毕业设计论文 基于红外发射接收的转速测量系统.docx
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毕业设计论文基于红外发射接收的转速测量系统
2008级毕业设计
课题名称基于红外发射-接收的
转速测量系统
学生姓名
学号
光电子与通信工程系
目录
摘要…………………………………………………………………1
第一章、引言……………………………………………………………………2
（一）、项目背景………………………………………………………………2
（二）、设计思路……………………………………………………………2
第二章、热释电红外探测防盗报警器工作原理……………………………………3
（一）、工作原理…………………………………………………………3
1、光电输入电路与接收电路…………………………………………3
2、脉冲形成电路………………………………………………………4
3、计数器与显示电路…………………………………………………5
（二）、元器件选择…………………………………………………………7
1、电压比较器…………………………………………………………8
2、光耦合器………………………………………………………………10
3、计数器……………………………………………………………12
4、译码器……………………………………………………………14
5、数码管…………………………………………………………15
（三）、试验现象………………………………………………………18
第三章、注意事项及制作心得……………………………………………………19
（一）、注意事项………………………………………………………………19
（二）、制作心得……………………………………………………………20
结束语……………………………………………………………………………21
参考文献……………………………………………………………………………22
附录………………………………………………………………………………23
摘要
为了将机械或者人工计数方式变为电子计数，并且采用LED数码显示，我们探究了红外线发射与接收计数器。
当有物体影响到红外二极管的红外线发射，通过集成电路来实现计数，它计数简单直观，可适用于诸多行业，以满足现代生产，生活方式的需求。
关键词：
红外线计数器LED数码显示脉冲
第一章引言
红外发射-接收计数器是当有物体通过红外发射二极管VD1和接收管VT1之间时，红外线被挡住，从而引起电路电压的变化，通过电压比较器，光电耦合器件产生脉冲，控制计数器，计数器通过LED数码显示管显示。
（一）、项目背景
在电子技术飞速发展的今天，电子产品的人性化和智能化已经非常成熟。
其发展前景仍然不可估量。
如今的人们需求的是一种能给生产和生活带来方便的电子产品。
在工农业生产中需要计数的产品很多，其给人们计数带来了很多麻烦。
利用遮断式红外控制原理，通过红外发射器与接收器实现的计数器，给人们进行产品的自动计数带来了方便。
（二）、设计思路
红外线发射器发射红外线，接收器接收由物体阻挡或直射的红外线，进行计数。
其应用红外先发射电路产生，向外发射头发射红外线，红外线接收直射或阻挡的红外线信号并有放大电路进行多级放大，通过计数芯片分析，计算出遮挡的次数，再由数码译码器翻译，通过动态数字显示方式显示被测物体遮挡的次数。
第二章红外线发射-接收技术器工作原理
（一）、工作原理
红外线发射-接收计数器的工作原理包括电源、光电计数和计数显示三大部分。
1、光电输入电路与接收电路
图2-1
（1）、光电输入电路
该电路由红外发射管和光电三极管组成。
在该电路中，红外发射管VD1是由9V直流电源通过R1的限流直接驱动的，这是因为在该电路中，发射光与接收管固定安置且距离较近。
因此红外发射管既不血药通过脉冲驱动来提高发射功率和增大发射距离，又不需要通过改变频率来区分控制频道.这种电路结构既满足了电路工作地需要，又使电路结构变的简单。
（2）、光电三极管接收电路
光电三极管3DU12将发射管发送来的红外光接收后转化为信号电压，并进行一级放大后输出由光电三极管的特性可知，当它受光照射时，集电极输出为低电平；当光被阻挡时，集电极输出立即变为高电平，阻挡物通过后输出又变为低电平。
这就是说，当一个物体从光电三极管与红外发光管之间通过时，光电三极管的输出端会输出一个正向的脉冲电压，该脉冲的宽度与物体通过的速度有关。
2、脉冲形成电路
该电路由两级电压比较器、光耦合器和晶体管开关电路等组成。
电压比较器IC1-A、IC1-B由四电压比较器（LM339）组成，它的两个同相端作为比较基准端，并且被R3、R4分压后偏置于/2，既4.5V，作为比较器的参考电压。
电压比较器在电路结构上相当于一个增益不可调的运算放大器，它有一个同相输入端（+）、一个反相输入端（—）和一个输出端。
