计数器
——光电计数器设计报告
光电计数器设计报告
一、实验目的
1．掌握非电量测量系统的工作原理，学习传感器知识。
2．掌握555时基电路构成单稳态触发器、多谐振荡器的设计方法。
3．掌握数字电路计数、译码、显示系统的工作原理及设计方法。
二、设计要求及技术指标
（一）基本部分
1．发光器件和光接收器件之间的距离大于1m。
2．有抗干扰技术，防止背景光或瓶子抖动产生误计数。
3．最大计数值为99。
4．每计数100，用灯闪烁2s指示一下。
5．LED数码管显示计数值。
6．工作电源为220V交流电。
（二）发挥部分
1．可上电自动复位和外部手动人工复位。
2．高位为零时，采用灭零处理。
3．发光器件和光接收器件之间的距离大于2m。
4．每当计数值达到100时，灯闪烁的同时喇叭发出提示音（音频为500-1000Hz之间）。5．在原电路基础上通过一个开关的设置实现倒计数器。
三、光电计数器简介
在啤酒、汽水和罐头等灌装生产线上，常常需要对随传送带传送到包装处的成品瓶进行自动计数，以便统计产量或为计算机管理系统提供数据。光电计数器是通过红外线发射和接收进行计数，有直射式和反射式两种，通常用于流水线作业工件计数。直射式的发射、接收分体，发生器和接收器分别置于流水线两边，中间没有阻挡时发射器的红外线射到接收器，接收器收到发射来的红外线，经相反处理使之没有信号输出，有工件经过时挡住光路，接收机失去红外线信号的便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。发射式是发射、接收同体，置流水线一边，前面没有工件往下流时，发射器发出的红外线直接射出没有发射，接收器没
有接收到反射来的红外线信号没有输出。有工件经过时挡住光电路使发射器发出的红外线信号发射到接收器上，接收器接收到反射来的红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。
四、设计方案比较
方案一：采用组合逻辑电路和时序逻辑电路实现
电路框图如图4-1所示，
图4-1 方案一电路框图
主要设计思路为：没有瓶子挡光时，光接收电路输出低电平，有瓶子挡光时，光接收电路输出高电平。所以每当有一个瓶子通过时，光电转换电路输出一个正脉冲通过单稳态电路给计数电路，计数电路累加计数。由于当计数达到99后，若再有瓶子通过，由555组成的单稳态电路便会输出一个持续时间为2s的高电平脉冲，与另一个由555组成的方波发生器电路一起经过一个与门以及三极管驱动后使LED灯闪烁2s，同时蜂鸣器发出响声作为提示音。
方案二：采用单片机编程实现
利用单片机外部中断方式，当光电转换电路检测到外界有物体移动时，输出由高电平变为低电平。将这一负跳变信号传送给单片机可使其产生一次外部中断，进而执行中断中的指令，由中断服务程序控制计数，LED灯闪烁以及蜂鸣器响。
程序流程图如图4-2所示，
方案比较：
方案一采用组合与时序逻辑电路,采用模块化方法设计电路图，易于实现对电路的检查，且制作成本较低。但其运用了较多的模拟器件，比较容易受到外界的影响。方案二运用单片机编程，可降低设计电路的周期。但编程与程序调试过程较为复杂，且购买单片机成本较高。故综合考虑后，我们决定采用了方案一完成本次课程设计，具体各部分电路图如下文所述。
五、主要元件介绍
1、74LS190
74LS190为十进制同步加/减计数器74LS190。其管脚图和功能表如图5-1和图5-2所示：
图5-3 74LS190管脚图
图5-2 74LS190功能表
74LS190 的预置是异步的，当置入控制端（ LD ）为低电平时，不管时钟CP 的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（D0～D3）相一致的状态。74LS190 的计数是同步的，靠CP 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端（CT ）为低电平时，在CP 上升沿作用下Q0～Q3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（U /D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制（U /D）为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CT 和U /D 才可以跳变。74LS190 有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP 脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（ RC ）输一个宽度等于CP 低电平部分的低电平脉冲。利用 RC 端，可级联成N 位同步计数器，当采用并行CP控制时，则将RC 接到后一级CT ；当采用并行CT 控制时，则将RC 接到后一级CP。我们的设计中也用到了这个功能。
