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毕业设计光电计数器的设计管理资料
2012届毕业设计说明书
光电计数器的设计
摘要
21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。
传感与检测术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。
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。
关键词：
光电效应；光电传感器；光电计数器
ABSTRACT
The21stcenturyistheageofinformation,itistheaccesstoinformation,treatmentinformation,useoftheinformationage.Sensinganddetectiontechnologyisimportantbecauseitistheaccesstoinformationandtheinformationnecessarytodealwiththeunderlyingtechnology,isaccesstoinformationandmeansofprocessinginformation,unabletogetinformationyouwon'tbeabletouseinformation.
Photoelectricsensorisalightsignalintoanelectricsignalofthesensor.Itisthetheoreticalbasisofthephotoelectriceffect.Theseeffectscanbebroadlydividedintothreecategories.Thefirsttypeisoutsideofthephotoelectriceffect,namely,indaylight,canmakethetungstensurface.Usethiseffectcausedbydevicewithvacuumphotocell,photomultipliertubes,etc.Thesecondcategoryisthephotoelectriceffect,.,inthelight,canmaketheelectricalresistivityofthematerialchange.Suchdevicesincludevarioustypesofphotosensitivesemiconductor.Thethirdcategoryisphotovoltaiceffect,inthelight,theobjectswithintheEMFEMF,thisiscalledlight-inducedelectromotiveforce.Thisclassofdevices,includingphotovoltaiccells,photo-transistor,etc.Photoelectriceffectisusingoptoelectroniccomponentsaffectedbythelighting,theelectriccharacteristicschange.Sensitiveopticalwavelengthisvisibleinthevicinity,includinginfraredwavelengthandUVwavelengths.Digitalelectroniccountershaveintuitiveandcountsaccuratebenefits,hasbeeninwidespreaduseinvariousindustries.Thereareavarietyofdigitalelectroniccountercountermode,itistriggeredbytheactualuseconditionsandtheenvironment.Usingmechanicalmeansofcontactingfires,usingelectronicsensorsfornon-contacttypephotoelectricsensortriggered,isoneofthem,itisanon-contactelectronicsensors.Adoptsphotoelectricsensorproductionofopto-electroniccounters.Thiscounteristhefactory'sproductionlinesforproducts,withothercountersirreplaceablethemerit.
Keywords：
photoelectriceffect；photoelectricsensor；photoelectriccounter
1绪论
光电计数器的发展现况
在我国电子技术的不断发展和市场新需求的推动作用下，计数器相关技术和产业不断完善，除了它原先存在的主要核心功能外，电子计数器的辅助功能也逐渐增加，现在已经出现了多功能计数器，多功能计数器产品的响应度较高，交直、流电两用、耗能低、价格低、无机械碰撞、无磨损、使用寿命长，既可计数，又可计算。
例如在毛衣编织机上运用，除可计数和计算外，还可实现断线报警。
通用计数器不仅可测频率、周期还可以测多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。
频率计数器专门用于测量高频和微波频率的计数器。
微波计数器是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。
它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动、全自动3类。
系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。
国外方面，实际上根据最新的研究成果和趋势，对计数器的研究大体分为通用与专用两个大类。
而光电计数器就是其中的一种。
国内外至今已出版了大量有关光电计数器理论研究和技术应用的专门书籍，许多书均有专门的章节论述光电计数技术。
有关光电计数器的综述文章也已发表了很多，它们所引用的有关光电计数研究的参考文献数以千计。
事实上计数器多年来一直是电子测量领域中的研究热点，至今仅各种类型的计数方法就已提出了上千种，而且近年来每年都有上百篇有关研究报道发表。
，它们之间就产生电势，后来称这种现象为光生伏特效应。
。
。
基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在50～60年代广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。
