光电计数器数电.docx

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光电计数器数电

（理工科类）

Ⅰ、课程设计（报告）题目：

对生产线产品计数的光电计数器设计

Ⅱ、课程设计（论文）工作内容

一、课程设计目的

1、通过电子技术基础（模电、数电）课程的学习，使学生在掌握基本理论知识的基础上，学会常见电子集成器件的使用。

2、通过设计一个模数结合的小型电子电路系统，使学生了解电子电路设计的方法、步骤；学会元器件的选用；学会用软件仿真验证设计方案的正确性；培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力。

3、通过搭建调试电路，进一步熟悉相关仪器设备的使用。

4、通过绘制电路图，熟悉Protel的使用，扩充专业知识技能。

5、规范化训练学生撰写技术研究报告，提高书面表达能力。

二、课程设计任务与要求

1、基本部分：

1）由光耦实现产品监测；

2）由计数器对脉冲信号计数，计数结果经LED显示；

3）计数范围0~99，电路具备手动清零功能。

4）根据要求设计电路，画出原理图，用EWB仿真，验证设计方案；

5）学习使用Protel，画出系统的PCB图。

2、发挥部分：

1）计数结果要求实现十位数的动态“零消隐”，即：

当计数结果不超过10时，十位数的那个数码管无显示；

2）报告第三部分给出其他设计方案，画出仿真实现的电路图，并与参考方案对比分析。

三、课程设计考核

平时20%；验收40%；报告40%

摘要

21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。

传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信

息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。

　　光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。

它的理论基础是光电效应。

这类效应大致可分为三类。

第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。

利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。

第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。

这类器件包括各类半导体光敏电阻。

第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。

这类器件包括光电池、光电晶体管等。

光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。

敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。

数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。

数字式电子计数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的。

有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器。

采用光电传感器制作的光电式电子计数器。

这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。

【关键词】光电效应光电传感器光电计数器

ABSTRACT

The21stcenturyistheageofinformation,itistheaccesstoinformation,treatmentinformation,useoftheinformationage.Sensinganddetectiontechnologyisimportantbecauseitistheaccesstoinformationandtheinformationnecessarytodealwiththeunderlyingtechnology,isaccesstoinformationandmeansofprocessinginformation,unabletogetinformationyouwon'tbeabletouseinformation.

Photoelectricsensorisalightsignalintoanelectricsignalofthesensor.Itisthetheoreticalbasisofthephotoelectriceffect.Theseeffectscanbebroadlydividedintothreecategories.Thefirsttypeisoutsideofthephotoelectriceffect,namely,indaylight,canmakethetungstensurface.Usethiseffectcausedbydevicewithvacuumphotocell,photomultipliertubes,etc.Thesecondcategoryisthephotoelectriceffect,i.e.,inthelight,canmaketheelectricalresistivityofthematerialchange.Suchdevicesincludevarioustypesofphotosensitivesemiconductor.Thethirdcategoryisphotovoltaiceffect,inthelight,theobjectswithintheEMFEMF,thisiscalledlight-inducedelectromotiveforce.Thisclassofdevices,includingphotovoltaiccells,photo-transistor,etc.Photoelectriceffectisusingoptoelectroniccomponentsaffectedbythelighting,theelectriccharacteristicschange.Sensitiveopticalwavelengthisvisibleinthevicinity,includinginfraredwavelengthandUVwavelengths.Digitalelectroniccountershaveintuitiveandcountsaccuratebenefits,hasbeeninwidespreaduseinvariousindustries.Thereareavarietyofdigitalelectroniccountercountermode,itistriggeredbytheactualuseconditionsandtheenvironment.Usingmechanicalmeansofcontactingfires,usingelectronicsensorsfornon-contacttypephotoelectricsensortriggered,isoneofthem,itisanon-contactelectronicsensors.Adoptsphotoelectricsensorproductionofopto-electroniccounters.Thiscounteristhefactory'sproductionlinesforproducts,withothercountersirreplaceablethemerit.

