电气电子毕业设计16传感器课程设计(报告)：光电计数器

引言传感器是一种敏感器件，它能将被测物理量转换成便于测量和处理的另一种物理量。

例如，光、声、磁、温度、压力等非电量通过传感器可转换成电压或电流，从而采用电子设备对其进行控制、测量和处理。

传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。

在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。

如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。

传感器应用广泛，种类很多。

其中光电传感器作为一种新型的电压电流测量装置，与传统电磁式互感器相比较，具有绝缘强度高、动态范围大、频带宽、抗干扰能力强、不会产生磁饱和及铁磁谐振、体积小、重量轻、造价低等一系列优点。

本论文主要阐述了利用光电断路器做为敏感元件，将光转换为电信号输出，并用数码管显示，实现光电计数器的功能的过程。

对该电路的工作原理、制作和调试方法等做了深入介绍。

光电计数器在本论文设计中，主要是由光电信号检出、放大、整形、计数和显示5个部分电路构成。

光电断路器、三极管VT1、VT2组成的电路是为了检测输出光电脉冲。

集成计数器A1、A2以及数码管LED等构成的计数电路是为了脉冲信号进行计数。

因此，也可以说该电路是由这两部分电路组成。

本计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数，并且采用ＬＥＤ数码显示，简单直观，可适用于诸多行业，以满足现代生产、生活等方面的需求。

本篇论证仔细、全面、深入，通俗易懂，实用性强，本报告所用词汇仔细洗练，都是一些简单易懂的词，读者可以容易了解电路的相关性能。

附录还对整个电路设计中很多问题给予相应的解释和扩展，相信适合多层次电子相关专业人士参阅和参加各种电子竞赛活动的参考资料。

1 主要器件介绍1．1 光电断路器光电断路器是光耦合器中的一种。

光电断路器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

光电断路器由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光电断路器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

又由于光电断路器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。

光电断路器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。

光电断路器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

十几年来，新型光电断路器不断涌现，满足了各种光控制的要求。

其应用范围已扩展到计测仪器，精密仪器，工业用电子仪器，计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统，电力机械等领域。

这里侧重介绍该器件的工作特性，驱动和输出电路及部分实际应用电路。

用于传递模拟信号的光电断路器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。

当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。

由于光电断路器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。

发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。

输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。

此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。

因此，由光电断路器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。

事实上，光电断路器是一种由光电流控制的电流转移器件，其输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似，因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路，并且输入与输出间可实现电隔离。

从光电断路器的转移特性与温度的关系可以看出，若使光耦合器构成的模拟隔离电路稳定实用，则应尽量消除暗电流（ICBO）的影响，以提高线性度，做到静态工作点IFQ 随温度的变化而自动调整，以使输出信号保持对称性，使输入信号的动态范围随温度变化而自动变化，以抵消β值随温度变化的影响，保证电路工作状态的稳定性。

1．2 十进制计数器/译码器CD4026CD4026 是一个十进制计数/7段译码器,适用于时钟计时电路，利用C端的功能可方便的实现60或12分频。

CD4026属于金属-氧化物-半导体型互补MOS,电源电压=5～15V。

CD4026的CR端（复零端，15脚）接地为低电平。

计数器处于等待计数工作状态。

CD4026的B1端（3脚）为显示允许输入端，高电平有效，因此接电源正端。

INH端（2脚）为禁止信号输入端，高电平有效，低电平时则不禁止计数。

2 工作原理本电路由光电信号检出、放大、整形、计数和显示5个部分电路构成。

光电断路器、三极管VT1、VT2组成的电路是为了检测输出光电脉冲。

集成计数器A1、A2以及数码管LED等构成的计数电路是为了脉冲信号进行计数。

因此，也可以说该电路是由这两部分电路组成。

光电计数器电路原理图如图1所示，相应PCB图如图2、图3所示：图12．1 电源部分光电计数器由5V直流稳压电源供电。

其中使用了C11，CAP，为普通电容，取值为104，用于滤低频的波；C10：ELECTRO，为电解电容，取值为470uf，用于滤高频的波；R10：RES，电阻，用于限流，保护发光二极管。

如果要直接接入220V的交流电压，则可使用变压器使电压降为6.5V左右,再经一个桥式整流和滤波,直流电压正端接至集成稳压器，集成稳压器的输出端就可以得到相当稳定的直流5V电压给电路供电。

2．2 光电计数部分电路的工作过程是：接通电源后，拨动一下拨动开关SB，计数器即复零等待计数。

这时候光电断路器Q的输出光电流最大（槽中不遮光），使三极管VT1饱和导通，VT1集电极输出为低电平，通过R4和VT2直接耦合，因而VT2截止，其集电极输出为高电平，计数器显示保持零不变。

