哈尔滨工业大学论文

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1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院 课程设计说明书设计题目：数字式光电计数器系别： 应用电子与通信技术系班级：0892222学生姓名：杜洋指导教师：计京鸿成绩：_2011 年3 月 24 日课 程 设 计 任 务 书课程设计题目数字式光电计数器功能 技术指标功能： 通过光电进行加计数，并通过两位数码管显示。 技术指标： 1.通过红外光阻挡进行加法计数。 2.计数范围 099。工作量工作计划2010 年 3 月 8 日 开题 2010 年 3 月 9 日3 月 10 日 设计电路 2010 年 3 月 11 日 选购元器件 2010 年 3 月 12 日3 月 14 日 组装电路 2010 年 3

2、月 15 日3 月 15 日 调试电路 2010 年 3 月 21 日 验收电路 2010 年 3 月 24 日 结题指导教师评语指导教师：年月日目录第 1 章 绪论. 1 1.1 设计要求. 1 1.2 技术指标. 2 1.3 设计功能. 2 第 2 章 电路的设计方案. 3 2.1 方案设计. 3 2.2 方案确定. 3 第 3 章 单元电路设计、参数计算和器件的选择. 4 3.1 红外对射电路的设计. 4 3.2 LM339 电压比较器. 4 3.3 计数显示电路. 5 3.3.1 LM339 的作用及各引脚的功能. 6 3.3.2 74LS90 的作用及各引脚的功能.6 3.3.3 7

3、4LS75 的结构及各引脚的功能.7 3.3.4 74LS48 的结构及各引脚的功能.7 第 4 章 整机电路的工作原理. 9 4.1 整机电路图. 9 4.2 整机电路原理说明. 9 第 5 章 电路的组装调试. 12 5.1 脉冲驱动红外检测. 12 5.2 相关测试数据. 12 结 论. 14收获和体会. 15 致 谢. 16 参考文献. 17 附录 元器件清单. 18哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计1第 1 章 绪论1.1 课题背景智能光电计数控制系统采用世界最先进的光电探测和转换技 术， 采用日本OMRON光电探测元件将人体信号转换为数字信号， 利用德国 BOSCH 公司研发的

4、 CAN 总线系统将信号传送至处理 器，处理器经过特定的程序进行分析、判断，确定进出房间的人 数，从而为控制灯光、空调、地暖、加湿器、新风系统、窗帘、 音乐或其他电器设备提供依据，本控制方式完全以人为本，以有 没有人或有多少人来作为设定自动触发相关设备的条件。 传统的人体感应方式是采用探测人体热释红外的原理来判断 是否有人，只有在人活动的时候感应器才能探测得到，一旦人静 止不动，它便会认为无人，如果以无人为设定条件，在延时一定 时间后会关闭灯光等设备，此时便出现了误动作，如果设定延时 的时间过长，又造成了不必要的浪费。鉴于此，热释红外传感器 只能用在公共场合，如走廊、楼梯间等。但是热释红外传感

5、器还 有另外一个问题，那就是它容易受气流和温度变化等环境的影响 而产生误动作，因此，为了尽量减少误动作，很多厂家便调低了 它的灵敏度，使它在用于报警时尽量减少误报。于是由此又带来 了另外一个问题，在作为灯光等设备的触发时反应却显得有些迟 钝。传感器灵敏度高，便容易出现误动作，灵敏度低，反应就会 迟钝，这一直是一个困扰业内人士的难题。 现在，这个问题有了突破性的进展，光电计数传感器不但解 决了以上问题，实现了灯光等设备的实时开启和关闭，不需要延 时，更加节能，由于系统是根据房间内人的有无和人数的多少为 条件设定依据的，灵敏度很高，但是不会受环境影响而产生误动 作，所以可以无限扩展系统控制的设备数

