數電課程設計報告---光電計數器設計

1、<p><b>　?。ɡ?工 科 類）</b></p><p>　?、?、課程設計（報告）題目：</p><p>　　對生產線產品計數的光電計數器設計 </p><p>　?、?、課程設計（論文）工作內容</p><p>　　一、課程設計目的

2、 </p><p>　　通過電子技術基礎（模電、數電）課程的學習，使學生在掌握基本理論知識的基礎上，學會常見電子集成器件的使用。</p><p>　　通過設計一個模數結合的小型電子電路系統(tǒng)，使學生了解電子電路設計的方法、步驟；學會元器件的選用；學會用軟件仿真驗證設計方案的正確性；培養(yǎng)綜合運用知識和獨立開展實踐創(chuàng)新的能力。</p><p>

3、　　通過搭建調試電路，進一步熟悉相關儀器設備的使用。</p><p>　　通過繪制電路圖，熟悉Protel的使用，擴充專業(yè)知識技能。</p><p>　　規(guī)范化訓練學生撰寫技術研究報告，提高書面表達能力。</p><p>　　二、課程設計任務與要求</p><p><b>　　1、基本部分：</b></p>

4、<p>　　1）由光耦實現產品監(jiān)測；</p><p>　　2）由計數器對脈沖信號計數，計數結果經LED顯示；</p><p>　　3）計數范圍0~99，電路具備手動清零功能。</p><p>　　4）根據要求設計電路，畫出原理圖，用EWB仿真，驗證設計方案；</p><p>　　5）學習使用Protel，畫出系統(tǒng)的PCB圖。<

5、;/p><p><b>　　2、發(fā)揮部分：</b></p><p>　　1）計數結果要求實現十位數的動態(tài)“零消隱”，即：當計數結果不超過10時，十位數的那個數碼管無顯示；</p><p>　　2）報告第三部分給出其他設計方案，畫出仿真實現的電路圖，并與參考方案對比分析。</p><p><b>　　三、課程設計考核

6、</b></p><p>　　平時20%；驗收40%；報告40% </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　21世紀是信息時代，是獲取信息，處理信息，運用信息的時代。傳感與檢測技術的重要性在于它是獲得信息并對信息進行必要處理的基礎技術，是獲取信</p><p>　　息和處理加工信息的

7、手段，無法獲取信息則無法運用信息。　　光電式傳感器是將光信號轉化為電信號的一種傳感器。它的理論基礎是光電效應。這類效應大致可分為三類。第一類是外光電效應，即在光照射下，能使電子逸出物體表面。利用這種效應所做成的器件有真空光電管、光電倍增管等。第二類是內光電效應，即在光線照射下，能使物質的電阻率改變。這類器件包括各類半導體光敏電阻。第三類是光生伏特效應，即在光線作用下，物體內產生電動勢的現象，此電動勢稱為光生電動勢。這類器件包括光電池、

8、光電晶體管等。光電效應都是利用光電元件受光照后，電特性發(fā)生變化。敏感的光波長是在可見光附近，包括紅外波長和紫外波長。數字式電子計數器有直觀和計數精確的優(yōu)點，目前已在各種行業(yè)中普遍使用。數字式電子計數器有多種計數觸發(fā)方式，它是由實際使用條件和環(huán)境決定的。有采用機械方式的接觸式觸發(fā)的，有采用電子傳感器的非接觸式觸發(fā)的，光電式傳感器是其中之一，它是一種非接觸式電子傳感器。采用光電傳感器制作的光電式電子計數器。這種計數器在工廠的生產流水線上作產

9、品統(tǒng)計，有著其他計數器不可取代的優(yōu)點。</p><p>　　【關鍵詞】光電效應 光電傳感器 光電計數器</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The 21st century is the age of information, it is the access to information, treatme

10、nt information, use of the information age. Sensing and detection technology is important because it is the access to information and the information necessary to deal with the underlying technology, is access to informa

11、tion and means of processing information, unable to get information you won't be able to use information.</p><p>　　Photoelectric sensor is a light signal into an electric signal of the sensor. It is the

12、theoretical basis of the photoelectric effect. These effects can be broadly divided into three categories. The first type is outside of the photoelectric effect, namely, in daylight, can make the tungsten surface. Use th

13、is effect caused by device with vacuum photocell, photomultiplier tubes, etc. The second category is the photoelectric effect, i.e., in the light, can make the electrical resistivity of the ma</p><p>　　【 Key