如果以同相输入端作为比较基准端，则当反相输入端的电压小于基准端的参考电压时输出端为高电平，当反相输入端的电压大于参考电压时输出端为低电平。
图2-2
在该电路中，光电三极管的输出端与第一电压比较器IC1-A的反相输入端（—）相连，第一电压比较器的输出端与第二电压比较器的反相输入端（—）相连。
平时，光电三极管受光的照射，输出端为低电平，这一低电平远小于参考电压（4.5V），所以IC1-A输出高电平。
这一高电平加至IC1-B的反相端并且高于参考电压，使IC1-B输出低电平。
IC1-B的输出端接光耦合器发光管的负极，使发光管发光，光耦合器4N35中的光电三极管导通，流过光电三极管的电流在R9上形成较高的电压降。
这一电压经R9与R10分压后加至VT2的基极，使VT2导通，其集电极输出低电平。
当接收光电管被物体遮挡后，它的输出端变为高电平，通过两级电压比较器放大和光耦合器的处理使VT2截止，他的输出端输出高电平。
阻挡物一走过后，VT2又导通，其集电极又变为低电平。
这样，每当光电三极管被物体遮挡一次，VT2的输出端就会形成一个由低变高、再由高变低的过程。
当这个（由高变低的）过程发生后，开关管VT2的集电极就会输出一个脉冲电压，这个脉冲的下降沿就可作为计数器的计数脉冲输入计数器的下降沿输入端。
当物体从红外发射管与光电管之间一个个通过时，就会有一个个计数脉冲输入计数器，于是计数器就将通过的物体统计出来。
3、计数与显示电路
（1）、计数电路
光电计数部分：
当光敏三极管VT1接收到红外发光二极管VD1射来的红外光线时，其亮电流增大，内阻减小，集电极输出低电平。
计算公式如下；
Ig=SgEU（2-1）
Ic=Ig（2-2）
Uc=Vcc-R2*Ic（2-3）
故光敏三极管集电极输出低电平。
此低电平加到电压比较器IC2-B的反向输入端6脚，同时因IC2-B同向输入端5脚经过R3,R4电阻分压后，电压为4.5V，因此6脚电压小于5脚电压，IC2-B的7脚输出高电平。
此高电平又加到比较器IC2-A的反相输入端2脚，使2脚电压高于同向输入端3脚的电压，比较器IC2-A的1脚输出为低电平，此低电平使光电耦合器内藏发光管亮，对应的光敏管导通，三极管VT2也导通，VT2集电极输出低电平。
U5=R4/（R3+R4）*Vcc=4.5V（2-4）
当有物体通过红外发射二极管VD1和接受管VT1之间时，红外线被挡住，VT1因无光照，其暗电流小于0.3uA，集电极输出高电平。
因此比较器IC2-B的6脚大于5脚电压，比较器的7脚输出低电平，同样比较器IC2-A的2脚电压小于3脚的电压，使1脚输出为高电平，光电耦合器截止，三极管VT2也截止，VT2集电极输出高电平。
当物体离开，就回产生下降沿，使计数部分开始计数。
图2-3
计数器IC3为双BCD同步加计数器（CD4518），该电路内包含两个结构相同的计数单元。
每个计数单元有两个计数脉冲输入端：
上升沿触发端CP和下降沿触发端
。
若用CP端触发，则将
端接高电平；若用
端触发，则将CP端接低电平。
它有四个输出端，既Q1~Q4，输出为二十一进制码。
另外，它还有一个清零端R,该端为高电平时计数器清零，各输出端为低电平。
在该电路中，CD4518中的第一计数器用于个位数计数，当计数脉冲从端不断输入时，它的输出端IQ1~IQ4就会一次输出从0000~1001的二进制码。
这个二进制码通过译码器IC5的译码，就会在数码显示器上显示0~9的十个数字。
CD4518中的第二个计数器用于十位数计数，他的计数脉冲来自第一计数器的IQ4端的输出脉冲。
当第一计数器至1001后，若再输入一个脉冲，则计数器便会复零，输出端变为0000，在IQ4由1变为0的过程中会形成一个脉冲的下降沿。
这个下降沿作为计数脉冲输入第二计数器的
端，使十位数计1，这个1被认为是个位数的进位。
（2）、显示电路
计数显示部分：
采用CD4518组成8421码同步十进制计数器，对VT2集电极输出的脉冲信号下降沿进行计数。
为满足下降沿计数的要求，需要将CD4518的cp端接地，计数脉冲信号接EN输入端。
因CD4518内含两个相同的计数器，可将第一级的Q4输出接第二级的EN端，构成两级串行计数，实现0-99的计数显示。
CD4518的第7脚，15脚为清零端Cr,通过电阻R12接地为零电平，与电容C4一起实现开机清零作用。
译码电路采用两块CD4543分别组成BCD7段译器，驱动LED数码显示器。
电阻R13-R26为限流电阻。
它可将计数器输出的四位二进制码通过译码变为数字显示器的数码笔段，这些笔段分别与数字0~9的笔段相对应。
数码译码器（CD4543）是一只具有锁存功能的七段字形译码器，它内部设有锁存单元，可以防止在计数过程中显示的数字发生翻动现象。
该电路为十六脚扁平塑封结构。
