光电计数器设计毕业设计论文.doc

摘 要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环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。该例光电触发式电子计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位。本文针对光电计数器的设计要求，翻阅了一些资料，基本能实现其所要求的功能。 关键词：单片机、外部中断、光电效应 目 录第一章 前言41.概述42.技术要求4第二章 光电计数器系统简介41.光电计数器的基本特点42.光电计数器的组成52.1 模拟电路52.1.1 光耦合器52.2数码显示部分62.2.1同步BDC十进制计数器62.2.2 7段显示译码器与7段数码显示管7第三章 光电计数器的系统设计81硬件电路设计81.1.1电源设计81.1.2发射和接收部分81.1.3显示部分91.1.4报警部分102.软件程序的设计102.2.1系统控制主程序设计112.2.2系统初始化子程序设计112.2.3显示子程序设计112.2.4光电计数处理子字程序设计12第四章 系统调试141.电路的优缺点142.电路的改进方法143.电路调试过程中出现的问题及解决办法14第五章 总结与展望151.总结152.展望15致 谢15第一章 前言 1.概述自动化的计数提高了工业生产上的效率以及准确性，计数的自动化和智能化最终能加速实现现代化的工业。随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展,对光电计数器的需求日益增多。光电计数器设计一方面是为了巩固课本所学知识，完成知识迁移，另一方面加强动手能力，识图能力及设计能力。光电计数器在实际生产中已经得到了广泛的应用。在应用中，光电传感器部分主要有光电断路器和光电开关，但在工业生产中主要使用的是光电开关，计数电路有CD系列芯片组成的，也有74系列芯片组成的，实际功能差别不大。光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。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。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器。采用光电传感器制作的光电式电子计数器。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。该例光电触发式电子计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位。2.技术要求1、实现0999范围计数，能在超出最大值后溢出报警；2、并通过LED显示数据；3、要求使用光电传感器检测；4、能在设定值报警，能在报警后延时3秒钟自动关闭报警并自动重新计数；可以手动清除报警；5、有抗干扰技术，防止背景光或物件抖动时产生误技术；6、画出完整的电路原理图（包含电源部分）和PCB板图。第二章 光电计数器系统简介1.光电计数器的基本特点光电计数器是为了适应生产线产品计数而设计的，它实现了电信号到光信号再到电信号的一系列转换。由光耦驱动双电压比较器，产生脉冲信号。利用十进制同步计数器的级联扩展实现多位计数，送给译码器从而驱动数码管显示。通过增加上拉电阻与反馈电阻可以光电计数器可以实现稳定的计数功能。2.光电计数器的组成光电计数器可以分为两个部分，一是模拟电路，由光耦合器驱动双电压比较器产生计数所需要的脉冲信号，二是数码显示部分，由同步十进制计数器SN74LS162实现计数，七段显示译码器CD4511驱动七段数码显示管显示计数结果。同时，利用双四输入或门CD4072实现十位数字的零消隐功能。整个电路实现了光信号到电信号的转换。 2.1 模拟电路模拟电路部分利用光耦驱动双电压比较器，产生计数所需的脉冲信号。双电压比较器LM393采用方向输出的方式接入电路，并加入反馈与上拉电阻，以保证元器件的正常工作。2.1.1 光耦合器光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。它具有以下优点： 信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响； 抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。 光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。2.1.2双电压比较器LM393 LM393是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.010mV）能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后，否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则不需要滞回。 