毕业设计（论文）-光电计数器的设计.doc

《毕业设计（论文）-光电计数器的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-光电计数器的设计.doc（36页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 毕业设计毕业设计 题 目： 光电计数器的设计 姓 名： 学 院： 系： 专 业： 年 级： 2008 级 学 号： 指导教师（校内）： 职称： 指导教师（校外）： 职称： 2011 年 3 月 光电计数器的设计 1 目录 摘要摘要3 3 第一章第一章 绪论绪论4 4 1.11.1 光电计数器的发展现状光电计数器的发展现状 4 4 1.21.2 论文研究的目的和内容论文研究的目的和内容 4 4 第二章第二章 工件计数器的设计方案工件计数器的设计方案5 5 2.12.1 工件计数器系统的工作框图工件计数器系统的工作框图 5 5 2.22.2 计数器系统控制框图计数器系统控制框图 6 6 2.32

2、.3 计数器设计选型计数器设计选型 6 6 2.3.12.3.1 传感器部分传感器部分 6 6 2.3.22.3.2 信号器处理部分信号器处理部分 1010 2.3.32.3.3 显示部分显示部分 1212 2.42.4 本章小结本章小结1313 第三章第三章 光电计数器硬件电路设计光电计数器硬件电路设计1414 3.13.1 传感器部分传感器部分1414 3.23.2 数模转换部分数模转换部分 1414 3.33.3 计数器的互锁部分计数器的互锁部分 1515 3.43.4 计数部分计数部分 1616 3.53.5 显示部分显示部分 1616 3.63.6 本章小结本章小结 1717 第四章

3、第四章 MULTISIMMULTISIM 仿真设计软件仿真及仿真分析仿真设计软件仿真及仿真分析 1818 4.14.1 MULTISIMMULTISIM 仿真设计软件简介仿真设计软件简介 1818 4.24.2 电路各部分仿真分析电路各部分仿真分析 2121 4.2.14.2.1 传感器仿真传感器仿真 2121 4.2.24.2.2 反相器仿真反相器仿真 2323 4.2.34.2.3 触发器仿真触发器仿真 2424 4.2.44.2.4 计数器译码显示仿真计数器译码显示仿真 2525 4.2.54.2.5 计数器整体电路仿真计数器整体电路仿真2727 4.34.3 本章小结本章小结 2828

4、 第五章第五章 光电计数器硬件电路制作以及调试光电计数器硬件电路制作以及调试2929 5.15.1 元器件清单元器件清单2929 5.25.2 工件计数器电路图工件计数器电路图 2929 光电计数器的设计 2 5.35.3 实物焊接图实物焊接图 3131 5.45.4 硬件调试硬件调试3131 第六章第六章 总结总结3232 致谢语致谢语3333 参考文献参考文献3434 光电计数器的设计 3 摘要 本文在总结现阶段工厂生产线工件计数器发展现状的基础上,针对工厂实现无接触 技术的的要求，利用 Multisim 仿真设计软件画出了完整的电路原理图，并进行了仿真 分析，并画出了 PCB 板图，完成

5、了实物的制作。 本文主要利用了已学过的电子知识，从电路的传感器部分、数模转换部分、计数 器的互锁部分、计数器部分和显示部分完成了电路的硬件部分设计。并利用系统仿真 分析软件完成了对完成电路的仿真分析，得到了预期的正确结果。最后在计数器电路 图和实物焊接图的指导下完成了实物的制作。具体包括以下主要内容： （1）论述了本课题研究的目的和意义，介绍了国内外工厂计数器的发展现状。 （2）从传感器部分、信号处理部分和显示部分三个方面确定工件计数器的设计 方案。 （3）完成硬件电路的设计，包括传感器部分、数模转换部分、计数器的互锁部 分、计数部分和显示部分。 （4）利用系统仿真分析软件对传感器、反相器、触

