红外技术器的设计.(DOC)

数字电子技术课程设计报告红外计件器的设计
目录
一、设计任务 (1)
1.1 系统功能要求 (1)
1.2 数字电路设计要求 (1)
二、设计内容 (1)
2.1 红外计数器系统工作原理 (1)
2.2 系统框图与原理图设计 (2)
2.2.1 系统框图 (2)
2.2.2 系统原理图 (2)
2.3各模块工作原理 (3)
2.3.1 电源模块 (3)
2.3.2 红外检测模块工作原理 (3)
2.3.3 计数器模块工作原理 (6)
2.3.4 数码管显示模块工作原理 (7)
2.3.5 失落脉冲检测模块工作原理 (9)
2.3.6 蜂鸣器模块工作原理 (11)
三、焊接与调试过程 (12)
3.1 焊接过程与调试结果 (12)
3.2注意事项 (13)
3.2.1 万用表测量元件时的注意事项 (13)
3.2.2 焊接电路板时注意事项 (13)
3.3 实物图 (13)
四、总结 (14)
一、设计任务
1.1 系统功能要求
设计并制作一个简易的红外计件器，要求如下：
（1）当“货物”从红外检测模块经过后，“个位”数码管显示数值加1，当“个位”数码管加至9时，当下一个货物经过时便向“十位”数码管产生进位信号，使其加1，“个位”数码管变为0，两位数码管最多可显示99个货物信息；
（2）当有“货物”通过红外检测电路时，红外检测电路输出检测脉冲，若 2 秒内没有“货物”通过红外收发模块，即红外检测电路输出的脉冲失落时，蜂鸣器报警；
（3）计件过程中，可通过按键随时清除计数数据。

1.2 数字电路设计要求
（1）运用所学数字电子技术知识，设计系统框图和系统电路原理图，并使用Protel DXP 2004绘制系统电路原理图；
（2）完成红外检测模块、数码管显示模块、计数器模块、失落脉冲检测模块蜂鸣器模块的组装与调试。

二、设计内容
2.1 红外计数器系统工作原理
红外计数器系统通过红外检测模块的红外发射管和红外接收管检测通过此模块的“货物”，通过CD4093BCN芯片产生计数触发信号，计数器模块通过两个M74HC192B1R芯片对计数触发信号进行处理后输出QA~QD，数码管显示模块的两个CD4511BCN芯片将QA~QD信号锁存译码后驱动八段数码管显示计数值。

当有“货物”通过时，红外检测模块中CD4093BCN芯片的12引脚输出低脉冲信号，其输入到失落脉冲检测模块中NE555芯片的TRIG端，当负脉
冲输入时晶体三极管Q5导通，电容C8通过三极管放电。

若输入脉冲没有失落时，NE555由于电容电压峰值低于(2/3)VCC,故NE555的3号引脚输出为高电平调节单稳态RC 的时间常数，从而保证被监视的货物通过频率在正常情况下，输出保持在高电平。

当频率降低或者脉冲失落时，电容上的电压便充到(2/3)VCC ，促使NE555触发翻转，3号引脚输出变为低电平。

在蜂鸣器模块中，当3号引脚输出变为低电平时三极管Q4导通，驱动蜂鸣器发出警报声。

2.2 系统框图与原理图设计
2.2.1 系统框图 红外计件器系统框图如图1所示。

图1 红外计件器系统框图 2.2.2 系统原理图
红外计件器系统原理图如图2所示。

红外检测模块 数码管显示模块 计数器模块 蜂鸣器模块
失落脉冲检测模块
图2 红外计件器系统原理图
2.3各模块工作原理
2.3.1 电源模块
通过自锁按键S1控制整个系统的通断，通过发光二极管L1指示电路的通断，通过电容C1、C2消除干扰。

电源模块原理图如图3所示。

图3 电源模块原理图
2.3.2 红外检测模块工作原理
（1）红外发射管与接收管
红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。

直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；发射式是指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。

本设计使用直射式。

红外发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。

它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。

红外线发射管前端的球面形发射部分既不能存在污染物，更不能受到摩擦损伤，否则，发出的红外光将产生反射及散射现象，直接影响到红外光的辐射，可能会降低遥控的灵敏度和遥控距离，也有可能完全失效,红外发射应保持清洁、完好状态。

红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，其为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。

没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。

当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。

红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流，如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