它有四个输入端（即A、B、C、D，用来输入由计数器输出的二进制码）、七个笔段输出端（即a~g，接数码显示管的笔段输入端）、一个锁存控制端LE（当LE=1时，数据被送至输出端；LE=0时数据被锁存）、一个消隐控制端BI（当BI=1时，显示器消隐；BI=0时，正常显示）和一个共阴共阳极控制端DFI（当DFI=1时可接共阳极LED数码管；DFI=0时接共阴极数码管）。
在该电路中，LE=1接电源。
DFI、BI接地，采用共阴极数码显示管。
（二）、元器件选择
电阻全部采用（1/8）W金属膜电阻。
电压比较器为低功耗，低失调的LM393，LM393电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见的集成电路。
它类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端，任意一个端加上一个固定电压做参考电压，如IC2-B的5脚和IC2-A的3脚，另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路，即输出高电平。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出管接低电平，即输出低电平。
光电耦合器采用4N35。
反光型光电耦合器有两种。
一种是LED和光电二极管封装在一个壳内，两者发射光轴同接收光轴夹一个锐角，LED发出的光被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型光电耦合器。
另一种是LED和光电二极管平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以在较远的位置上放置的器件放射到光电二极管的光敏面上。
显然这种反光型光电耦合器要比成锐角的耦合器作用距离远。
本次实验采用后一种耦合器。
光电耦合器特点：
（1）、具有电隔离的功能。
（2）、信号传输是单向性的。
（3）、具有抗干扰和噪声说完能力。
（4）、响应速度快。
（5）、适用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在-55—100摄氏度。
三极管将微弱信号放大，采用VT2为2SC218。
1、电压比较器
电压比较器就是集成运放在非线性状态下的具体应用．所谓电压比较器，就是一种用来比较输入信号电压大小的电子电路．它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个状态的矩形波．集成运放工作在非线性区时，两个输入端谁的电位高，输出就反映谁的特征，这是构成电压比较器的理论基础．
（1）、比较器的工作原理
比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可看作是运算放大器的一种应用电路。
由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。
（2）、电压比较器的分类
1）、过零比较器：
参考电压为零，输入信号每过零时，输出发生跃变，它实际上是一个单限比较器．最简单的应用是可以将正弦波变为方波．
2）、滞回比较器：
利用正反馈来影响原来的参考电压使参考电位与此时的输出状态有关，从而消除在原来的参考电位附近输入信号由于受干扰而产生的空翻现象．
3）、双限比较器：
由两个单限比较器组成所谓的双限比较器（也称为窗口比较器），可以将输入信号按需要范围进行选取
（3）比较器与运放的差别
运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高（使比较器响应速度更快）。
另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图2-10示，它外部需要接一个上拉电阻或直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。
但也有一些比较器为互补输出，无需上拉电阻。
这里顺便要指出的是，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度，响应速度，传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同。
在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。
如A/D变换器电路中要求采用精密比较器电路。
图2-10电平转换与驱动继电器
由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大部分参数与运放的参数项基本一样（如输入失调电压、输入失调电流。
输入偏置电流等）。
