也是长期规划的重要依据。
本文对公交的进出门人数,买票、刷卡人数的电子计数器研制与遇到的问题作一讨论。
1.1课题的来源和意义
本课题是在电子竞赛培训中的预演练习题“电子售票员〞的根底上作了更深
入探讨。
在实施过程中,涉与到红外传感器,放大器,比拟器,计数器,显示器
等多种元器件,综应用了“电路〞“模拟电子学〞“数字电子学〞“Protel99se
印制板设计〞“电子测量技术〞等知识,通过做这项电子制作,完成设计制作的全过程。
方案论证、上网查阅有关应用电路和集成电路参数,对每一局部的电路精心设计、通过Multisim8仿真选用最正确的元件配。
在这个过程中,碰到了许多以前书本上没有学的问题,在解决问题的过程中提高了认识,补充了课本知识。
电子设计课题不一定很大,只要通过亲手做遍全过程,完成一个产品制作,收获是很大的。
本课题的意义在于红外线计数技术不仅适用于人员流动检测和计数,还可以应用于生产线料瓶的计数,应用面广。
通过增加接口可以联网做数据采集。
本设计经过实践考验后,可以实现模块化,小型化,或做成专用电路。
。
1.2国内外“电子售票员〞现状
目前国内公交推广IC卡后大大减轻了售票员的劳动强度,但没有全部做到无人售票,这是人力资源的很大浪费。
经过我们实地观测,乘客漏刷卡,故意不刷卡大有人在,就是有了售票员也照顾不到监视前后两个刷卡器。
无人售票情况,司机监视投币、刷卡也有走眼的,所以国内需求电子售票员是必然的。
国外乘车人不太拥挤,上车比拟有秩序,更适合推广电子售票员。
1.3方案论证
方案一:
用单片机系。
8051单片机可以软件实现相位比拟、+1,-1计数器、译码器功能。
但是模拟局部的运算放大器,比拟器,大电流的显示驱动器和显示器还是要外接,而8051单片机的许多其它功能没有发挥。
结论:
用单片机系对简化电路作用不明显。
方案二:
用FPGA。
情况与单片机系相似,只能集成数字局部。
本钱比单片机更高,没有实用价值。
方案三:
用现成的计数-译码-显示模组,现成的红外接收-放大头。
需要做的仅相位比拟这局部。
这种方案是可行的,但是对学习电子制作来说,练习的机会少。
方案四:
用通用中小规模集成电路来实现。
在设计好电路后先用Multisim8仿真,选择最好的元器件组,再用Protel99se设计PCB,再安装调试。
这种方法虽然比拟麻烦,实践机会多,有利于提高动手能力。
决定用方案四。
1.4设计制作工作步骤
1.4.1.根据电路的功能要求设计总体结构框图
1.4.2.总体结构框图把系分为红外高频调制发射、红外接收、高增益选频放大器,由比拟器构成的检波器,进出门识别相位比拟器,可逆计数器,译码器,显示器,控制界面(按键和开关)九局部组成。
1.4.3.参考有关线路图,设计每一局部的电路草图SCH文件。
查阅各种芯片的资料,选用适宜的外围芯片。
通过Multisimm8仿真,纠正设计中不合理的元件参数,选用最正确的元件配。
1.4.4.用Protel99SE设计总体电路图,经过设计规那么检查,纠正错误的连线或遗漏的连线。
最后产生元件表。
准备全部元件。
调用封装库里的各类元件,核对元件的封装是否匹配。
对库里没有的封装自行设计元件封装。
建立自己的PCBLIB。
1.4.5.从总体电路图产生网表,检查NET网表文件,纠正错误,建立布线布局区供放置元件,调用网表,如果出错就必需检查修正到完全无错误,建立设计规那么,根据地线,电源线,输入输出线等设计布线宽度和间距。
仔细布局,把相关元件靠近在一起,电脑自动布线,检查布线出PCB电路板文件交付厂家进展制。
1.4.6.购置、检测、安装元器件。
为了便于试验,集成电路,LED数码管都使用管座。
焊接完成后检查每一个焊点,不能有虚焊,短路等现象。
1.4.7.加电调试。
第一、调试初期要检查电源电流是否异常,芯片有无发热。
第二、每个单元电路单独用信号发生器和示波器检测功能是否正常。
调节频率达要求。
第三、整体配合调节。
第四、环境试验。
对温度,外光照等因数影响整体机性能作出评估。
上述每一环节都有反复,遇到困难,克制困难,又有新的问题,解决问题,就这样波浪式前进。
步骤如图1示:
图1
2.计数器设计
2.1总体设计要求:
总体功能要求:
计:
上车人数,刷卡人数、投币买票人数,用四个七段LED
数码字显示进门人数0~99。
刷卡-投币/买票人数0~99。
有总清零功能。
原理框图如图2:
图2原理框图
2.2乘客进出门统计
红外发射为中心频率5.0kHz的交流脉冲光,防止自然光和交流电的干扰。
接收器含有:
光电检测和前置放大器带通滤波器,相位检测器。
输出数字电平可直接驱动可逆计数器40192集成电路。
为了防止对细小物品如女孩的辨子、扁担、包带等物品进入错误计数,设计两个或多个发射头错开一定距离水平排列,红外接收头只要被一个头照射就动作。
从图3可以看。
这样但凡只有半影没有全影的情况就不被计数。
只有人进出时才会被计。
如何区分进门、出门呢?
