光电计数器的设计..

课程设计说明书

课程设计名称：数字电子技术基础课程设计题目：

学院名称：

专业：班级：

学号：姓名：

评分：教师：

20 年月

数字电路 课程设计任务书 13 － 14 学年 第 1学期 第 2 周－ 3 周

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。题目

光电计数器的设计

内容及要求

〖基本要求〗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。

〖提高要求〗l)发光器件和光接收器之间的距离大于lM(提示：若距离较远可增大发光二极管的电流，这种情况下只能采用脉冲供电方法，此时有物体和无物体其输出频率会产生变化

2)有抗干扰技术，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差

3每计数100，用灯闪烁2S 指示一下

进度安排 1. 仿真、画PCB 线路板图、领元器件：2天

2. 制作、焊接：2天3．调试：3天

3. 验收：1天

4. 提交报告：13-14学年第一学期3～7周

学生姓名：

指导时间：第2～3周

指导地点： 任务下达

13年 9 月 7 日 任务完成 年 月 日 考核方式

1.评阅 □√

2.答辩 □√

3.实际操作□√

4.其它□ 指导教师 系（部）主任

摘要

光电计数器的设计可对物件计数，计数物件速度可慢、可快，它在生产流水线包装数量控制等领域广泛应用，既节省劳动力又高效地完成任务。

设计采用模数结合电路。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，报警。当计数达到预设数目后，停止计数并报警，可手动清除报警。

关键词：计数感应报警

目录

前言 (1)

第一章设计要求 (2)

1.1 基本要求 (2)

1.2 提高要求 (2)

第二章系统组成及方案设计 (3)

2.1 系统组成 (3)

2.1 方案一 (3)

2.2 方案二 (4)

2.3 方案比较与选择 (4)

第三章单元电路的工作原理 (5)

3.1 光电转换电路 (5)

3.2 计数电路 (5)

3.3 报警电路 (7)

3.4 电路仿真 (9)

第四章组装、调试及测试结果与分析 (10)

4.1 焊接是特别要注意的几点： (10)

4.2 调试与测试结果 (10)

4.2.1 调试的步骤 (10)

4.2.2 调试中的问题 (10)

4.2.3 结果 (11)

第五章总结 (12)

参考文献 (13)

附录一元件清单 (14)

附录二总电路图 (15)

附录三方案一原理图 (16)

附录三电路仿真图 (17)

前言

21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感器是获取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。基于光电效应的传感器，光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而光电式传感器是一种应用极广泛的重要敏感器件。光电计数器的设计是一种比较初级的利用光电传感器发出信号脉冲进行计数的一种简单光电系统。

光电计数器可完成小型的计数功能，可应用于小教室和小餐厅等小容量的场所，进行相应的计数功能，具有很大的实用价值。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。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。本次设计的光电计数器为非接触式计数器中的一种。

在该光电计数器中，计数的过程其实是获取脉冲源的过程，首先遮挡物遮挡光电传感器产生一下降沿，拿掉遮挡物产生一个上升沿，使计数器得到一个脉冲进行计数。之后计数器输出一个信号输入到译码器中，由译码器控制数码管的显示，数码管最大显示99。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，可手动解除报警。

