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1、自动量测生产线上成品数装置1设计思路一般啤酒厂日产啤酒几十万瓶, 为及时掌握啤酒瓶子的破碎率、日产量等指标,同时考虑到后续装箱的实际情况，需要在灌装生产线的多个环节上安装计数器, 每当酒瓶通过计数器时,就会被计数器的传感器检测到,计数电路自动将酒瓶个数加1。用的传感器可以是电涡流式接近开关或光电传感器等。接近开关通过检测金属瓶盖计数。而光电传感器有光束发射端和接受端, 如发射端与接受端位于同一侧, 酒瓶通过时就会将发射的光束反射回来, 被接受端接受到, 开关状态改变, 计数电路检测到状态变化而计数; 如发射端与接受端相对, 酒瓶通过他们之间时, 光线被遮, 也会改变开关状态。本设计采用的是后者
2、，光电传感器，且是对射式的光电传感器。考虑到装箱时很多情况下都是24瓶一箱，因此采用二十四进制计数器计数。2方案设计2.1 整体方案原理本设计采用的是对射式的光电传感器，通过发射端和接收端之间的光线状态变化，转换成电信号的电压高低变化，从而检测生产线上啤酒等成品的通过。光电传感器的输出是微弱的电信号，经放大器将微弱信号放大，再经滤波器滤波，将干扰信号（包括噪声干扰、被测体抖动干扰等）滤除，此时的信号通过滞回比较器进一步的抗干扰，转换成与数字电路兼容的电平信号，最后作为计数器电路的触发时钟，达到自动计数的功能。方案原理图如图1所示。调制型发光二极管生产线光敏三极管放大器滤波器滞回比较器二十四进制
3、计数器 显示器图1 总体原理图3单元电路设计31 对射式光电传感器：对射式光电传感器工作原理：若把发光器以及收光器分离开，就可使检测间隔加大由一个发光器以及一个收光器组成的光电开关就称为反射分离式光电传感器，略称对射式光电开关。它的检测间隔可达几米乃至几十米。使用时把发光器以及收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号，进而反映检测物的通过数量等。考虑到此设计的测试属性，因此选择对射式传感器。结合工程实际中流水线的宽度，光路传输距离较短，可以选定发射器及接收器如下：发射器：发射器用于发出光信号，但发光二极管LED的光发散，定向性能差，且波长容易受
4、日光、灯光等外界光源的干扰，然而经调制的LED光，不仅成本低，安全性好，而且具有激光的定向集中等优质特性，可以克服背景光变化产生的干扰。发射器设计图如图2。图2 调制光输出电路接收器：选用光敏三极管，将从发射极接收的调制光转换为电信号。接收电路如图3。图3 接收电路32 放大器：由于传感器输出信号较小，为了便于信号在电路中的传输，需要在传感器后加入信号放大部分。本设计选用运放LF353加反馈通道组成的同相放大器实现信号放大功能。放大倍数A = 1+R4/R1 。放大电路如图4。图4 放大器33 滤波电路：经放大电路放大的信号存在干扰，需要使其通过滤波电路滤波，对信号进行整形处理，以便后续步骤进
5、一步对信号的应用。接收端接收到的是1KHz的电信号，经放大器输出，采用由运放A构成的滤波电路（带通），实现放大信号频率及其他干扰的滤除。原理图如图5。图5 滤波器电路34 滞回比较器：此滞回比较器的作用不仅可以对滤波后信号做进一步整形，同样还可以将输入的模拟信号转换成数字电路兼容的电平信号，供后续的数字电路计数器所用。滞回比较电路原理如图6。图6 滞回比较器电路及其特性曲线考虑到前后电路参考电压的匹配问题，令VCC=5V，Ur=2V,Uo只在0-5V两个值之间跳变。因为 U+=Rf2*Ur/(Rf1+Rf2)+Rf1*Uo/( Rf1+Rf2)U-=Uin所以 取Rf1=4K,Rf2=1K，则
