模拟电子技术课程设计任务书红外线接近开关的设计与制作.doc

红外线接近开关
1、 课题简介

本电路的设计是根据生活中的需要而设计出来的一种计数器。它适用于工厂生产流水线的计数和产品的包装等方面，具有成本低、灵敏度高和制作简单等优点。
该模拟计数器用于工厂流水线计数打包，马达的转动表示传送带传送物体通过红外线，在数码管上计数。当所需打包的物品计满6个时，传送带停止传送并发出打包信息。2秒后，打包完成，传送恢复工作，计数器重新计数，如此循环。
电路主要是通过输入4节干电池（4*1.5=6v）的直流电压来对各个小模块进行供电。由红外线传感器检测产生模拟信号，通过NE567构成施密特触发器对传感器模拟信号进行波形整形，信号进入CD40110进行计数、译码、驱动数码管，最终通过数码管显示出来；打包信号……

1、 总体方案
a一个用于生产流水线对产品计数包装的红外接近开关，产品个数由LED数码显示，当产品数满6个时，输出信号驱动包装机械（实验中用指示灯点亮2秒代替）。
b检测距离：不小于20cm
c计数方式：十进制加计数，七段数码管显示产品个数
d输出延迟时间：2秒，点亮指示灯表示包装机械工作

2、 设计原理框图

采用主动式红外线发射与接受的感应方式

红外线发射：为了避免环境中红外线的干扰，通常采用40kHz脉冲调制的方式发射红外线，因此必须具备一个40kHz的振荡器，用振荡器输出的脉冲信号去调制红外线发射电路。
红外线接收：采用光电三极管将红外线信号转换成电信号。当待包装产品进入感应区时反射的红外线被光电管接收到，并输出电信号。
放大：接收到的电信号幅度很小，必须进行放大。
滤波：接收到的信号中包含了环境光和其他干扰成分，通过40kHz带通滤波器可以将这些干扰信号滤除。
整形：整形电路的作用是将接收到的反映红外线信号的脉冲波形变成单个方波脉冲，用于开关的控制。
计数：对接收到产品反射红外线产生的脉冲进行计数，可采用集成计数器用反馈复位法等措施构成所需的N进制计数器。
译码：将计数器输出的8421BCD码转换成驱动七段LED数码管的笔划信号。
延时电路：延时电路一般采用单稳态触发器，可以在触发信号的作用下输出一个一定宽度的有效电平，输出信号的宽度取决于单稳态电路中RC元件的取值，可以根据所需延迟时间2秒计算这些元件的参数。
驱动电路：由于负载的工作电压高驱动电流大，因此需要设计相应的驱动电路。

3、 单元电路设计

1——基于NE567红外线调制发射电路

采用锁相环电路设计红外发射与接收电路
锁相环是一种能检测输入信号相位变化并自动跟踪其中心频率电路，其工作原理相对比较复杂，本设计可选用NE567

主要特点：中心频率可通过外接阻容元件确定，稳定性高，频率范围宽（0.1Hz～500kHz），带宽可独立控制，通带外信号和噪声衰减率高，输出端具有100mA电流吸入能力，双列直插DIP 8脚封装，内部框图如所示，各引脚功能如下：
引脚1:接输出滤波电容C3
引脚2:接低通滤波电容器C2
引脚3:信号输入端
引脚4:电源正端
引脚5:定时电阻R1，可输出频率为f0的方波
引脚6:定时电阻R1,电容C1
引脚7:电源负端（接地）
引脚8:信号输出端
信号从NE567第3脚输入，同时送入相位检测器及90°相移检测器。相位检测器的输出经低通滤波和放大后作为振荡器的频率控制信号。压控振荡器的输出同时作为相位检测其和90°相移检测器的输入，从而构成锁相环。在无输入信号的情况下，由电流控制振荡器产生自由振荡，振荡频率即为中心频率f0，在门限电压（典型值为200mV有效值）以上的输入信号，若频率落在带宽范围内，则第8脚输出低电平，典型应用电路如图2（b）所示。
由于NE567内部有一个多谐振荡器，所以如果我们用频率为f0的该振荡器的输出信号去驱动红外发射管发光，那么红外接收器收到的信号频率就是567的中心频率，将该信号放大后再送回到567的第3脚，，其频率必定与567的中心频率相等，567将成功将其锁定，并在第8脚产生一个有效信号。
根据这样的设想；电路设计为两个部分：567用于产生约40kHz的振荡信号，在第5脚输出，经两个NPN三极管构成的电流放大电路驱动，使红外发光管按这个频率发出红外光；由于发出的红外光是脉冲形式，在占空比较小的情况下，允许流过红外发射管的电流大于其平均整流电流，这里可取100mA

