毕业设计（论文）-红外发射—接收计数器设计.doc

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1、目录摘要.2引言.3第一章 工作分析1.1节 设计要求41.2节 电路设计分析41.3节 工作流程图.4第二章 原理分析2.1节 工作原理52.2节 元器件的介绍8第三章 电路板的生成3.1节 电路板的布局图.153.2节 电路版的焊接.16第四章 电路版的检测4.1节 电路版的调试.174.2节 检测电路版注意事项. 17第五章 总结17参考文献.18附表. .18摘要红外发射接收计数器设计电路由两部分组成：光电计数部分和计数显示部分。光电计数部分主要采用的是红外发光二极管与光敏三极管，后接电压比较器，光电耦合技术，将光信号转化为脉冲信号。计数显示部分采用的是CD4518对脉冲信号同步二进制

2、计数，经数码管显示出来。数码管LED技术，将实际生产中机械或者人工计数方式转变为自动化的电子计数，利用LED显示出来，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。本作品为实现光电计数器的功能，采用的数字电路，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

3、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。计数范围为099作品电路主要采用常用分立元件和小规模集成电路，结构简单可靠，简单直观，电路装置省去了能耗大、笨重、极易产生热量的电源变压器，具有结构简单、自耗电轻微、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。关键字：红外-发射 电压比较器 光电耦合器 计数器 译码器 数码管前言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。光电计数器设计一方面是为了巩固课本所学知识，完成知识迁移，另一方面加强动手能力，识图能力及设计

4、能力。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，计数电路有CD4518芯片组成的，实际功能差别不大。 基本设计要求：本次设计光电计数器，要求使用红外发光二极管、红外接收二极管，实现计数功能，能实现两位数的计数，计数范围099。光电计数器在本论文设计中主要是由LM393电压比较器，4N35光电耦合器，CD4518计数器，CD4543译码器，电源部分，发射部分，接受部分，数码显示部分构成。光电断路数码管LED等构成的计数器电路时为了脉冲信号进行计数。因此，也可以说该电路是由这两部分电路组成。本设计计数器可将机

5、械或人工计数方式变为电子计数形式，并且采用LED数码管来计数显示，简单直观明了，可使用于诸多行业，从而以满足现代生产、生活等方面的日益需求。 有工件经过时，挡住发射器发出的红外光信号无法发射到接收器上，接收器接收到发射来的红外线信号便输出一个脉冲信号到器进行计数。在实际的啤酒，机械或者人工计数等灌装生产线上，当瓶子从光源和光接收器之间通过时，通过光电转换将光的变化转换成输出电压的变化，经过后续处理实现自动计数。电路原理示意图：电源 光电发射-接收 电压比较数码管显示 译码器 计数器 光电耦合器 第一章 工作分析1.1节 设计要求 （1）可以代替人工计数或者机械计数，实现两位数范围099的计数

6、（2）可以做到隔离红外光发射来控制计数的次数 （3）可以自动循环计数（如啤酒机，过带），通过隔断红外光线实现计数 （4）PCB板的上接同一的电源和地（5）焊接时，注意焊头的的完美，避免出现虚焊、漏焊现象（6）PCB板的要求布局美观1.2节 电路设计分析 基本组成：1）：电源电路：由9V电源提供2）：红外发射-接受控制电路：发光二极管和红外接受三极管构成3）：电压比较器电路：由LM393芯片提供反相电压，进行比较输出4）：光电耦合器：由4N35芯片提供光电耦合作用5）：放大电路：由VT2三极管对信号进行放大，输出脉冲信号6）：计数器：CD4518芯片，提供双向计数功能7）：译码器：由CD4543

7、芯片提供译码功能，对模拟信号进行解码输出8）：七段数码管：显示功能1.3节 工作流程图 整个电路的功能是将红外三极管接收到的光信号,经过电压比较、耦合、放大、然后通过计数、解码，显示。 图1电路流程图第二章 原理分析2.1节 工作原理 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，光电发射接收是其中之一，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如图所示。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

8、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。 图2 电路原理图为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了电源方案如下：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。 电源的电路图如下图所示。图3 电源发射和接收部分 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件，它由发光源和受光器两部分组成。为了能准确地远距离地感应到有人进入或离开电影院，就必须选择敏感性高且稳定的信号感应器件，而光电耦合器满足这个条件。光电耦合器是发光源和受光器件组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透