6、Uh=4.4V，Ul=0.4V，以实现滞回比较功能。图7 滞回比较器电路35 二十四进制计数器：结合生产的实践情况，一般啤酒、饮料等液体产品很多都是24瓶一箱，本设计结合现实应用，选用24进制计数器。24进制计数器可以由多种方式级联而成。如：可选用两片4位二进制计数器CT74161实现，还可以选用两片同步十进制加法计数器CT74160实现等。虽然二进制计数器的电路简单、运算方便，但当二进制数的位数较多时，想很快地看出对应的十进制数是比较困难的。而且在日常生活中，人们习惯于用十进制，因此本设计采用后者。两片同步十进制计数器采用异步清零法接线，原理如图8。图8 二十四进制计数器原理图本设计采用2片
7、十进制同步加法计数器74LS160、一片与非门74LS00。开始由单稳态触发器74121产生一个低电平脉冲触发计数器个位置零，再由滞回比较器送来的脉冲作为个位计数器的时钟CP，电路在此脉冲的作用下按二进制自然序依次递增1，当计数到1001（9）时，产生进位，并由进位端将进位信号送入十位计数器的时钟CP端，触发十位计数器显示十位数。当计数到24，这显示器个位输出0100（也就是4），显示器十位输出0010（也就是2），显示器个位计数器只有QC端有输出，显示器十位计数器只有QB端有输出，将QC、QB端用一个二输入与非门接入十位计数器的异步清零端和个位计数器的同步置数端，完成24位的计数。原理图如图
8、9所示。图9 CT74160级联形成的24进制计数电路单稳态触发器74121，其功能表如下表1所示，接线图如图10所示，可以利用它产生一个高电平脉冲触发24进制计数器清零，在74LS48驱动下使LED显示器显示数字0。表1 单稳态触发器74121功能表 图10 单稳态触发器电路其中脉冲宽度T=0.7CestRe3.6 七位LED显示管及其驱动电路：译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。常用的7段译码驱动器属TTL型的有74LS47、74LS48等，CMOS型的有CD4055液晶显示驱动器等。74LS47为低电平有效，用
9、于驱动共阳极的LED显示器，因为74LS47为集电极开路（OC）输出结构，工作时必须外接集电极电阻。74LS48为高电平有效，用于驱动共阴极的LED显示器，其内部电路的输出级有集电极电阻，使用时可直接接显示器。本设计选择74LS48作为译码驱动器。74LS48的功能表如表2所示。表2 74LS48引脚功能表共阴极七段数码管显示器显示器件的种类很多,在数字电路中最常见的显示器是半导体显示器(又称为发光二极管显示器,LED)和液晶显示器(LCD),本设计采用7段LED数码显示器。7段LED数码显示器俗称数码管,其工作原理是将要显示的十进制数码分成7段,每段为一个发光二极管,利用不同发光段组合来显示
10、不同的数字。 LED的死区电压较高，工作电压大约1.53V，驱动电流为几十毫安。74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管必须采用共阴极接法。下图是共阴极式LED数码管的接线图如下图11（b），使用时，公共阴极接地，7个阳极a到g由相应的BCD七段译码器来驱动。图11 共阴极LED数码管接线图LED显示器及其驱动电路接线图如下图12。图12 LED显示器及其驱动电路接线图小结：与生产生活结合紧密的设计题目，必须紧紧围绕工程实际，从实际需要出发，考虑工程的人性化与方便性，这样才能达到了学以致用的目的，才能更好地指导我们将来的社会实践。本题目可有多种解决方案，但基于薄弱的汇编能力，利用单片机编程实现比较困难，所以我选择用驱动电路实现。每个单元电路模块都是简单的基础电路，整合后便形成了整体设计。在课程设计过程中，遇到很多问题，最首要的就是传感器的选择，合适的传感器是本设计的基础。这部分杜老师借予我的参考书给了我很大的指导。用于防抖设计的滞回比较器采用LM339加分压电阻构成。搜索了不少资料，翻阅了数模电的课本，但仍然存在不清晰的知识点，这是在设计过程中最突出的问题，今后的学习过程中需重点加强。10