2——基于uA741红外线接收放大电路

接收部分用光电二极管或三极管作为传感器，并按反射接收方式与红外发射管安装于同一侧。当移动物体接近时，发射管发射的红外被反射，光电管接收到此反射光后转换为与调制频率相同的电信号，并经运放741放大到50mV以上的信号电压，该电压送567第3脚鉴相，由于其频率恒等于567的振荡频率，所以567的第8脚输出一个低电平。

3——基于CD40110的计数显示电路

计数器采用包含可逆计数器、显示译码器和LED驱动电路的集成电路CD40110，电路更紧凑，但由于其输出为七段LED笔划信号，故必须分析字形，找出所需的反馈复位信号。

CD40110资料~~

4——基于555构成的单稳态电路的信号灯指示延时电路

实际设备中，将N进制计数器的进位信号用于驱动包装机械，如机械手，电磁铁、电动机等，在实验电路中则用一个指示灯点亮一段时间（比如2秒）即可，而该电路可以用单稳态电路实现。
单稳态触发器在有效信号的触发下，能产生一个宽度一定的输出脉冲，在这一的宽度的时间里，可以用于触发一个发光二极管。
单稳态触发器可以采用555集成定时器构成。

4、 完整的电路原理图

5、 参数计算
A 外围元件R1C1C2C3的选择合适与否十分重要，若选择不当则电路不能稳定工作，甚至不能工作。这些元件的选择原则如下：

图3 红外线调制发射电路（包含解调）

1.根据译码信号频率选择R1和C1.取R1为2~20kW，C1应选用温度稳定性好的电容器，C1的选取可参考式，式中f0为中心频率，即所需识别的频率。

（1-1）
2.低通滤波电容C2的选取重要考虑带宽的要求，可参照式计算：

(1-2)
其中BW为带宽，用中心频率f0的百分值表示，即，B为带宽（Hz）；f0为中心频率（Hz）；Ui为输入电压有效值（V）；C2为低通滤波电容（mF）。

3.C3用于衰减检测频带以外的寄生成分，典型值取2C2。R2为上拉电阻，参考值可在2~10kW内取。

振荡频率可按式（1-1）以及式（1-2）计算R2、C3的数值。R1是输出脚8的上拉电阻，一般可取10k；R6是红外发光管的限流电阻，按红外发光管导通压降2V，工作电流100mA计算。

B
图示电路中，R1可以将光电管中电流的变化转换为电压；运放741接成单电源同相输入比例运算电路，放大倍数由R4和R5决定；电阻R2和R3构成的分压网络将运放同相输入端的电压固定于电源电压的1/2，这是运放单电源使用必须配置的偏置电路形式 。R2、R3的取值考虑电流不小于0.1mA即可。
电路中C1、C3为耦合电容，电容C4、C5和R6构成退耦电路防止其他电路通过电源对放大器产生影响。100mF电容并联一个0.1mF小电容是为了提高对高频噪声或脉冲干扰的抑制作用。

C Td=1.1RC=1.1*10uF*20k欧 =2s
Uo与Ui相反

5、所用元器件清单

6安装调试

遇到的困难

8、参考文献

1、《模拟电子技术基础实验与课程设计》 李万臣等编著
2、《实验单元电路及其应用》 黄继昌等编著
3、《新型实用电路制作200例》 杨邦文编著
4、《OP放大器电路及其应用》杨家树主编
5、《数字电路应用设计》关静主编
6、《电子工程实践技术》付家才主编
7、《NE567数据手册》
8《cd40110数据手册》
9《数电 模电 教科书~~~~》
8、施良驹 集成电路锦集 北京 电子工业出版社 1988
9郭陪源 电子电路及电子器件 北京 高等教育出版社 2000
10何希才 常用集成电路简明速查手册 北京 国防工业出版社 2006
11陈振源 电子技术基础 北京 华中科技大学出版社 2000
12余孟尝 数字电子计数基础简明教程 高等教育出版社

9、课设小结~~
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