红外线电子进出门计数器

1、河南科技学院2010届本科毕业论文（设计）论文题目：红外线电子进出门计数器的设计学生姓名：吕乐飞所在院系：机电学院所学专业：电子信息工程导师姓名：陈艳峰完成时间：2010年5月15 本文利用红外线发射、接受模块作计数传感器基于光电检测原理，设计了红外线 电子计数器。对于乘客的进出门计数更方便快捷。 由于该装置使用了模块化结构 及加密、解码技术，解决了抗干扰问题。故工作稳定计数准确。可广泛用于汽车 等记录进出门人数的设备。关键词：LED可逆计数器红外线传感器红外线发射驱动器AbstractUsing the in frared emissi on, accept module for coun

2、ti ng sen sor based on the photoelectric detect ion prin ciple, desig n of in frared electr onic coun ters. For the passe ngers into out count more convenient and quick. Because the device using modular structure and en crypti on, decod ing, solve the tech ni cal problem. An ti-i nterfere nee So sta

3、ble count accurately. Can be widely used in automobiles record into the nu mber of devices.Key words： LED , Reversible counter , Infrared sensors , Infrared emission drive1引言11.1课题的来源和意义11.2国内外“电子售票员”现状11.3方案论证11.4设计制作工作步骤 22.计数器设计 32.1总体设计要求32.2乘客进出门统计42.3 5KHZ红外发射驱动器62.4 5KHZ带通滤波器 72.5可逆计数器92.6译码显

4、示电路112.7读卡器电路132.8买票按钮143设计与制作153.1原理图输入中的问题与解决 153.2没有封装的元件 一一自建封装库 153.3单面布线中的飞线问题 163.4调试中的问题163.4.1 LED缺段问题163.4.2进出门计数变反问题 173.4.3刷卡无动作问题 173.4.4 1米外发射接收测试 17结论1.8参考文献19致谢20附录211引言传统的计数统计是人工的、机械的、离散的。如果改造成电子自动计数方式 则不仅节省了人力资源，而且能联网，实现远程控制和存储。电子自动计数还具 有抗干扰能力强，误差小、可持续工作时间长、便于加密处理而且保密强度高等 优点。利用电子自动

5、计数采集大量的人流、物流信息，不仅对当前调度有用，也 是长期规划的重要依据。本文对公交的进出门人数，买票、刷卡人数的电子计数器研制及遇到的问题作一讨论。1.1课题的来源和意义本课题是在电子竞赛培训中的预演练习题“电子售票员”的基础上作了更深入探讨。在实施过程中，涉及到红外传感器，放大器，比较器，计数器，显示器等多种元器件，综 应用了“电路模拟电子学”数字电子学” Protel99se印制板设计” “电子测量技术”等知识，通过做这项电子制作，完成设计制作的全 过程。方案论证、上网查阅有关应用电路和集成电路参数， 对每一部分的电路精 心设计、通过 Multisim8仿真选用最佳的元件配 。在这个过

6、程中，碰到了许多 以前书本上没有学 的问题，在解决问题的过程中提高了认识，补充了课本知识。 电子设计课题不一定很大，只要通过亲手做 遍全过程，完成一个产品制作，收 获是很大的。本课题的意义在于红外线计数技术不仅适用于人员流动检测和计数， 还可以 应用于生产线料瓶的计数，应用面广。 通过增加接口可以联网做数据采集。 本设 计经过实践考验后，可以实现模块化，小型化，或做成专用电路。1.2国内外“电子售票员”现状目前国内公交推广IC卡后大大减轻了售票员的劳动强度，但没有全部做到 无人售票，这是人力资源的很大浪费。经过我们实地观测，乘客漏刷卡，故意不 刷卡大有人在，就是有了售票员也照顾不到监视前后两个

7、刷卡器。无人售票情况， 司机监视投币、刷卡也有走眼的，所以国内需求电子售票员是必然的。国外乘车 人不太拥挤，上车比较有秩序，更适合推广电子售票员。1.3方案论证方案一：用单片机系。8051单片机可以软件实现相位比较、+1，-1计数 器、译码器功能。但是模拟部分的运算放大器，比较器，大电流的显示驱动器和 显示器还是要外接，而8051单片机的许多其它功能没有发挥。结论：用单片机 系对简化电路作用不明显。方案二：用FPGA。情况与单片机系 相似，只能集成数字部分。成本比单 片机更高,没有实用价值。方案三：用现成的计数-译码-显示模组，现成的红外接收-放大头。需要做的 仅相位比较这 部分。这种方案是可