此时若将遮光板切入Q的槽中，则由红外发光二极管发出的红外光被遮住，不能进入光电三极管的接收窗口，于是Q输出光电流很小，近似等于暗电流，从而使三极管VT1由导通变为截止，VT2则由截止变为导通，VT2输出由高电平变为低电平。

因为集成计数器CD4026的CP端（时钟脉冲输入端，1脚）对上升沿有效，所以对于VT2输入从高电平跳变为低电平时不计数。

当切入光电断路器槽中的遮光板移出时，红外发光二极管发出的红外光射入光电三极管，此时输出光电流最大，于是VT1导通而VT2截止，VT2输出由低电平跳变为高电平，作用至计数器A1的输入端（1脚），计数为“1”，数码管显示为“01”。

遮光板又一次切入光电断路器Q的槽中然后移开时，VT2集电极又输出一个上升沿信号至计数器A1的输入端，数码管显示为“02”。

同理，当经过99次遮光后，计数器A2、A1显示为“99”。

如果再一次遮光时，计数应当是100，但由于2位数显示而溢出，显示变为“00”。

因此计数量较大时，必须根据实际需要，增加计数器的位数。

例如，采用4位计数器时最大计数是9999。

2．3 计数显示部分由图1可见，十进计数器/脉冲分配器CD4026（七段译码输出）是直接驱动LED数码管显示计数，接线十分简便。

需要增加位数时，只要将进位端CO（5脚）接到高一位的CP输入端（1脚）即可，其余引脚连接方法和其功能相对应。

SB平时处于接地状态，使CR端（复零端，15脚）接地为低电平。

计数器处于等待计数工作状态，此时如果有输入计数脉冲即进行计数。

当拨动开关SB使其处于高电平时，CR端通过电阻R5接电源正端为高电平，计数器处于复零状态，此时计数无效。

CD4026的B1端（3脚）为显示允许输入端，高电平有效，因此接电源正端。

INH 端（2脚）为禁止信号输入端，高电平有效，低电平时则不禁止计数，因此将它接地（电源负端）。

输出端Ya、Yb、Yc、Yd、Ye、Yf、Yg分别与共阴极LED数码管的笔段a、b、c、d、e、f、g对应引脚相接。

数码管的阴极接地。

3 元器件选择光电断路器Q的尺寸应根据应用场合实际情况选定，目前市场上品种多且售价不贵，用户有足够的选择余地。

例如FSH104，槽宽4mm，深9mm，安装孔Φ3.2mm，器件最大尺寸约24mm。

光电三极管暗电流实测值≥4MΩ，如果红外发光二极管正极接1.5V电源，则光电三极管C、E之间电阻将≤1kΩ。

A1、A2选用七段译码管输出十进计数集成电路CD4026、CH4026等。

发光二极管数码管采用共阴极型，如BS207或字形尺寸较小的BS205等。

VT1、VT2用9014型NPN三极管，h≈400。

FER1～R6均用1/8W碳膜或金属膜电阻。

C1、C2用耐压大于等于16V的电解电容器，如CD11-16V。

SB为拨动开关。

4 电路性能该光电计数器是一种通过计算光电断路器的光敏三极管被遮光的次数来实现计数的装置，性能指标：1、计数误差=02、电源电压：直流5V3、重量：1kg4、功耗：≤3W5、显示位数：2位6、适用范围：由于红外发光二极管发出的红外光被遮住，不能进入光电三极管的接收窗口，每当光被遮住一次，后级的三极管工作状态就改变一次，通过三极管的放大作用可使计数器记下被遮挡的次数，因此该计数器最大特点是没有误差，相当于在计算器上按１再加１，加１……一样是没有误差的。

本计数器可实现0～99的计数显示，若要增加计数位数，可直接对计数显示部分进行扩展。

5 装配过程先焊比较低的元器件，再焊高的元器件。

瓷片电容、电阻管脚没有极性，可以任意插在电路板上的相应位置。

要求元件引脚要尽量短，电阻根据电路设计可采用卧式安装，也可采用竖立式安装。

插针长脚朝上；发光管的长脚正极，要与电路板上标有“+”的发光管插口对应，.数码管最好能插在数码管专用的插脚上,有保护数码管作用,也方便更换，焊接的跳线可选用铜线,也可使用元器件剪下来的管脚。

焊接的时候要注意烙铁的温度，只有到了适当的温度，才能好、快、准的焊接。

焊出的焊点也会比较好看、实用。