电子课程设计报告.docx
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电子课程设计报告
厦门大学
电子课程设计报告
课题：
工件计数器
系别：
机电工程系
专业：
仪器仪表与测控技术
姓名：
蔡佩君
学号：
199********610
指导老师：
陈延平
2010年6月30日
工件计数器
一、设计任务
设计并制作用于工件的光电计数器
二、设计要求
1、该工件计数器可实现对流水线上通过的工件进行计数统计。
2、若工件是正品，计数器加一，若工件是次品，计数器减一。
3、计数结果用一位数码管显示。
三、设计方案和论证
1、根据设计任务和要求，初步拟定将设计分为四个模块：
光电发射接收部分、信号处理部分、计数部分和译码显示部分。
总体设计框架图如下：
图1设计框架图
2、设计思路：
假设从左到右设有AB两个探头，两者存在一定距离，工件从左到右依次通过两个探头，A探头先获得信号，计数器实现加一；次品从右到左依次通过两个探头，B探头先获得信号，计数器减一。
因此，设计中有两组光电转换电路，当工件通过探头时，由于遮挡光线而使之产生信号，产生的信号作为触发器的脉冲信号。
此外，考虑到触发器为上升沿触发，信号处理部分包含信号反相，同时，为了实现工件通过两个探头只能计数一次的功能，信号处理还应有互锁电路，由D触发器构成，最后，用十进制加减计数器芯片计数，并通过译码器在数码管上显示出来。
四、模块设计和分析
（1）光电发射接收部分
图2光电发射接收部分
参数计算：
取VCC=5V，VF=0.7V,为了保证IF小于50毫安，取上拉电阻R1=R2=180欧姆；为了保证转换电路的输出信号为我们所需要的脉冲信号，取下拉电阻R3=R4=10K欧姆。
设计原理：
光电转换电路的目的是获得脉冲信号，设计中采用两个集发射管和接收管为一体的芯片MCT6作为转换元件，通过上拉电阻和下拉电阻的选定保证其工作电流不超过50毫安。
用一开关元件的动作来表示工件是否通过探头，当工件通过探头时，三极管截止，输出信号为低电平，当工件离开探头时，三极管导通，输出信号为高电平。
由此可以得到A、B两个脉冲信号。
（2）信号处理部分
图3信号处理电路
设计原理：
经过光电发射接收部分得到的脉冲信号与D触发器所需要的上升沿出发信号相反，因此，从A、B两组电路所得到的信号需要通过反相器反相，将两路信号加起来作为D触发器的脉冲信号。
图中D触发器用来构成互锁电路。
当无上升沿触发时，Q端为零状态，D端置一，来一个上升沿触发时，Q端输出为高电平，D端置零，当下一个上升沿脉冲来临时，Q端输出低电平。
依次类推，每两个上升沿出发D触发器，使得Q端输出一个上升沿，该信号作为加减计数器的脉冲信号，可以实现工件通过两个探头是只计数一次。
互锁电路的时序图如下：
考虑到门电路和触发器引起信号的传输延迟，该设计中所有门电路都采用高速的TTL门电路，同时，为了防止由A端直接引出的加减控制信号比脉冲信号速度快而引起时序的错误，在A端加上两个TTL反相器，起到延时的作用。
（3）计数部分
图4计数电路图
计数功能由十进制加减计数器实现，所用计数器为74LS190，其管脚符号说明和功能图如下：
因此，将预置数据控制端接高电平，计数允许控制端接低电平，使计数器处于计数状态。
将互锁电路的输出信号作为计数器的触发信号，A组光电发射接收部分的输出信号经两次反相后作为加减控制信号。
当工件首先通过A探头又有脉冲信号触发时，加减控制端接收到低电平信号，计数器加一；当次品返回，首先通过B探头又有触发信号触发时，加减控制端接收到高电平信号，计数器减一。
由此可以实现计数功能，并且实现工件正向通过时计数器加一，次品通过时计数器减一。
（4）译码显示部分
图5译码显示电路
译码显示部分由译码器和7段共阴极数码管组成。
其中，译码器由一片7448芯片构成，它的三个辅助控制端全部接高电平。
7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器，因此，数码管采用共阴极数码管BS201A。
考虑到数码管的工作电流和显示亮度，每段发光二极管的正向压降通常约为2～2.5V,每个发光二极管的点亮电流在10mA左右，故取其偏置电阻为150欧姆。
五、总电路图和元器件清单
a）总电路图
图6总电路图
b）元器件清单
序号
型号
主要参数
数量
备注
1
MCT6
上拉电阻：
180Ω
下拉电阻：
10KΩ
2
光电发射接收管
2
74LS190
无
1
计数器
3
7448
无
1
译码器
4
BS201A
偏置电阻：
150Ω
1
数码管
5
7416N
无
4
非门
6
7432N
无
1
或门
7
7474N
无
1
上升沿触发
三、Multisim仿真调试
图7仿真调试图
用两组开关A、B来模拟工件是否通过探头，当开关A打开时，说明工件通过A探头，挡住光线，使A组光电转换电路输出低电平，当开关B打开时，说明工件通过B探头，挡住光线，使B组光电转换电路输出低电平。
先依次打开关闭开关A，再打开关闭开关B，表示有工件从左到右依次通过A、B两个探头；先依次打开关闭开关B，再打开关闭开关A，表示工件为次品，从右到左依次通过B、A两个探头。
仿真过程：
