课程设计 光电计数器1

1、电子课程设计光电计数器 19 目录一设计任务.1二总体框图与设计思路.1三选择器件.12四功能模块.14五总体设计电路图与仿真结果.15六参考文献.19七总结和心得.19光电计数器一， 设计任务与要求设计一光电计数器，设计要求及技术指标如下：1、 发光器件和光接收器件之间的距离大于1m。1、 有抗干扰计数，防止背景光或瓶子抖动产生误计数。2、 每计数100，用灯闪烁2s指示一下。3、 LED数码管显示计数值。二， 总框体图 方波发生器光电转换脉宽变电平 单稳态触发器计数器显示图1 光电计数器的电路框图上图是光电计数器的电路框图。1、在光电转换电路中，发光器件（例如LED）的输出光强于与通过其工

2、作电流成正比，发光侧与接收侧的距离越大时，要求输出光强也越强，即要求工作电流越大。一般LED的工作电流约为1050mA，因此为了提高传送距离，必须提高LED的工作电流。当使LED处于脉冲导电状态时（脉冲调制），允许的工作电流可增大Totw,大大提高了传送距离。无瓶子挡光时，整形后输出和调制光是同频率的脉冲信号，挡光时输出一个高电平，即使没有瓶子挡光，整形输出信号的脉冲宽度是不一样的。把不同的脉宽变换为不同的电平，形成触发沿，作为计数脉冲，可实现对瓶子的自动计数。脉宽变电平电路如下所示。把脉宽变为电容上电压，并以此作为控制信号。瓶子不挡光时，信号脉冲窄，电容上电压小，使脉宽变电平电路输出为1，挡

3、光后脉冲变宽，电容上电压能达到某阈值电压使脉宽变电平电路输出为0。从而瓶子挡一次光、能形成一个计数脉冲沿。 图22、下来要实现每计数100，用灯2秒闪烁指示一下，说明要用到计数器实现100进制的，160为十进制计数器，直接清零。简要说明:160为可预置的十进制计数器，共有54/74160 和54/74LS160 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值;用3个74LS160实现100计数后,要实现用2s闪烁指示一下，是使用一个与非门和一个与门可以完成这个要求。图3三、选择器件NE555 光耦合器 74LS160 DCD_HEX若干 电阻及电容若干 LED数码管 NE555定时器555是一种多功

4、能集成电路，只要在外部接上几个电阻与电容，就可以组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，上图是它的内部结构框图和符号图。其主要有比较器1、比较器2、非门G1与G2组成的SR锁存器和放电三极管Q1组成。功能:在复位端加低电平信号，锁存器复位，可以使输出V0低电平。正常工作时，复位端应该加高电平。控制端所加电压可以改变比较器1同相端、比较器2反相端的电压值，因此也就改变了比较端1反相端的阈值电压和比较器2同相端的触发电压。若是控制端不外接电压，则比较器1同相端的电压为23Vcc，比较器2反相端的电压为13Vcc。若复位端为高电平，则输入信号V11、V12与输出状态之间的关系为：当阈值端电压V1

5、1大于23Vcc，触发端电压V12大于1/3Vcc，锁存端的R端为低电平，S端为高电平，锁存器输出Q置0，放电管导通，输出端V0输出低电平。当阈值端电压V11小于2/3Vcc，触发端电压V12大于1/3Vcc，图4锁存器的R端为高电平，S端为高电平，锁存器保持原状态不变，放电管维持原状态不变，输出状态不变。当阈值端电压V11小于2/3Vcc，触发端电压V12小于1/3Vcc，锁存器的R端为高电平，S端为低电平，锁存器输出Q置1，放电管截止，输出端V0输出高电平。当阈值电压V11大于2/3Vcc，触发端电压V12小于1/3Vcc，锁存器的R端为低电平，S端为低电平，锁存器输出Q置1.放电管截止，

6、输出端V0输出高电平。 图5上图为定时器555组成的单稳态触发器。其工作原理：触发前：触发V1为高电平，比较器1输出高电平；比较器2也输出高电平，输出端输出V0低电平，放电管导通，Vc1为0。触发时：幅度低于1/3Vcc的窄脉冲触发信号加在触发端，比较器2输出低电平，锁存器置1，关闭放电管，输出端V0输出高电平。电源通过电阻向电容C1充电，Vc1电压指数增加，暂稳态开始。经过一个小时的时间延迟，触发信号消失，触发端为高电平。比较器2输出高电平。暂稳态结束时：Vc1达到2/3Vcc，比较器1输出低电平，输出端输出低电平，放电管导通，电容C1通过放电管放电，当Vc1电压低于2/3Vcc时，比较器1