，但半导体光敏元件却是在60年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。
在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。
它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的。
其中最重要的两种是硅和碲镉汞。
硅的原料丰富,工艺成熟,是制造从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。
碲镉汞是碲化汞和碲化镉的混晶，是优良的红外光敏材料。
通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。
光电式传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。
被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。
光电式传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。
光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。
在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。
例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方法。
同时，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。
论文研究的目的及意义
（1）介绍国内外工厂计数器的发展状况
（2）从传感器部分、信号处理部分和显示部分三个方面确定计数器的设计方案。
（3）完成硬件电路的设计，包括传感器部分、数模转换部分、计数的互锁、计数部分和显示部分。
（4）利用系统仿真分析软件对传感器、反相器、触发器、计数器、译码器和显示器进行仿真，并对结果分析处理。
2计数器的设计方案
本次设计只考虑对合格产品的计数，并不考虑如何检测产品的合格与否，检测环节另由其它环节代替。
次设计系统只对流水线上的工件进行计数，当工件正向进入检测环节时，计数器加1；工件在检测环节时，当产品为次时，工件被反向退出，计数器减1；因此，本次设计方案的光电计数器是对流水线上合格工件的计数。
流水线工件计数器的工作框图
计数器的工作过程是当工件经过传感器时工件计数器自动加1，工件进入检测环节：
当产品合格时，退出流水线；当产品为次时，工件被直接退出，计数器减1，具体的流程图如图1所示：
图1计数器系统工作框图
计数器的控制框图
对于计数器控制部分，使用反射型传感器作为工件的计数器传感器；使用两路比较器393，设置合适的门阀电压，将模拟量转换为数字量；使用40106将信号反向；用双D触发器74LS74实现互锁功能，用40110对计数进行译码，最后使用共阴极数码管显示合格的产品数。
具体流程图如图2所示：
图2计数器系统控制图框
计数器设计的选型
本次设计经过思考与比较，最终可以分为三个部分：
传感器部分、信号处理部分与计数显示部分[5]。
传感器部分[3]
本次设计选用光电传感器。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。
光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻档）三大类。
光电传感器的基本工作原理：
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器。
模拟式光电传感器是将被测量转换光电传感器成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。
模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式，漫反射式,遮光式（光束阻档）三大类。
所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。
图3光电传感器
光敏二极管是最常见的光传感器。
光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子
图4光电传感器
在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。
光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光电传感器的分类和工作方式简单介绍如下：
光电开关可分为对射型；漫反射型；镜面反射型；槽式光电开关；光纤式光电开关。
1、对射型
由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。
特征：
辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。
2、漫反射型
是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。
特征：
有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。
图5直射型光电传感器
3、镜面反射型
由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。
光的通过时间是两倍的信号持续时间，。
特征：
辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。
4、槽式
槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。
槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。
图6光电开关
5、光纤式
光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。
通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。
信号器处理部分
该部分可分为：
模数转换部分、反向部分、互锁部分、计数译码部分。
模数转换部分[1][2]：
根据实验要求，处理部分处理的信号必须为数字信号；而传感器检测的信号则为模拟信号，所以必须要经过模数转换。
经过各种因素考虑，设计选用两路比较器LM393，其管脚定义如图7所示：