14、words 】photoelectric effect photoelectric sensor photoelectric counter</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、光電感應計數器課程設計1</p><p>　　2、課程設計（報告）任務書2</p><p><b>

15、　　3、摘要（中文）3</b></p><p><b>　　4、摘要（英文）4</b></p><p><b>　　5、目錄5</b></p><p>　　6、設計任務及方案6</p><p>　　7、光電計數器系統(tǒng)簡介6</p><p>　　7.1計數器系統(tǒng)的基

16、本特點6</p><p>　　7.2計數器系統(tǒng)的組成7</p><p>　　7.3電路整體原理10</p><p>　　7.4 Protel99的學習及應用13</p><p>　　7.5調試及測試過程中的問題及查找故障的方法14</p><p>　　8、其它設計方案與比較14</p><p>

17、<b>　　9、結果16</b></p><p><b>　　10、結束語17</b></p><p><b>　　11、附錄17</b></p><p><b>　　第一章 系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　設計任務及總體方案&l

18、t;/b></p><p>　　該計數器系統(tǒng)總體設計方案較為簡單，用光電感應器實現對生產線產品的數量的采集，將信號傳送到防干擾的遲滯比較器，共經過兩級比較器，傳輸信號脈沖，通過74ls162計數器進行計數，計數范圍是0～99，通過 4 511七段譯碼器進行譯碼，輸出信號給LED數碼管進行顯示。其中，個位計數器的進位標志位接到十位計數器的計數控制端CET和CEP控制十位計數器工作計數，因為74ls162是十進

19、制計數器，計數的結果是BCD碼0000～1001，經過譯碼器數碼管后顯示的十進制00～99。，本設計還實現了十位數的動態(tài)“零消隱”，（當計數結果不超過10時，十位數的數碼管無顯示，原理就是將十位計數器的輸出端通過4072進行相或，從而只有當數碼管個位顯示時十位數碼管BL端低有效，即十位數碼管熄滅）。本設計還實現清零時，是兩位數碼管都顯示0，因為這樣可以讓工作人員方便確定計數系統(tǒng)工作正常，原理就是利用7404的非門功能，輸入端接復位端，輸

20、出與十位七段譯碼器的滅燈輸入端BL端相接，每當復位時，BL就會輸入高電平，從而使兩個數碼管都會清零。</p><p>　　實際情況下，生產線上產品每經過光電傳感器，信號在通過兩級比較器后，就會有一個上升沿信號作為時鐘信號，控制計數器工作，同時計數開始，可以連續(xù)實現對100個產品進行計數，如需重新開始，只要按下清零按鍵就能重新計數</p><p>　　第二節(jié) 光電計數器系統(tǒng)簡介</p&

21、gt;<p>　　一、計數器系統(tǒng)的基本特點</p><p>　　本系統(tǒng)具有體積小、硬件少、電路結構簡單及容易操作等優(yōu)點。本計數器可將機械或人工計數方式變?yōu)殡娮佑嫈?，并且采用ＬＥＤ數碼顯示，簡單直觀，可適用于諸多行業(yè)，以滿足現代生產、生活等方面的需求。隨著生產技術的不斷改善和提高，在現代化生產的許多場合都可以看到計數器的使用。本計數器具有低廉的造價以及控制簡單等特點。</p><p

22、>　　該系統(tǒng)還具有以下特點：</p><p>　?、?、該系統(tǒng)具有清零功能，工作人員可以通過復位開關使兩個數碼管都顯示零，這樣可以方便進行人工操作以及確認計數器是否正常工作；原理就是利用7404的非門功能，輸入端接復位端，輸出與十位七段譯碼器的滅燈輸入端BL端相接，每當復位時，BL就會輸入高電平，從而是兩個數碼管都會清零。</p><p>　　、該系統(tǒng)還具有十位的“零消隱”功能，原理就

23、是將十位計數器的輸出端通過4072進行相或，從而只有當數碼管個位顯示時十位數碼管BL端低有效，即十位數碼管熄滅。</p><p>　　、該系統(tǒng)還采用了抗干擾較強的遲滯比較器，這樣大大加強了其在實際生或中的應用能力，可以得到有效地推廣。</p><p>　　、該例光電觸發(fā)式計數器只有兩位數，但通過級聯(lián)可以擴展為四位，甚至多位</p><p>　　二、計數器系統(tǒng)的組成&