7、输出高电平，恢复触发前的状态。输出脉冲宽度：电容电压Vc1从0V增加到2/3Vcc需要的时间。根据充电初值Vc1（0）=0V，充电终值Vc1（）=Vcc,时间常数是R1C1。可以得到Vc1达到2/3Vcc的脉冲宽度Tw为: Tw=1.1R1C11、 光耦合器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

8、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10），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。事实上，光耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件，其输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似，因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路，并且输入与输出间可实现电隔离。然而，这类放大电路的工作稳定性较差，无实用价值。究其原因主要有两点：一是光耦合器的线性工作范围较窄，且随温度变化而变化；二是光耦合器共发射极

9、电流传输系数和集电极反向饱和电流ICBO(即暗电流)受温度变化的影响明显。因此，在实际应用中，除应选用线性范围宽、线性度高的光耦合器来实现模拟信号隔离外，还必须在电路上采取有效措施，尽量消除温度变化对放大电路工作状态的影响。从光耦合器的转移特性与温度的关系可以看出，若使光耦合器构成的模拟隔离电路稳定实用，则应尽量消除暗电流（ICBO）的影响，以提高线性度，做到静态工作点IFQ随温度的变化而自动调整，以使输出信号保持对称性，使输入信号的动态范围随温度变化而自动变化，以抵消值随温度变化的影响，保证电路工作状态的稳定性 图63、74LS160 同步十进制计数器74LS160 作用：实现计时的功能，为

10、脉冲分配器做好准备。 74LS160结构和功能 160为十进制计数器，直接清零。 简要说明:160为可预置的十进制计数器，共有54/74160 和54/74LS160 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值。 图7 74LS160外部管脚图下表是74LS160的主要电器特性 异步清零端/MR1 为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。 160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于54/74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，

11、而54/74LS160无此种限制160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。 当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74LS160的CEP、CET跳变与CP无关。 160有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。 在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。 对于54/74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。 4、LED数码管图8工作原理： 上电复位后进入启动工作状态，程序自动将LED数码管上电显示并

12、且清零，等待接收指令状态，当在键盘上输入六位数字的数码时，单片机通过键盘输入口（即定为P1口），将键盘的数据读入处理后，将其对应值通过74LS47传送数据到LED数码管显示，并经74LS138译码控制器译码后以扫描的方式依次逐个连续点亮六个数码管；在此同时单片机还要判断所收到的键盘码是开锁码？如是，则将.0置低电平，此时绿色指示灯亮（或喇叭响），表示给出一个开锁动作的信号，此时程序自动进入时钟显示状态，时钟初始显示为“12:00:00”可直接作为时钟显示，并可通过键“A”/“B”/“C”分别来调整时钟值；如不是则再判断是否是要更改密码？如是则将键盘的对应值储存于EEPROM(24C01)中，以

13、备下次开机后使用，EEPROM24C01是掉电存储密码的设备，也就是说当密码设定后，它就存储在芯片中了，单片机掉电后密码不会消失；如判断读入的数值均非单片机预设的指令码，则本单片机系统不预执行它。四、功能模块1、光电转换电路图9光电转化电路将传感器光电二极管输出的微电信号放大，硅光二极管处于反相偏置，使硅光二极管工作在其伏安特性的第三相限，光强与光电流呈线性关系，相对于零偏置这种形式的电路具有更低的噪声和更好的线性度。由于硅光二极管输出电流较小，因此为了减小运放的偏置电流对测量的影响，必须选取低偏置电流的运放；此外，温漂、失调电流、失调电压等参数也得考虑。 综合考虑，选用Maxim公司的ICL

14、7650运放，该芯片是利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，输入偏置电流在25时为1.5 pA、输入失调电压为1V、失调电压温度系数为0.01V，输入电阻可以达到10×12 ，此外其共模抑制比达到130 dB。ICL7650应用时需接2个0.1 F的调零电容，为了稳定运算放大器输出信号的直流分量，需将钳位端(CLAMP)连接运算放大器的输入端和输出端，这样芯片会在输出达到饱和之前，在钳位端和输出端之间建立一个电流通道，从而防止电荷在校零和寄存电容上继续积累，减少电容的充放电恢复时间，使输出电压得到稳定。 由于是斩波稳零器件该芯片内部晶振产生200 Hz内部节拍频率