整个电路的设计先借助于仿真软件proteus仿真，得到了预期的结果，而后依据仿真图在实验室焊接、调试，实现了预定的功能。

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第一章设计要求

1.1 基本要求

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。

1.2 提高要求

l)发光器件和光接收器之间的距离大于lM(提示：生于距离较远；需要增大发光二极管的电流，这种情况下只能采用脉冲供电方法，此时有物体和无物体其输出频率会产生变化

2)有抗干扰技术，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差

3)每计数100，用灯闪烁2S指示一下

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第二章系统组成及方案设计

根据设计要求，方案的设计与制作过程都分为三个部分：产生脉冲源、两位十进制计数、报警。

2.1系统组成

本电路设计的系统框图如图3.1所示。

图3.1系统设计原理框图

2.1方案一

第一部分：产生脉冲源。根据设计要求利用发光二极管和光敏三极管产生光电转换信号，并经过555单稳电路输出稳定的脉冲源。

第二部分：两位十进制计数。利用CD4518芯片进行串行计数，将设计的低位输出的4Q接高位的使能端，使得CD4518芯片的两位十进制输出端位有高低之分，再用CD4511芯片译码，将译码结果输出给共阴数码管。同时通过CD4511芯片的LE锁存控制端，使译码器的输出在99的时候停止。而用CD4518芯片的1引脚CK端进行清零操作。

第三部分：报警，使用NE555芯片多稳震荡电路。将NE555芯片的4引脚当做电路的开启端，当4为高时，芯片开始工作，此时NE555与外围电路构成多谐振荡，实现发光LED的闪烁，蜂鸣器报警的作用。

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2.2方案二

第一部分：产生脉冲源。询问老师并查阅资料后，发现光电转换电路产生的下降、上升沿比较稳定，所以在这个方案中直接采用光电转换电路产生脉冲源。

第二部分：两位十进制计数。在这个方案中，使用74LS160进行编码，并通过他的引脚1实现清零的操作，引脚10实现锁存功能。再经过74LS47译码给共阳数码管，实现从00—99的计数。

第三部分：报警功能。这部分电路与方案一的设计相同。通过NE555芯片与外围电路构成多谐振荡，实现发光LED的闪烁，蜂鸣器报警的作用。

2.3方案比较与选择

方案一虽然比方案二实现起来更稳定一些，但这这是一个小实验，使用方案一会使简单问题复杂化，有些部分不需要也可以达到实验效果，而且方案二也比方案一更经济实用，总体来讲方案二比方案一的元器件少一些，焊起电路来会更方便一些，分析实验时也会更有效简洁，更主要的是在学科设计中接触74LS160芯片比较多，对其功能比较了解，所以最后决定用方案二来完成实际电路。

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第三章单元电路的工作原理

3.1光电转换电路

发光器件（例如LED）的输出光强于与通过其工作电流成正比，发光侧与接收侧的距离越大时，要求输出光强也越强，即要求工作电流越大。一般LED的工作电流约为10—50mA，因此为了提高传送距离，必须提高LED的工作电流。无遮挡物挡光时，输出一个高电平，产生一个上升沿；有遮挡物挡光时，输出一个低电平，产生一个下降沿。根据此原理可向计数电路输送其所需脉冲。

图3.2 光电转换电路

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200Ω，光敏三极管在无光照射下，电阻可达数兆欧姆，有足够的光照时，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。

3.2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，减少其它器件的使用，通过查看各种计数器芯片的技术手册，选取74LS160为该电路计数元件。下图所示为计数电路：

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图3.3 两位十进制计数电路

设计要求是两位的十进制计数器，根据74ls160的功能图可知，将芯片的进位端连接高位芯片的P、T端，使其只有在低位芯片计到9，Co端输出高电平时才在下个脉冲来到时计一个在十位的数。当芯片的CR非端、LD非端，即引脚1、引脚9为高电平时，引脚10由高电平变为低电平，则电路将会处于保持状态。根据电路知高低位芯片的Q3、Q2、Q1、Q0分别为1001时，经过与门与与非门的作用，此时引脚10的电位将会由高电平变为低电平，使电路处于保持状态。而当CR非端低电平时，电路无论何种状态，芯片产生的功能都为异步清零，将输出直接清零。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。

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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74LS47共阳数码管驱动器，配套选取共阳八段数码管，但小数点位不用。74LS47为内部有上拉电阻的BCD —七段数码管译码器/驱动器，输出端为低电平有效，可用于驱动缓冲器或共阳数码管。其功能表如表3-1所示：