（2）CD4093BCN芯片简介
CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。

每个电路均为在两输入端具有施密特触发功能的2输入与非门。

每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。

上升电压和下降电压之差定义为滞后电压。

引脚图如图4所示。

图4 CD4093引脚图
（3）模块工作原理
红外检测模块的红外发射管和红外接收管检测通过此模块的“货物”，通过CD4093BCN芯片产生计数触发信号，当货物通过时，计数触发信号为低电平，即信号2输出低脉冲，其输入到计数器模块产生QA~QD,信号2还输入到失落脉冲检测模块，进行脉冲是否失落的判断。

红外检测模块原理图如图5所示。

图5 红外检测模块原理图
2.3.3 计数器模块工作原理
（1）M74HC192B1R芯片简介
M74HC192B1R为十进制加/减计数器。

其功能如下：
①具有异步清除功能。

当清除引脚CLR为高电平时，不管计数时钟
（UP、DWN）状态如何，所有计数输出QA~QD均为低电平；
②具有异步预置功能。

当置入控制LD为低电平时，QA~QD将随数
据A、B、C、D一起变化，而与UP、DWN无关；
③具有同步计数功能。

当一个计数时钟保持高电平时，另一个计数
时钟的上降沿能使QA~QD同时变化。

同步计数方式消除了异步计数器常有的输出计数尖峰。

当计数上溢为9并且UP为低电平时，进位输出CO产生一个低电平脉冲；当计数下溢为0并且DWN为低电平时，借位输出BRW产生一个低电平脉冲。

（2）模块工作原理
来自红外检测模块的计数触发信号输入到UP引脚，DWN引脚置为高电平，此时两个M74HC192B1R芯片工作在十进制加状态，置入控制LD为高电平，说明QA~QD只随UP引脚的低电平脉冲变化。

当货物通过时输入到个位的UP引脚一个低电平信号，此时QA~QD按十进制加1，个位计数器的进位标志位接到十位计数器的计数控制端UP控制十位计数器工作计数，当个位加至9时，产生进位信号（CO产生一个低电平脉冲），使得十位加1。

当按键按下时个位的CLR引脚输入高电平，所有计数输出QA~QD均为低电平，数码管显示为00。

计数器原理图如图6所示。

图6 计数器模块原理图
2.3.4 数码管显示模块工作原理
（1）CD4511BCN芯片简介
CD4511BCN是BCD锁存/7段译码器/驱动器。

引脚功能如下：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态；
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值；
LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。

它主要用来检测8段数码管是否有物理损坏；
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端；
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

其引脚图
如图7，真值表如图8所示。

图7 CD4511BCN引脚图图8 CD4511BCN真值表
（2）八段数码管简介
数码管显示模块采用两个共阴极8段LED数码管，分别显示个位和十位。

共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起，即为公共端。

阳极即为二极管的正极，阴极即为二极管的负极。

通常的数码管分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小数点位段，每一段包含一个发光二极管。

外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。

只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示数字。

共阴极8段LED数码管原理图和符号图如图10。

图9 共阴式8段LED数码管原理图和符号图
（3）模块工作原理
CD4511BCN芯片将8421BCD码输入端的数据进行译码后输出到共阴式8段LED数码管的 a、b、c、d、e、f、g端，共阴式8段LED数码管将计数值进行显示。

数码管显示模块原理图如图10所示。

图10 数码管显示模块原理图
2.3.5 失落脉冲检测模块工作原理
（1）NE555芯片简介
NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个二极管。

组成了比较器、RS触发器等多组单元电路。

特别是由三只精度较高5K电阻构成了一个电阻分压器。

为上下比较器提供基准电压，所以称之为555。

引脚功能如下：
Pin 1 (接地) ：地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。

Pin 2 (触发点) ：这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。

Pin 3 (输出) ：当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。

Pin 4 (重置) ：一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5 (控制) ：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin 6 (重置锁定) ： Pin 6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。

Pin 7 (放电) ：这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin 8 (V +) ：计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是4.5V至16V。

NE555管脚图及内部原理图功能如图11所示。

图11 NE555管脚图及内部原理图功能
（2）模块工作原理
当有“货物”通过时，红外检测模块中CD4093BCN芯片的12引脚输出
低脉冲信号，其输入到失落脉冲检测模块中NE555芯片的TRIG端，当负脉冲输入时晶体三极管Q5导通，电容C8通过三极管放电。