6、发器及计数器译码显示部分 进行仿真，并对结果分析处理。 （5）在实物焊接图的指导下完成工件计数器实物的制作。 关键词： 工件光电计数器； 电路设计； Multisim 仿真 光电计数器的设计 4 第一章 绪论 1.1 光电计数器的发展现状 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,利用光电元件制成的自动计数装置。其工作原理 是从光源发出的一束平行光照射在光电元件(如光电管、光敏电阻

7、等)上，每当这束光 被遮挡一次时，光电元件的工作状态就改变一次，通过放大器可使计数器记下被遮挡 的次数。常用于记录成品数量或展览会参观者人数。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。该例光电触发式电子计数器只有两 位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位。 自动化的计数提高了工业生产上的效率以及准确性，计数的自动化和智能化最终 能加速实现现代化的工业。随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展,对光电 计数器的需求日益增多。 光电计数器在实际生产中已经得到了广泛的应用。在应用中，光电传感器部分主 要有光电断路器和光电开关，但在工业生产中主要使用的是光电开关，

8、计数电路有CD 系列芯片组成的，也有 74 系列芯片组成的，实际功能差别不大。 本设计的设计任务为设计计数器,实现无接触计数,主要用于工厂生产线工件计数。 1.2 论文研究的目的和内容 本次课题设计的目的主要有： （1） 掌握常用基本逻辑电路的工作原理 （2）. 学习掌握电子电路设计基本方法 （3）. 初步学会使用 Multisim 软件熟悉基本操作，会用其进行电路的仿真 （4）. 设计并制作用于工件计数的光电计数器 光电计数器的设计 5 （5）. 培养独立思考、分析、解决问题的能力 （6）. 通过焊接电路，提高实际动手操作能力 （7）. 通过此次设计，增强理论联系实际的能力 本次论文研究光电

9、计数器的具体内容如下： （1）根据所学电子知识，翻阅期刊文献，根据设计要求确定计数器设计方案； （2）使用系统仿真分析软件分析仿真结果； （3）画出硬件电路制作 PCB 板图； （4）制作出实物。 第二章 工件计数器的设计方案 根据设计任务要求，此设计只考虑对合格工件的计数，并不考虑如何检测工件的 合格与否，检测环节另由其他环节完成。此设计系统只是对流水线上的工件进行计数， 当工件正向通过进入检测环节时，工件计数器加 1；工件在检测环节检验，当工件为次 品时，工件被反向退出，计数器减 1；因此，此设计方案的工件计数器实际是检测通过 流水线上的合格工件的数量。 2.1 工件计数器系统的工作框图

10、工件计数器的工作过程为当工件经过传感器时工件计数器显示加 1，而后工件进 入检测环节，由系统判断工件是否合格，如果工件合格的话，工件退出流水线，如果 工件不合格，则工件自动被退回，工件计数器应减 1。具体的流程框图如下图所示。 工件计数加1 工件经过传感器工件进入检测环节 判断工件是否合格 不合格，工件被 退出 工件计数减1 合格，工件退出流水线 光电计数器的设计 6 图 1 计数器系统工作框图 2.2 计数器系统控制框图 对于计数器系统控制部分，则使用反射型传感器作为工件计数器传感器， ；使用两 路比较器 393，设置适当的阀值电压，将模拟量转换为数字量；使用 40106 将信号反向， 用双

11、 D 触发器 74LS74 实现互锁功能，用 40110 对工件进行计数并译码；最后使用共 阴极数码管显示合格的工件数。具体控制框图如下图所示。 图 2 计数器系统控制框图 2.3 计数器设计选型 经过权衡和比较，本设计最终可以分成三部分：传感器部分、信号处理部分、计 数显示部分。 2.3.1 传感器部分 本次课题设计采用光电传感器。光电传感器主要由光源、光学通路、光电元件构成。 光电式传感器有着广泛的应用，例如：1、光量变化的非电量； 2、能转换成光量 变化的其他非电量。 光电计数器的设计 7 光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、 反射式。 光电式传感