9、明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器件的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三级管等，实际电路发光源选用高亮发光管和硅光电池。L1和L2为高亮发电管，BT1和BT2是硅光电池。滞回电压比较器原理由于运放工作在非线性区，输出只有高低电平两个电压和， 当时，如图所示同相输入端电压U+的上门限值为: 随增大达到后，由跳变为。图4 滞回比较器 当时，如图所示同相输入端电压U+的下门限值为： 随减小达到后，由跳变为。我们把上门限电压与下门限电压之差称为回差电压: 回差电压的存在，大大提高了电路的抗干扰能力。只要干扰信号的峰值小于半个回差电压，比较器就不会因为干扰而误动作

10、。数码显示电路该电路是实现将计数电路的计数值以直观的数字方式显现出来，只需实现基本要求即可，无特殊要求。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，而七段数码管的选择与之配套。译码器无特殊功能要求。这里选用了常用的74LS48共阴数码管驱动器，配套选取共阴八段数码管，但小数点位不用。CD4543 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，可用于驱动缓冲器或共阴数码管。其功能表如下所示：功能表十进制输入输出字形A3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYg0HHLLLLHHHHHHHL1HLLLHHLHHLLLL2HLLHLHHHLHH

11、LH3HLLHHHHHHHLLH4HLHLLHLHHLLHH5HLHLHHHLHHLHH6HLHHLHLLHHHHH7HLHHHHHHHLLLL8HHLLLHHHHHHHH9HHLLHHHHHLLHH根据功能表，将接高电平，接计数电路的，该部分电路简单，只要根据功能表将相应端口连接起来即可完成功能。2.2节 元器件的介绍 元器件使用前，要检查每一个元器件的质量，用万用表的欧姆档检查一下电阻、电容、二极管、可控硅的好坏。必要时，连接一简单的电路检查一下CD4518的逻辑功能是否正常，检测集成块的好坏。集成块最好不要直接焊接在印制电路板上，用集成块管座来焊接，然后插上集成块，安插时应特别注意集成块

12、的管脚顺序。1 、红外发射-接收 图52、LM393芯片的介绍LM393 是双电压比较器集成电路。LM393的特点：工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源:118V；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；图6 lm393引脚图LM393引脚功能排列表：引出端序号功能符号引出端序号功能符号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

13、向输入端1 1N+(1) 7 输出端2 OUT2 4 地GND 8 电源VCC LM393主要参数表：参数名称符号数值单位电源电压VCC 18 或36 V 差模输入电压VID 36 V 共模输入电压VI -0.3VCC V 功耗Pd 570 mW 工作环境温度Topr 0 to +70 贮存温度Tstg -65 to 150 电特性（除非特别说明，VCC=5.0V， Tamb=25） 参数名称符号测试条件最小典型最大单位输入失调电压VIO VCM=0 to VCC-1.5 VO(P)=1.4V, Rs=0 -1.0 5.0 mV 输入失调电流IIO -5 50 nA 输入偏置电流Ib-65 2

14、50 nA 共模输入电压VIC -0 -VCC-1.5 V 静态电流ICCQ RL=-0.6 1.0 mA RL=,Vcc=30V-0.8 2.5 mA 电压增益AV VCC=15V, RL15k-200 -V/mV 灌电流lsink Vi(-)1V, Vi(+)=0V, Vo(p)1.5V 6 16 -mA 输出漏电流IOLE Vi(-)=0V, Vi(+)=1V, VO=5V-0.1 -nA 应用说明:LM393是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解

15、决这个问题,标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要比较器的所有没有用的引脚必须接地. LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围 2.030V无关，通常电源不需要加旁路电容。 差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件.保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。 LM393的输出部分是

16、集电极开路,发射极接地的 NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或OR ing 功能.输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受 Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用),输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的值所限制.当达到极限电流(16mA)时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升.输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的SAT限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许输出箝位在零电平。3、4N35芯片的介绍 图7 4n35图图8 4n35原理图从4N35原理图可以看出，可以明确的判断u9这个芯

