快速运动物体光电检测与计数器设计论文

1、 . . . 快速运动物体的光电检测与计数器设计摘要：快速运动物体的光电检测与计数主要是利用光电发射管和接收管组成检测单元，当发射管与接收管之间有障碍物（即被检测计数的物体）时，光线被阻断，接收管接收不到信号，从而引起接收管输出信号的改变，根据检测接收管的这一信号即可判断反射管与接收管之间是否有障碍物，达到计数的目的。在较大体积物体的检测与计数、室外等复杂环境下的物体检测与计数等应用中，环境中的光线对检测有很大影响，这种情况下需要考虑到对光电发射管发射信号的PWM调制，以抑制环境对检测的影响。本设计采用采用红外发射管和接收管组成检测计数传感器，通过检测光电接收管的输出信号来检测物体，并对输出信

2、号采用NE555芯片组成的斯密特触发器整形，输入到计数器计数，本设计中计数器采用74HC161计数芯片，其输出经过74LS48解码后直接驱动7端数码管显示计数值。经过对系统的设计分析、PROTUES仿真以与综合调试分析，本设计达到了快速运动物体的光电检测与计数所要求的预期目标。关键词：光电检测 计数器 数字电路16 / 19目录 1 序言11.1 光电计数器的研究背景11.4 光电计数器的应用领域21.4 课题研究的主要容21.5 本文的主要容22 总体方案设计32.1 总体功能分析32.2 红外调制与驱动方案选择42.3 检波电路方案选择42.4 信号整形方案选择52.5 计数器电路设计方案

3、52.6 主要器件的选型63 系统电路设计83.1 短距离红外计数检测电路83.2 远距离红外计数检测电路83.2.1 40kHz带通滤波器93.2.2 LM567鉴频电路93.3 计数器电路设计103.4 NE555电路设计113.4.1 40kHz信号发生电路113.4.2 斯密特触发器124 系统电路的PROTUES仿真134.1系统的仿真模型134.2 仿真运行13结束语16致17参考文献18附录整体电路图191 序言1.1 光电计数器的研究背景光电计数器是电子计数器中的一种，其核心部分都是由数字电路逻辑组成的增计数或者减计数电路。电子计数器是利用数字电路技术数出给定时间所通过的脉冲数

4、并显示计数结果的数字化仪器，电子计数器是其他数字化仪器的基础。在它的输入通道接入各种模-数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛应用 。计数器是在数字电子技术中应用的最多的时序逻辑电路。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以与进行数字运算等。多功能电子式计数器由信号输入电路、信号处理电路、计数与显示驱动电路、计数状态控制电路、显示器和电源电路构成，可接受各种电压幅度的脉冲电压和触点开/关两种形式的输入信号

5、，信号处理电路通过光电耦合器与信号输入电路联接实现了信号输入电路与计数工作电路的光电隔离，利用计数状态控制电路可控制输入信号的阻断与计数器的复位。计数器有外接端子可与外部控制电路或装置联接由外部来控制计数器的工作状态和计数器的复位。 多功能电子式计数器，包括有电源电路，其特征是由信号输入电路、信号处理电路、计数与显示驱动电路、计数状态控制电路、显示器构成，信号输入电路由至少两条由限流电阻与开关串联构成的分挡开关电路并联构成的迭挡器、一端与选挡器输入端并联另一端与电源电路正极联接的输入方式控制开关、阳极与选挡器输出端联接的发光二极管、阳极与发光二极管阴极联接，集电极经电阻与电源电路正极联接的光电

6、偶合器，阳极与光电偶合器阴极联接的整流二极管构成，信号处理电路由输入端与信号输入电路光电偶合器集电极联接，其输出端经电阻与电源电路正极联接的施密特触发器、输入端与施密特触发器输出端联接的同相缓冲器、反相缓冲器，控制端分别与同相缓冲器、反相缓冲器输出端联接，其输出端并联的两个膜拟开关、与模拟开关输出端并联的滤波电路构成，与同相缓冲器输出端联接的模拟开关的输人端接电源正极与反相缓冲器输出端联接的模拟开关的输入端接公共地，计数与显示驱动电路由计数与显示驱动集成电路芯片和芯片工作辅助外围电路构成，其计数输入端接信号处理电路输出端，其输出接显示器输入端，计数与显示驱动集成电路芯片为具有复位端和计数使能端