12、器特点：非接触、响应快、性能可靠。 光电式传感器的工作原理：位于光敏二极管的对面的是作为光源的发光二极管，在 它们之间有一个能断续遮光的转盘。当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时， 光线可以通过，光敏二极管即发出信号指示转轴的某一位置或转速。它输出的信号是 方波脉冲，故它能适应数字式控制系统的需要。这里的发光二极管的发光频率一般在 红外线和紫外线范围内，是肉眼看不见的。 六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构，由发光二极管和光敏二极 管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置，安装在分电器内（或凸轮轴前部） 。它决定分 组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。在转盘上

13、每隔 60设 置了宽度不同的 4 种缝隙，利用发光二极管发出的光束，经过安装在分电器轴上转盘 的刻度缝隙，照射在光敏二极管上，使波形电路产生电信号、并传给 ECU。 光电式曲轴转角传感器的工作原理与结构如上图所示 a）工作原理图 b）结构图 c）转盘 1-输出信号 2-光敏二极管 3-发光二极管 4-电源 5-转盘 6-转子头盖 7-密封盖 8-波 成形电路 9-第一缸 120信号缝隙 10-10 信号缝隙 11-12 信号缝隙 光电传感器应用了光电效应原理，它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发 生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应是指，在 光线作用下物体内

14、的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。光子是以量子化“粒子” 的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量 hv，h 为普朗克常数，v 为光频。 光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述：hv=1/2*mv0 的平 方 光电计数器的设计 8 式中 m 为电子质量，v0 为电子逸出速度。当光子能量等于或大于逸出功时才能产 生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值，称为红限频率。 对于红限频率以上的入射光，外生光电流与光强成正比。内光电效应又分为光电导效 应和光生伏打效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带中的电子受到能 量不低于禁带宽度的光子的激发

15、而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。能量对应于 禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏打效应是指光线作用能使半 导体材料产生一定方向电动势的现象。光生伏打效应又可分为势垒效应（结光电效应） 和侧向光电效应。势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区(或在 PN 结)中，电子受 光子的激发脱离势垒（或禁带）的束缚而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下 电子移向 N 区外侧，空穴移向 P 区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器 件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未 被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。 光电式传感

16、器有很多种类。其分类如下： 基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光敏 电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管(见半导体光敏元件)。基于侧向光电 效应的有反转光敏二极管。光电式传感器还可按信号形式分为模拟式光电传感器(见位 移传感器)和数字式光电传感器（见转速传感器、光栅式传感器、数字式传感器） 。光 电式传感器还有光纤传感器、固体图像传感器等。 光电传感器的构成如下： 光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在 一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光

17、源，发光二极管 （LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极 管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是 检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 光电计数器的设计 9 此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的 反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回， 具有实用意义。它可以在与光轴 0 到 25 的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射 线，经过反射后，还是从这根反射线返回。 光纤（又称光导纤维 LWL） ，它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装 式收发装置

18、。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度 中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。 光电传感器的分类和工作方式简介如下： 1 槽开光电开关 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器 能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通 过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流， 从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 2 对射式光电开光 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器 组成的光电开关就称为以射分离式光电

19、开光，简称对射式光电开关。它的检测距离可 达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测 物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 3 反光板反射式光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理 完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。正常情况下， 发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收 不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 4 扩散反射式光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发 光器发出的光收光器是收不到的；

20、当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来， 收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。 5 光纤式光电开关 把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接 光电计数器的设计 10 收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、 反光板反射式、扩散反射式等多种类型。 本次设计采用反射型光电管。反射型光电管包含两部分：直流驱动光电发射电路 和接收反射的光信号的光电转换电路。当没有工件经过时，接收电路没有接收到光信 号；当有工件经过时，接收电路接收到光信号。具体的反射型光电传感器可以根据应 用场合确定，尽量选用比较成熟的产品；本设计选用的是 ST

