皖西学院机械与电子工程学院课程设计
皖西学院
课程设计报告书
系 别： 专 业： 学 生 姓 名： 课程设计题目：
起 迄 日 期: 课程设计地点: * * * *: 机械与电子工程系 电子信息科学与技术
学 号： 光电计数器
12 月10日 ~ 12 月22日
教学实验楼B楼
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前言
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，采用模数结合的电路，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、数码显示电路三个模块，分别实现对通过光电门的物体感应，计数，显示。计数范围为一百，可以预设计数数目，当计数达到设定后，闪灯报警两秒。
在光电计数部分我们考虑到脉冲信号的稳定度、方便检测是否能够产生脉冲信号，因此在电压比较器和NE555之间我们选择了NE555，又要利用遮断式红外控制原理对通过的物件计数，为了感应良好，我们使红外发光管与光电接收管相对安放。本计数器可实现0～99的计数显示。
每当物件通过一次，红外光被遮挡一次，光电接收管的输出电压发生一次变化，这个变化的电压信号通过放大和处理后，形成计数脉冲，去触发一个十进制计数器，便可实现对物件的计数统计。
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，能够提供准确的统计值，成本低廉，实用性强，二次开发性高
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目录
前言................................................................... 2 第一章 设计内容及要求.................................................. 4
1.1 本次课程设计应达到的目的....................................... 4 1.2 本课程设计课题任务的内容和要求................................. 4 第二章 设计方案........................................................ 5
2.1 设计思路....................................................... 4 2.2 方案选择....................................................... 4 第三章 系统组成........................................................ 6
3.1 系统框图....................................................... 6 3.2 单元电路介绍................................................... 6
3.2.1 信号采集电路............................................. 6 3.2.2 计数电路................................................. 7 3.2.3 数码显示电路............................................. 9 3.2.4 满百报警电路............................................ 11 3.3 调试与测试结果................................................ 12 第四章 实验总结....................................................... 13 第五章 参考文献....................................................... 14 附录一 电路原理总图................................................... 15
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第一章 设计内容及要求
1.1 本次课程设计应达到的目的
1、综合运用相关课程中所学到的理论知识去完成某一设计课题； 2、通过查阅手册和相关文献资料，培养学生分析和解决问题的能力； 3、进一步熟悉常用芯片和电子器件的类型及特性，并掌握合理选用器件的原则；
4、学会电路的安装与调试； 5、进一步熟悉电子仪器的正确使用； 6、学会撰写课程设计的总结报告；
7、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
1.2 本课程设计课题任务的内容和要求
1、发光器件和接收器件之间的距离大于1m； 2、有抗干扰技术，防止由于抖动产生的误计数； 3、每计数100，用等闪烁2s指示一下； 4、LED数码管显示计数值。
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第二章 设计方案
2.1 基本思路
我们的设计思路是将基本部分与发挥部分统筹考虑，进行方案设计。第一、光信号的采集，光能否被接收会产生不同的信号，将其转换成高低电平；第二、计数器记录高低电平的变化，实现计数功能；第三、计数器计满后，输出信号通过单稳态触发器与多谐振荡电路，产生2秒延时。
2.2 方案选择
方案满足设计的基本要求，红外发射管采用直流供电，接收对管判断是否有