7、的并对计数输入端的脉冲信号以十进位方式计数的具有多位显示译码和直接驱动显示器进行数码显示的集成电路芯片，计数状态控制电路由一端接计数与显示驱动集成电路芯片复位端，另一端接系统公共地的复位开关和公共端接集成电路芯片的计数使能端，其另外面端分别接电源电路正极和公共地的单刀双掷开关构成。1.4 光电计数器的应用领域光电计数器被广泛用于社会生活的多个领域，发挥着它的作用，为人民提供便利。在高速公路的管理中，为了更好地提高高速公路的现代化管理水平，发挥专业技术的优势，寻找高速公路管理方面的切入点，可选用光电计数器用来记录出、入高速公路的车流量。由于采用了先进的电子技术，避免了人为记录的误差，做到车流记录

8、智能化，为高速公路管理的决策者提供第一手精确的资料。在流水线生产线上，对生产产品的计数中，若采用光电计数器来计数生产线上的各种产品数量，不仅能够节约人力资源，还能够提高计数的精确度和可靠性，并且可以通过联网的方式，将各条生产线的生产情况上传到车间管理者的电脑，或者公司其他管理者的电脑上，这样对实现生产远程管理化具有很大的促进作用。可以说需要计数，就会用到计数器，计数器的应用围的确很广泛。1.4 课题研究的主要容本课题的主要研究容是设计一个基于数字电路的快速移动物体的光电计数器系统，当有被计数物体快速穿过光电传感器中间的时候，计数器能够准确地检测到被测物体，并进行计数，计数最大值可以达到99。1

9、.5 本文的主要容本文介绍的主要容安排如下：（1）第一章 序言。主要介绍了光电计数器的发展和应用价值，对计数器的通用结构等问题作了探讨。（2）第二章 总体方案设计。介绍了系统设计方案和工作原理，以与核心器件的选型和系统的参数计算。（3）第三章 系统的硬件设计。对系统各模块的硬件设计进行详细介绍，给出了系统硬件设计的总体框图和各模块的详细电路图。（4）第四章 PROTUES仿真。主要介绍了本系统中的核心部分数字电路组成的计数器电路的PROTUES软件仿真。（5）结束语阐述了本系统的设计思想，简要描述了本系统的设计特点，并对进一步的研究提出了展望。2 总体方案设计2.1 总体功能分析光电计数器主要

10、组成部分有：供电部分的电源电路、传感器部分的红外光电发射管和接收管、红外发射管的驱动电路和信号调制电路、红外接收管的信号调理电路、还有核心部分的计数器电路以与显示驱动电路和显示电路，如图2-1所示。被计数物体红外发射管计数器显示驱动显示电源系统红外接收管调制与驱动信号调理图2-1 电路总体框图电源系统主要完成整个系统的供电，包括计数器等数字电路的供电，以与传感器信号调理和驱动部分的供电。当被测物体的体积较大时，需要红外发射管与接收管之间的距离较大，这就需要红外发射的功率加大，一般采用大功率的红外发射管，其供电电压都要高于不同数字电路的工作电压5V或者3.3V，所以电源系统主要完成整个系统的能力

11、供应。红外发射管的驱动电路功能较简单，主要完成红外发射管的激发。红外发射管的调制电路主要用在大功率或者室外等工作环境较复杂的工作场所，避免太以与日光灯等白光发光物体对系统工作的影响，因为太等发光物体发出的光线中包括红外发射管发出的红外线光谱信号，这些信号会对接收管产生影响，是接收管错误判断。调制电路是利用一种已知频率的信号去驱动红外发射管，使其以固定频率发出红外线信号，在接收端，通过将接收管的信号放大和滤波，再检波，即可判断发射管发出的红外光是否到达接收管出，这样可以很好的对环境光的影响起到抑制作用。红外接收管的信号调理主要包括对接收管信号的放大和滤波检波等，将接收管的信号进行整形，以数字计数