（4）LM393
LM393是双电压比较器集成电路。
该电路的特点如下：
工作电源电压范围宽，可单电源供电，也可双电源供电，单电源：
为2V～36V，双电源：
±（1V～18V）;
消耗电流小，Icc=0.8mA；
输入失调电压小，VIO=±2mV;
共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V;
输出与TTL,DTL,MOS,COMS等兼容；
输出可以用开路集电极连接“或门”；
采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微型的双列8脚塑料封装（SOP8）;
图2-11电压比较器LM393内部结构图
2、光耦合器
光耦合器（opticalcoupler，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。
（1）、光耦合器工作原理
用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。
当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。
由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。
发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高（2.5KV左右），故共模抑制比很高。
输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。
此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。
因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。
（2）、光耦合器的优点
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，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。
（3）、光耦4N35
4N35，4N36，4N37系列光耦合隔离器包括红外光发光二极管和硅光电晶体管的NPN在一个标准的6针双线塑料封装。
图2-134N35顶视图
管脚：
1.阳极2.阴极3.不相连4.发射集5.集电极6.基极
输入二极管最大额定值：
正向电流六十毫安；反向电压6V；功耗105mW；
输出晶体管最大额定值：
集电极发射极电压BVCEO30V；集电极基电压BVCBO70V；辐射源集电极电压BVECO至6V；功耗160mW
功率消耗：
总功率消耗200mW；（线性减少2.67mW/℃25℃以上）。
3、计数器
同步加计数器CD4518
CD4518为双BCD加计数器，该器件由两个相同的同步4级计数器组成。
计数器级为D型触发器。
具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。
在单个单元运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位。
CR线为高电平时，计数器清零。
计数器在脉动模式可级联，通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联。
同时后者的CP输入保持低电平。
CD4518提供了16引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插和陶瓷片状载体4种封装形式。
图2-22CD4518管脚图
工作条件：
电源电压范围3V～15V；输入电压范围0V～VDD
工作温度范围：
M类－55℃～125℃；E类－40℃～85℃
极限值：
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℃
图2-24波形图
引出端功能符号：
1CP、2CP时钟输入端
1CR、2CR清除端
1EN、2EN计数允许控制端
1Q0~1Q3计数器输出端
2Q0~2Q3计数器输出端
VDD正电源
Vss地
表2-3功能表
输入
输出功能
CP
CR
EN
↑
L
H
加计数
L
L
↓
加计数
↓
ⅹ
↑
H
L
L
L
L
ⅹ
↑
L
↓
保持
ⅹ
H
ⅹ
全部为L
4、译码器
译码是编码的逆过程，它的功能是将具有特定含义的二进制码进行辨别，并转换成控制信号，具有译码功能的逻辑电路称为译码器。
译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：
变量译码和显示译码两类。