17、片不可能存在问题的，问题在其他地方，所以，一个电路的维修，在没有充分的判断的情况下不要急于断定那一个芯片有问题，仅仅是怀疑，要确认就需要有充分的证据，否则只能停留到怀疑地步，不要盲目动作，否则会酿成大患的。 我们接着来说一下光电耦合器的检测方法。上图中4N35是一个带有基极的固态光电耦合器，这样的器件在电源隔离，驱动隔离以及端口隔离上用途广泛，目的是为了保护器件不至于被大功率器件的反馈电流烧毁。在这里采用 4N35就是因为CPU价格昂贵且作为中央处理器要受到保护。值得提的是，我们经常遇到的固态光电耦合器很少有基极的，在上面的例子中基极没有被使用而是悬空。这是这个芯片的引脚关系图，从上面第一张图

18、我们看出，引脚序号是从圆点处开始逆时针顺序排列的，所有的集成电路都遵循这个原则。第二张图我们看到一个二极管和一个三极管，这就是光电耦合器的内部结构，也就是说通过发光二极管和光电接受三极管来完成这个功能，当发光二极管通电，光电接受三极管接收到发射光后就会在基极产生高电平从而导同三极管。知道了内部结构之后我们如何检测呢，首先用万用表二极管测量档测量发射二极管的两端然后颠倒表笔，就应该测量到正向导通反向截止的一个二极管特性，如果能量出这个特性只能判断出发射端是好的，如果短路或者断路或者正反阻值相同（要断开一端的连接线路）那么就是发射管损坏，这个芯片就要更换。发射端测量完毕后我们就要进行接收端测量，首

19、先测量接收端的电阻，在线测量大概在2k以上的阻值就说明没有导通，如果电阻很小就说明已经短路了，就要更换了。然后进行通电测量，在发射端接5v电源，接收端的离线电阻就应该很小，如果在线测量，接收端一端接地一端接一个高电平信号，通电的时候接收端之间的电压小于1v就说明已经导通，2v以上的电压差就说明没有导通，这个芯片就要更换。虽然这个芯片很便宜，很多人说还不如直接换了呢，干吗要费这么大的劲儿，话可以这么说，但维修是一种技术，技术是要证据说话的，就算判刑也要验明正身证据确酌不是？要注意的是，发射端不能直接接5v ，因为5v直接上来可能会烧坏发射端，因此要用电阻进行限流，下面就是这个芯片的测试示意图。4

20、、CD4518芯片的介绍 CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。 图9 CD4518引脚功能(管脚功能)如下：1CP、2CP：时钟输入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：计数允许控制端。1Q01Q3：计数器输出端。2Q02Q3：计数器输出端。Vdd：正电源。Vss：地。CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为17和915.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚6脚；11脚14脚）。CD4518控制功能：CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用

21、时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低吨平（0）,同时复位端Cr也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的C

22、P端接USS。 CD4518是二、十进制（8421编码）同步加计数器，内含两个单元的加计数器，其功能表如真值表所示。每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。由表可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；若用CLK信号上升沿触发，触发信号由CLK端输入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次；当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计

23、数单元Q2翻转一次；当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。若将第一个加计数器的输出端Q4A作为第二个加计数器的输入端ENB的时钟脉冲信号，便可组成两位8421编码计数器，依次下去可以进行多位串行计数。5、CD4543芯片的介绍CD4553是三数字BCD计数器：1-DS2，2-DS1，3-CEXTB，4-CEXTA，5-Q3，6-Q2，7-Q1，8-VSS，9-Q0，10-LE，11-DIS，12-CLK，13-MR，14

24、-QF，15-DS3，16-VDD。CD4543是BCD锁存/七段译码/驱动器，有灯测试功能；有消隐输入端；以异或门作输出级，可方便地驱动LCD：1-LE，2-C，3-B，4-D，5-A，6-PH，7-BI，8-VSS，9-a,10-b,11-c,12-d,13-e,14-g,15-g,16-VDD. 译码作用，给数码管显示提供驱动电压 图106、数码管 图7 七段数码管数码管显示099的数字。第三章 电路板的生成3.1 电路板的布局图图11 实物图3.2 电路版的焊接 1 焊烙铁的介绍（1）安装电阻器采用卧式安装。电容、二极管、可控硅的引脚极性不要弄错，集成电路引脚不要插反。为了取得更好的声