24、lt;/p><p><b>　　1、74LS162</b></p><p>　　圖1.1 74LS162引腳圖</p><p><b>　　、個位計數器</b></p><p>　　時鐘脈沖給的是比較器的輸出信號，計數器自上電起一直處于計數狀態(tài)，每當有產品經過光電對管之間時，計數器的CP端就接收到上升

25、沿信號，開始計數。進位輸出端接到十位計數器的技術控制端CEP和CEP，四個輸出引腳的信號作為七段譯碼器的輸入信號。</p><p><b>　　、十位計數器</b></p><p>　　時鐘脈沖給的是比較器的輸出信號，計數器的CP端就接收到上升沿信號時，還不能進行計數，只有當個位的計數溢出時，CEP和CEP端才高有效，進行計數。為實現任務書中十位數的動態(tài)“零消隱”，四

26、個輸出引腳的信號必須經過或門作為七段譯碼器的輸入信號。</p><p>　　74LS162引腳功能表：</p><p>　　PE Parallel Enable (Active LOW) Input并行啟用（低電平）輸入 </p><p>　　P0–P3 Parallel Inputs并行輸入 </p><p>　　C

27、EP Count Enable Parallel Input 計數啟用并行輸入 </p><p>　　CET Count Enable Trickle Input計數啟用涓流輸入 </p><p>　　CP ClOCk (Active HIGH Going Edge) Input時鐘輸入 </p><p>　　MR Master Re

28、set (Active LOW) Input主復位（低電平）輸入 </p><p>　　SR Synchronous Reset (Active LOW) Input同步復位（低電平）輸入 </p><p>　　Q0– Q3 Parallel Outputs (Note b)并行輸出（注b ） </p><p>　　TC Termin

29、al Count Output (Note b)終端計數輸出（注b ）</p><p><b>　　2、CD4511</b></p><p>　　圖2.1 CD4511 管腳圖</p><p><b>　　其電路原理如下：</b></p><p>　　CD4511是一個用于驅動共陰極 LED （數

30、碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器的特點：具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅動LED顯示其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當

31、輸入數據越過十進制數9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數據。a～g是 7 段輸出，可驅動共陰LED數碼管。另外，CD4511顯示數“6”時，a段消隱；顯示數“9”時，d段消隱，所以顯示6、9這兩個數時，字形不太美觀 ，若要多位計數，只需將計數器級聯(lián)，每級輸出接一只 CD4511 和 LED 數碼管即可。所謂共陰 LED 數碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應用中應接地。限流電

32、阻要根據電源電壓來選取，電源電壓5V使用510Ω的限流電阻。</p><p><b>　　3、LM393</b></p><p>　　圖3.1 LM393管腳圖</p><p>　　LM393參數如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 引腳功能表：</p><p><b>　　4

33、、數碼管　　</b></p><p>　　數碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數碼管和液晶（LCD）數碼管，數碼管是共陰極數碼管，譯碼器的輸出端接到數碼管的輸入端，輸出端與地之間接電阻510歐姆限流保護數碼管，否則數碼管容易燒壞。本設計提供的為LED數碼管（共陰極）。其引腳圖如圖2所示。</p><p><b>　　5、CD4072B</b></p>

34、;<p>　　設計中要實現“零消隱”，就要用到CD4072B四輸入或門，將計數器74LS162的輸出端Qa,Qb,Qc,Qd分別接入4072中，輸出端接入譯碼器4511的BI端，就可實現“零消隱”,見圖5.1</p><p>　　圖5.1 CD4072B引腳圖</p><p><b>　　三、電路整體原理</b></p><p>

35、;　　系統(tǒng)采用光電感應器實現對產品的數量的采集（由紅外發(fā)射管發(fā)出紅外信號，紅外接收管收到紅外信號使接地支路導通。當紅外信號被阻擋時，接地支路阻斷，由于電壓變化，電路向cp端輸出一個脈沖），將信號傳送到防干擾的遲滯比較器，共經過兩級比較器，傳輸信號脈沖，通過74ls162計數器進行計數，計數范圍是00～99，配合4 511七段譯碼器進行譯碼，輸出信號給LED數碼管進行顯示。其中，個位計數器的進位標志位接到十位計數器的計數控制端CET和CE