21、188，比较成熟且价格低 廉。 图 3 ST188 外形图 2.3.2 信号器处理部分 可细分为模数转换部分、反相部分、互锁部分、计数译码部分。 模数转换部分：根据实验要求，处理部分所处理的信号必须为数字信号；而传感 器检测到的信号为模拟型号，必须经过模数转换，将一组输入的二进制数转换成相应 数量的模拟电压或电流输出的电路。又因为只有两种状态：有工件经过和无工件经过， 系统中只有两路信号；综合各方面因素，本系统选用两路比较器 LM393。其管脚定义 及实物图为 图 4 LM393 管脚图及其实物图 反相部分：由于设计中要求工件在检测到次品是能自减 1，故需要对信号进行反 光电计数器的设计 11

22、 向。使得正信号输入，负信号输出。本次设计采用 CD40106 将比较器输出的信号进行 反相，以便于信号的处理。 图 5 CD40106 管脚图及其实物图 互锁部分：因为设计要求计数器既能进行加运算又能进行减运算，为了防止计数 器的加运算和减运算同时进行，需要有一定的电路保证两个运算不能同时进行，即要 求有互锁电路。本设计中采用双 D 触发器 74LS74 实现电路互锁功能。 图 6 74LS74 管脚图 图 7 74LS74 逻辑功能表 计数译码部分：在本设计中，计数译码部分采用 CD40110，原因是 40110 不仅是 光电计数器的设计 12 计数器，同时也是译码器，省去了使用两个芯片的

23、麻烦。 图 8 CD40110 管脚图 图 9 CD40110 逻辑功能表 2.3.3 显示部分 显示部分选择七段数码管。其逻辑功能表如下： 光电计数器的设计 13 图 10 共阴极七段数码显示管真值表 图 11 七段数码管实物图 2.4 本章小结 本章根据工件计数器的具体要求，确定了工件计数器系统工作流程框图，从传感器、 信号处理及显示三部分完成了工件计数器的设计选型。 光电计数器的设计 14 第三章 光电计数器硬件电路设计 根据设计要求，本设计的工件计数器的硬件电路主要包含五部分：传感器部分、数 模转换部分、计数器的互锁部分、计数部分、显示部分。 3.1 传感器部分 本次设计的传感器原理是

24、采用反射型光电管，在设计中，采用两个传感器判断工件 的前进方向；按正常工件的前进方向，分别假设为传感器 A、B。当有工件通过传感器 时，红外发射管发射的光线经过工件的反射使接收管的电阻变小；因此，很容易就可 知道当有工件经过时，A、B 节点的电压升高。具体的传感器的硬件电路图如下： 传感器 A 传感器 B 图 12 光电传感器电路 3.2 数模转换部分 本设计中选用比较器将模拟信号转换成数字信号。因只有两路的传感器，因此选 用具有两路比较的 LM393。硬件电路图如下： 光电计数器的设计 15 图 13 LM393 连接电路 设计中通过滑动变阻器来改变阈值电压，根据比较器的工作原理，当 A 端

25、电压低于 阈值电压时，输出端输出低电平，反之输出高电平；阈值电压的大小可以通过调节滑 动变阻器来调节。因此，当无工件通过时，接收管的电阻很大，A、B 节点的电压较低， C、D 输出为低电平；反之，输出为高电平。比较器的输出端接一个上拉电阻，以提高 带载能力。 根据传感器的布置和电路的原理可知，工件进入和退出时，C、D（分别对应传感 器 A、B）的电压变化分别为： t tt t UCUC UDUD 工件进入时，传感器 1 先于传感器 2 检测到工件退出时，传感器 2 先于传感器 1 检测到 图 14 工件进出时，LM393 输出信息 光电计数器的设计 16 3.3 计数器的互锁部分 因为设计要求

26、计数器既能进行加运算又能进行减运算，为了防止计数器的加运算 和减运算同时进行，需要有一定的电路保证两个运算不能同时进行，即要求有互锁电 路。互锁电路包含两部分：反相电路和互锁电路。其硬件电路图如下所示： 图 15 CD40106 连接电路 图 16 74LS74 连接电路 反向电路选择六反相器 40106。通过反相器将 LM393 输出的信号 C、D 进行反向， 以供互锁电路使用。互锁电路选择双 D 边沿触发器 74LS74。当工件进入时，C 先为高 电平时，为低电平，使 4013 的第二个 D 触发器的 Q 端恒定输出低电平。而第一个 C 触发器在 C 的作用下，Q 端将由低电平变为高电平，

