《安全检测技术》课程设计任务书

产品计数器的电路设计

               班    级        0232111          

               姓    名                         

               学    号       023211128         

           专    业      安全监测技术       

           指导教师      黄战峰、马斌       

环境与市政工程系

2012年6月14日

摘要

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。

本设计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、报警电路四个模块，分别实现对通过光电门的物体感应，计数，显示，并按要求完成报警功能。计数范围为一百，可以预设计数数目，当计数达到设定后，停止计数并报警，可手动清除报警；还可以计数达一百时，闪灯报警两秒。

关键词：计数器  光电传感器  数码显示  报警

前言

工业生产中常常需要自动统计产品的数量，计数器在这里有其用武之地。而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，通常分为接触式计数器和非接触式计数器两种。本设计的光电计数器为非接触式计数器中的一种。

光电计数器采用光电传感器利用光学原理实现对物件的数目统计。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。市场上的光电计数器采用的光电传感器有摄像头、光电管等，采用的光的种类有普通光和激光，可见光和不可见光等。本文采用的传感器为红外光电传感器。

第一章 设计内容及要求

利用发光二极管和光敏三极管作为光电计数器的传感器进行计数，用数码管显示计数值，当数码管显示值与设定值相同时报警，此外计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作。发光器件和光接收器之间的距离大于lM；有抗干扰技术，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差；每计数100，用灯闪烁2S指示一下。

第二章 设计方案

为实现以上要求，本设计方案采用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，使计数器停止工作，并且触发定数报警器工作，发出报警。

另此设计还有脉冲电路为红外发光二极管供电，使其发射红外脉冲，从而可以提高瞬时功率而使平均功率满足正常工作要求，从而可以加大光电门的宽度，以通过较大的物体。同时再增加一组BCD码，使计数范围加大，实现一百以内的计数。又为了间接扩大计数范围，增加了计数满一百，闪灯两秒的提示。

在此方案基础上，脉冲发射电路中采用的振荡器采用555构成的多谐荡器，其结构简单，便于调试。计数器本设计采用两块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74LS85实现两组BCD码的比较，报警方式采用蜂鸣器报警。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。

第三章 系统组成

3.1 系统框图

本设计采系统结构如下图1所示：

图1 系统框图

由图1可见，系统可分为信号采集、计数、显示、定数报警、满百报警四个功能块。

3.2 单元电路设计

3.2.1 信号采集电路设计

该电路主要由脉冲（方波）发生电路，光电转换电路，信号滤波比较电路组成。

脉冲发生电路为555构成的多谐振荡器，振荡频率大约为30KHz，555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级，它提供两个基准电压，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

在本设计中，要求发光器件和光接收器之间的距离大于lM，这就需要增大发光器件的瞬时发射功率但又保证平均功率在正常工作范围内，这样只有缩短每次发光器件的工作时间，反映到脉冲发生电路即是减小脉冲的占空比。但上述电路的占空比始终大于50%，且调节影响频率。改进型的555多谐振荡器可以方便的调节制定占空比，电路如下图2所示：

图2

电路中增加了两个导引二极管，使充放电的电流流过指定的电阻，只要分别调节和的比例就可以方便的调节输出波形的占空比。上电路中，震荡周期T和占空比η分别为：

…………式3.1

……………………式3.2

本设计中输出波形的频率大约为30KHz，占空比大约是20%。所以……式3.3

……………………式3.4

按常规，电阻和电容选取不宜过大或过小，中和调节，选取电容0.022μF，电阻=390Ω，电阻选用2KΩ的电位器，调节至大约1.8KΩ。

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，如下图3所示：

图3 光电转换电路

从555多谐振荡器输出的信号控制小功率三极管的导通与截止，从而控制发光二极管发光与否。接收电路由光敏三极管上接电源并加一下拉电阻实现。发光二极管的正常工作压降大约是1.2V，电流大约是20mA，从而可以估算出限流电阻大约是150Ω，但是由于由脉冲信号控制，工作时间大约占20%，因此瞬时功率可以提高5倍，即限流电阻减小80%，大约是30Ω。光敏三极管在无光照射下，电阻可达输兆欧姆，有足够的关照时，电阻降到几千欧姆，因此其分压电阻可以取几十到几百千欧，具体需根据实际情况调整，这里采用了典型值33KΩ。图3中节点3输出含有直流分量的信号，其交流部分大致同步于前面脉冲输出信号。