表3-1 74ls47功能表

根据功能表，将LT RIB RBO

BI 、、/即引脚3、4、5接高电平，30~A A 接计数电路的30~D D ，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，其中公共端要接电阻，起限流作用，保护共阳数码管不被烧坏。由于数码管相当于并联LED ，因此前面计算的限流电阻计算值仍然适用，但又由于是LED 并联情况，在正常工作时，存在同时数个LED 共同发光的情况，总线中的电流加大，因此应适当减小限流电阻的大小，这里选取100Ω的电阻。

3.3 报警电路 该电路是为了实现数码管显示值为99时报警，此外计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作。当74LS00输出一个输出一个高电位给NE555芯片的4引脚，此

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信号可用来触发满百报警电路。引脚4为高电位时，触发由NE555与外围电路构成多谐振荡，使其输出一个周期为两秒的高电平，使LED 灯闪烁。

NE555是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA ，因而其输出可与 TTL 、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

由555定时器和外接元件1R 、2R 、C 构成多谐振荡器，引脚2与引脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通

过1R 、2R 向C 充电，以及C 通过2R 向放电端放电，使电路产生振荡。电容C 在32vcc 和3vcc

之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。输出信号的时间参数为：

21w w t t T += （1）

C R t w 227.0= （2） C R R t w )(7.0211

+= （3）

故

C R R T

)2(7.021+= （4） 报警电路中，根据设计的参数闪灯与峰鸣周期：

()s C R R T 2)2(7.05128=+= （5）

考虑其的最佳占空比，将8R 、12R 设置为常用的10k Ω和4.7k Ω，再根据计算将电容5C 设为100uF 。

则电路中周期的计算为

()()()

s C R R T 21010027.4107.07.035128=???+=+=- 报警器采用蜂鸣器，只需要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

R取值为100Ω。74LS00输出端为锁定信号，用于锁定计数器，处于锁定

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状态时，按下复位电路的复位键后，解除报警，计数器重新开始计数。

图3.4 报警电路

3.4电路仿真

设计的正确性通过proteus软件仿真进行验证，仿真的结果证实了设计的电路是正确的。当计数到99时，显示器将不会改变，蜂鸣器与二极管在高低电位间，可以实现其功能，只有按复位键后才开始由00重新计数。

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第四章组装、调试及测试结果与分析

4.1 焊接是特别要注意的几点：

1.共阳数码管的各引脚接到不同的管脚分清，要不然会产生乱码。

2.安装时要求发光管与接收管正对，同时为避免自然光线干扰引起的误计数，可在接收管上套一段黑色圆筒作遮光筒。

3.注意芯片的耐温能力，避免烧坏元器件，可以采用引热的方法。

4.连线过程不能发生短接，不然轻则短路，重则烧坏元器件。

4.2调试与测试结果

4.2.1调试的步骤

焊接时，每焊接完一个模块都要进行调试。不要把所有的电路全部焊接完了再进行调试，否则如果出现问题将会很难查出来，而且还会给修改电路带来不必要的麻烦。芯片的管脚要正确读取，接电源的管脚和接地的管脚不可搞反。万能板上的电源线和地线要分清楚，焊接时千万不能搞错。

芯片的安装要注意芯片管脚和插座管脚要对应。数码管的两个公共端要分别接电阻后再接地。

电路焊接完毕后，对照原理图检查是否有漏焊、错焊之处，特别要检查电源引线是否短路。确认无误后，将电路的三个模块连接起来，上电调试，先查看感觉各元器件是否正常工作，是否有异味、发烫等，如有即及时断电检查；若无，测试电路是否完成相应功能，若不能实现某些功能，首先检查相应功能块电路的核心元件是否工作，如检查震荡电路时，先检查555是否起振，用示波器查看2管脚是否有电容充放电的波形，如有，则能正常起振；若无，检查该振荡器是否焊接正确，元件是否选取正确等。