因此，为了给电路消抖，在将LM393按照反相迟滞比较器的方式接入电路。从原理图中单独取出LM393来分析。如图1.1所示图2.1 由LM393构成的迟滞比较器迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。若u0改变状态，点也随着改变电位，使过零点离开原来位置。当u0为正（记作U+） ，则当uiU后，u0即由正变负（记作U-），此时U变为U。故只有当ui下降到U以下，才能使u0再度回升到U+，于是出现图1.3中所示的迟滞特性。U与U的差别称为回差。改变R6的数值可以改变回差的大小。图2.2 迟滞特性2.2数码显示部分把脉冲送给SN74LS162 ，由两片SN74LS162组成两位数，SN74LS162送给译码器CD4511，驱动数码管。显示译码器将计数的输出（BCD代码）译成显示器（数码管）所需要的驱动的信号，以便使数码管用十进制数字显示出来BCD代码所表示的数字。2.2.1同步BDC十进制计数器SN74LS162 为可预置的十进制同步计数器，其引脚图如图1.4 所示。清除端是同步的。当清除端/SR 为低电平时，在时钟端 CP上升沿作用下，才可完成清除功能。162 的预置是同步的。当置入控制器PE 为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 Q0Q3 与数据输入端 P0P3 一致。SN74LS162的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的。当 CEP、CET 均为高电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于SN74LS162，只有当CP 为高电平时，CEP、CET 才允许由高至低电平的跳变，而SN74LS162的 CEP、CET 跳变与 CP 无关。图2.3 SN74LS162引脚图引出端符号：TC 进位输出端，CEP 计数控制端，Q0Q3 输出端，CET 计数控制端。实现两位计数的时，第一片SN74LS162的进位输出端TC与第二片SN74LS162的两个计数控制端CEP，CET相连。第一片SN74LS162由0计数到9后，进位输出端TC输出进位信号，第二片SN74LS162的两个计数控制端CEP和CET由低电平跳转到高电平，表示十位的数码管显示1。随后第一片SN74LS162的进位输出端TC没有信号输出，第二片SN74LS162的两个计数控制端CEP和CET由高电平跳转到低电平，处于保持状态。等待下一个进位信号到来时再次开始计数。如此循环，实现0到99的两位计数功能。2.2.2 7段显示译码器与7段数码显示管常用的7段显示译码器有两类，一类译码器输出高电平有效，用来驱动共阴极显示器，另一类输出低电平有效，以驱动共阳极显示器3。在设计中采用的CD4511当输入8421BCD码时，输出高电平有效，驱动共阴极的数码显示管。图2.4 CD4511引脚图该译码器的引脚图如图1.5所示。其中设有三个辅助控制端LE，BI，LT，以增强硬件的功能： 灯测试输入LT当LT = 0是，无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a g均为1，数码管显示8。以用于检查译码器本身即显示各段的好坏。 灭灯输入BI当BI = 0，并且LT = 1时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输出a g均为0，所以字型熄灭。该输入端用于将不必要显示的零熄灭。 所存使能输入LE在BI = LT =1的条件下，当LE = 0时，锁存器不工作，译码器的输出随输入码的变化而变化，即译码；当LE由0跳变到1时，输入码被锁存，输出只取决于锁存器的内容，不再随输入的变化而变化。由此，在连接CD4511的时候，LE所在的5号引脚都接地，LT所在的3号引脚都接电源。由于计数器为两位显示，十位显示在没有进位信号时要求数码显示管熄灭。因此，根据CD4511的功能，在连接表示十位的译码器时，其BI输入低电平以实现灭灯功能。所以由SN74LS162的四个输出端引出信号接入四输入或门CD4072，在没有进位信号输入的情况下，SN74LS162的四个输出端均为低电平，四输入或门CD4072输出低电平，CD4511处于灭灯状态；当有进位信号输入时，SN74LS162的四个输出端则至少有一个跳转为高电平，则四输入或门CD4072输出高电平，CD4511处于显示计数状态。而各位正常计数，则BI直接与电源连接。第三章 光电计数器的系统设计1硬件电路设计1.1.1电源设计为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。