绕线机计数器电路设计.docx
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绕线机计数器电路设计
绕线机计数器电路设计
摘要
绕线机：
顾名思义绕线机是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。
凡是电器产品大多需用漆包铜线（简称漆包线）绕制成电感线圈，就需要用到绕线机。
例如：
各种电动机，日光灯镇流器，各种大小变压器，电视机。
收音机用的中周、电感线圈，行输出变压器（高压包），电子点火器、灭蚊器上的高压线圈，喇叭，耳机，麦克风的音圈，各种电焊机等不能一一举例，这些里面的线圈都需要用绕线机来绕。
纺织行业多用棉纱线，人造纤维线等绕制各种适合纺织机用的纱团、绽这些都需要用一款绕线机来绕。
绕线机绕的转数一般比较多，圈数的要求在精密器件中要求十分严格，单一的靠人工计圈数是很麻烦也是不可能完成的。
绕线机需要一个能自动计数的装置------绕线机计数器。
本课题是利用DN834霍尔传感器、CD40110十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器以及共阴极数码显示器设计一个可以加减的绕线机计数器。
首先用霍尔传感器收集绕线机转轴运转数据（每转一圈产生一个负脉冲）然后经过非门放大反相后便形成了计数正脉冲，然后送入CD40110，CD40110工作计数开始，并在数码管上显示计数结果。
本文将讲述DN834霍尔传感器、CD40110十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器、共阴极数码显示器以及CD4069反相器的基本原理和特点，并对绕线机计数器的设计原理及功能做了详细介绍。
然后又采用数电课本上提到到集成电路74192、4511来代替CD40110进行绕线机计数器的设计，复习和熟练自己在数字电路课程所学到的集成电路及其应用。
关键词：
绕线机,霍尔DN834,CD40110,CD4069,数码显示器74192
1绪论1
1.1课题描述1
1.2基本工作原理、框图、电路图及元器件（基于40110）2
2相关芯片及硬件电路设计（基于40110）3
2.1霍尔DN834芯片3
2.1.1霍尔元件的工作原理及应用3
2.1.2DN834的主要功能4
2.2转动信号采集5
2.3计数脉冲生成电路5
2.4计数、译码电路6
2.4.1CD40110芯片功能、参数介绍6
2.4.2数码显示器简介8
3绕线机计数器的另一种设计（基于74192、4511）10
3.1基本工作原理、电路图及元器件简介10
3.1.1基本工作原理、电路图10
3.1.274LS192简介12
3.1.3CD4511简介13
4绕线机计数器安装注意事项14
总结16
致谢17
参考文献18
1绪论
1.1课题描述
绕线机：
顾名思义绕线机是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。
凡是电器产品大多需要用漆包铜线（简称漆包线）绕制成电感线圈，就需要用到绕线机。
例如：
各种电动机，日光灯镇流器，各种大小变压器，电视机。
收音机用的中周、电感线圈，行输出变压器（高压包），电子点火器、灭蚊器上的高压线圈，喇叭，耳机，麦克风的音圈，各种电焊机等不能一一举例，这些里面的线圈都需要用绕线机来绕。
纺织行业多用棉纱线，人造纤维线等绕制各种适合纺织机用的纱团、绽这些都需要用一款绕线机来绕。
常用绕线机绕制的线多为漆包铜线（绕制电子、电器产品的电感线圈），纺织线（绕制纺织机用的纱绽、线团），还有绕制电热器具用的电热线以及焊锡线，电线，电缆等。
绕线机的种类繁多，按其用途分类，可分为通用型和专用型；
通用型--由1根或数根线适合安装多种框架绕线的绕线机。
常见的通用型漆包线绕线机有；装有1根园形绕轴的叫"单头机"，依此类堆有"双头机"3头机"......"6头机"。
专用型--是装有固定的专用绕线夹头，只能绕制一种线圈的绕线机；常见的专用绕线机有；
一、绕制变压器方形变压器专用机；
1、方形变压器专用--（细线专用机，粗线专用机）
2、环形变压器专用--（大环机，中环机，小环机）
3、其它型式变压器专用
二、绕制电动机线圈专用机：
1、风扇电机专用机（座扇,吊扇,转页扇）
2、玩具微型电机专用机；（飞叉式,专用绕头式）
3、串激式转子线圈专用机（电动工具）
4、分马力电机，及大马力电机专用机。
三、绕制电感线圈的专用机
1、中周及色码电感专用机
2、小磁环电感线圈专用机
3、音箱分频线圈专用机
4、日光灯（电子节能灯）镇流器专用机
四、其它专用绕线机喇叭音圈专用机
1、喇叭音圈专用机
2、电热管专用机
3、绝缘胶带包带机
4、纺织纱绽专用机
绕线机按自动化程度又可分为简易型、半自动型、全自动型。
电子控制方式有数控式微电脑单片机及IBM电脑控制。
按安装方式分类为桌面式和落地式机。
绕线机绕的转数一般比较多，圈数的要求在精密器件中要求十分严格，单一的靠人工计圈数是很麻烦也是不可能完成的。
绕线机需要一个能自动计数的装置------绕线机计数器。
本课题的内容就是研究绕线机计数器的设计。
有基于CD40110，以及基于74LS192和CD4511的。
1.2基本工作原理及框图
本课程设计的绕线机计数器由速度传感器电路、信号放大反相电路、计数译码电路、圈数数码显示构成。
其基本工作原理：
霍尔传感器电路将测量到的转动信号转换成负脉冲信号输出到信号放大反相电路，构造成计数脉冲，输入到CD40110进行计数并驱动数码管显示计数结果。
图1.1基本工作原理框图
图1.2绕线计数器电路
本电路用到的元器件有：
CD40110×4,DN843,CD4069,C1=1000p,C2=1u,R1=10K×2,R2=8K,R3=2K,
R4=2.2M,数码显示器×4，开关……
2相关芯片及硬件电路设计（基于40110）
2.1霍尔DN834集成电路
DN834是由霍尔效应而制成的霍尔元件的集成电路，作为磁性传感器。
2.1.1霍尔元件的工作原理及应用
所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。
金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。
当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。
半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。
利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。
霍尔电位差UH的基本关系为
UH=RHIB/d（18）