8、行的，但是对学习电子制作来说，练习的机 会少。方案四：用通用中小规模集成电路来实现。在设计好电路后先用Multisim8仿真，选择最好的元器件组，再用Protel99se设计PCB，再安装调试。这种方 法虽然比较麻烦，实践机会多，有利于提高动手能力。决定用方案四。1.4设计制作工作步骤1.4.1. 根据电路的功能要求设计总体结构框图1.4.2. 总体结构框图把系分为红外高频调制发射、红外接收、高增益选频放 大器，由比较器构成的检波器，进出门识别相位比较器，可逆计数器，译码器， 显示器，控制界面（按键和开关）九部分组成。1.4.3. 参考有关线路图，设计每一部分的电路草图SCH文件。查阅各种芯片

9、 的资料，选用合适的外围芯片。通过 Multisimm8仿真，纠正设计中不合理的元 件参数，选用最佳的元件配 。1.4.4. 用Protel99 SE设计总体电路图，经过设计规则检查，纠正错误的连 线或遗漏的连线。最后产生元件表。准备全部元件。调用封装库里的各类元件， 核对元件的圭寸装是否匹配。对库里没有的圭寸装自行设计元件圭寸装。建立自己的 PCBLIB。1.4.5. 从总体电路图产生网表，检查NET网表文件，纠正错误,建立布线布局 区供放置元件，调用网表，如果出错就必需检查修正到完全无错误，建立设计规则，根据地线，电源线，输入输出线等设计布线宽度和间距。仔细布局，把相关 元件靠近在一起，电

10、脑自动布线，检查布线出PCB电路板文件交付厂家进行制。1.4.6. 购买、检测、安装元器件。为了便于试验，集成电路，LED数码管都使用管座。焊接完成后检查每一个焊点，不能有虚焊，短路等现象。1.4.7. 加电调试。第一、调试初期要检查电源电流是否异常，芯片有无发热。第二、每个单元电路单独用信号发生器和示波器检测功能是否正常。调节频率达要求。第三、整体配合调节。第四、环境试验。对温度，外光照等因数影响整体机性能作出评估。上述每一环节都有反复，遇到困难，克服困难，又有新的问题，解决问题, 就这样波浪式前进。步骤如图1示：总休逻躍要求.踣构框图设计.高频调制频率设定.接收増益确宦.汁数位歡确宦仿真发

11、射RC 乐荡器 设计接收选频 放大器设计设计*相位比较褂设汁可逆计数器设计电路医确疋仿真仿真仿鳶1r1 f1电捋图确 定电路图确疋电路图确|1ra总图许计狀h文件4电捋图时ERC检査定生成网袁.网表检養PCH设计,PC仔丈件元件表PCB f：r： DRC 心亶也买兀讣PCB刑栽元件检测安装2.计数器设计2.1总体设计要求：总体功能要求： 计:上车人数，刷卡人数、投币买票人数，用四个七段 LED数码字显示进门人数099。刷卡投币/买票人数099。有总清零功能。原理框图如图2:2.2乘客进出门统计红外发射为中心频率5.0kHz的交流脉冲光，防止自然光和交流电的干扰。 接收器含有：光电检测和前置放大

12、器带通滤波器，相位检测器。输出数字电平可直接驱动可逆计数器 40192集成电路。为了防止对细小物品如女孩的辨子、扁 担、包带等物品进入错误计数，设计两个或多个发射头错开一定距离水平排列， 红外接收头只要被一个头照射就动作。从图3可以看。这样凡是只有半影没有全影的情况就不被计数。只有人进出时才会被计。如何区分进门、出门呢？图4是一个相位检测器。有光照时输出为低，有人进入，没有光照时输出为高。传 感器S1,S2输出波形为VS1,VS2，因为放置时的错位，进门时，靠门的S1先被 挡住光，波形为，出门时，S2先被挡住光，波形为。图3红外发射Q2图4相位检测器-艳发器IQCP沁发器2Y把VS、VS分别送