15、，为减小输出信号的噪声，输出端可接1个0.1F的电容C4去除高频信号。为防止产生自激振荡在输入与输出之间接1个0.1 F的补偿电容C1，对于增益电阻可采用高精度的可调电阻，输出信号幅度与R1成正比。R1取值大一些可以增加信噪比。但R1取值要受输出电压幅度的限制，通常的高分辨力的AD转换器基准电压为3.3 V，其模拟量输入范围为03.3 V，为了与AD转换电路相切配，光电转换电路的Uo输出最好不应超过3.3 V。2、脉宽变电平通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制实现变得更加容易了。 简而言之，PWM是一种

16、对模拟信号电平进行数字编码方法。通过高分辨率计数器使用，方波占空比被调制用来对一个具体模拟信号电平进行编码。PWM信号仍然是数字，因为在给定任何时刻，满幅值直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)重复脉冲序列被加到模拟负载上去。通时候即是直流供电被加到负载上时候，断时候即是供电被断开时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 本信息由PCB提供 图1显示了三种不同PWM信号。图1a是一个占空比为10%PWM输出，即在信号周期中，10时间通，其余90时间断。图1b和图1c显示分别是占空比为50%和90%PWM输出。这三种PWM输

17、出编码分别是强度为满度值10%、50%和90%三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应是一个幅度为0.9V模拟信号。 本信息由PCB提供 图2是一个可以使用PWM进行驱动简单电路。图中使用9V电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池(9V50%)上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz。 本信息由PCB提供 大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要调制频率高于1

18、0Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。3、用2个74LS160实现100进制的计数器其电路图如下：图10其原理：由图可看出：低位片CT74LS160（1）在计到9以前，其进位输出COQ3Q00，高位片CT74LS160（2）的CTT0，保持原状态不变。当低位片计到9时，其输出CO1，

19、即高位片的CTT1，这时，高位片才能接收CP端输入的计数脉冲。所以，输入第10个计数脉冲时，低位片回到0状态，同时使高位片加1。下图为其计数效果仿真：图11电路的设计要求是不仅要实现100进制的，图中已经表现出来了，而且要求在达到计数100的前提下用灯闪烁2s，我设计的是当计数达到98的时候灯开始亮，计数到100用了2s的时间灯布亮了以完成所要求的实验设计。实现的电路为：图12其中的原理为：是运用了一个与门和一个与非门还有一个小灯泡，将与非门连接到74LS160的clk端，另一端接74LS160的输出端RCO。图13五、总体设计电路图1、总体电路原理图、整体工作情况与模块之间连接关系电路原理图

20、如下：图14 运用上图所示的电路图打开开关三个LED数码管开始计数，从0开始一直计数到100，完成100进制的计数。图15 当计数到98的时候灯泡开始亮，灯泡闪烁2s就是当计数到100的时候灯泡熄灭完成每计数100灯泡闪烁2s指示一下的效果。其仿真图如下：图16模块之间的连接关系：整体要实现光电计数器的功能总共分着三个大的功能模块。一个是光电转换模块，发光器件（例如LED）的输出光强于与通过其工作电流成正比，发光侧与接收侧的距离越大时，要求输出光强也越强，即要求工作电流越大。一般LED的工作电流约为1050mA，因此为了提高传送距离，必须提高LED的工作电流。当使LED处于脉冲导电状态时（脉冲

21、调制），允许的工作电流可增大Totw,大大提高了传送距离。将其产生的信号要进行脉宽变电平的过程，意思是要转换其输出信号，这部分的功能为无瓶子挡光时，整形后输出和调制光是同频率的脉冲信号，挡光时输出一个高电平，即使没有瓶子挡光，整形输出信号的脉冲宽度是不一样的。把不同的脉宽变换为不同的电平，形成触发沿，作为计数脉冲，可实现对瓶子的自动计数。脉宽变电平电路如下所示。把脉宽变为电容上电压，并以此作为控制信号。瓶子不挡光时，信号脉冲窄，电容上电压小，使脉宽变电平电路输出为1，挡光后脉冲变宽，电容上电压能达到某阈值电压使脉宽变电平电路输出为0。从而瓶子挡一次光、能形成一个计数脉冲沿。下来就是将这一电平信号实现100进制计数，用的是3个74LS160来实现，要实现设计中的没计数100的时候灯泡闪烁2s指示一下的效果就要用到一个与门和一个与非门，当计数器计数到98的时候灯泡就亮了而到100的时候灯泡熄灭闪烁2s指示了一下达到了设计的要求。2 Multism的仿真效果，验证整个电路设计的正确性 光转换电模块图17 脉宽变电平模块从图中看到了其实现了脉冲变电平的设计 实现100进制计数并当计数到100的时候灯闪烁2s指示图18 从图中仿真效果可以看出实现了光电计数器的设计要求。 在模拟、数字