变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。
显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。
显示译码器主要由译码器和驱动器两部分组成，通常这二者都集成在一块芯片中。
本电路所用显示译码器是CD4543，CD4543是一个BCD-7段锁存器/解码器/驱动器，有灯测试功能；有消隐输入端；以异或门作输出级。
它可将计数器输出的四位二进制码通过译码变为数字显示器的数码笔段。
主要用于液晶显示器的应用.。
它也能驱动发光二极管，白炽灯，气体放电，和荧光显示器。
显示译码器（CD4543）是一只具有锁存功能的七段字形译码器，它内部设有锁存单元，可以防止在计数过程中显示的数字发生翻动现象。
该电路为十六脚扁平塑封结构。
它有四个输入端（即A、B、C、D，用来输入由计数器输出的二进制码）、七个笔段输出端（即a~g，接数码显示管的笔段输入端）、一个锁存控制端LE（当LE=1时，数据被送至输出端；LE=0时数据被锁存）、一个消隐控制端BI（当BI=1时，显示器消隐；BI=0时，正常显示）和一个共阴共阳极控制端DFI（当DFI=1时可接共阳极LED数码管；DFI=0时接共阴极数码管）。
图2-25BCD-7段锁存器/解码器/驱动器的功能图
图2-26CD4543管脚图
5、数码管
数码显示器件有多种形式，目前广泛使用的是七段数码显示器，简称七段数码管。
主要包括发光二极管（LED）数码管和液晶显示（LCD）数码管两种。
（1）、LED数码管
LED是LightEmittingDiode的缩写，直译为光发射二极管。
由于作为单个发光元素LED发光器件的尺寸不能做的太小，对于小尺寸的LED显示器件，一般是笔划段型的，广泛用于显示仪表之中；大型尺寸的一般是点阵型器件，往往用于大型的和特大型的显示屏中。
LED显示器件有共阳极译码器必须输出低电平才能驱动相应的发光二极管导通发光；和共阴极译码器必须输出高电平才能驱动相应的发光二极管导通发光。
对于笔划段型的如图2-27所示。
图（a）是共阳极的示意图，图（b）是共阴极的示意图。
（a）共阳极接法
（b）共阴极接法
图2-27LED数码管内部接法
图2-28LED数码管应用电路
（三）、实验现象
当物体若干次经过红外发光二极管和光敏三极管之间时，红外发射-接收计数器开始正常计数，但是有点不稳定。
在实际应用中应考虑提高计数器的稳定性。
电路板实物图
图2-29电路板实物
第三章注意事项及制作心得
（一）、注意事项：
元器件使用前，要检查每一个元器件的质量，用万用表的欧姆挡检查一下电阻、电容、红外发光二极管、光敏三极管、三极管、LED数码显示管的好坏。
对于LED数码显示管，将电源引脚接普通电源的负极，电源正极夹一个电阻接数码显示管的其他引脚，由数码管a、b、c、d、e、f、g、dp部分灯亮来判断对应的引脚的。
必要时，检测集成块的好坏。
集成块最好不要直接焊接在印制电路板上，用集成块管座来焊接，然后插上集成块，安插时应特别注意集成块的管脚顺序。
注意电路元器件的正负极，接好电路检查，正确接入电路中。
IC2-A的8脚接电源，4脚接地，不要接反。
红外发光二极管的发出的光最好是直射到光敏三极管的光窗。
焊接注意事项：
1、电烙铁的选择和使用：
选用30W左右的功率比较合适。
电烙铁经过长时间使用后，烙铁头部会生成一层氧化物，这时它就不容易吃锡，这时可以用锉刀锉掉氧化层，将烙铁通电后等烙铁头部微热时插入松香，涂上焊锡即可继续使用，新买来的电烙铁也必须。
2、焊接方法：
元件必须清洁和镀锡，电子元件保存在空气中，由于氧化的作用，元件引脚上附有一层氧化膜，同时还有其它污垢，焊接前可用小刀刮掉氧化膜，并且立即涂上一层焊锡（俗称搪锡），然后再进行焊接。
经过上述处理后元件容易焊牢，不容易出现虚焊现象。
3、焊接温度和焊接时间的控制：
焊接时应使电烙铁的温度高于焊锡的温度，但也不能太高，以烙铁头接触松香刚刚冒烟为好。
焊接时间太短，焊点的温度过低，焊点融化不充分，焊点粗糙容易造成虚焊，反之焊接时间过长，焊锡容易流淌，并且容易使元件过热损坏元件。
在焊接时，一般将电烙铁在焊接处来回移动或者用力挤压，这种方法是错误的。
正确的方法是用电烙铁的搪锡面去接触焊接点，这样传热面积大，焊接速度快。
4、焊接后的检查
焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。
虚焊较难发现，可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动，如发现摇动应立即补焊。
或者焊料用得太多而造成与临近短路，彻底查清楚后，才可进行校准和测试性能。
（二）、制
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