光电转换电路输出信号在有、无物件遮挡住光线时，都输出含有直流交流分量的信号。因此通过滤波电路，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。电路如下图4所示：

图4 滤波比较电路

电路中，和构成滤波电路，为了减小纹波，一般电阻、电容取得较大。但电容和电阻取得过大又会使的在两种输入信号切换时，电路反应迟钝，这里选用了一般值。比较电路采用LM258构成，3脚输入参考电压，即是阈值电压，2脚输入待处理信号。阈值的选取需根据实际情况设定，是电路能够准确的区分两种不同的输入信号电压，因此采用一电位器从电源分压获得，其中电容为纹波滤除电容。

综合上述三个单元电路，信号采集电路可以实现“发光器件和光接收器之间的距离大于lM；抗干扰，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差”要求，电路情况为当有物体通过时，遮挡住红外光线，电路输出高电平，平时输出低电平。

3.2.2 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，在此选用74LS190为此电路的计数器。

74LS190为可预置十进制同步加减计数器，其功能表如下表1、表2。其预置是异步的，当置入控制端为低电平时，不管时钟端CP状态如何，输出端即预置成与数据输入端相一致的状态。其计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。当计数控制端为低电平时，在CP上升沿作用下同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制为低电平时进行加计数；当为高电平时进行减计数。只有在CP为高电平时和才可以跳变。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；行波时钟输出端输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。；利用端可级联成N位同步计数器。当采用并行时钟控制时，则将接到后一级；当采用并行控制时，则将接到后一级CP。

表二

本设计要求设计两位十进制计数器，根据其具备的功能，可得电路，如下图5，其中和分别为低位和高位的BCD码输出，CLK输入端为信号采集电路的输出信号，RESET输入端为复位电路的复位信号，HOLD为定数报警电路的锁定信号。正常计数时，RESET为高电平，HOLD为低电平。当计数满一百时，输出端FLASH输出一个下降沿，用以触发满百报警电路。

图5 两位十进制计数电路

图6 上电复位电路

复位电路如图6，是一个典型的上电低电平复位电路。刚通电时，电容充电，RESET的电压接近于0V，随着电容不断充电，RESET的电压逐渐上升，当达到74LS190的高电平定义电压时，复位结束。延时时间为：

…………式3.5

   据计算、查找资料，选取如图 的参数，可实现大概0.02s的复位时间。当电路正常工作后，按下开关SW，可实现手动复位。加入复位电路是为了防止在上电瞬间使计数器误触发而计数错误。

3.2.3 数码显示电路

该电路是实现将计数电路的计数值以数字方式显现出来。计数电路输出两组BCD码，为了使电路简单，应选用BCD码——七段数码管译码驱动器。在此选用了常用的74LS48共阴数码管驱动器，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，可用于驱动共阴数码管。其功能表如表三所示：

据功能表，将接高电平，接计数电路的，此电路只要根据功能表将相应端口连接起来即可完成功能，如下图7所示： 

图7  数码显示电路

电路中、分别接计数电路中的相应标号的管脚。电阻起限流作用，由于数码管相当于并联LED，故选取200Ω的电阻即可。

3.2.4 定数报警电路

定数报警电路是实现当数码管显示值与设定值相同时报警同时计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作等功能而设计的。为是电路简单，未使用拨码盘用以设定数值，而采用开关组加下拉电阻代替，采用两个四位二进制比较器进行两种数值的比较。开关的闭合用以表示二进制数中的0、1，八个开关可以表示两组BCD码可以达到要求。电路如下图8总线左边部分。图中SW1为开关组，含有八个开关，RP为排电阻，含有八个共端电阻，1脚为公共端。排电阻作为下拉电阻，当开关关的时候，相应输出为低电平，表示“0”，当开关位于开的状态时，相应输出端为高电平表示“1”。