若输入脉冲没有失落时，NE555由于电容电压峰值低于(2/3)VCC,故NE555的3号引脚输出为高电平调节单稳态RC的时间常数，从而保证被监视的货物通过频率在正常情况下，输出保持在高电平。

当频率降低或者脉冲失落时，电容上的电压便充到(2/3)VCC，促使NE555触发翻转，3号引脚输出变为低电平。

3号引脚输出到蜂鸣器驱动电路，当脉冲失落时使得蜂鸣器报警。

失落脉冲检测模块如图12所示。

图12 失落脉冲检测模块
2.3.6 蜂鸣器模块工作原理
失落脉冲检测模块中NE555芯片的3号引脚输出接到蜂鸣器模块中三极管Q4的基极。

当“货物”通过时间间隔小于2s时，3号引脚始终输出高电平，此时三极管Q4不导通，蜂鸣器不响；当2s内无货物通过时，3号引脚输出为低电平，此时三极管Q4导通，从而驱动蜂鸣器发声。

蜂鸣器模块原理图如图13所示。

图13 蜂鸣器模块原理图
三、焊接与调试过程
3.1 焊接过程与调试结果
当在Protel DXP 2004软件中画好电路图时开始进行焊接。

首先焊接电源模块，按原理图在电路板上摆放好每个元件的位置，把每个元件焊接起来。

使用USB将5V电源接入到5V-DC插座，按下自锁按键后发光二极管发光正常，使用万用表测量输出电压为5V，电源模块工作正常；
接下来依次进行进行红外检测模块、计数器模块、数码管显示模块的焊接，焊接过程中注意不要短路，对于快要连接起来的焊点，要用万用表检测是否短路。

焊接完成后再依次按照电路原理图核对，没有连接线错误处，用万用表检查，没有短路、断路处。

按下自锁按键，将5V电源接入系统，连续地用手断开红外对管的接收，可以看到数码管能够从00计到99。

按下异步清除按键，可以看到两位数码管同时清0，显示为00；
然后进行失落脉冲检测模块和蜂鸣器模块的焊接。

焊接完成后单独测试
蜂鸣器模块是否正常工作，加到蜂鸣器模块三极管Q4的基极一个低电平，
可以听到蜂鸣器发声响，证明蜂鸣器模块工作正常。

再将这两个模块与上述模块进行连接，组成简易红外计数器系统；
最后进行整个系统的调试，上电后不断开红外对管的接收，过段时间后蜂鸣器发出报警声，此时断开红外对管的接收，报警声消失。

调节失落脉冲检测模块中的电位器，使用秒表计时，将失落脉冲检测间隔设定为2s,至此整个红外技术器系统焊接并调试成功。

3.2注意事项
3.2.1 万用表测量元件时的注意事项
（1）在测量电流、电压时，不能带点换量程；
（2）选择量程时，要先选大的，后选小的，尽量使被测量值接近于量程；
（3）测电阻时，不能带电测量。

因为测量电阻时，万用表由内部电池供电，如果带电测量则相当于接入一个额外的电源，可能损坏表头；
（4）使用完后应使转换开关在交流电压最大档位上或者空档上。

3.2.2 焊接电路板时注意事项
（1）焊点要有足够的机械强度，保证被焊件在受震动或者冲击时不致脱落或松动，不能用过多的焊料堆积，这样容易造成虚焊、焊点与焊点的短路；
（2）焊接可靠，具有良好的导电性，必须防止虚焊。

虚焊是指焊料与被焊件表面没有形成合金材料，只是简单地依附在被焊金属表面上；
（3）焊点表面要光滑、清洁，焊点表面应该有良好光泽，不应该有毛刺、空隙，无污垢，尤其是焊剂的有害残留物质，要选择合适的焊料与焊剂。

3.3 实物图
红外计数器的实物图如图14所示。

图14 红外计数器的实物图
四、总结
通过本次数电课程设计，我把数字电子技术、模拟电子技术的知识运用到了实际的电路设计中去。

通过设计红外技术器，在实践中把课本上的抽象知识转化为具体中去，对设计电路的趣味性有了很大的提高，激发了自己动手的积极性。

对红外发射管与接收管有了一定的认识，对CD4093BCN芯片、M74HC192B1R芯片、CD4511BCN芯片、NE555芯片的使用也有了一定的了解，在模块的组合和元件数据的使用也增加了认识。

在焊接过程中学会了怎么更好地分析焊接中遇到的一些问题，提高了焊接和调试电路的能力，同
时也锻炼了自己的动手能力和思维能力。