27、有一个上升沿，使计数器加 1。 光电计数器的设计 17 同理，当工件退出时，将有类似情况，计数器减 1。 3.4 计数部分 计数器的种类有很多，同时既有加法计数和减法计数的计数器也有 74LS192、CC40192、74LS168 等。但我们选择 CD40110。原因是 40110 不仅是可逆计 数器，同时也是数码管的驱动芯片，他还具有译码和锁存功能。在本设计中的硬件电 路图如下： 图 17 CD40110 连接电路 根据逻辑功能表可知：当 CPU 或 CPD 有上升沿时，计数器加 1 或者减 1。根据 互锁电路，当 C 为高电平时，F 恒为低电平，没有上升沿，加法计数器无法起作用。 因此只能

28、进行加法计数。同理进行减法运算时，加法运算无法进行。40110 计数的时候 也驱动了数码管显示。 3.5 显示部分 因为显示的都是整数，因此数码管的 DP 无需接。所选的数码管为共阴极数码管， 因此将 3、8 管脚接地。 光电计数器的设计 18 图 18 数码管连接电路 综上各部分所述，可以得出系统的总的电路图如下： 图 19 计数器系统电路图 3.6 本章小结 在本章中，详细分析了工件计数器的五个部分即传感器部分、数模转换部分、计 数器的互锁部分、计数部分和显示部分，具体介绍了各部分电路的工作过程，得到了 计数器总体的电路图。 光电计数器的设计 19 第四章 Multisim 仿真设计软件仿

29、真及仿真分析 4.1 Multisim 仿真设计软件简介 目前随着国际上电子产业和计算机技术的飞速发展，电子产品已与计算机系统紧 密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却 越来越短。以定量估算和电路试验为基础的电路设计方法已经无法适应当前激烈竞争 的市场。电子设计自动化(EDA)技术，使得电子线路的设计职员能在计算机上完成电路 的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动生成，代表着现 代电子系统设计的技术潮流。 Multisim是加拿大IIT公司在EWB(ElectronicsWork bench)基础上推出的电子电路 仿真设计软件，是一个专

30、门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下 运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。它具有如下 特点： 1)具有直观的图形界面：整个操纵界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需 的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连 接起来，软件仪器的控制面板和操纵方式都与实物相似，丈量数据、波形和特性曲线 如同在真实仪器上看到的一样。 图 20 Multisim主界面 光电计数器的设计 20 2)具有一个庞大的元气件库。Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括如信号 源、基本元气件、模拟集成电路、数字集成电路、

31、指示部件、控制部件、半导体器件、 运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器 自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充 和更新服务。 3）具有强大的仿真能力：既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数 模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、 提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。 4)强大的分析功能。提供了 14 种仿真分析方法，如直流工作点分析、交流分析、 瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、参数扫描分析、零极 点分析、传递函数分析、

32、温度扫描分析、后处理分析等。 图 21 网络分析仪和频谱分析仪 5)强大的虚拟仪器功能。如示波器、万用表、瓦特计、扫描仪、失真仪、网络分 析仪、逻辑转换仪、字信号发生器等。除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双 通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了 瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可 多台同时调用。 6)VHDL/Verilog设计输进和仿真。Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行 仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时 会显示出错信息、提示可

33、能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。 图 22 示波器和万用表 光电计数器的设计 21 Multisim软件将VHDL/Verilog的设计和仿真包含进往(选件)，使得大规模可编程 逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大 规模可编程逻辑器件无法与普通电路融为一体仿真的瓶颈。 7)可以与电路板设计软件无缝连接。Multisim软件的设计结果可以方便的导出到 电路板设计软件中进行电路板走线。 8)远程控制功能。Multisim软件支持远程控制功能，不仅可以将Multisim软件的 界面共享给其他人，使得其他人在自己的计算机上看到控制者的操纵情况，而且可以 将