12、器可以识别的脉冲信号输出给计数器电路，一般包括脉冲宽度整形和脉冲幅度整形。计数器电路是本设计中中心部分，主要完成信号脉冲的计数，以与将计数值实时地输出。显示驱动电路和显示电路主要完成计数器输出的实时计数信号的显示，共用户直观地看到当前的计数值。2.2 红外调制与驱动方案选择对红外发射管的调制选择如图2-2所示的40kHz方波信号，由该信号控制红外发射管的驱动电路，所以发射管发射红外线波形的时间间隔和发射波形的宽度均为：（1.1）图2-2 红外发射管的驱动信号波形（频率40kHz）整个红外发射与接收电路的功能框图如图2-3所示，驱动信号经过功率放大电路后驱动红外发射管来发射信号，接收头接收到的信

13、号比较微弱，首先需要经过一级阻抗匹配将信号提取出来，再经过滤波和放大，滤除信号中的干扰信号，放大信号幅值，并将信号脉冲进行整形后输出给计数器电路。功率放大阻抗匹配滤波放大接收管发射管驱动信号整形图2-3 红外发射与接收电路功能框图本设计中需要电路产生40kHz方波信号，拟采用NE555芯片来组成固定频率振荡电路产生这一驱动方波信号。2.3 检波电路方案选择对调制信号的检波的方法较多，其中最常用的是利用LM567芯片。LM567为通用锁相环电路音调译码器，LM567的部电路与详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的脚输入幅度25mV、频率在其带宽的信号时，脚由高电平变成低

14、电平，脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。LM567主要是用于解决对40kHz方波的检波，其工作过程和红外线信号的频率和波长无关。2.4 信号整形方案选择本设计号整形电路拟采用斯密特触发器作为信号的整形，斯密特触发器又称斯密特与非门，是具有滞后特性的数字传输门。该器件既可以像普通“与非”门那样工作， 也可以接成斯密特触发器来使用。斯密特触发器具有如下两个特点： 1、电路具有两个阈值电压，分别称

15、为正向阈值电压和负向阈值电压；2、与双稳态触发器和单稳态触发器不同，斯密特触发器属于“电平触发型”电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。它是一种阈值开关电路，具有突变输入输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。 当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-时，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的。 而从IC部的逻辑符号和“与非”门的逻辑符号相比就略有不同，它增加了一个类似方框的图形，该图形正是代表斯密特触发器一个重要的滞后特性。滞后特性是指

16、当把输入端并接成非门时，它们的输入、输出特性是：当输入电压V1上升到VT电平时，触发器翻转，输出负跳变；过了一段时间输入电压回降到VT电平时，输出并不回到初始状态而需输入V1继续下降到VT电平时，输出才翻转至高电平（正跳变），用公式：VTVT=VT 表示，VT称为斯密特触发器的滞后电压。VT与IC的电源电压有关，当电源电压提高时，VT略有增加，一般VT值在3V左右。因斯密特触发器具有电压的滞后特性，常用它对脉冲波形整形，使波形的上升沿或下降沿变得陡直；有时还用它作电压幅度鉴别，在数字电路中它也是很常用的一种器件。本设计中拟采用NE555芯片来构成斯密特触发器作为输入信号的整形电路。2.5 计数

17、器电路设计方案本设计中拟采用74HC161计数芯片来组成计数电路的核心部分。74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以与单片机系统种实现分频器等很多重要的功能.从74HC161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74HC161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS1

18、61还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74HC161可以组成16进制以下的任意进制分频器。2.6 主要器件的选型滤波和放大模块部分，需要用到运算放大器，本设计采用的运算放大器是LM324。LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算