RH=1/nq（金属）（19）
式中RH——霍尔系数：
n——单位体积内载流子或自由电子的个数
q——电子电量；
I——通过的电流；
B——垂直于I的磁感应强度；
d——导体的厚度。
由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。
利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。
其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。
利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。
如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。
根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。
若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。
霍尔元件应用霍尔效应的半导体。
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种：
（一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。
（二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
霍尔传感器在现实中有很广的应用：
电流传感器、电压传感器、位移测量……
2.1.2DN834的主要功能
DN834是霍尔元件集成电路，它对磁场敏感，在磁场变化时能输出电压变化大的脉冲信号，用来收集信息，是霍尔传感器的重要部件。
2.2转动信号采集
在绕线机的转轴上安装一永久强磁铁，让它随着转轴的转动来驱动霍尔元件产生负脉冲，每转一圈霍尔元件就会产生一个负脉冲，这样就把转动的圈数转换成了一个一个的负脉冲，这就完成了转动信号的采集过程。
2.3计数正脉冲生成电路
IC1是霍尔集成电路DN834，它与永久小磁铁一起构成传感电路，永久磁铁固定在绕线机的转轴的塑料圆盘上，每当主轴转动一周（相当于线圈线一匝）便会在DN834的输出端的第三脚上输出一个负脉冲，该信号经过非门1，2放大后，再经过非门三反相，便形成了一个技术正脉冲，加入IC3的CP端进行计数。
这里的非门采用的是CD4069反相器来完成的，下面就介绍一下CD4069的基本信息：
CD4069---六反相器
简要说明：
CD4069是由六个反相器的电路组成，此器件主要作通用反相器，即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。
CD4069提供了14引线多层陶瓷双列直插（D），熔封陶瓷双列直插（J）,塑料双列直插（p）和陶瓷片状载体（c）四种封装形式。
推荐工作条件：
电源电压范围：
3v-5v输入电压范围0-Vcc
图2.1CD4069引脚图图2.2CD4069逻辑图
2.4计数、译码电路
当电路通电工作时，由C2,R33微分电路形成的正脉冲会使电路自动清零，S1为手动清零开关。
正脉冲计数信号送入CD40110的加计数时钟端，开始计数，IC3～IC6组成的四位级联计数电路，当绕线满10匝时，IC3的Q端输出一个进位正脉冲，满100匝时，IC4产生一个进位正脉冲，满1000匝时，IC5产生一个进位正脉冲，因此最大计数为9999匝。
也可以加CD40110以及数码显示器级联成计数位数更大的计数器。
2.4.1CD40110芯片功能、参数介绍
简要说明：
40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。
40110有2个计数时钟输入端CPU和CPD分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输入。
由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。
40110的进位输出CO和借位输出BO一般为高电平，当计数器从0～9时，BO输出负脉冲；从9～0时CO输出负脉冲。
在多片级联时，只需要将CO和BO分别接至下级40110的CPU和CPD端，就可组成多位计数器。
引出端符号：
BO借位输出端
CO进位输出端
CPD减计数器时钟输入端
CPU加计数器时钟输入端
CR清除端
/CT计数允许端
/LE锁存器预置端
VDD正电源
Vss地
Ya~6g锁存译码输出端
推荐工作条件：
电源电压范围…………3V～18V
输入电压范围…………0V～VDD
工作温度范围
M类…………－55℃～125℃
E类………….－40℃～85℃
电源电压…...－0.5V～18V
输入电压……－0.5V~VDD+0.5V
输入电流…………….±10mA
储存稳定…………－65℃～150℃
引出端排列如图2.3逻辑图如图2.4功能表如图2.5
图2.3CD40110引脚图
图2.4CD40110逻辑图
图2.5CD40110功能表
2.4.2数码显示器简介
某些特殊的半导体材料，但外加正向电压时，可以将电能转化为光能，从而发出清晰悦目的光线，利用这样的半导体材料制成的PN结即可以封装成单个的发光二极管，也可以封装成分段式或点阵式的显示器件。
其中七段发光二极管有以下两种接法：
共阳极和共阴极。
图2.6七段发光二极管的两种接法（左共阴极，右共阳极）
图2.7共阴极数码管引脚定义图
在图中，只要使不同段的发光二极管发光，即可改变所显示的数字和字母。
例如，a、b、g、e、d各段的二板管发光，即可显示“2”，使图中的a、f、g、e、d五个发光二极管亮则可显示英文大写字母“E”。
LED七段数码管根据其内部LED的连接方法不同，有共阴极和共阳极两种接法，如图2.6所示。
在共阴极接法中，当某一段发光二极管输入为高电平时，该发光二极管亮，反之，则熄灭。
而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法相反。
由于发光二极管通常需几个～几十个毫安的驱动电流才能发光，因此，每个显示器必须用一个七位的驱动器才能正常工作。
驱动电路也可以用集成电路驱动器，现在已经生产出带译码器的驱动器，如74LS47、74LS48等。
此外，由于要显示的数字为BCD码，而七段数码管的显示模型为七段代码，所以在显示之前，必须把BCD码转换成七段代码。
3绕线机计数器的另一种设计（基于74192、4511）
CD40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数状态锁存，七段显示译码输出等功能。
它集计数，译码驱动于一体，用起来很方便。