34、控制权交给其他人，让其操纵该软件，这样可以实现交互式教学，是进行电子线路 教学的理想工具。 Multisim环境下的电路设计与仿真分析方法如下： （1）电路设计 用multisim2001 进行电路设计，无须专门学习计算机控制语言和各种输进输出指 令，无须编写电子电路图的程序，其逼近真实的集成实验环境，似乎在实验室搭接电 路。只须在multisim2001 电路设计窗口内放置所设计的虚拟电子元件和虚拟仪器，并 用连线和节点连接相应的虚拟元器件与仪器仪表的丈量接口，就能从虚拟仪器仪表上 观察到各种仿真波形和参数的结果，非常直观方便。以设计模拟电路中最基本的单管 放大电路为例，其设计步骤如下： 1

35、)进入multisim2001 工作环境界面，可方便放置元件和仪表：从“Basic”元件 箱中调出电阻、可变电阻、电解电容，从“Source”元件箱中调出直流电压源和接地 符号，从“Transistor”元件箱中调出晶体管等，从工作界面的右侧仪器箱中调出 “双踪示波器” 、 “函数发生器” 、 “数字万用表”等。按照电路原理图排列各个元件。 2)电路布线：将鼠标器放于元件管脚上或仪器接口上，鼠标指示变为“+”外形后， 移动鼠标至另一元件管脚，即完成两者之间的连接。 3)设置参数：用鼠标双击被编辑的元件，在弹出的对话框中设置元件参数。如晶 体管的典型值为=100，要将其修改为=80，则只要双击该

36、晶体管，点击Value页上 EditModel按钮，出现EditModel对话框，将其中的BF=100 改为BF=80 即完成对晶体管 的值的修改。 光电计数器的设计 22 用multisim软件设计数字电路，如同在实验室面包板上搭接电路，且不受元器件 种类、数目和测试仪器的限制。Multisim高品质的性能、强大的分析能力使设计者轻 松愉快、卓有成效地完成设计任务。 4.2 电路各部分仿真分析 在仿真过程中，因 Multisim 本身的局限性，CD40110 在仿真软件中的库文件中没 有找到；通过分析，CD40110 在电路中所起的作用是计数器和译码器的作用。因此， 在仿真时，本人使用 74

37、LS192 作为计数器；4543 作为译码器，驱动数码管的显示。 4.2.1 传感器仿真 本设计使用的是反射型光电传感器，因此，正常情况下，光敏电阻的非常大；当 有工件经过时，光敏电阻接收到发射管的光线，电阻变小。因为 Multisim 中没有光电 管的封装，因此仿真时，我们采用滑动变阻器来仿真。当滑动变阻器串入电路的电阻 较大时，相当于光敏电阻的正常状态，根据基尔霍夫定律可知，此时比较器“”输 入端的电压较大，因此比较器输出为低电平。当滑动变阻器串入电路的电阻较小时， 相当于有工件经过，此时比较器输出为高电平。 为了方便观察，电路中使用万用表观察阈值电压、比较器“”输入端电压和比 较器的输出

38、电压，用示波器显示比较器输出端的波形。如下图所示： 图 23 传感器电路仿真 光电计数器的设计 23 图 24 正常情况下的电路仿真 图 25 有工件经过时的电路仿真 通过图 21、22 的电路仿真可以知道，当有工件经过时，光电管的输出电压比较低， 其值小于阈值电压，比较器的输出电压为 5V；反之，无工件经过时，比较器输出电压 接近于 0V。 仿真时，也可用正弦波电源来模拟光电管上的输出电压（注意常态下，光电管的 输出电压为高电平） 。当光电管的输出电压高于阈值电压（1V）时，比较器输出为低电 平，相当于常态下的输出，反之亦然。仿真电路图如下： 阈值电压 “”输入端电压比较器输出电压 阈值电压