图4是一个相位检测器。
有光照时输出为低,有人进入,没有光照时输出为高。
传感器S1,S2输出波形为VS1,VS2,因为放置时的错位,进门时,靠门的S1先被挡住光,波形为①,出门时,S2先被挡住光,波形为②。
图3红外发射图4相位检测器
把VS、VS分别送到两个D触发器的CD端和CLK端,复位端CD是低电平有效。
信号①对触发器2分析如下:
1:
有光照时VS1、VS2都是低电平,触发器2处于复位状态,输出都是低电平。
2:
VS1=1,先退出复位状态,这时输出还是低,3:
时钟VS2=1,触发器动作,由于数据端D接高,输出高,这种状态延续下去,4:
复位信VS1=0,输出低。
5。
时钟VS2由1变0,对触发器不起作用输出不变。
因为触发器只对时钟的上升沿,从低变高有反响,对下降沿,从高变低没有反响。
同时因为复位信号为低输出不会变。
波形见③。
信号①对触发器1分析如下:
1:
有光照时VS1、VS2都是低电平,触发器1处于复位状态,输出都是低电平。
2:
时钟VS1=1,因为是复位状态,时钟不起作用,输出还是低,3:
复位信号VS2=1,由于没有时钟VS的上升沿,原来输出低的状态延续下去,4:
时钟信号VS1=0,对触发器不起作用输出不变还是低。
5:
复位信号VS2=0,输出低。
波形见⑤
同理可以推出,信号②作用下,触发器1输出⑤,触发器2输出④。
对相位比拟器的仿真利用multisim8.0做的,输入时,只用一个脉冲信号产生器,输出VS1,另加一个延迟电路做VS2,这就模拟进门状态。
反过来,信号产生器输出VS2,延迟产生出VS1,模拟出门状态。
模拟电原理图和虚拟仪器接法见图5,,模拟结果见图6图7。
图5相位比拟器的仿真电路图
图6进门波形
波形分析:
由图6知,此时VS2超前VS1,为进门状态,U2AD触发器工作,在VS1低电平时,复位起作用,U2A输出ˉQ1高电平,在VS1高电平时期间,VS2从01时,U2AD触发器翻转,Q1输出低电平,ˉQ1输出高电平,以供加1计数。
U2BD触发器直保持复位,Q2输出低电平,ˉQ2输出高电平。
反之,出门状态,此时VS1超前VS2。
ˉQ2输出低脉冲,供减1计数。
ˉQ1直输出高电平
图7出门波形
2.35KHZ红外发射驱动器
在CMOS多谐振荡器、晶体管RC振荡器和NE555多谐振荡器三者中,NE555有结构简单,驱动电流大,频率稳定等优点。
决定选用NE555。
NE555电路介绍:
它是一个能产生准确定时脉冲的高稳度控制器,其输出驱动电流可达200mA。
在多谐振荡器工作方式时,其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定;在单稳态工作方式时,其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定,可延时数微秒数小时。
工作电压X围:
4.5V 3-6mA, 图8NE555引线排列 NE555各管脚作用 脚号 脚名 功能 脚号 脚名 功能 1 GND 地 5 CINTROLOLTAGE 控制电压 2 TRIGGER 触发 6 THERSHOLD 阀值 3 OUTPUT 输出 7 DISCGARGE 放电端 4 RESER 复位 8 VCC 电源 NE555接成无稳态多谐振荡器,里面的比拟器以电源电压的1/3,2/3控制输出翻转,定时准确。 C79放电2,6脚=1/3Vcc时,7脚为高〔OPEN〕3脚输出高电平,Vcc通过R73+W71对C79充电。 经过0.693(R73+W71)C79时间,脚升到2/3Vcc,这时,发生翻转,3脚输出低电平,7脚对地导通,C79经过W1放电,经过0.693 W71 C79时间直到2,6脚=1/3Vcc为止周而复始。 调整W1使频率刚好为39kHZ。 NE555的3脚驱动能力很强,取R72=330Ω,低电平峰值电流达20mA。 输出5KHZ的参数设计: 根据公式T=0.693(R73+W71)C79+0.693 W71 C79=25.6μs,C79=1000PF,R73=10kΩ,算得W71=17kΩ,在可调X围内。 红外发射是看不到的,检测方法是: 用红外光电管接一个10K电阻接到9V电池,用数字表电压档测电阻端电压。 无光照时只有0.3V,把555振荡输出的发射管对准光电管,电压变化幅度升到5-6V。 说明发射很强。 2.45KHZ带通滤波器 做一个放大为25倍,Q值小于10的带通滤波器。 晶体管偏置电路复杂,稳定性差。 决定采用集成电路。 LM324比拟廉价,但是单位增益带宽积只有1MHZ〔18V〕在5V时只有300K,决定用同样引脚而频率较高的TL084. 