4.2.2调试中的问题

电路的调试过程中，一上电，蜂鸣器就一直响，最后发现是接报警电路的与非门部分与与非的判断错误，应该由另外一个与非门的输出端与上高电位再非的，而在这

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之前与非门的另一端接了低电位，所以电路一上电NE555的4引脚就为高。而不是当显示器显示99时，才报警。经过调试后报警正常。

调试过程中，还碰到一个棘手的问题，计数部分计数不正常，但是在光电转换电路与计数部分焊一个断点，再用直流脉冲接在CLK计数部分的脉冲输入端时，计数却显示正常。在解决问题的过程中，焊了多个焊点进行调试，也在可能出现问题的地方加减元器件调试。但是却没找到是哪部分的问题，最后将光电部分全拆了再到CLK 端输入直流脉冲时，发现计数不是按顺序跳动，在输入端接了个上拉电阻后，计数变成正常的，再重新焊入光电部分后，发现计数正常。

4.2.3结果

经测试后，电路正常工作，相关功能完全实现：用手通过一次光电门，记数加一；当计数达到预设的数字时，停止计数，LED灯以周期2秒闪烁，同时发出报警声，报警声也以2s为周期鸣响，按下复位键停止报警，电路重新工作。

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第五章总结

这次课设是围绕数字电路这门课程，而光电计数器则是以编码器、译码器为基本核心设计出来的。电路的设计过程中，查阅了很多相关编码器、译码器芯片的功能，为电路设计提供了很多的假设，发现有多种方法可以实现功能，最后选择了一种最简便的方式。对于共阴、共阳数码管也参阅了相关的知识，了解到共阴、共阳数码管是对芯片搭配实现功能的。而通过翻阅NE555的资料发现它的功能远比我们学的要多，可以通过它组成的单稳、多稳电路实现振荡、稳定输出等功能。

制作和调试过程中，在保证设计方案可行性的前提下，将电路焊接出来，再经过一定的调试，最终实现基本要求和提高要求的全部功能，证实了方案的正确性及可行性。本次设计中，全部采用分立元器件或常用的小规模集成电路，电路结构简单可靠，能够提供准确的统计值，成本低廉，非常适合小型加工厂的产品流水线中自动统计产品个数等。电路采用模块化设计，因此具有较高的二次开发性，如将电路用于统计一定时间中吊瓶滴下液滴的数目从而估量点滴的速率，用来判定是否点滴是否将要滴尽还可应用于报警器中等等。

通过这次设计，巩固了之前学习的数字电路与模拟电路的相关知识，并把这些知识运用到实际中。这次设计是理论和实践的相结合，放大了理论和实践之间的差别，积累了设计经验。从这次课程设计中，学到了很多的专业知识，以及一些宝贵的心得。从找寻参考书这方面来说，别人的答案只能参考，不能照搬。要有独立的见解，善于发现错误，勤于讨论和提问，这样才能改正错误，才能汲取更多的知识和经验。

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参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.5

[2]赵珂，彭嵩.电子技术实践(三).南昌航空工业学院电子信息工程学院电子实验实践中心，2007.3

[3]谢自美.电子线路设计.武汉：华中理工大学出版社，2003

[4]周润景，张丽娜.刘映群.PROTEUS入门实用教程.北京:机械工业出版社,2007

[5]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

[6]李忠播，袁宏.电子设计与仿真技术.北京:机械工业出版社,2004

[7]黄正谨.综合电子设计与实践.南京:东南大学出版社,2002

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附录一元件清单

名称数目74LS160 2 74LS47 2 74LS08 1 74LS00 1 NE555 1 共阳数码管 2 B键 1 光敏三极管 1 发光二极管 1 NPN三极管 1 蜂鸣器 1 LED灯 1

电阻200Ω 1 33kΩ 1 100Ω 2 10kΩ 2 510Ω 2 4.7kΩ 1

电容10nF 1 4.7μF 1 10μF 2

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附录二总电路图

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附录三方案一原理图

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