物体通过光电门，并且当物体通过光电门时输出一个高电平，触发后面的加法计数器，使其加一，为简单起见，计数器为一组BCD码输出，输出由BCD-七段数码管译码器译码，输入至数码管显示。同时有设有四位二进制数码比较器，由拨码盘预先设定一个数量，比较器时时将计数器输出与预设数字进行比较，当两者相同时，发出信号。 在该方案的具体器件选择上，又有许多方案，如脉冲发射电路中采用的振荡器有多种选择，可以采用元件构成，也可以采用集成电路构成，为简化电路，本设计采用555构成的多谐荡器，其结构简单，便于调试。在计数器方面也有多种选择，计数器种类繁杂，有同步的，有异步的；有十进制的，有十六进制的，在满足要求的基础上，为尽量简化电路，减小各模块之间的联系，本设计采用两块74LS190进行级联，实现模一百计数器。在定数报警电路中，采用两块74LS84实现两组BCD码的比较。在整百报警电路中，采用555构成单稳态触发器，实现两秒延时，闪灯由555多谐振荡器控制，实现大概每秒3次的闪烁。整个设计中对频率、定时的要求不高，555完全能够胜任。
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第三章 系统组成
3.1 系统框图
光检测 发光报警 十进制计数器BCD码 BCD码－七段译码器 数 码 管 图3.1 系统框图
3.2 单元电路介绍 3.2.1 信号采集电路
图 3.2 信号采集电路
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该电路主要由，光电转换电路，迟滞比较电路组成。
光电转换电路采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换传感器，采用典型电路，如图3.2。
图3.4 方波产生电路
如图3.4所示为双向限幅方波产生电路。
如图可知光电转换电路输出信号在无物件遮挡住光线时，输出含有直流交流分量的信号，再有物件遮挡光线时，输出是一电压较低的直流信号。因此通过迟滞比较电路，可以将两种信号转换为不同电压的直流信号，再通过一定阈值的比较器，可以将两种信号转换为数字电路中的高低电平，从而控制后续电路。
3.2.2 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74LS190该电路的计数器。
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74LS190为可预置十进制同步加减计数器，其功能表见表3.1。其预置是异步的，当置入控制端LD为低电平时，不管时钟端CP状态如何，输出端Q0~Q3即预置成与数据输入端D0~D3相一致的状态。其计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。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。其有超前进位功能，当计数上溢或下溢时，进位/借位输出端CO/BO输出一个宽度等于脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端RC输出一个宽度等于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。当采用并行时钟控制时，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。
表3.1 功能表
L H H H 由于计数
模值为100，我们采用两片74LS190级联，低位片的进位端RCO与高位片CLK相连。扩展功能要求实现加减计数，我们在5管脚接入加减选择开关。同时加减计数起始值不同(00或99)，我们又加入预置数与预置开关，预置数D0与D3连接加减选择开关，D1与D2接地。
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× L L H 输入 CP × × d0 L ↑ × H ↑ × × × × 状态 d1 × × × d2 × × × 输出 d3 d0 d1 d2 d3 × 加计数 × 减计数 × 保 持 H 高电平
L 低电平 低电平脉冲 × 任意 ↑ 上升沿
输出 CP × × H H L H × CO/BO H × L RC 皖西学院机械与电子工程学院课程设计
74LS190引脚图如下：
图3.5两位十进制计数电路
3.2.3 数码显示电路
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。74LS48 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。其功能表如表3.2所示。
RIB、LT接高电平，A0~A3接计数电路的D0~D3，根据功能表，将BI/RBO、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，如图3.7。
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电路中0D0~0D3、1D0~1D3分别接计数电路中的相应标号的管脚。电阻R15
起限流作用，保护共阴数码不被烧毁。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200Ω的电阻。
表3.2 功能表
输入 十进制 LT RBI A3 A2 A1 A0 0 H H L L L L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H H H H H H H H H × × × × × × × × × L L L L L L L H H L L L H H H H L L L H H L L H H L L H L H L H L H L H BIRBO Ya H L H H L H L H H H Yb H H H H H L L H H H 输出 Yc Yd Ye H H L H H H H H H H H L H H L H H L H L H L H L L L H L H L Yf H L L L H H H L H H Yg L L H H H H H L H H 字形 H H H H H H H H H H
图3.7 数码显示电路
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电路中0D0~0D3、1D0~1D3分别接计数电路中的相应标号的管脚。电阻R15
起限流作用，保护共阴数码不被烧毁。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200Ω的电阻。