在我们的数字电路技术教程里有单独计数器74192，还有单独的七段码显示译码器驱动器4511，下面就介绍一下如何应用74192及4511设计出绕线机计数器。
3.1基本工作原理、电路图及元件简介
3.1.1基本工作原理、电路图
基于74192与4511的绕线机计数器的设计原理和基于CD40110的一样，只不过是计数器、译码器、驱动器的选择不一样罢了，原理框图如下：
图3.1绕线机计数器的原理框图
原理图有了，下面就是电路图了，电路图如图3.2所示：
图3.2基于74192.、4511的绕线机计数器电路图
3.1.274LS192简介
74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号下图所示：
图3.374LS192引脚排列及其功能
图3.474LS192逻辑符号
CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。
LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。
CO为进位输出：
1001状态后负脉冲输出，
BO为借位输出：
0000状态后负脉冲输出。
D1～D3为置数端，
QA～QD为输出端。
下面再介绍一下74LS192的功能，其功能表如下：
表3.174LS192的功能表
输入
输出
CLR
￣LD
D4
D3
D2
D1
QD
QC
QB
QA
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
↑
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
↑
×
×
×
×
减计数
3.1.3CD4511简介
BCD七段显示器译码器/译码器ICCD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。
其引脚如图3.5所示
图3.5CD4511引脚图
LT：
做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，
使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。
当LT=1，则正
常解码。
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BI：
空白输入控制，当BI=0（LT为1时） 则不论DCBA之输入为何，其输出abcdefg
皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免
在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。
LE：
数据栓锁致能控制；在CD4511中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。
当LE=0时（LT=1且BI=1），DCBA数据会被送入IC的缓存器中保存，以供译码器码；当LE=1时，则IC中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0时的
DCBA数据供译码器译码。
换句话说当LE=1时，不论DCBA的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg仍保留原来在LE由0转为1以前的状态。
CD4511的真值表如图3.6表格所示：
图3.6CD4511真值表
4绕线机计数器安装时的注意事项
计数器设计好之后，接下来的就是计数器与绕线机的硬件结合了。
电路中的磁铁做好事选用磁性较强的专用霍尔
磁钢，体积要小巧，再者就是要安装在绕线机主转轴的塑料盖子上，使磁钢随主轴的转动而转动；然后是霍尔集成电路的安装，把霍尔集成电路固定在主转轴安放磁钢的旁边，与磁钢垂直相对，距离保持在3～7mm左右，这样保证霍尔集成电路的敏感性，使测量更准确。
总结
经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。
在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。
通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。
在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。
在以后的学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。
总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，懂得了理论和实际联系的重要性。
在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力。
致谢
通过一周的努力，终于将电子技术课程设计完成了，在完成课程设计的这一周中，李如昌老师给予了我很大的帮助。
他不仅是指导我完成了设计，还教会了我做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。
当我对此课程设计无从下手的时候，李老师专心地为我讲解，为我解决了很多实际存在的困难和问题，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲。
还有就是同学们在一起互相学习，互通有无，在课程设计过程中叶帮了我不少忙，感谢同学们的帮助。
通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。
在此，再次感谢我的学校和李老师，还有可爱的同学们。
参考文献
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中国电力出版社，2004.
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高等教育出版社，2006.
[3]数字集成电路应用300例黄继昌人民邮电出版
[4]电子线路设计指导李银华北京航空航天大学出版社
[5]新编电子元器件选用与检测郑凤翼福建科学技术出版社
[6]电子制作实训刘进峰中国劳动社会保障出版社
[7]传感器原理与应用张正伟中央广播电视大学出版社
[8]电子线路设计指导北京航空航天大学出版社李银华主编
[9]常用电工电子线路中国电力出版社姜立华主编
[10]实用用电子装置DIY福建科学技术出版社
（注：
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