【Keywords】photoelectriceffectphotoelectricsensorphotoelectriccounter

2、课程设计（报告）任务书2

3、摘要（中文）3

4、摘要（英文）4

7.3电路整体原理10

8、其它设计方案与比较14

9、结果16

第一章系统设计

第一节设计任务及总体方案

该计数器系统总体设计方案较为简单，用光电感应器实现对生产线产品的数量的采集，将信号传送到防干扰的迟滞比较器，共经过两级比较器，传输信号脉冲，通过74ls162计数器进行计数，计数范围是0～99，通过4511七段译码器进行译码，输出信号给LED数码管进行显示。

其中，个位计数器的进位标志位接到十位计数器的计数控制端CET和CEP控制十位计数器工作计数，因为74ls162是十进制计数器，计数的结果是BCD码0000～1001，经过译码器数码管后显示的十进制00～99。

，本设计还实现了十位数的动态“零消隐”，（当计数结果不超过10时，十位数的数码管无显示，原理就是将十位计数器的输出端通过4072进行相或，从而只有当数码管个位显示时十位数码管BL端低有效，即十位数码管熄灭）。

本设计还实现清零时，是两位数码管都显示0，因为这样可以让工作人员方便确定计数系统工作正常，原理就是利用7404的非门功能，输入端接复位端，输出与十位七段译码器的灭灯输入端BL端相接，每当复位时，BL就会输入高电平，从而使两个数码管都会清零。

实际情况下，生产线上产品每经过光电传感器，信号在通过两级比较器后，就会有一个上升沿信号作为时钟信号，控制计数器工作，同时计数开始，可以连续实现对100个产品进行计数，如需重新开始，只要按下清零按键就能重新计数

第二节光电计数器系统简介

一、计数器系统的基本特点

本系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。

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。

随着生产技术的不断改善和提高，在现代化生产的许多场合都可以看到计数器的使用。

本计数器具有低廉的造价以及控制简单等特点。

该系统还具有以下特点：

①、该系统具有清零功能，工作人员可以通过复位开关使两个数码管都显示零，这样可以方便进行人工操作以及确认计数器是否正常工作；原理就是利用7404的非门功能，输入端接复位端，输出与十位七段译码器的灭灯输入端BL端相接，每当复位时，BL就会输入高电平，从而是两个数码管都会清零。

、该系统还具有十位的“零消隐”功能，原理就是将十位计数器的输出端通过4072进行相或，从而只有当数码管个位显示时十位数码管BL端低有效，即十位数码管熄灭。

、该系统还采用了抗干扰较强的迟滞比较器，这样大大加强了其在实际生或中的应用能力，可以得到有效地推广。

、该例光电触发式计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位

二、计数器系统的组成

1、74LS162

图1.174LS162引脚图

1、个位计数器

时钟脉冲给的是比较器的输出信号，计数器自上电起一直处于计数状态，每当有产品经过光电对管之间时，计数器的CP端就接收到上升沿信号，开始计数。

进位输出端接到十位计数器的技术控制端CEP和CEP，四个输出引脚的信号作为七段译码器的输入信号。

2、十位计数器

时钟脉冲给的是比较器的输出信号，计数器的CP端就接收到上升沿信号时，还不能进行计数，只有当个位的计数溢出时，CEP和CEP端才高有效，进行计数。

为实现任务书中十位数的动态“零消隐”，四个输出引脚的信号必须经过或门作为七段译码器的输入信号。

74LS162引脚功能表：

PEParallelEnable（ActiveLOW）Input并行启用（低电平）输入

P0–P3ParallelInputs并行输入

CEPCountEnableParallelInput计数启用并行输入

CETCountEnableTrickleInput计数启用涓流输入

CPClOCk（ActiveHIGHGoingEdge）Input时钟输入

MRMasterReset（ActiveLOW）Input主复位（低电平）输入

SRSynchronousReset（ActiveLOW）Input同步复位（低电平）输入

Q0–Q3ParallelOutputs（Noteb）并行输出（注b）

TCTerminalCountOutput（Noteb）终端计数输出（注b）

2、CD4511

图2.1CD4511管脚图

其电路原理如下：

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器的特点：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示其中abcd为BCD码输入，a为最低位。

LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。

BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。

另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。

LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。

a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。

另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。

所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。

限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V使用510Ω的限流电阻。

3、LM393

图3.1LM393管脚图

LM393参数如表3.1所示：

表3.1引脚功能表：

引出端序号

功能

符号

引出端序

功能

符号

1

输出端1

OUT1

5

正向输入端2

1N+

（2）

2

反向输入端1

1N-

（1）

6

反向输入端2

1N-

（2）

3

正向输入端1

1N+

（1）

7

输出端2

OUT2

4

地

GND

8

电源

VCC

4、数码管　　

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，数码管是共阴极数码管，译码器的输出端接到数码管的输入端，输出端与地之间接电阻510欧姆限流保护数码管，否则数码管容易烧坏。

本设计提供的为LED数码管（共阴极）。

其引脚图如图2所示。

5、CD4072B

设计中要实现“零消隐”，就要用到CD4072B四输入或门，将计数器74LS162的输出端Qa,Qb,Qc,Qd分别接入4072中，输出端接入译码器4511的BI端，就可实现“零消隐”,见图5.1

图5.1CD4072B引脚图

三、电路整体原理

系统采用光电感应器实现对产品的数量的采集（由红外发射管发出红外信号，红外接收管收到红外信号使接地支路导通。

当红外信号被阻挡时，接地支路阻断，由于电压变化，电路向cp端输出一个脉冲），将信号传送到防干扰的迟滞比较器，共经过两级比较器，传输信号脉冲，通过74ls162计数器进行计数，计数范围是00～99，配合4511七段译码器进行译码，输出信号给LED数码管进行显示。

其中，个位计数器的进位标志位接到十位计数器的计数控制端CET和CEP控制十位计数器工作计数，因为74ls162是十进制计数器，计数的结果是BCD码0000～1001，经过译码器数码管后显示的十进制00～99。

实际情况下，生产线上产品每经过光电传感器，信号在通过两级比较器后，就会有一个上升沿信号作为时钟信号，控制计数器工作，同时计数开始，可以连续实现对100个产品进行计数，如需重新开始，只要按下清零按键就能重新计数

EWB图

protel原理电路图

效果图

1、计数、译码部分

计数和译码由两个个计数器、两个译码器和两个数码管来完成，用于接收计数脉冲信号并将其转化成单独的信号输出并显示。

在本系统中选用了74LS162加减计数器、CD4511译码器和共阴极LED数码显示管。

74LS162是十进制同步计数器，TC是进位输出端，当计数溢出时输出一高电平脉冲，CEP和CET为计数控制端，只有都接入高电平是计数器才能计数，Q0～Q3为输出端，CP为时钟输入端，上升沿有效，SR端为低电平有效的异步清除输入端，PE为低电平有效的同步并行置入控制端。

七段译码器74HC4511是四输入七输出的译码器，当输入8421BCD码时，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。

当输入为1010～1111六个状态时，输出全为低电平，显示无显示。

LT是灯测试端，BL是灭灯输入端，LE是锁存使能输入端。

四、Protel99的学习及应用

Protel99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。

Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。

所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

Protel99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel98大体相同，新增加了一些功能模块。

Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。

Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么”帮助。

按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。

现在可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

1、元器件赋值

连好所有的线以后,要对元器件进行赋值鼠标右键单击所需赋值的元器件的图标，可以选定该元器件，使图标红亮，再单击鼠标左键出现对元器件属性的设置。

2、实物焊接

当在Proteus集成环境调试成功时，接下来，利用实物进行焊接，按上述的实验原理在电路板上摆放好每个元件的位置，把每个元件焊接起来。

焊接完成后，在实物板的电源正极和负极接入稳压器中，调节好合适的电压，观察7段数码显示器的计数情况，如果不能正确计数，要对实物电路进行调试，直到能够正确计数为止，则该课程设计是成功的。