39、 “”输入端电压比较器输出电压 光电计数器的设计 24 图 26 正弦波电源仿真光电管输出的电路仿真 4.2.2 反相器仿真 如下图所示，用比较器的输出电压给反相器通电，观察反相器的输出波形，为便 于比较，电路接连个示波器，具体电路如下图所示： 图 27 反相器仿真电路图 比较器输出 波形 传感器输出波 形 光电计数器的设计 25 图 28 反相器输入输出波形 4.2.3 触发器仿真 因为计数器 74LS192 的 UP 或者 DOWN 端工作时，其另一个引脚必须为高电平， 因此，在系统电路中将 1Q 和 2Q 分别接 74LS192 的 UP 和 DOWN 端。仿真电路如下： 输入波形 输出

40、波形 光电计数器的设计 26 图 29 触发器仿真电路图 图 30 加法计数时，UP、DOWN 的波形图 图 31 减法计数时，UP、DOWN 的波形图 4.2.4 计数器译码显示仿真 因 Multisim 中没有 CD40110 的封装，因此仿真电路中使用 74LS192 作为计数器， 其逻辑管脚图和功能图如图 29、30 所示。仿真电路使用 4543 作为译码器，器管脚图 如图 31 所示。 UP 端波形 DOWN 端波形 UP 端波形 DOWN 端波形 光电计数器的设计 27 图 32 74LS192 管脚图 图 33 74LS192 功能表 图 34 4543 管脚图 因计数、译码和显

41、示电路的功能具有紧密的联系，因此这部分电路合在一起仿真。 图 35 加法计数时，QA、QB、QC、QD 波形 QA QB QC QD 光电计数器的设计 28 图 36 加法计数时，QA、QB、QC、QD 波形 4.2.5 计数器整体电路仿真 计数器整体仿真电路如图 34 所示。如图所示，光电管输出信号（图中由正弦波电 源模拟）经过 4069 反相后送给 74LS74 使加法和减法计数形成电路互锁；UP 和 DOWN 在同一时刻只有一个能够起作用。通过 74LS192 计数后，通过译码器 4543 的 译码，经 180 排阻限流驱动数码显示管，使显示管显示出对应的数字。 QAQB QC QD 光

42、电计数器的设计 29 图 37 整体仿真电路 图 38 几种计数状态 4.3 本章小结 通过之前的仿真图，本设计只考虑工件计数，并不考虑如何检测工件是否为次品。 在整个设计中，设定工件只有一个通道可以通过，即合格工件顺着流水线往下走，次 品返回。因此，在仿真中使用两个光电管来判断工件的运动方向。仿真中，通过设置 正弦波电源的初相角来模拟两个光电管检测到的顺序。 光电计数器的设计 30 第五章 光电计数器硬件电路制作以及调试 在本环节中，利用提供的电子元器件，本人先用 Protel 将硬件电路图做出并做出 具体的布线图，以防盲目布线，保证电路板的焊接质量。 5.1 元器件清单 集成芯片：反相器

43、CD4069 一个、双 D 触发器 74LS74 一个、计数器译码器 CD40110 一个、5V 稳压芯片 7805 一个 电阻：220 两个、20k 两个、510 两个 数码管：七段共阴极数码管 ArkSM420501k 一个 光电管组件：发光二极管两个、光敏电阻两个 电容：47F 铝电解电容两个、104 瓷片电容两个 其他：电源指示灯一个、开关一个、变压电源一个、芯片座三个、焊锡导线若干 5.2 工件计数器电路图 根据原件和参考电路设计工件计数器电路图： 图 39 7805-5V 电源电路 光电计数器的设计 31 图 40 计数器总电路图 图 41 Protel 布线图 光电计数器的设计