13、到两个D触发器的CD端和CLK端，复位端CD是 低电平有效。信号对触发器 2分析如下：1:有光照时VS1、VS2都是低电平， 触发器2处于复位状态，输出都是低电平。2:VS1 = 1,先退出复位状态，这时输 出还是低，3:时钟VS2= 1,触发器动作，由于数据端 D接高，输出高，这种状 态延续下去，4:复位信VS1 = 0,输出低。5。时钟VS2由1变0,对触发器不起 作用输出不变。因为触发器只对时钟的上升沿，从低变高有反应，对下降沿，从 高变低没有反应。同时因为复位信号为低输出不会变。波形见。信号对触发器1分析如下：1:有光照时VS1、VS2都是低电平，触发器 1处于复位状态，输出都是低电平

14、。2:时钟VS1 = 1,因为是复位状态，时钟不 起作用，输出还是低，3：复位信号VS2 = 1,由于没有时钟VS的上升沿，原来 输出低的状态延续下去，4:时钟信号VS1 = 0,对触发器不起作用输出不变还是 低。5:复位信号VS2 = 0,输出低。波形见同理可以推出，信号作用下，触发器1输出，触发器2输出。对相位 比较器的仿真利用multisim8.0做的，输入时，只用一个脉冲信号产生器，输 出VS1，另加一个延迟电路做 VS2，这就模拟进门状态。反过来，信号产生器 输出VS2，延迟产生出VS1，模拟出门状态。模拟电原理图和虚拟仪器接法见图 5,模拟结果见图6图7。图6进门波形波形分析：由图

15、6知，此时VS2超前VS1，为进门状态，U2A D触发器工 作，在VS1低电平时，复位起作用，U2A输出0 1高电平，在VS1高电平时 期间，VS2从0 1时，U2A D触发器翻转,Q1输出低电平，Q 1输出高电平， 以供加1计数。U2B D触发器 直保持复位，Q2输出低电平，Q 2输出高电 平。反之，出门状态，此时 VS1超前VS2 0 Q 2输出低脉冲，供减1计数。， Q1直输出高电平图7出门波形2.3 5KHZ红外发射驱动器在CMOS多谐振荡器、晶体管 RC振荡器和NE555多谐振荡器三者中, NE555有结构简单，驱动电流大，频率稳定等优点。决定选用NE555。NE555电路介绍：它是

16、一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱 动 电流可达200mA。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个 外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电 阻和一个外接电容确定，可延时数微秒 数小时。工作电压范围：4.5VVccC79= 25.6g, C79= 1000PF, R73= 10kQ,算得 W71=17k Q,在可调范围内。红外发射是看不到的，检测方法是：用红外光电管接一个10K电阻接到9V 电池，用数字表电压档测电阻端电压。无光照时只有 0.3V，把555振荡输出的 发射管对准光电管，电压变化幅度升到5-6V。说明发射很强。2.4 5KHZ带

17、通滤波器做一个放大为25倍，Q值小于10的带通滤波器。晶体管偏置电路复杂, 稳定性差。决定采用集成电路。 LM324比较便宜，但是单位增益带宽积只有 1MHZ (18V)在5V时只有300K,决定用同样引脚而频率较高的 TL084.图9LN324和TL084的管脚图根据“模拟电子技术”和图伽一7,设计如下（图10）图10带通滤波器用Multisim8仿真C1 -卜 B20pFR2 rVV一知紅.-VOD-2pF- C2 - vccilihiLliNXSC1 -XSALLM324N2J5VEZ I-口口口EiD E3口口口口图11仿真线路图Tek aTU*m Fos: DmAUTO SETUnd

18、o .时朋掘CHI匚HM Sir-w M lOOufCH1/127mV图12仿真波形图2.5可逆计数器40192,74HC192,74LS192是可预置的BCD加减法十进制同步计数器，可以 作+ 1， 1,预置等操作，特别适合应用于设计。40192管脚排列111 io 9图13 40192管脚排列Vcc 进门 人数出门人数1丄Ik：Ji L.-i:I人数统计低位1人数:统汁-J f g数咯汁低位图14 应用40192的设计电路工作过程分析：40192,74HC192,74LS192是可预置的 BCD加减法同步计数器。内部由 4 个时钟同步操作的D触发器和控制门组成。4个触发器状态的变化是同步进