综上所述，我们选择第二种方案，电源的电路图如图3-1所示图3-1电源电路图1.1.2发射和接收部分光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件，它由发光源和受光器两部分组成。为了能准确地远距离地感应到有人进入或离开电影院，就必须选择敏感性高且稳定的信号感应器件，而光电耦合器满足这个条件。光电耦合器是发光源和受光器件组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器件的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三级管等，实际电路发光源选用高亮发光管和硅光电池。L1和L2为高亮发电管，BT1和BT2是硅光电池，光电传感器的电路图如图3-2所示。图3-2光电传感器1.1.3显示部分该系统要求显示计数功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案：方案一：完全采用 LCD显示。完全采用 LCD显示可显示有限的符号和数码字苻，能满足设计的需要。方案二：完全采用点阵式 LCD显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等，也可满足设计的需要。方案三：采用 LED显示，LED只显示数字输出。这种方案既满足系统功能要求，又简单，成本有低。权衡利弊，第三种方案的优缺点，我们决定采用方案三来实现数字显示。系统中采用的数码管为共阴极数码管，显示电路图的电路如图3-3所示。图3-3显示电路图1.1.4报警部分当计数器计数到00时应使计数器复位并置数99。但这时将不会显示00，而计数器从01直接复位。由于00是一个过渡时期，不会显示出来，所以本电路采用99作为计数器复位脉冲。当计数器由00跳变到99时，从输出低电平使计数器置数，并保持为99，蜂鸣器发出报警声。按有人进入电影院时，Rs触发器翻转输出高电平，计数器开始计数。若按下S1，计数器立即复位。报警电路的电路图如图3-4所示。2.软件程序的设计系统上电初始化之后，主程序不断地扫描键盘和显示程序；同时判断外部中断标志是否有效。如果外部中断标志有效，则调用光电计数处理子程序，刷新数码管的显示值2.2.1系统控制主程序设计定义蜂鸣器接口P3.6，初始状态为0，蜂鸣器不报警，当有高电平触发P3.6是，蜂鸣器开始报警。当下一个脉冲是1时外部中断T0则产生中断，计数器停止加计数，同样若外部中断T1也是高电平则T1产生中断，计数器停止减计数。2.2.2系统初始化子程序设计设定外部中断T0、T1的标志位置0即中断处于关闭状态，蜂鸣器控制标志位也置0，处于关闭状态，系统初始化流程图如图3-5所示。图3-5 系统初始化流程图2.2.3显示子程序设计定义数码管的段码表、位选码，定义计数器的显示缓存区，在统计过程中，当一个信号传到单片机中，系统调用延时子程序进行延时，计数器对十位和个位进行计数判断，将数据通过数码管显示出来，显示子程序的电路图如图3-6所示。 图3-6 动态显示电路流程图2.2.4光电计数处理子字程序设计外部中断T0和T1初始化后都处于关闭状态，当其中断标志有效时进行加计数，当外部中断T0处于关闭时，外部中断T1进行加计数且判断计数器是否达到计满值99，若大于等于99则KEYBOARD=1蜂鸣器报警。外部中断T1关闭，开外部中断T0，则减计数，再开外部中断T0。最后将计数值通过数码管显示，其流程图如图3-7所示。开始系统初始化外部中断初始化显示是否有外部中断键盘处理返回调用光电计数处理程序是否有按键键盘扫描图3-7 光电计数处理子程序流程图第四章 系统调试1.电路的优缺点1.用单片机作为设计的核心系统有点易于实现自动化控制、计数精确。而电路采用数码管动态显示电路直观性比较好、具有一定的抗干扰能力且比较容易实现级联，以达到扩大计数范围的作用，同时电路具有很强的实用性。2.电路的不足由高亮光电管和硅光电池组成的信号产生电路灵敏度稍差，在实际环境中光线的接受还是收到影响，导致电路反应有点迟钝。3.电路刚开始有些地方考虑的欠佳，线路排布个人觉得并不十分完美。在电路焊接过程中有重复焊接的外观不是和美观。2.电路的改进方法1、断电检查：硬件电路及对照原理图检查硬件电路。2、整个调试过程分层次进行，先调试单元电路，再调试模块电路，最后系统联调。3、通电检查：入正常电压，观察各模块工作波形及工作电压有无异常。4、单元电路调试：利用信号源或其他实验仪器判断各单元电路的工作状态。5、整机联调：从最前端到末级进行统调，检查各级动态信号工作情况，分析是否满足设计要求。6、参数计算和器件选择：3.电路调试过程中出现的问题及解决办法1.电压比较器LM393的第一级比较器的参考电压端（五号端）的上电电压很高，接近于电源电压，使输入端（六号端）与之比较时没有反应，LM393不能正常工作，从而不能产生脉冲信号。2.某些时候数码显示器计数不准确，产生这种现象的原因是由于脉冲发生电路所产生的脉冲信号频率不正常。2.