图7LM393内结部构图
反相部分[1]
由于设计中要求，有次品时计数器要减1，因此要对信号进行反向，使得正信号输入，负信号输出。
本次设计选用CD40106将比较器输出的信号进行反相，以便于信号的处理。
如图8所示：
图8CD40106内部结构图
互锁部分
因为设计要求，计数器既能够加法运算又能够减法运算。
为了防止两者同时进行，所以就需要一定的电路保证两者不能同时进行，于是就要求有互锁电路。
该设计用双D触发器74LS74来实现互锁功能。
图974LS74内部结构图
图1074LS74逻辑功能表
计数译码部分
采用74LS192计数器，4543译码器，作为光电计数器的计数译码部分，其引脚图如图11所示：
图1174LS192引脚定义图
图124543引脚图
显示部分
本设计选用七段数码管，其逻辑功能表如下：
图13共阴极七段数码显示管真值表
本章小结
本章根据计数器的具体要求，确定了计数器的系统工作流程框图，从传感器、信号处理部分及显示部分完成了计数器的选型。
3光电计数器电路的设计
根据设计要求，本设计的计数器硬件部分包括五个部分：
传感器部分、数模转换部分、计数器互锁部分、计数部分、显示部分[4]。
传感器部分
本次设计传感器采用的是反射型光电管，在设计中，采用两个传感器判断工作的前进方向；按正常的工件前进方向，分别假设为传感器A、B，当有工件进过传感器时，红外管发射的光线反射到工件上使接受管的电阻变小。
所以，A、B节点的电压值升高，如图14所示为传感器的硬件电路图[6]。
传感器A传感器B
图14传感器硬件电路图
数模转换部分
这个设计是将比较信号转化为数字信号，因为有两个传感器，所以选用两路比较器LM393，硬件电路如图15所示：
图15LM393连接电路
上图中的滑动变阻器是用来改变门阀电压值，当A（3）端的电压值低于门阀电压值，输出为低电平，反之则为高电压。
所以没有工件经过时电阻会很大，A、B两个节点的电压较低，C、D输出的是低电平；反之为高电平。
比较器的输出端接的上拉电阻，提高了带载能力。
图16工件进出时，LM393输出信息
计数器的互锁部分
在本次设计中既要用到加法计数器又要用到减法计数器，为了不让两者混淆，所以，就有了互锁电路。
互锁电路包含两个部分：
反向电路和互锁电路。
其硬件电路如图17，18所示：
图17CD40106接线图
图1874LS74连接电路
反相电路选择方相器CD40106，通过反相器将LM393输出的信号C、D进行反相，以供互锁电路使用。
互锁电路选用双D触发器74LS74。
当工件进入时，C为先为高电平，使74LS74的第二个双D触发器的输出端一直为低电平。
而第一个触发器在C的作用下，Q端将由低电平变成高电平，有一个上升沿，计数器就加1；反之，计数器减1。
计数部分
计数器的种类很多，而且同时有加法运算和减法运算的计数器也有像74LS162、CC40192、74LS168等等。
本次设计我选用的是74LS192，74LS192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，接线图如图19所示：
图1974LS192接线电路
显示部分
因为显示的都是整数，所以DP没有起作用就无需连接，所选的为共阳极极数码管，所以3、8脚接高电压，如图20所示：
图20数码管连接电路图
4Proteus
Proteus仿真软件的简单介绍
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
1、编辑本段功能特点
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线
（3）SPICE电路仿真
2、革命性的特点
（1）互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
（2）仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
本次设计我们用到的是仿真软件Proteus中的ISIS（智能原理图输入系统）。
下面主要来介绍ISIS。
ISIS是Preoteus系统的中心，具有控制原理图画图的超强的设计环境。
ISIS有以下特性：
1、出版质量的原理图
ISIS提供给用户图形外观，包括线宽、填充类型、字符等的全部控制，使用尸能够生成如杂志上看到的精美的原理图，画完图可以以图形文件输出，画图的外形由风格模板定义。
2、良好的用户界面
ISIS有一个无连线方式，用户只需单击元件的引脚或者先前布好的线，就能实现布线。
此外，摆放、编辑、移动和删除操作能够直接用鼠标实现，无需去单击菜单或图标。
3、自动走线
只要单击想要连接的两个引脚，就能简单地实现走线。
在特殊的位置需要布线时，使用者只需在中间的角落单击。
自动走线也能在元件移动的时候操作，自动解决相应连线。
节点能够自动布置和移除。
既节约了时间，又避免了其他可能的错误。
4、层次设计
ISIS支持层次图设计，模块可画成标准元件，特殊的元件能够定义为通过电路图表示的模块，能够任意设定层次，模块可画成标准元件，在使用中可放置和删除端口的子电路模块。
5、总线支持
ISIS提供的不仅是一根总线，还能用总线引脚定义元件和子电路。
因此，一个连线在处理器和存储器之间的32位的处理器总线可以用单一的线表示，节省绘图的时间和空间。
6、元件库
ISIS的元件库包含8000个元件，有标准符号、三极管、二极管、热离子管、TTL、CMOS、ECL、微处理器，以及存储器元件、PLD、模拟Ic和运算放大器。
7、可视封装工具
原理图和PCB库元件的匹配是由封装工具简化的。
在原理图部分的引脚旁边将显示PCB的封装，并允许每个引脚名对应文本和图形的引脚号码。
8、复合元件
ISIS的元件库表达方式有很多种，无论是单个元件、同态复合元件、异态复合元件，还是连接器，都可以在原理图上以独立引脚来表达，不用所有线都连到一个独立元件上。
9、元件特性
设计中的每个元件都有一定数日的属性或特性。
某些特性控制软件的特定功能（如PCB封装或仿真）用户也可以添加自己的特性。
一旦库建立，就能提供默认值及特性定义。
特性定义提供大量的特性描述，当修改元件时，将显示在编辑区域内。
10、报告
ISIS支持许多第三方网表格式，因此能为其他软件所使使用。
设置元件清单后可以添加用户所需的元件属性，也可设置属性列以挑选一定数目的属性。
ERC报告可列出可能的连线错误，如末连接的输入、矛盾的输出及未标注的网络标号。
一、Proteus6Professional界面简介
安装完Proteus后，运行ISIS6Professional，会出现以下窗口界面：
图21protues界面图
1、原理图编辑窗口（TheEdit
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