19、放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位一样。LM324系列由四个独立的，高增益，部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数

20、字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。NE555为8脚时基集成电路，大约在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能与运用都是相容

21、的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大一样；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。该芯片具有以下特点：1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平与输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。3 系统电路设计3.1 短距离红外计数检测电路短距离对

22、射式红外检测电路如图3-6所示，发送端由三极管C8050控制发送管的开通和管段，当电路工作时，打开三极管开通红外发射管，电阻R4为红外发射管的限流电阻，电阻R5为接收端光敏三极管的上拉电阻，光敏三极管的集电极输出，发射极接地。该电路结构简单，元器件较少，但是检测距离较短只有数厘米左右，这也是一般不用调制发射管的发光频率来较低干扰的原因。该电路可用于信号干扰较小的密封型空间部的移动物体的计数测量。图3-1 短距离红外检测电路3.2 远距离红外计数检测电路远距离红外检测电路除了考虑到发射管的发送功率外，还要考虑到传输围的自然光的干扰等问题。发送功率可通过提高发射管的功率以与供电电压来实现。本设计给

23、出了一种远距离红外检测信号调制和解调的电路原理图，其发射部分与短距离红外发射电路类似，只是提高了输出功率，用40kHz的驱动信号去控制发射管发射红外信号，相当于红外波作为40kHz信号波的载波。而接收电路采用运放组成的放大和滤波电路对红外接收管的信号进行滤波和放大，再经过检波后输出，如图3-2所示。图3-2 红外接收解调电路3.2.1 40kHz带通滤波器根据安装时红外发射器和接收器之间的距离不等，接收头产生的信号强度也不一样，接收电路涉与到对接收信号的放大、滤波和解调制，解调制即检波。图3-2是红外接收滤波电路，其通频带为30kHz-50kHz，中心频率40kHz，用于将光敏三极管的信号进行

24、滤波，滤除高频和低频干扰信号，信号在经过放大和整形，处理成为标准占空比50%的方波，再送到检波电路，通过检波电路的检测，由单片机来处理检波电路检测的状态。3.2.2 LM567鉴频电路LM567为通用锁相环电路音调译码器，LM567的基本功能概述如下：当LM567的3脚输入幅度25mV、频率在其带宽的信号时，8脚由高电平变成低电平，2脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的2脚输入音频信号，则在5脚输出受2脚输入调制信号调制的调频方波信号。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。其压控振荡器的中心

25、频率是由5、6脚外接的电阻R1和电容元C1件参数觉得，由以下公式计算：（2.1）2脚外接电容影响着锁相环的信号捕捉带宽Bw，其关系为：（2.1）该公式表明，f0与C2的值越大，捕捉带宽就越窄，因此可通过改变C2的值来调节捕捉带宽。如图3-7是有LM567芯片构成的红外波40kHz检波电路，由LM567的带宽Bw与压控振荡器中心频率f0的关系式可知，LM567中锁相环的扑捉带宽Bw与频率f0有关，而频率f0又和外部RC元件值有关。因此可以通过改变外部RC元件的值来改变中心频率f0，相应地就改变了捕捉带宽Bw。在实际应用中，通常总是将电容C的值固定，通过改变电阻R的值来改变捕捉带宽，从而完成对不同

26、频率通道的译码工作。在改变电阻的方法中，有采用电位器调节电阻值得方法，也有采用波段开关将不同电阻值的电阻分别接入的方法，在本电路中因为输入频率为40kHz固定，所以采用了固定电阻值。本设计中解调的红外调制波频率为40kHz，取R11=20k，C12=2.2pF，有以下计算公式可以验证解调频率：（2.1）3.3 计数器电路设计本设计采用74HC161作为计数器的核心器件，以74LS48作为数码管的驱动芯片，其组成的计数器电路和显示如图3-3所示。图3-3 计数与显示驱动电路计数器电路中，U27作为个位计数器，U30作为十位计数器，74HC161可以设置计数初始值，在本设计中没有用到该功能，所以将

