毕业设计（论文）光电计数器的设计

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1、光电计数器的设计 毕业设计题 目： 光电计数器的设计姓 名： 学 院： 系： 专 业：年 级： 2008级学 号：指导教师（校内）： 职称：指导教师（校外）： 职称：2011年 3 月 目录摘要3第一章 绪论41.1光电计数器的发展现状41.2论文研究的目的和内容4第二章 工件计数器的设计方案52.1工件计数器系统的工作框图52.2计数器系统控制框图62.3计数器设计选型62.3.1传感器部分62.3.2信号器处理部分102.3.3显示部分122.4 本章小结13第三章 光电计数器硬件电路设计143.1 传感器部分143.2数模转换部分143.3计数器的互锁部分153.4计数部分163.5显示

2、部分163.6本章小结17第四章 MULTISIM仿真设计软件仿真及仿真分析184.1 MULTISIM仿真设计软件简介184.2电路各部分仿真分析214.2.1传感器仿真214.2.2反相器仿真234.2.3触发器仿真244.2.4计数器译码显示仿真254.2.5 计数器整体电路仿真274.3本章小结28第五章 光电计数器硬件电路制作以及调试295.1 元器件清单295.2工件计数器电路图295.3实物焊接图315.4 硬件调试31第六章 总结32致谢语33参考文献34摘要本文在总结现阶段工厂生产线工件计数器发展现状的基础上,针对工厂实现无接触技术的的要求，利用Multisim仿真设计软件画

3、出了完整的电路原理图，并进行了仿真分析，并画出了PCB板图，完成了实物的制作。本文主要利用了已学过的电子知识，从电路的传感器部分、数模转换部分、计数器的互锁部分、计数器部分和显示部分完成了电路的硬件部分设计。并利用系统仿真分析软件完成了对完成电路的仿真分析，得到了预期的正确结果。最后在计数器电路图和实物焊接图的指导下完成了实物的制作。具体包括以下主要内容：（1） 论述了本课题研究的目的和意义，介绍了国内外工厂计数器的发展现状。（2） 从传感器部分、信号处理部分和显示部分三个方面确定工件计数器的设计方案。（3） 完成硬件电路的设计，包括传感器部分、数模转换部分、计数器的互锁部分、计数部分和显示部

4、分。（4） 利用系统仿真分析软件对传感器、反相器、触发器及计数器译码显示部分进行仿真，并对结果分析处理。（5） 在实物焊接图的指导下完成工件计数器实物的制作。 关键词： 工件光电计数器； 电路设计； Multisim仿真 第一章 绪论1.1光电计数器的发展现状数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器,利用光电元件制成的自动计数装置。其工作原理是从光源发出的一束平行光照射在光电元件(如光电

5、管、光敏电阻等)上，每当这束光被遮挡一次时，光电元件的工作状态就改变一次，通过放大器可使计数器记下被遮挡的次数。常用于记录成品数量或展览会参观者人数。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。该例光电触发式电子计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位。自动化的计数提高了工业生产上的效率以及准确性，计数的自动化和智能化最终能加速实现现代化的工业。随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展,对光电计数器的需求日益增多。光电计数器在实际生产中已经得到了广泛的应用。在应用中，光电传感器部分主要有光电断路器和光电开关，但在工业生产中主要使用的是光电开关，计数电

6、路有CD系列芯片组成的，也有74系列芯片组成的，实际功能差别不大。本设计的设计任务为设计计数器,实现无接触计数,主要用于工厂生产线工件计数。1.2论文研究的目的和内容本次课题设计的目的主要有：（1）掌握常用基本逻辑电路的工作原理 （2）. 学习掌握电子电路设计基本方法（3）. 初步学会使用Multisim软件熟悉基本操作，会用其进行电路的仿真（4）. 设计并制作用于工件计数的光电计数器（5）. 培养独立思考、分析、解决问题的能力（6）. 通过焊接电路，提高实际动手操作能力（7）. 通过此次设计，增强理论联系实际的能力本次论文研究光电计数器的具体内容如下：（1）根据所学电子知识，翻阅期刊文献，根