3.2.4 满百报警电路
该电路是为了实现每计数100，用灯闪烁2S指示一下功能而设计的。根据计数电路介绍，当计数器由99回转向0时，74LS190输出端将输出一个下降沿，因此可以用此信号来触发满百报警电路。得到一个短暂的负向脉冲，用以触发由555构成的单稳态触发器，使其输出一个两秒的高电平，用以控制555多谐振荡器使其工作两秒，输出为时两秒的低频率方波，使LED灯闪烁2s。
单稳态触发电路由C1、R1，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C1加到2端，并使2端电位瞬时低于VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，VC 按指数规律增长。当VC充电到VCC时，高电平比较器动作，比较器A1 翻转，输出V0 从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到作好准备。
暂稳态的持续时间tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小：
2313tw1.1RC………………………式3.10
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。按要求tw1.1RC2s，为使R和C都不至取得过大，选取C（C1）为100μF，R(R1)为20KΩ。如图3.8 。
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这里对555多谐振荡器的频率占空比无严格要求，主观选取频率为3Hz，占空比随机。根据前面的介绍，选取R2为13kΩ，R3为15kΩ，C3为10μF，如图3.8 。
多谐振荡器的工作与否取决于单稳态触发器输出高低。R4为限流电阻。 U5:A13274LS08R120k8R4100R213kU3QDC37RVCC8VCC4RU4QDC3745CV5TH6D1LED-RED2TRGNDCVR3C1100uFC210uFNE555C410uF2GND1TRTH615k1NE555C310uF图3.8 555组成的单稳态电路与多谐振荡电路
3.3 调试与测试结果
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，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。
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搞反了。万能
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板上的电源线和地线要分清楚，焊接时千万不要搞错了。
分模块进行调试，我们首先对光采集信号部分进行调试，由于光敏三极管对外界影响，很难进行光信号的采集。我们用一个多谐振荡器产生的方波信号来代替光信号的采集。
经测试，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， LED灯闪烁2秒。
第四章 实验总结
进过自己与搭档的努力制作和调试，我们的光电计数器终于完成。电路板调试成功，满足了设计要求中的基本要求及大部分提高要求，并且计数显示部分的计数位数具有直接扩展性。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。要有的见解，善于发现错误，勤于讨论和提问，这样才能改正错误。
起初，拿到设计要求的时候，大脑是很空白的，因为这就是专业知识的缺乏成为了整个过程最大的阻力，“书到用时方知少”，此时才知自己专业知识的贫乏。通过不懈的找寻，查资料，以及向老师提问，对于电路的构造和基本设计有了大概的蓝图，从而开始了电路板的焊接制作。经过慢慢的探索和仔细的调试，电路功能得以实现，这让自己很有满足感！
通过本次课程设计，也进一步让自己熟悉了万用表、示波器、信号发生器NE555等实验设备的使用，判别元器件的引脚、好坏等能力有所提高。
通过这次设计，巩固了之前学习的数字电路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，问题带来了设计经验，从而为以后的发展添加了资本。
最后衷心的感谢张斌老师细心指导，以及同学们的鼎力相助！
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第五章 参考文献
1,《电子技术基础 数字部分（第五版）》 康华光 高等教育出版社 2，《电子技术基础 模拟部分（第五版）》 康华光 高等教育出版社 3，《 计数器及其逻辑设计》 蔡雅铮 高等教育出版社 4，《电子技术课程设计指导》 彭介华 高等教育出版社 5,《电子电路基础》 童诗白 高等教育出版社 6,《电子电路基础》 谢沅清 人民邮电出版社 7，《数字电子技术基础》 侯建军 高等教育出版社
8，《电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计》 侯建军 高等教育出版社 9，《实用电子电路设计制作300例》 刘修文 中国电力出版社 10，《数字电子技术基础》鬲淑芳 陕西师范大学出版社 11，《数字电子技术基础》阎石 高等教育出版社
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附录一 电路原理总图
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附录二 元件清单
元件序号 U3，U4 U5,U6 U8，U9 U7，U11 U1 MCT6 型号 74LS190 74LS08 7LEG共阴 NE555 光敏三级管，发光二极管 主要参数 数量 2 2 2 2 1 1 10μF 100μF 3 1 1 2 1 1 C1，C3，C4 极性电容 U10 U2 D1，D2 X1 C2 74LS08 LM328 RD4.7 发光二级管 极性电容 电阻 100Ω 200KΩ 13KΩ 若干 15KΩ 182KΩ 10KΩ 20mΩ 200mΩ*2 180mΩ*2
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