6、量和种类。 光电计数传感器也可以用于安防报警，可以设定当所有房间 的人员都为零时，自动启动安防警戒系统，如果系统设防后再有 人非法进入，系统则自动进行拨打电话报警或现场警号报警，并哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计2记录有几个人在什么时间出入了那些房间，同时联动摄像机进行 跟踪录像，使盗贼无处可逃，最大限度地保障财产的安全。 光电计数传感器采用半隐蔽安装方式，在门的两侧各开两个 小圆孔，将光电传感器嵌入安装到小孔里，不影响整体美观有很 好的应用价值。1.2 技术指标1.通过红外光阻挡进行加法计数。 2.计数范围 099。1.3 设计功能通过光电进行加计数，并通过两位数码管显示。哈尔滨工业大

7、学华德应用技术学院课程设计3第 2 章 电路的设计方案2.1 方案设计方案一采用中小规模集成电路可以实现计数的功能，其电路 原理框图如图 2-1 所示：图 2-1 方案一电路原理框图方案二采用光电耦合器及其计数器实现光电技术原理，其 电路原理框图如图 2-2 所示：图 2-2 方案二电路原理框图2.2 方案确定由于实际过程中，去掉光电耦合器也能很好的完成指标，为 了更加经济些， 我们选择了图 21 的方案。 其由两个七段共阴数 码管、两个十进制计数器 74LS90、两个四位双稳态锁存器 74LS75、两个 4 线 7 段译码器 74LS48、一个 LM339 集成运放和红外发射及接收电路等组成

8、。二进制计数器十进制计数器红外对射电路电压比较器数码管显示二进制计数器光电耦合器电压比较器数码管显示十进制计数器红外发射电路哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计4第 3 章 单元电路设计、参数计算和器件的选择3.1 红外对射电路的设计红外检测电路：由红外发射二极管 LED 和红外接收二极管 VTD 等组成。 红外对射电路的设计如图 3-1 所示，红外发射管和红外接收 管选择的是直径为五毫米的。其中与红外发射二极管串联的 220 欧姆电阻用于限流，若将红外发射二极管直接跨接于电源将被损 坏；经我们实际测量红外接收二极管的反向导通电压变化范围非 常大：当没有接收到红外光信号时，其反向导通电阻为几

9、 M 欧左 右；当红外光照条件较好时，其反向导通电阻会下降到 1K 欧左 右。故，选择 10K 欧姆的固定电阻与之串联，在红外接收二极管 受红外光照射程度发生变化时， 红外接收二极管于 10K 电阻直接 的节点电压会有一个相当明显的变化，而这也正是我们将红外接 收二极管与 10K 电阻分压的初衷。图 3-1 红外对射电路3.2 LM339 电压比较器LM339 电压比较器原理图如图 3-2 所示。表示输出电压与输 入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。比较器的传输特性 曲线如图 3-3 所示。哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计5当传输特性当 uiUR时，运放输出高电平，稳压管 Dz 反向

10、 稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压 UZ，即 uO UZ。 当 uiUR时，运放输出低电平，Dz 正向导通，输出电压等 于稳压管的正向压降 UD，即 uoUD。 因此，以 UR为界，当输入电压 ui 变化时，输出端反映出两 种状态，高电位和低电位。图 3-2 LM339 电压比较器原理图图 3-3 比较器的传输特性曲线发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，流过红外发光二极管的电流应该尽可能大，所以我们改掉了许多资料中与红外发光二极管串联的 1K 电阻，而换成 220 欧姆，在不损毁红外发光二极管的前提下，尽可能增加红外光的发射距

11、离，从而保证电路稳定工作。3.3 计数显示电路计数显示电路由十进制计数器 74LS90 实现计数，锁存器 74LS75 实现数据的锁存，74LS48 驱动共阴数码管。哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计63.3.1 LM339 的作用及各引脚的功能LM339 为双电压比较器， LM339 系列由两个偏移电压指标低 达 2.0 的独立精密电压比较器构成。 该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。该产品也 可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。本品还有一个 特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接 地。LM339 系列可直接与 TTL 及 CMOS 逻辑电路接口。无论是