25、控和光控效果，光敏电阻的管脚应留长些，驻极体传声器可用导线接长，并注意极性，用绝缘套管保护，避免发生短路现象。（2）焊接注意事项1）电烙铁的选择和使用：选用30W左右的功率比较合适。电烙铁经过长时间使用后，烙铁头部会生成一层氧化物，这时它就不容易吃锡，这时可以用锉刀锉掉氧化层，将烙铁通电后等烙铁头部微热时插入松香，涂上焊锡即可继续使用，新买来的电烙铁也必须 2）焊接方法：元件必须清洁和镀锡，电子元件保存在空气中，由于氧化的作用，元件引脚上附有一层氧化膜，同时还有其它污垢，焊接前可用小刀刮掉氧化膜，并且立即涂上一层焊锡（俗称搪锡），然后再进行焊接。经过上述处理后元件容易焊牢，不容易出现虚焊现象。

26、 3）焊接温度和焊接时间的控制：焊接时应使电烙铁的温度高于焊锡的温度，但也不能太高，以烙铁头接触松香刚刚冒烟为好。焊接时间太短，焊点的温度过低，焊点融化不充分，焊点粗糙容易造成虚焊，反之焊接时间过长，焊锡容易流淌，并且容易使元件过热损坏元件。在焊接时，一般将电烙铁在焊接处来回移动或者用力挤压，这种方法是错误的。正确的方法是用电烙铁的搪锡面去接触焊接点，这样传热面积大，焊接速度快。 4）焊接后的检查 ：焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。虚焊较难发现，可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动，如发现摇动应立即补焊。 第四章 电路版的检测4.1、电路版的调试先用万用表检测电源正负叫

27、是否导通，然后将电路接进9负伏电源，再用万用表检测个元器件接触是否按照设计图纸上所接的一样。 调试结果：数码管显示计数范围099，但是很不稳定 原因分析：可能是元器件的接触不良或者红外发射-接受光通量不流畅解决方案：对所有元器件进行检查，确保接触完好4.2、电路版注意事项 1、注意导线的走向，避免压线、背面走线、走斜线，追求横平竖直，线路一目了然、美观的效果；2、原件布局整齐，方便走线，有条理；3、检查好元器件，确保无损坏，避免调试检查困难；4、检查元器件的管脚是否接对；5、给电路上电前检查所以元件是否装对，特别要注意的是240K的分压电阻；6、检查所有元器件是否接在同一电源的正负端； 7、在

28、插入芯片之前，用万用表检查10XR档电源的正负端是否导通； 8、确保红外发射-接受顺畅。4.3 调试结果 可以实现上述现象，由于元器件的性能和参数的影响，灵敏度不是很高。第五章 总结 本设计在老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着老师的心血和汗水，在3年的专科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向老师表示深深的感谢和崇高的敬意。 通过这次毕业设计使我对红外发射-接受计数器有了更深刻的体会。并对制作自制小电路板的过程和制作过程中出现的问题熟悉和解决方法。特别是对红外发射-接受计数器里的几个重要的电路 如：电压比较器

29、，光电耦合电路，信号放大电路.基本工作原理、分析方法、技术要求有所了解，在焊接电路和布线有了自己的理解，在元器件的工作原理，元器件参数，元器件管脚及一些典型集成电路的实际应用有了新的认识，并且具备一定的理论水平和足够的实践技能，为以后学习提供了基础。在设计中用到了Protel制图软件，通过画PCB板对该软件有了熟悉过程。参考文献：数字电子技术邱寄帆 唐程山；人民邮电出版社；2009年5月模拟电子技术基础陈仲林 武玉升 王靓；人民邮电出版社；2008年12月附表： 元器件表 型号规格数量名称型号规格数量电阻1k14极性电容1uF1电阻30k3无极性电容100pF1电阻2.4K1红外发光二极管SE3031电阻62K2光敏三极管3DU121电阻1M1三极管2SC2181电阻10k3光电耦合器4N351电阻3.9K1共阴极显示器2芯片CD45432PCB板1芯片CD45181芯片LM393118