首先依次打开和关闭开关A，计数器加一，再依次打开关闭开关B，计数器不变；接着依次打开和关闭开关B，计数器减一，再一次打开关闭开关A，计数器不变。
此时，若继续打开关闭开关B，计数器继续减一，再一次打开关闭开关A，计数器不变，依次类推，从数码管显示可以看出仿真结果正确。
仿真中所有电源均采用5V直流电源，因此，设计辅助电源电路图如下：
图8辅助电源电路图
先用变压器使220V市电变为10V，然后通过整流、滤波，利用LM7805芯片获得我们所需要的5V的辅助电源。
六、设计中未解决的问题
设计初期，我所拟定的光电转换电路由集成芯片TX05D构成，它能在实现该部分功能的基础上，进一步加强其抗干扰能力等各方面功能；其次，我打算由将计数器和译码器集成在一个芯片的CD4013来实现计数显示部分，但是由于在仿真过程中发现MULTISIM软件中没有这两种集成芯片，因此，我改用光电三极管来实现光电发射和接收，用计数器和译码器两个芯片来实现计数和译码显示。
设计过程中，比较困难的是互锁电路的设计。
一开始我采用的是三个JK触发器来完成，电路较为复杂，需要考虑到三个触发器的脉冲信号问题，时序容易混乱，因此，我重新设计了由D触发器构成的互锁电路。
该电路较为简单，但有一个问题我仍然无法解决。
由于计数器的脉冲信号是由D触发器产生的，它相对于由A组光电转换电路直接引出的加减控制信号，在时间上有一定的延迟，这可能会引起时序的混乱。
针对这个问题，首先电路中所用的门电路，我采用的都是相对高速的TTL门电路；其次，我考虑用单稳态延时电路来解决这个问题，但无论是用单稳态触发器还是用555时基构成的延时电路，在仿真过程中都只能实现加一或减一其中一种功能。
最后，我采用两个TTL反相器来对A组信号起到一定的延时作用。
七、硬件制作和调试
制作硬件时，首先根据电路图在坐标纸上布线，用不同的颜色标注焊锡的线和黑线，重点标注交叉点。
布好线后，在焊板上面合理的放置各元器件和芯片，保证各器件之间有足够的空间以便接线，然后根据总电路图将各器件焊接起来即可。
电路板制作中，我采用以模块的方式进行。
首先焊接辅助电源的部分，焊好以后先对其进行调试，发现指示灯不亮，此时检查连接三端稳压管的线，发现有一个地方断路了，重新焊好线后，再次调试，指示灯亮；然后用同样的办法焊接其他几个模块，为了防止接线有问题，每焊接好一条线，就用万用表检查是否短路，尤其是有用黑线接线的地方，要特别检查是否有造成与其他无关的线短路的现象。
焊接好每一模块后，就可以对整个电路板进行调试。
一开始调试时，发现电路板只能实现减法的功能，这应该是在双D触发器74LS74芯片上有问题，我返回去检查故障，发现第一个触发器的管脚4—控制端与高电平的接线断路了，修正以后，可以实现加减。
但是，用纸片依次通过二极管时，发现数码管上数字的跳动很不稳定，重新检查电路，发现电路没有问题，反复调试了几次，发现有一个接收二极管不能正常工作，没有遮光时，两端电压为0V，有遮光时，电压为1.4V，换下这个二极管以后，当纸片划过二极管时，数码管的变化较为灵敏。
此时发现还有另外一个问题，当纸片通过一对二极管时，数码管显示减一，通过第二对二极管时，数码管显示加一，即电路没有实现互锁。
检查电路发现依旧没有问题，于是我检查各芯片的输入输出电压是否正常，发现由74LS74芯片Q1输出端全为低电平，重新换上新的芯片，发现一切正常。
用纸片以适当的速度顺利划过两对二极管，发现该电路板可以正常加减实现功能。
在不断地检查故障和调试中，我发现应该从故障入手分析哪一模块出了问题，再从该模块查起，可以节省很多时间；当电路没有问题是，应该检查各管脚的电压是否正常，从而判断是否所用元器件是坏的。
要实现功能，还有一个很重要的因素，就是纸片通过两对二极管的速度，必须保证纸片顺畅的通过，此时便能实现功能。
八、结论与心得
在这次设计中，虽然对整个设计的框架较为了解，但是从对互锁电路反复的设计方案，集成芯片的资料查询和应用等过程中，了解了许多在平时课堂上没有学到的东西。
虽然最后的设计仍然存在为解决的问题，但在仿真过程中能够实现基本功能，即工件通过时加一，次品通过时减一。
通过这次设计，我明白了电子设计的总体过程，首先确定框架图和各个模块的衔接，然后通过各模块的输入输出信号来设计模块，设计中应尽可能的简化电路，尽可能使用功能较为齐全的芯片。
此外，我也在这次设计中又学会了一个新仿真软件。
我想，这种电子设计是很有意义的，它可以让我们将平时所学知识真正投入实际的使用中，也可以在查资料的过程中了解到一些新技术。
硬件制作的过程中，我也真正理解到工科学生的实践能力的重要性，在排故时一步一步分析，寻找各模块的输入输出信号是否相符，各管脚电压是否正常等。
总而言之，我很珍惜这个设计的过程，在不断学习和改进的基础上，我收益匪浅。
我相信，通过不同的设计，我们的实践能力会有更大的进步。
参考文献：
【1】对射式红外线计数器的设计王松德朱小龙农业机械学报
【2】红外线计数器的设计和制作王松德梁会琴王丹农机化研究
【3】通道计数器阳光环保设备网
【4】模拟电子技术基础华成英童诗白高等教育出版社
【5】电子电路图，电子技术资料网站
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