19、行 的，4个输出端状态跳变没有时间差别，而异步计数器是上一级翻转推动下一级， 延迟逐级累加。Q10要比Q0晚10个延迟。应用于译码器会有毛刺。同步计数 器不会有此问题。4位二进制计数器的状态是 0000, 0001.1111,0000共16个 状态，而BCD计数器的状态是 0000, 00010111,1000,1001,0000共10个状 态。内部的控制门有两大作用，1进位链控制，1001后下面就进位，变成0000。 2同步时钟，把某触发器该不该翻转的条件在时钟来之前准备好，时钟一来同时翻转。例如现在状态是1001，打开第0、第3个触发器，当外时钟一来就一起由 1变0。而第1、第2个触发器的

20、时钟关闭，外时钟来时不动作。这种进位条件 也提前送到下一个192做到多级同步。当预置位PL为低时，与时钟同步把D0D1 数据送到Q0Q3。我们不用可预置功能，PL接高。做成加减功能的可逆计数时要用两个时钟，CU和CD（下降沿有效），其相互关系是其中一个由高变低时， 另一个必须为高，平时两个时钟输入都应该是1。正好和波形相反，我们用D触发器的反相输出端 Q非接192。两级计数器级联的方法是前一级的 TCU/TCD分别接下一级的CU/CD。当清零信CR为高的时候，所有的计数器 状态都回到零。CU加法计数时钟，输出从0直加99,超过99回到0，CD减 法计数时钟，输出退回一个数。如果原来加50，CD

21、来一次，输出为50- 1 =49。利用Multisim8.0对上图带显示仿真，结果如图 15 O h 0 =工iS5coEUiAl2i莹 6A J5W W Gr U；*-芒 er畐雀 J.ISSHB 8I HJzkLlx图15仿真线路图2.6译码显示电路常用的译码显示驱动电路有 74LS47, (247)和4511两种，前者适合共阳极 数码管，后者适合共阴极数码管。从显示 6, 9的字型来说74LS247比较好看。 多位数字显示可以用动态扫描方式，本设计只用2位，静态显示比较简单。4511比较便宜。所以选用4511。4511的输入为A0A3,输出为Ya,Yb,Yc,Yd,Ye,Yf,Yg 分别

22、接七段数码管的相应端，中间的限流电阻是必不可少的。每段电流510mA， 每个字约40 mA为宜。4511的输出高电平为电源电压减0.9V,数码管负载电压 为 1.62V.限流电阻 R=(Vcc-0.9-2)/5mA =420 Q。电阻取 390Q。4511 有一个测 试端LT和一个消隐端BI，也就是全亮全熄控制端，前者为低，显示 8,后者为 低，不显示。本设计不用这两个输入端，统统接高。芯片有一个选通端LE，用以锁存输入的数据，如果LE由0变1，输入A0A3的新数据不能进入译码器， 输出不变。本设计不用选通，LE接0。74LS4511 介绍：74LS4511是具有CMOS结构和NPN双极型晶体

23、管输出的BCD码到7段 锁存/译码/驱动器它的输出驱动电流为25mA，可直接驱动发光二极管和其它显示器件采用灯测输入端 LT,消隐输入端Ib和选通输入端S,来测试显示 器件：关闭或亮度调节及存储或选通一个 BCD码除此之外，利用外加多路 选择器对一些不同的独立信号，可进行多路操作和显示。其电路结构和性能与美 国MOTOROLA公司MCI45IIB相一致.主要用于驱动共阴极发光二极管。真值表输人输出显不1BILTD4DIQaQhQcQJQeQf0eXXLXXXHHHHHj-HgXL11XXXX1.L1.I.LL1.BlackLH11LLJ.LHH11HH|L0LH11LLLHLHHLLJL1LH