44、32 5.3 实物焊接图 图 42 计数器正面 图 43 计数器反面 5.4 硬件调试 如上图，下边光电管为 A，上边光电管为 B，当工件在光电管上方从 A 到 B 经过， 计数器进行加法运算，数码管依次加 1；当工件从 B 到 A 经过，计数器进行减法运算， 数码管依次减 1。本电路可以实现加法计数、减法计数、互锁功能、数码管显示功能。 光电计数器的设计 33 第六章 总结 在此次课题设计中，从一开始的电路设计、再到电路仿真、再到电路板的焊接、再 到论文的撰写，整个过程，我都受益匪浅。 （1） 、电路设计阶段：、电路设计阶段： 在本阶段必须先明确设计的任务，分析要达到设计任务应该具有哪些电路

45、环节， 从传感器、信号处理、信号的显示等方面入手。尤其是信号处理部分，应该吧信号处 理分成几部分来处理；如：模数转换环节、信号预处理环节（反相环节） 、自锁互锁环 节、计数译码环节。 设计完各个环节的功能之后，应该根据各环节的作用合理的选择每一部分电路所 使用的电子元器件。选完元器件后需对各个芯片的引脚进行充分的了解，在时间有限 时，只需了解芯片的作用、各个引脚的作用、芯片如何使用等进行了解，至于芯片的 内部结构无需过多的研究。 （2） 、电路仿真阶段、电路仿真阶段 仿真阶段主要碰到的问题是真个电路的排布比较杂乱，美观度不好。因此在布线 时应该先布比较靠近芯片的线，从内至外布线。 同时，对一些

46、信号的模拟应该灵活应用，比如光电管信号可以通过信号发生器或 者正弦波电源来模拟。同时为了能够反映出工件运动的方向，通过改变两个正弦波信 号的初相角就可实现对工件运动方向的模拟。 （3） 、电路焊接阶段、电路焊接阶段 在这一阶段，可能常碰到的问题有： 对于有极性的元器件，焊接时应该注意其极性，以防因正负接反而影响系统 的工作或烧坏元器件； 焊接电路之前需对各个元器件的管脚进行充分的了解，防止焊接时接错或者 少焊等； 焊接之前应合理的布线，使电路板整体比较美观、同时减少电路板上的跳线。 光电计数器的设计 34 致谢语 经过四年的学习和研究，籍论文完成之际，我特向指导和帮助我的老师、同学、 同事、朋

47、友及关心支持我的家人表示诚挚的谢意。 首先要感谢我的导师*副教授。本文是在导师*副教授的精心指导下完成的， 从论文的选题、设计方案直至完成论文的整个过程中，都得到了*老师耐心细致的指 导。*老师严谨的治学态度、渊博的学识、独特的学术思维、一丝不苟的工作作风、 热情待人的品质，使我满怀敬意。 感谢*学院所有的领导和老师，前三年的学习基础对我非常重要，感谢*学院的 所有老师和领导，在撰写论文和研究指导得到了你们支持和帮助。 感谢我亲爱的同学们，在学习中我们相互帮助，互相激励和关心。 感谢我工作单位*市*区*领导和同事们，感谢他们在工作和学习中给予我的帮 助和支持。同时，还要感谢*区的所有*教师，在

48、本次研究的实践阶段，得到了你们 的支持，在此感谢你们的热情参与。 感谢我的家人，这么多年来，正是你们的支持和鼓励，才使我顺利地完成学业； 正是你们的关心和默默的奉献，给我创造了优越的条件，使我在学习的道路上乐观向 上、勇往直前。 光电计数器的设计 35 参考文献 1郝文化Protel DXP 电路原理图与 PCB 设计北京：机械工业出版社，2004.3 2任文霞电子电路仿真技术北京：中国电力出版社，2009 3骆新全电路仿真与 PCB 设计北京：北京航空航天大学出版社，2004.8 4 赵春华Multisim9 电子技术基础仿真实验北京：机械工业出版社，2007.3 5黄培根Multisim7 电路分析基础实验杭州：浙江大学出版社，2007.4 6 刘舜奎电子技术实验教程厦门：电子技术实验教程，2008