五、调试过程中的问题

在电路的检验过程中发现了有管脚虚焊了，相当于是高电平。

解决方法：

对该管脚重新焊接。

调试是至关重要的步骤，能够一次性焊接成功理想情况极少出现。

尤其是像我们焊接水平不专业的，所以我们出错的概率是相当的大的，因此调试就显得至关重要了。

在第一次通电前，应该用万用表检查正负极是否短路。

若存在短路，就按照原件的功能一个单元一个单元的排查故障，然后再检查没个焊接点的正面和反面是否导通，以及两个焊接点之间有连线的是否导通，要一根根的仔细排查故障，这些都是在第一次上通电前完成的，检查完成后，通电前一定要再次确认正负极没有短路，检查完毕后在接上5V电源。

通电后观察现象，通常情况下还存在一些问题，主要是分模块进行检查

六、查找故障的方法

1、检查用于测量的一起是否使用得当。

2、检查安装的线路与原理是否一致，包括连线、元件的参数、集成电路的安装位置是否正确等。

3、测量元器件接线端的电源电压。

使用接插板做实验出现故障时，应检查是否因接线端不良而导致元器件本身没有正常工作。

4、断开故障模块输出端所接的负载，可以判断故障来自模块本身还是负载。

5、检查元器件使用是否得当或已经损坏。

在实验、实习中大量使用的是中规模集成电路，由于它的接线端比较多，使用时会将接线端接错，从而造成故障。

在电路中，由于安装前经过调试，元器件损坏的可能性很小。

如果怀疑某个元器件损坏，必须对它进行单独调试，并对已损坏的元器件进行更换。

第三节其它设计方案与比较

一、用555定时器实现计数器功能

由电路原理图可知：

当电源电压为+5V时，电阻R1和R17分压。

通过芯片NE555时转换成时钟脉冲信号，我们可以通过改变滑动变阻器R17的电阻，从而改变时钟脉冲信号的振荡频率。

时钟脉冲信号输入到CD4511的使能端EN，这时我们用时钟下降沿触发，而CP为低电平接地，我们可以改变开关S的闭合状态来达到对电容C充放电的控制，从而控制CD4511的复位端R的电平，当时钟脉冲信号为高电平且复位端R保持为低电平（0）时，芯片CD4511开始计数。

CD4511的输出端接CD4511的输入，这里我们两个CD4511的级联来实现两位计数器的计数功能。

通过CD4511的译码驱动使数码管显示各个数字。

通过对电路图的原理分析可知。

从理论上可以实现对两位自动计数器的设计要求。

方案中所用的触发器是555定时器所构成的施密特触发器。

施密特触发器是数字系统中常见的电路之一，它可以把变化缓慢的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。

与原方案相比，本方案中不涉及电位器的调试，即无需太多考虑反馈电压等参数。

施密特电路的特点在于这两个稳定状态的转换需要外加触发器信号，而且稳定状态的维持也要依赖于外加触发信号，因此它的触发方式是电平触发。

第二章结果与讨论

一、实际工作状态图：

结束语

本次课程设计过程，历时一个半星期。

我们最终在各个方面实现了对各个部分的设计，在设计过程中，我们遇到了很多的问题，但最终在我们小组的共同努力以及老师和同学的帮助下，把问题都解决了。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

1、在设计过程中，我们分工合作，我个人主要负责Protel仿真软件的应用，通过阅读相关书籍，也在同学的帮助下，初步知道了该软件的应用方法

2、我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

3、同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。

实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。

团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。

而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

4、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

参考文献

[1]黄正谨综合电子设计与实践.东南大学出版社2002

[2]康华光电子技术基础（数字与模拟）高等教育出版社

[3]夏路易,石宗义电路原理图与电路设计教程Protel99SE.北京希望电子出版社．2002

[4]王毓银数字电路逻辑设计.高等教育出版社2004

[5]德州仪器中国官方网站.http：

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1、元件清单

电阻150k

1个

CD4511

2片

74LS162

2片

Led共阴显示数码管

2个

电阻10k

2个

电阻100k

3个

电阻0.51k

14个

开关

1个

电容

2个

碴槽

1个

导线

若干

电源5v

1个

LM393N

1个

CD4072

1个

锡丝

1米

底座

16脚4个、14脚1