解决方法 1.电压比较器LM393集成块的四号端和八号端对调，使四脚接地，八脚接正极，这样就将参考电压端（五号端）的电压拉低，使之为VDD/2，使电路正常工作。2.既然脉冲信号频率不正常，那么我就查脉冲发生电路，由高亮发光管到硅光电池，到运放电路再到电压比较器，发现电路中有虚焊的，加牢之后情况好转。第五章 总结与展望1.总结本次毕业设计是设计利用光线的通段来统计进入或者离开电影院的人数的光电计数器。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案，对单片机AT89S51的功能及其他芯片的认识和应用掌握力度不够，在软件设计程序时常常遇到问题，又找不到错误问题根源所在，管老师看过我编写的程序之后凭着丰富的设计经验，一下子就找到问题的根源所在，就是我对芯片应用和C语言编写程序的经验太少，速度过慢。我知道问题的根本原因之后，我认真研究并掌握了芯片的各种功能的应用和提高编写程序的准确度，变成速度。经过这次毕业设计之后我总结了要解决在设计中遇到的问题就 应该完全领会设计中所涉及的知识后再动手操作，不能急躁。在毕业设计期间我学到了很多知识和技巧，而最重要的就是学到了科学试验中的不可缺少的毅力和耐心。总之，知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。2.展望由于有光电计数的设计理念，因此有了光电计数的发展。在市场电子计数器行业需求增长有所减缓的现状下，产能扩张的势头并没有得到较好的控制。产能过剩、重复建设不仅导致生产与消费的失衡，而且还引发了电子计数器行业内的一系列恶性价格竞争，影响了电子计数器行业业的盈利能力。中国电子计数器行业市场现状，为外资企业入驻中国创造了条件，国际许多电子计数器行业企业已经看中在中国低成本拓展市场的机会，随着外资投入逐步加大，中国国内企业改革重组迅速加快。同时新的行业制度等政策的颁布和实施将促使我国电子计数器行业洗牌，企业兼并重组将在政策的促使下大力发展。由于当前电子计数器行业效益下滑，所以对电子计数器行业企业授信更要慎重。必须关注电子计数器行业子行业，关注电子计数器行业上下游企业，优化客户结构，针对电子计数器行业行业需求进行新产品开发。国内的制造技术水平远不如国外，制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志,也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期,制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进制造技术的世界潮流,将其放在战略优先地位,并以足够的力度予以实施,才能尽快缩小与发达国家的差距,才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之,在我国研究和发展先进制造技术势在必行。致 谢在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师管金虹表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！在论文工作中，遇到了研究理论、框架结构、数据整理等问题，他们在撰写、修改和定稿等各个环节均严格把关，并投入了大量的时间和精力，使我得以完成本次论文，一直得到管老师的亲切关怀和悉心指导，使我管老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，使我的知识层次又有所提高，打牢了研究基础；在学术探讨中他们又以对问题高屋建瓴的专业见地使我茅塞顿开，逐渐掌握了许多研究方法和研究思路。在生活上，管老师更是平易近人，亲人般无微不至的关怀，常带给我许多温暖和感动。可以说无论是我在学业上的进步还是个人的成长，都离不开她的关怀。每思及恩师教诲和为此付出的辛劳，常自责未能达到恩师期望，唯有在以后的道路上更加勤勉努力，望能不负师恩。再一次向他们表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向管老师致以最崇高的谢意!在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!特别感谢我的同学、班主任、学长、学姐以及讲师们对我的学习和生活所提供的大力支持和关心!还要感谢一直关心帮助我成长的室友们！我们在一起生活了三年。在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人给予我的全力支持！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!参考文献1. 周忠. 数字电子技术M人民邮电出版社，20122. 黄鸿，吴石增. 传感器及其应用技术M北京理工大学出版社，20083. 黄跃华，张钰玲. 模拟电子技术M北京理工大学出版社，2009