图9LN324和TL084的管脚图 根据“模拟电子技术〞和图例6-7,设计如下〔图10〕 图10带通滤波器 用Multisim8仿真 图11仿真线路图 图12仿真波形图 2.5可逆计数器 40192,74HC192,74LS192是可预置的BCD加减法十进制同步计数器,可以作+1,—1,预置等操作,特别适合应用于设计。 40192管脚排列 图1340192管脚排列 图14应用40192的设计电路 工作过程分析: 40192,74HC192,74LS192是可预置的BCD加减法同步计数器。 内部由4个时钟同步操作的D触发器和控制门组成。 4个触发器状态的变化是同步进展的,4个输出端状态跳变没有时间差异,而异步计数器是上一级翻转推动下一级,延迟逐级累加。 Q10要比Q0晚10个延迟。 应用于译码器会有毛刺。 同步计数器不会有此问题。 4位二进制计数器的状态是0000,0001….1111,0000共16个状态,而BCD计数器的状态是0000,0001……0111,1000,1001,0000共10个状态。 内部的控制门有两大作用,1进位链控制,1001后下面就进位,变成0000。 2同步时钟,把某触发器该不该翻转的条件在时钟来之前准备好,时钟一来同时翻转。 例如现在状态是1001,打开第0、第3个触发器,当外时钟一来就一起由1变0。 而第1、第2个触发器的时钟关闭,外时钟来时不动作。 这种进位条件也提前送到下一个192做到多级同步。 当预置位PL为低时,与时钟同步把D0~D1数据送到Q0~Q3。 我们不用可预置功能,PL接高。 做成加减功能的可逆计数时要用两个时钟,CU和CD(下降沿有效),其相互关系是其中一个由高变低时,另一个必须为高,平时两个时钟输入都应该是1。 正好和波形③④⑤相反,我们用D触发器的反相输出端Q非接192。 两级计数器级联的方法是前一级的TCU/TCD分别接下一级的CU/CD。 当清零信CR为高的时候,所有的计数器状态都回到零。 CU加法计数时钟,输出从0直加99,超过99回到0,CD减法计数时钟,输出退回一个数。 如果原来加50,CD来一次,输出为50-1=49。 利用Multisim8.0对上图带显示仿真,结果如图15 图15仿真线路图 2.6译码显示电路 常用的译码显示驱动电路有74LS47,〔247〕和4511两种,前者适合共阳极数码管,后者适合共阴极数码管。 从显示6,9的字型来说74LS247比拟好看。 多位数字显示可以用动态扫描方式,本设计只用2位,静态显示比拟简单。 4511比拟廉价。 所以选用4511。 4511的输入为A0~A3,输出为Ya,Yb,Yc,Yd,Ye,Yf,Yg分别接七段数码管的相应端,中间的限流电阻是必不可少的。 每段电流5~10mA,每个字约40mA为宜。 4511的输出高电平为电源电压减0.9V,数码管负载电压为1.6~2V.限流电阻R=(Vcc-0.9-2)/5mA=420Ω。 电阻取390Ω。 4511有一个测试端LT和一个消隐端BI,也就是全亮全熄控制端,前者为低,显示8,后者为低,不显示。 本设计不用这两个输入端,统统接高。 芯片有一个选通端LE,用以锁存输入的数据,如果LE由0变1,输入A0~A3的新数据不能进入译码器,输出不变。 本设计不用选通,LE接0。 74LS4511介绍: 74LS4511是具有CMOS结构和NPN双极型晶体管输出的BCD码到7段锁存/译码/驱动器.它的输出驱动电流为25mA,可直接驱动发光二极管和其它显示器件.采用灯测输入端LT,消隐输入端Ib和选通输入端S,来测试显示器件: 关闭或亮度调节与存储或选通一个BCD码.除此之外,利用外加多路选择器对一些不同的独立信号,可进展多路操作和显示。 其电路结构和性能与美国MOTOROLA公司MCI45llB相一致.主要用于驱动共阴极发光二极管。 2.7读卡器电路: L81和C81串C82构成LC谐振回路,频率为Fosc=1/2π√ ̄L ̄C 。 约为11MHZ。 由于R83的存在,回路Q值不高。 C81、C82分压正反响,形成电容三点式振荡器。 当IC卡内的10.56MHZ谐振回路接近L81时,由于振荡牵引作用,振荡频率由11MHZ降低向10.56MHZ靠近。 频率→10.9→10.8→10.7→10.6→10.56。 Z81为调频机的陶瓷滤波〔带宽280KHZ〕〔S2A10带宽230KHZ也可用,效果不如A5〕器,谐振频率10.7MHZ。 型号LT10.7MA5A10当无IC卡时,Z81输入100~200mV,输出10~20mV有无IC卡时,Z81输入不变频率降低,输出50~100mV甚至更高。 用金属片接近L81时,线圈电感降低,振荡频率升高。 振荡频率更低。 VT82放大约5倍,C85,D81,D82构成倍压检波,在C86
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