24、|LLIILHLHL2LHLLHHHHHI.LHR, J1.II111.IILLLH|LL11nJLHHLLHHLHHL|H5LH11LHHLLLHHH|6LH】1LIIHHII11LLLL7LHHLLLHHHHHHSLH|nLL11HIIHLL|】l9LHLHL|LLLLLLLLEJlackLH11LHHLLLLLLLBlackLH|HH1.1.LLLLLLI.BlackLHHHLHLLLLI.LLBlack1.II1111HIILLLLLLL.LHlackLHHHHLLLLLLLBlackHHHXXXX2.7读卡器电路：L81和C81串C82构成LC谐振回路，频率为Fosc=1/2nL C

25、。约 为11MHZ。由于R83的存在，回路Q值不高。C81、C82分压正反馈，形成电 容三点式振荡器。当IC卡内的10.56MHZ谐振回路接近L81时，由于振荡牵引 作用，振荡频率由11MHZ降低向10.56MHZ靠近。频率10.9T0.8T0.7T0.6 T0.56。Z81为调频机的陶瓷滤波（带宽 280KHZ） （S2A10带宽230KHZ也可 用，效果不如 A5）器，谐振频率10.7MHZ。型号LT10.7MA5A10当无IC卡 时，Z81输入100200mV，输出1020mV有无IC卡时，Z81输入不变频率 降低，输出50100 mV甚至更高。用金属片接近L81时，线圈电感降低，振荡

26、频率升高。振荡频率更低。VT82放大约5倍，C85，D81，D82构成倍压检波， 在C86上得到直流信号电压。调L81的移动半圈，使至少有卡比无卡大一倍， 最佳状态可达有卡比无卡大十倍。W81产生比较电压，调到无卡和有卡直流电压的中心点，如有卡 0.5V无 卡0.1V,调（0.1+0.5）/2=0.3V。U81A有卡输出低，无卡输出高。C87、R91构成 微分电路，不管刷卡时间长短，都只有一个窄的负脉冲。U82A、B构成单稳态电路，总是输出0.5秒等宽脉冲，启动U82C、D构成2KHZ多谐振荡器，发 出“嘟一”的提示音。刷卡信号从U82A输出。图16读卡电路2.8买票按钮防抖动措施电路原理：当

27、机械脉冲开关工作时，其开关触点的闭合和张开，都会产生随机性的机 械抖动，给电路产生不希望的振荡脉冲和干扰， 从而产生按钮按下次数及输出值 与预测值不符导致计数显示混乱。出现此问题的原因通常是其中某脉冲出现了 重复触发动作，自然其按键次数和输出电位就会与预测值不符。其中按钮接触不 良，线路噪声加剧，或是人为按钮动作不规范是主要原因。因此，防抖动电路和 防抖动软件成为计数器外设的重要接口部分。常见的防抖动电路用的集成片较 多，电路也较复杂，市场上也能买 防抖动的专用集成片，成本都比较高。本文 采用的设计方案是利用74HC00组成简单的单稳态防抖触发器。TOSIU1A 4HC00IOKoon17A

28、rjHCtX)图17单稳态防抖触发器74HC00芯片介绍：74HC00的管脚排列图图18 74HC00的管脚排列74HC00的功能表和主要参数 Y=AB输入输出ABYLLHLHHHL11HHL3设计与制作3.1原理图输入中的问题与解决。三极管，二级管，位器的原理图和 封装图序号不同问题的解决在调入网络表后，可以看到网络表已经转换成可以执行的宏命令显示在窗 口的下方，这时可看到窗口底部的状态条以便确认所有的宏命令是否有效，若是出现错误，一般错误是元件封装名称不对，致使在封装库中找不着，或者是封装可以找，但管脚 和焊盘不对，如此电路图中的二极管，三极管，电位器等。更改错误方法：首先在原理图中双击二

29、极管 D1,然后在弹出的属性对话框 中，选择HiddenPins前的小方框，关闭属性对话框后，就可以看到二极管的管 脚号显示出来，确认管脚号和二极管阴极和阳极之间的关系。将当前窗口切换到电路板图，在圭寸装库管理器中选择International Rectifiers库，在库中找D0-41 封 装，双击焊盘，将焊盘 A改为1, K改为2存盘后，再调用网络表，若是在网 络表调用窗口底部的状态条显示： All Macros Validated,就说明没有错误了，可以 单击Execute按钮，将元件和他们的连接关系调入电路板图中。否则还需要找错，直到所有错误改正。三极管，电位器管脚错误的问题亦可以用上