27、相关引脚做了处理，以防止其误动作。个位计数器芯片的计数脉冲信号来自LM567的检波输出信号，由U29A与非门芯片来配合U27实现十进制计数，当计数器U27计数到10后，与非门输出低电平，该低电平脉冲接到U27的MR清零端，将计数器U27清零，该脉冲信号还接到计数芯片U30的计数脉冲输入端，用于计数U27的十进制进位次数，也就是计数高位。计数器U30也和与非门芯片U29B组成十进制计数器，其工作原理和U27一样。计数芯片U27和U30的清零端都接到两位按钮开关S1处，当需要将计数器值清零时，只需要按下按键S1即可清零。计数实时显示电路由74LS48芯片和数码管组成，74LS48是4线-7段译码器

28、/驱动器，是7端数码管的专用驱动集成芯片，本设计中采用的是静态驱动数码管的方式。3.4 NE555电路设计3.4.1 40kHz信号发生电路由NE555定时器构成的多谐振荡器如图3-4所示。接通电源后，电源VCC 通过R1 和R102 对电容C64充电，当Uc<1/3VCC 时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。当Uc 充电到2/3VCC 后，振荡器输出Vo 翻转成0，此时放电管导通，使放电端(DIS)接地，电容C64通过R102 对地放电，使Uc 下降。当Uc 下降到1/3VCC 后，振荡器输出Vo 又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端(DIS)不接地，电源VCC 通过R101和R10

29、2 又对电容C64充电，又使Uc 从1/3VCC 上升到2/3VCC,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo 得到连续变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL0.7R102 C64，由电容C放电时间决定；TH=0.7(R101+R102)C64，由电容C64充电时间决定，脉冲周期TTH+TL。图3-4 40kHz信号发生电路本设计中，采用在电容C64的从点电阻R102上并联一只快速二极管，这样对电容充电时，只有R101为电容充电，电容放电时，只有通过电阻R102放点，将电阻R101和电阻R102的阻值取相等，就可以得到正负脉宽相等的信号。本设计中选择电阻值和电容值为：R101=R102=18

30、0C64=10nF计算输出信号的频率为3.4.2 斯密特触发器如图3-5所示为NE555芯片构成的斯密特触发器电路。输入信号接5.1k上拉电阻，在输入信号的上升沿，当输入电压上升至2/3VCC后，输出置一，在输入信号的下降沿，当输入信号下降至1/3VCC时，输出信号清零。图3-5 NE555组成的斯密特触发器4 系统电路的PROTUES仿真4.1 系统的仿真模型系统的PROTUES仿真模型如图4-1所示，主要有NE555组成的斯密特触发器，个位、十位计数电路以与显示电路等部分。示波器用于对比斯密特触发器的输入正弦波和整形后的输出方波。图4-1 系统的POTUES仿真模型4.2 仿真运行如图4-

31、2是计数器的PROTUES仿真的整体运行状况。图4-3是示波器的界面显示情况。图4-2 系统的仿真运行图4-3 仿真中示波器的显示在仿真过程中，当按下开关S1后，运行中的计数器停止计数并将显示清零，器运行效果如图4-4所示。图4-4 按下清零按键后仿真效果图结束语本设计主要介绍了一种高速运动物体的光电检测与计数电路系统的设计方案和具体实现过程。本系统采用74HC161作为计数器件，通过检测光电传感器模块的输出，检测是否有物体通过计数传感器，由脉冲整形电路等模块的配合，将计数值实时地显示在数码管上。经过对光电检测与计数器系统的研究和PROTUES仿真，按期完成了毕业论文的撰写和系统的功能仿真，经过对实物模型的验证性实验，本设计的方案能够完成预期目标的要求，达到了良好的效果。经过多方面的测试和验证，系统具有良好的工作性能和较好的环境适应性，造价较低，而且具有较高扩展性，系统可以通过稍加改动，实现更强大的功能，得到更广阔的应用前景和较大的经济价值。例如