36、P控制十位計數器工作計數，因為74ls162是十進制計數器，計數的結果是BCD碼0000～1001，經過譯碼器數碼管后顯示的十進制00～99。實際情況下，生產線上產品每經過光電傳感器，信號在通過兩級比較器后，就會有一個上升沿信號作為時鐘信號，控制計數器工作，同時計數開始，可以連續(xù)實現對100個產品進行計數，如需重新開始，只要按下清零按鍵就能重新計數</p><p><b>　　EWB圖</b>

37、;</p><p>　　protel原理電路圖</p><p><b>　　效果圖</b></p><p><b>　　1、計數、譯碼部分</b></p><p>　　計數和譯碼由兩個個計數器、兩個譯碼器和兩個數碼管來完成，用于接收計數脈沖信號并將其轉化成單獨的信號輸出并顯示。在本系統(tǒng)中選用了74L

38、S162加減計數器、CD4511譯碼器和共陰極LED數碼顯示管。</p><p>　　74LS162是十進制同步計數器，TC是進位輸出端，當計數溢出時輸出一高電平脈沖，CEP和CET為計數控制端，只有都接入高電平是計數器才能計數，Q 0～Q3為輸出端，CP為時鐘輸入端，上升沿有效，SR端為低電平有效的異步清除輸入端，PE為低電平有效的同步并行置入控制端。</p><p>　　七段譯碼器74

39、HC4511是四輸入七輸出的譯碼器，當輸入8421BCD碼時，輸出高電平有效，用以驅動共陰極顯示器。當輸入為1010～1111六個狀態(tài)時，輸出全為低電平，顯示無顯示。LT是燈測試端，BL是滅燈輸入端，LE是鎖存使能輸入端。</p><p>　　四、 Protel99的學習及應用 </p><p>　　Protel 99采用全新的管理方式，即數據庫的管理方式。Protel 99 是在桌面環(huán)境

40、下第一個以獨特的設計管理和團隊合作技術為核心的全方位的印制板設計系統(tǒng)。所有Protel99設計文件都被存儲在唯一的綜合設計數據庫中，并顯示在唯一的綜合設計編輯窗口。Protel 99軟件沿襲了Protel以前版本方便易學的特點，內部界面與Protel 98大體相同，新增加了一些功能模塊。Protel公司引進了德國INCASES公司的先進技術，在Protel99中集成了信號完整性工具，精確的模型和板分析，幫助你在設計周期里利用信號完整性分

41、析可獲得一次性成功和消除盲目性。Protel99容易使用的特性就是新的“這是什么” 幫助。按下任何對話框右上角的小問號，然后選擇你所要的信息?，F在可以很快地看到 特性的功能，然后用到設計中，按下狀態(tài)欄末端的按鈕，使用自然語言幫助顧問。</p><p><b>　　1、元器件賦值</b></p><p>　　連好所有的線以后,要對元器件進行賦值鼠標右鍵單擊所需賦值的元器

42、件的圖標，可以選定該元器件，使圖標紅亮，再單擊鼠標左鍵出現對元器件屬性的設置。</p><p><b>　　2、實物焊接</b></p><p>　　當在Proteus集成環(huán)境調試成功時，接下來，利用實物進行焊接，按上述的實驗原理在電路板上擺放好每個元件的位置，把每個元件焊接起來。焊接完成后，在實物板的電源正極和負極接入穩(wěn)壓器中，調節(jié)好合適的電壓，觀察7段數碼顯示器的

43、計數情況，如果不能正確計數，要對實物電路進行調試，直到能夠正確計數為止，則該課程設計是成功的。</p><p>　　五、調試過程中的問題</p><p>　　在電路的檢驗過程中發(fā)現了有管腳虛焊了，相當于是高電平。解決方法：對該管腳重新焊接。</p><p>　　調試是至關重要的步驟，能夠一次性焊接成功理想情況極少出現。尤其是像我們焊接水平不專業(yè)的，所以我們出錯的概率

44、是相當的大的，因此調試就顯得至關重要了。在第一次通電前，應該用萬用表檢查正負極是否短路。若存在短路，就按照原件的功能一個單元一個單元的排查故障，然后再檢查沒個焊接點的正面和反面是否導通，以及兩個焊接點之間有連線的是否導通，要一根根的仔細排查故障，這些都是在第一次上通電前完成的，檢查完成后，通電前一定要再次確認正負極沒有短路，檢查完畢后在接上5V電源。</p><p>　　通電后觀察現象，通常情況下還存在一些問題，