2、74LS47译码器
74LS47管脚图和功能表如图5-3和图5-4所示：
图5-3 74LS47管脚图
图5-4 74LS47功能表
74LS47是驱动共阳极LED数码管的译码驱动器。为了直接驱动指示灯，74LS47的输出端是低电平作用的，即输出为0是，对应的字段点亮；输出为1时，对应的字段熄灭。译码
器有4个使能端，灯测试输入LT、静态灭灯输入BI、动态灭零输入RBI、动态灭零输出RBO。
当LT接低电平且BI/RBO端接高电平时，译码器各段输出低电平，数码管七段全亮，因此可利用此端输入低电平对数码管进行测试。RBI是动态灭零输入使能端，LT=1，RBI=0时，如果输入数码DCBA=0000，译码器各段输出端均为高电平，数码不显示数字，并且灭零输出RBO为0。利用RBI端，可对无意义的零进行消隐。BI是静态灭灯输入使能端，它与灭零输出RBO共用一个输出端，当BI=0，不论DCBA为何值状态，译码器各段输出均为高电平，显示器各段均不亮，利用BI可对数码管进行熄灭或工作控制。
RBO 是动态灭零输出，当RBI =0，LT =1，DCBA=0000时，表示译码器出于灭零状态，
此时BI /RBO 为输出端，输出RBO =0。RBO 端的设置主要用于多个译码器级联时，对无意义的零消隐。在本次的设计中，我们用动态灭零端实现零消隐。 3、数码管
图5-5 数码管管脚图
中小型的荧光数码管和发光二极管显示器多采用七段形式显示。荧光数码管是一种真空管，其外形引脚如上图所示，灯丝兼作阴极，阳极由涂发光物质的材料制成，其形状为a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ，七个笔画段构成的8字，也可增加一个点状显示灯表示小数点。阳极与阴极之间设有栅极，当灯丝加热时发射电子，经加20V 电压的栅极加速后撞击到阳极，如该阳极接有20V 高压则发出荧光；若该阳极未接高压则不发荧光，由此显示相应的字形。七段发光二极管显示器的原理与荧光显示器相似，用七个发光二极管构成a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 七个笔画段，并分为共阳极和共阴极两种连接方法。共阳极是将七个发光二极管的阳极接在一起并接在正电源上，阴极接到译码器的各输出端，当哪个发光二极管的阴极为低电平时对应的那个发光二极管就导通发光。共阴极则是将七个发光二极管的阴极联在一起并接地，阳极译码器的各输出端，哪一个阳极为高电平时对应的那个二极管就发光。我们在实验中用到的是共阳极的数码管，在连接电路的时候将3、8两个管脚都接到正电源上。 4集成555定时器
集成555
U U
图5-6 成555定时器的管脚图图5-7集成555定时器内部结构图
表5-1集成555定时器功能表
555定时电路由2个比较器、1个基本RS触发器、1个反相缓冲器、1个漏极开路的NMOS管和3个5K的电阻组成分压器组成。555外接适当的电阻、电容能方便的构成单稳态触发器和多谢振荡器。在本次设计中，我们采用555构成单稳态触发器来控制计数到达99时灯亮的时间以及防止瓶子抖动而重复计数；除此之外，还用555构成多谐振荡器来控制灯闪的频率和蜂鸣器发声的频率。
5、74LS00与非门
74LS00管脚图如图5-8所示：
图5-8 74LS00管脚图
6、74LS08管脚图如图5-9所示：
图5-9 74LS08管脚图
7、三端集成稳压器
L78、79系列集成稳压器是一种有广泛用途的三端集成稳压器。W78系列三端集成稳压电路具有固定输出正电压，L79系列三端集成稳压电路具有固定输出负电压。这两个系列稳压器都具有较完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路，因而他的工作是比较可靠的。字母后面的数字表示输出电压，电压等级：5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V。在本次试验中，实验中要求工作电源为220V交流电，而芯片供电应为5V,因此我们选用L7805，作为稳压芯片。
8、整流桥
整流桥的作用是将交流电转变为直流脉动电压。整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。最大整流电流从0.5A到100A，最高反向峰值电压从50V到1600V。一般整流桥命名中有3个数字,第一个数字代表额定电流;后两个数字代表额电压。本实验用RS307，即额定电流3A，额定电压1000V。
五、设计电路
1．计数、译码、显示及上电和手动清零电路
接光电转换防抖电路
