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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，并对输出信号采用NE55
2、5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仿真以及综合调试分析，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0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 课题研究的主要内容21.5 本文的主要内容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52.6 主要器件的选
3、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致谢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内所通过的脉冲数并显示计数结果
4、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及进行数字运算等。多功能电子式计数器由信号输入电路、信号处理电路、计数及显示驱动电路、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，信号处理电路
5、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及计数器的复位。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、计数及显示驱动电路、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偶合器，阳极与
6、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，计数及显示驱动电路由计数及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，计数及显示驱动集成电路芯片为具有复位端和计数使能端的并对计数输入
7、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及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，做到车流记录智能化，为高速
8、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，计数器的应用范围的确很广泛。1.4 课题研究的主要内容本课题的主要研究内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。1.5 本
9、文的主要内容本文介绍的主要内容安排如下：（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，以及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组
10、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及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，以及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供
11、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，避免太阳光以及日光灯等白光发光物体对系统工作的影响，因为太阳光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
12、字计数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，以及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
13、收到的信号比较微弱，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的内部电路及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、频率在其带宽内的信号时，脚由
14、高电平变成低电平，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中信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
15、阈值电压，分别称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内部的逻辑符号和“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，