比较器采用四位二进制比较器74LS85，既可以用于二进制数码的比较，也可以用于BCD码的比较。其外引线排列如图8 。

对两个4位二进制数的比较结果，由三个输出端、、输出。该芯片还具有级联以具有比较较长的字，此时低位级的、、连接到高位级的相应输入端、、，并使低位级的为高电平，其功能表如下表四。但在本设计中，比较两组BCD码，只取相等的情况，因此没有采用较复杂的级联电路，两组BCD码各自比较，取相等的情况相与。但是应该考虑输入端、、的电平输入情况，按要求，、接低电平，接高电平，如图8，电路中、分别接计数电路中的相应标号的管脚。

图8  计数与比较电路

报警器采用蜂鸣器，采用三极管驱动即可，由于蜂鸣器工作状况与LED相似，限流电阻仍取200欧。HOLD输出端为锁定信号，处于锁定状态时，按下复位电路的复位键后，解除报警，重新开始计数。

图9  报警电路

3.2.5 满百报警电路

此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，FLASH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。将该信号进行微分后，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。

单稳态触发电路有C1、R1，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管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C1加到2端，并使2端电位瞬时低于，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，VC 按指数规律增长。当VC充电到时，高电平比较器动作，比较器A1 翻转，输出V0 从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，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（即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小：

………………………式3.6

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，为使R和C都不至取得过大，选取C（）为100μF，R（）为18KΩ。如图10 。

图中和构成微分器，其参数的选取参考信号采取电路中的滤波电路。RESET为控制信号输入端，信号来自计数电路中的上电复位电路。为防止上电的瞬间产生的扰动信号使单稳态触发器误触发，加入控制信号RESET，在上电瞬间，由复位电路分析可知，RESET处于低电平，单稳态触发器中的555的4管脚为低电平，因此单稳态触发器不工作，直到RESET恢复至高电平。

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，选取为13kΩ，为15kΩ，为10μF，如图11 。

多谐振荡器的工作与否取决于单稳态触发器输出高低。为限流电阻。

     图10  单稳态触发器          图11  多谐振荡器

附录一 总原理图

附录二 元件清单

NE555  三个

光电转换原件NBC—PS2501—1  一个

LM258一个

74LS190、共阴极数码管、74LS48、74LS85各两个

蜂鸣器一个

电阻390欧、10k、13k、15k、18k、33k各一个，1k三个，510欧、200欧各两个

排阻（8个  1k）一个、滑动变阻器100k、2k各一个

二极管两个、发光二极管一个

三极管（NPN）两个

按钮两个

开关组（8个）一个

电容0.022Uf、100uF各一个，0.1uF四个，4.7uF三个

总结

本次课程设计，主要是按照课题要求，运用所学的数字电路等相关知识，进行分析、设计。

但是由于本人能力有限，本电路的人性化设计做的不足，比如定数报警电路中设定数字的电路，未采用拨码盘等直观的方式，而是用开关组直接设定二进制数来实现，不够方便。另外，电路未设有外部接口，无法直接与其他系统进行数据交换。

通过这次设计，巩固了之前学习的安全监测技术的相关知识，并把这些知识运用到系统化的设计中。这次设计是查阅了大量资料，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，我要对我的指导老师表示衷心的感谢！感谢黄战峰老师和马斌老师对我那严谨的态度、认真仔细的指导！还感谢热情帮助我的那些同学们！谢谢你们！

参考文献

[1] 陈振官,陈宏威等.光电子电路及制作实例.北京：国防工业出版社,2006

[2] 黄正谨.综合电子设计与实践.南京:东南大学出版社,2002

[3] 朱达斌,张宝玉,张文骏.模拟集成电路的特性及应用.北京:航空工业出版社,1994

[4] 沈雷.CMOS集成电路原理及应用.北京:光明日报出版社,1987

[5] 蔡雅铮.计数器及其逻辑设计.北京:高等教育出版社,1985下载本文