30、述方法并解决，至此所有的管脚错误问题便全部解决。3.2没有封装的元件一一自建封装库，例LED数码管。在利用Protel 99se调入网络表制作PCB板时还有一类常见错误即元件在 封 装库中找不着，例如本电路板图中的 LED数码管。此问题可以通过手动画 元件封装图来解决。LED管脚距离和DIP模板中的脚距完全相同，故直接调用Protel99se中 的元件封装图制作向导来完成LED数码管简单绘制方法：1. 启动元件编辑器2. 启动元件向导3. 选择DIP模板，并选择公制单位4. 焊盘使用缺省值5. 设置焊盘之间的距离6. 使用缺省丝网线宽和图形7. 选择管脚数目（10个）8输入管脚名称屏幕显示如下

31、图所示的数码管图型3.3单面布线中的飞线问题为了能够清晰明了的看清成品 PCB板上的走线，这里采用单面板自动布线 方案。当使用自动布线时有 些交叉线无法按理想路线走开从而会使布线凌乱， 这时就采用走飞线的方法来解决：走飞线的方法是在预定飞线的部位放一 0欧电 阻。3.4调试中的问题3.4.1 LED缺段问题在实际电路板调试时会出现某个数码管显示数字错误，具体表现为不管显示的数字是几，都在固定段上无法点亮，例如8显示为A.经过研究，造成此问题的主要原因是数码管某一个管脚虚焊或者是数码管已经损坏。图19 LED错误显示检测方法：在电路板焊接面找 相应的段脚，将此脚接VCC，如果正常点亮说明 管脚虚

32、焊，重新焊接即可解决问题；如果依旧不亮，泽数码管损坏，需要更换新 数码管。342进出门计数变反问题在测试计数功能时发现进门时计数器-,出门时计数器+1,经过对电路进行 重新分析，发现CD40192芯片的CPU和CPD接返，重新搭线焊接后问题解决。343刷卡无动作问题解决方法;将电感线圈调回11.15M Hz问题解决。344 1米外发射接收测试。在调试红外发射接收时当将发射和接收距离拉大1m外时计数失灵，经测试发现接收电路输出端电压几乎为 0,所以决定采用加大发射功率和增加接收放 大倍数来解决这 问题。加大发射功率方法：调节 W1和C79。结论本文回顾了各种计数器的发展现状， 介绍了现代电子计数

33、器的基本原理， 并 分析了利用电子计数器来制作公交车电子售票员的方法； 分析并仿真了基于差分 信号的进出门计数的基本电路，独立完成了各目标板的设计与调试， 最后将三部 分目标板联系起来综合调试并进行研究和实验， 最终得到的结果如下：1 实现了人员进出的准确识别计数。本文在独立设计的单向计数系统上进行了 改进，实现了对人员进出门的准确识别并计数。在判别进出时，需要用到由 74HC74 （双D触发器器）组成的相位鉴别器使能控制来实现，谁使能谁有效。 最后将使能端的信号送给后面计数器进行计数。2 实现了进门刷卡人数的统计本文的意义在于采用了当前电子领域中的先进的红外传输技术来实现人员流动检测、进出门

34、识别、计数等。具有很大的灵活性：1 .多功能。它可以在同一个硬件平台上，改变使用地点就能够完成不同的功能。 如：它既可以用来制作公交车电子售票员统计人数，也可以用于生产线上统计产品数量2.具有可开发性。在同一系统中，对计数部分进行级联便可以实现更高位的计 数，另外将计数器的输出端和预置位输入端通过数据总线与计算机相连，便可通过计算机进行多功能控制计数。3可靠性高。因为数字系 只有两个电平0 ” 1 ，抗干扰能力强。4 易于实现模块化本文所研究的内容具有一定的实用价值。而且本文所提出的实现人员进出鉴别的方法，仍然是当前电子领域中先进的技术，并具有一定的理论和实践意义。 本文基于红外电子计数器实现了一个完整的公交车电子售票员，实现了包括进出鉴别、计数、刷卡 计在内的所有工作。由于工作量太大的关系，本设计只实现 了一个0-99的2位小型计数器，如果在此基础上扩展到 4位计数，就可以付诸 实践使用了。参考文献1 王晥贞模拟电子