7、据设计要求确定计数器设计方案；（2）使用系统仿真分析软件分析仿真结果；（3）画出硬件电路制作PCB板图；（4）制作出实物。第二章 工件计数器的设计方案根据设计任务要求，此设计只考虑对合格工件的计数，并不考虑如何检测工件的合格与否，检测环节另由其他环节完成。此设计系统只是对流水线上的工件进行计数，当工件正向通过进入检测环节时，工件计数器加1；工件在检测环节检验，当工件为次品时，工件被反向退出，计数器减1；因此，此设计方案的工件计数器实际是检测通过流水线上的合格工件的数量。2.1工件计数器系统的工作框图工件计数器的工作过程为当工件经过传感器时工件计数器显示加1，而后工件进入检测环节，由系统判断工件

8、是否合格，如果工件合格的话，工件退出流水线，如果工件不合格，则工件自动被退回，工件计数器应减1。具体的流程框图如下图所示。工件计数加1工件经过传感器工件进入检测环节判断工件是否合格不合格，工件被退出工件计数减1合格，工件退出流水线图1 计数器系统工作框图2.2计数器系统控制框图对于计数器系统控制部分，则使用反射型传感器作为工件计数器传感器，；使用两路比较器393，设置适当的阀值电压，将模拟量转换为数字量；使用40106将信号反向，用双D触发器74LS74实现互锁功能，用40110对工件进行计数并译码；最后使用共阴极数码管显示合格的工件数。具体控制框图如下图所示。图2 计数器系统控制框图2.3计

9、数器设计选型经过权衡和比较，本设计最终可以分成三部分：传感器部分、信号处理部分、计数显示部分。2.3.1传感器部分本次课题设计采用光电传感器。光电传感器主要由光源、光学通路、光电元件构成。光电式传感器有着广泛的应用，例如：1、光量变化的非电量； 2、能转换成光量变化的其他非电量。光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。光电式传感器特点：非接触、响应快、性能可靠。光电式传感器的工作原理：位于光敏二极管的对面的是作为光源的发光二极管，在它们之间有一个能断续遮光的转盘。当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时，光线可以通过，光敏二极管即发出信号指示转轴的

10、某一位置或转速。它输出的信号是方波脉冲，故它能适应数字式控制系统的需要。这里的发光二极管的发光频率一般在红外线和紫外线范围内，是肉眼看不见的。六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构，由发光二极管和光敏二极管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置，安装在分电器内（或凸轮轴前部）。它决定分组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。在转盘上每隔60设置了宽度不同的4种缝隙，利用发光二极管发出的光束，经过安装在分电器轴上转盘的刻度缝隙，照射在光敏二极管上，使波形电路产生电信号、并传给ECU。光电式曲轴转角传感器的工作原理与结构如上图所示a）工作原理图 b）结构图 c）转盘1-输出信

11、号 2-光敏二极管 3-发光二极管 4-电源 5-转盘 6-转子头盖 7-密封盖 8-波成形电路 9-第一缸120信号缝隙 10-10信号缝隙 11-12信号缝隙 光电传感器应用了光电效应原理，它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。光子是以量子化“粒子”的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量hv，h为普朗克常数，v为光频。光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述：hv=1/2*mv0的平方式中m为电子质量，v0为电子逸出速度。当光子能量等

12、于或大于逸出功时才能产生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值，称为红限频率。对于红限频率以上的入射光，外生光电流与光强成正比。内光电效应又分为光电导效应和光生伏打效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏打效应是指光线作用能使半导体材料产生一定方向电动势的现象。光生伏打效应又可分为势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区(或在PN结)中，电子受光子的激发脱离势垒（或禁带）的束缚而产生电子空穴对，

13、在阻挡层内电场的作用下电子移向 N区外侧，空穴移向 P区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。 光电式传感器有很多种类。其分类如下：基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管(见半导体光敏元件)。基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。光电式传感器还可按信号形式分为模拟式光电传感器(见位移传感器)和数字式光电传感器（见转速传感器、光栅式传感器、数字式传感器）。光电式传感器还有光纤传

14、感器、固体图像传感器等。光电传感器的构成如下：光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。光电传感器的分类和工作方式简介如下：1 槽开光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从