图5-1计数、译码、显示及上电和手动清零电路图
计数、译码、显示及上电和手动清零电路如上图所示。74LS190为十进制可加减计数器，其中，74LS190（U2）为低位，74LS190（U1）为高位。74LS190（U2）的时钟端与光电转换电路相连，用光电转换电路的输出端的电平变化作为计数时钟脉冲，用来计数；74LS190（U1）的时钟端与4LS190（U2）的进位位相连，实现向高位进位的目的，从而实现计数功能。用7447与七段数码管相连，实现计数的译码和显示。从上面介绍过的7447的功能表不难看出，将7447（U3）的RBI直接接地，可以实现高位的零消隐。单刀双置开关J1用来控制加减计数。当J1为低电平时，是加法计数；当J1为高电平时，为减法计数。单刀双置开关J2用作手动清零。当复位端为零时，手动复位。
2．单稳态电路
（1）由于要求计数达到100时，灯要闪烁2秒，同时喇叭发出提示音。我们用NE555组成的单稳态电路在计数超过99时，产生一个持续时间为2S的高电平脉冲，用做LED灯闪烁及蜂鸣器蜂鸣的门电路。电路图如下：
图5-2单稳态电路图
上图为单稳态电路，暂态时间tw=1.1RC,经计算，s t w
2.2101021.155=???=-，基
本符合实验要求。
（2）为防止瓶子抖动，而多次触发计数，我们在光电开关之后加入一个单稳态电路以防止其多次触发。我们选取1s 的单稳电路。又由于光电开关在未挡住时是低电平，而挡住时是高电平，而单稳电路是负脉冲触发，因而在光电开关和单稳电路之间加一个非门，以实现光电开关的正确触发，具体电路图5-3所示：
图5-3 光电转换防抖电路
3.方波发生器
方波发生电路依然由NE555组成。由NE555组成的振荡电路产生任意频率可调的方波信号。方波发生器输出信号与单稳态输出的信号相与，用于控制LED 等的闪烁的频率和蜂鸣器的频率。不同的频率可以由电阻及电容值的变化来控制，控制蜂鸣器和LED 频率的电路分别如下图5-3和5-4所示。由于人眼的视觉暂留效应，为能准确分辨灯的闪烁，取为0.2s 。而蜂鸣器的频率要求在500~1000HZ 之间。计算后，可以得到电阻及电容的相关参数。其中图5-4频率为0.2s ，图5-5频率为0.0016s （621HZ ）。
图5-4 周期为0.2秒的方波发生器
接光电开关
1M
图5-5 频率为621Hz 秒的方波发生器
4.驱动
1）LED 灯闪烁电路
?
图5-6 LED 灯闪烁电路
LED 灯闪烁电路如上图所示，当输入端为高电平时，LED 灯亮，当输入端为低电平时，LED 灯灭。 2）蜂鸣器电路
74LS08D
图5-7蜂鸣器电路
蜂鸣器电路如上图5-6所示，原理与LED灯闪烁电路大致相同，在此不再赘述。
5.5V电源电路
在电子电路中，通常需要电压稳定的直流电源供电，小功率稳压电源一般是由电源变压器、整流、滤波和稳压四部分电路组成。经计算，变压器选取220V转9V，10W变压器，电路图如图5-7所示。
图5-7 5V电源电路
U1
六、电路图
图6-1 光电计数器电路图
七、测试结果分析，调试过程中所遇故障的分析
这次实验我们中所需要的基本要求我们全部达到，拓展部分除上电自动复位以外也全部达到设计要求。
这次实验的调试过程，我们主要遇到了四个方面的问题：
1、电源部分焊接测试过程，电源线、地线“短路”。
焊接电源部分的过程当中，为了测试是否有连线错误，我们将万用表的蜂鸣档分别连接在电路板的电源线和地线上，发现经常会响一下后停止。检查后我们认为电路并没有连错，经过分析，判断原因是突然给跨接在正负极两端的电容一个电压跳变，电容瞬间导通而造成的结果。焊接完成后，电路无误，电源可以正常使用。
2、光电开关无法抗干扰。
在设计电路的过程中，我们查阅资料认为使用的光电开关可以自动完成抗干扰功能，便没有设计抗干扰电路。但实际测试时发现光电开关无法抗干扰，于是我们又加入了由555构成的单稳态电路进行抗干扰。原始设计暂态时间为0.2秒，效果并不明显，后改为1秒，可看出明显效果。
3、LED灯不亮。
原始设计我们打算用三极管放大电流驱动LED灯闪烁，但实际测试发现三极管基极电压无法使LED点亮。最后我们放弃使用三极管，直接将LED串联一电阻接入，达到了理想的效果。
4、计数停滞。
电路使用时，在计数值为80,88,20等数字时计数经常会停止，开始我们认为是电路虚焊，但调试始终不正确。后来我们尝试用自己焊接的电源供电，而不用电池，问题得到了解决。分析认为是电池提供电压不足，在数码管点亮段数过多时，电路便无法正常工作。
八、设计过程的体会
九、元件清单
十、参考文献
[1]侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计[M].北京：高等教育出版社,2007.
[2]侯建军.数字电子技术基础[M].（第二版）.北京：高等教育出版社,2007.