45、主要是分模塊進行檢查</p><p><b>　　六、查找故障的方法</b></p><p>　　1、檢查用于測量的一起是否使用得當。</p><p>　　2、檢查安裝的線路與原理是否一致，包括連線、元件的參數、集成電路的安裝位置是否正確等。</p><p>　　3、測量元器件接線端的電源電壓。使用接插板做實驗出現故障時

46、，應檢查是否因接線端不良而導致元器件本身沒有正常工作。</p><p>　　4、斷開故障模塊輸出端所接的負載，可以判斷故障來自模塊本身還是負載。</p><p>　　5、檢查元器件使用是否得當或已經損壞。在實驗、實習中大量使用的是中規(guī)模集成電路，由于它的接線端比較多，使用時會將接線端接錯，從而造成故障。在電路中，由于安裝前經過調試，元器件損壞的可能性很小。如果懷疑某個元器件損壞，必須對它進

47、行單獨調試，并對已損壞的元器件進行更換。</p><p>　　第三節(jié) 其它設計方案與比較</p><p>　　一、用555定時器實現計數器功能</p><p>　　由電路原理圖可知：當電源電壓為+5V時，電阻R1和R17分壓。通過芯片NE555時轉換成時鐘脈沖信號，我們可以通過改變滑動變阻器R17的電阻，從而改變時鐘脈沖信號的振蕩頻率。時鐘脈沖信號輸入到CD451

48、1的使能端EN，這時我們用時鐘下降沿觸發(fā)，而CP為低電平接地，我們可以改變開關S的閉合狀態(tài)來達到對電容C充放電的控制，從而控制CD4511的復位端R的電平，當時鐘脈沖信號為高電平且復位端R保持為低電平（0）時，芯片CD4511開始計數。CD4511的輸出端接CD4511的輸入，這里我們兩個CD4511的級聯(lián)來實現兩位計數器的計數功能。通過CD4511的譯碼驅動使數碼管顯示各個數字。</p><p>　　通過對電路

49、圖的原理分析可知。從理論上可以實現對兩位自動計數器的設計要求。</p><p>　　方案中所用的觸發(fā)器是555定時器所構成的施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器是數字系統(tǒng)中常見的電路之一，它可以把變化緩慢的脈沖波形變換成為數字電路所需要的矩形脈沖。與原方案相比，本方案中不涉及電位器的調試，即無需太多考慮反饋電壓等參數。施密特電路的特點在于這兩個穩(wěn)定狀態(tài)的轉換需要外加觸發(fā)器信號，而且穩(wěn)定狀態(tài)的維持也要依賴于外加觸發(fā)信號，因此

50、它的觸發(fā)方式是電平觸發(fā)。</p><p>　　第二章 結果與討論</p><p>　　一、實際工作狀態(tài)圖：</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　本次課程設計過程，歷時一個半星期。我們最終在各個方面實現了對各個部分的設計，在設計過程中，我們遇到了很多的問題，但最終在我們小組的共同努力以及老師和

51、同學的幫助下，把問題都解決了。</p><p>　　在設計過程中，經常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現不了，因此耗費在這上面的時間用去很多。</p><p>　　1、在設計過程中，我們分工合作 ，我個人主要負責Protel仿真軟件的應用，通過閱讀相關書籍，也在同學的幫助下，初步知道了該軟件的應用方法</p><p>

52、　　2、我覺得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。</p><p>　　3、同時我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結協(xié)作的精神。某個人的離群都可能導致導致整項工作的失敗。實習中只有一個

53、人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導致整個工作失敗。團結協(xié)作是我們實習成功的一項非常重要的保證。而這次實習也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。</p><p>　　4、通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的

54、過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃正謹 綜合電子設計與實踐.東南大學出版社2002</p><p>　　[2] 康華光 電子

55、技術基礎（數字與模擬）高等教育出版社</p><p>　　[3] 夏路易,石宗義 電路原理圖與電路設計教程Protel 99SE.北京希望電子出版社．2002</p><p>　　[4] 王毓銀 數字電路邏輯設計.高等教育出版社2004</p><p>　　[5]德州儀器中國官方網站 . http：// www.ti.com.cn</p>&l