12、 正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时， LM339 系列便与 MOS 逻辑电路直接接口。 LM339 的引脚图如图 3-4 所示。各引脚功能如下： 3 脚电源正极； 12 脚电源负极； 2、1、14、13 脚内部四组比较器（对应 A 组，B 组，C 组 和 D 组）的输出端； 4 脚和 5 脚，6 脚和 7 脚，8 脚和 9 脚，10 脚和 11 脚为内部 四组比较器的反向端和同向端。图 3-4 LM339 的引脚图3.3.2 74LS90 的作用及各引脚的功能74LS90 的引脚图如图 3-5 所示。74LS90 功能为十进制计数 器（2 和5）。 原理说明：本电路是由

13、4 个主从触发器和用作除 2 计数器及 计数周期长度为除的 3 位 2 进制计数器所用的附加选通所组成。 有选通的零复位和置 9 输入。哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计7为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将 B 输入 同 QA 输出连接，输入计数脉冲可加到输入 A 上，此时输出就如 相应的功能表上所要求的那样。 LS90 可以获得对称的十分频计数， 办法是将 QD 输出接到 A 输入端，并把输入计数脉冲加到 B 输入端，在 QA 输出端处产生 对称的十分频方波。图 3-5 74LS90 的引脚图3.3.3 74LS75 的结构及各引脚的功能74LS75 是一 TTL 型四位双稳

14、态 D 锁存器数字集成电路，互 补输出、所有输入都加有箝位二极管、与大多数 TTL 完全兼容。 这种锁存器最适合作运算单元和输入/输出（或指示）单元之间二 进制数据的暂时储存之用。 当使能 G 是高电平时， 数据 D 输入上 的信息便传送至 Q 输出；只要使能保持高，Q 输出便随数据输入 而变。当使能变为低电平时，跳变时数据输入端的信息将保持在 Q 输出上，直至使能变成高电平为止。3.3.4 74LS48 的结构及各引脚的功能4 线七段译码器/驱动器（BCD 输入，有上拉电阻）简要说 明 74LS48 为有内部上拉电阻的 BCD七段译码器/驱动器。 74LS48 的引脚图如图 3-6 所示。7

15、4LS48 除了有实现 7 段显 示译码器基本功能的输入 （DCBA） 和输出 （YaYg） 端外， 7448 还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计8既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO） 端。图 3-6 74LS48 引脚图哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计9第 4 章 整机电路的工作原理4.1 整机电路图整机电路图如图 4-1 所示：图 4-1 整机电路图4.2 整机电路原理说明整机电路图如图 4-1 所示。电路接通电源后，红外线发光二 极管发出稳定的红外线信号。当红外线接收管 VT 接收到红外线

16、发光二极管 LED 发出的红外线信号时， 其自身导通， 并将红外接哈尔滨工业大学华德应用技术学院课程设计10收管与10K电阻之间的节点电压拉到一个相对于没有红外光照时 更高的值， 此电平送至电压比较器 LM339 同向输入端， 比较器的 参考电压由可变电阻滑动端分压获得。 送至 LM339 同向输入端的 相对较低低电平信号使得反相输入端电位高于同相输入端的电 位，LM339 输出低电平；同理，送至 LM339 同向输入端的相对 较高电平信号使得反相输入端电位低于同相输入端的电位， LM339 输出高电平。 当有物体通过红外发射二极管和红外接收二极管之间时，红 外线被阻挡，红外接收管接收不到红外线信号，导通电阻变大， 从而分压值上升，使得其与 10K 电阻直接的节点电压明显下降，也就是电压比较器 LM339 的同向输入端的电位明显下降并低于 人为通过电位器设定的基准电压值，电压比较器输出低电平。同 理，在阻挡撤销后，红外接收管可以接收到红外线信号，导通电 阻瞬间变小，从而分压值下降，使得其与 10K 电阻直