生产流水线设计系统报告

专业课程设计报告

设计题目：生产流水线计数系统设计

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指导教师：

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时间：2011.5.23~2011.6.3

电子科学与技术教研室

一、设计题目

生产流水线计数系统设计

二、设计要求

本设计为实现光电计数器的功能，采用模数结合的电路，以红外对射光电传感器为传感器件。电路主要分为信号采集电路、两位十进制计数电路、数码显示电路、传动电路四个模块，分别实现对通过光电门的物体感应，计数，显示，并按要求完成传动功能。计数范围为一百，当8秒内无物体通过时，停止传动装置。

三、分析设计 1 信号采集电路设计

该电路主要由脉冲（方波）发生电路，光电转换电路，信号滤波比较电路组成。

脉冲发生电路为555构成的多谐振荡器，振荡频率大约为30KHz ，555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级，它提供两个基准电压，比较器的参考电压由三只5K Ω的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A 1同相比较端和低电平比较器

A 2的反相输入端的参考电平为和

3

VCC

23和VCC 。A 1和A 2的输出端控制RS 触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过3

2VCC

时，触发器

复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信

号自2脚输入并低于

3

VCC

时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

D R 是复位端，

当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC 。 c V 是控制电压端（5脚），平时输出

3

2VCC

作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T 为放电管，当T 导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。 在本设计中，要求发光器件和光接收器之间的距离大于lM ，这就需要增大发光器件的瞬时发射功率但又保证平均功率在正常工作范围内，这样只有缩短每次发光器件的工作时间，反映到脉冲发生电路即是减小脉冲的占空比。但上述电路的占空比始终大于50%，且调节影响频率。改进型的555多谐振荡器可以方便的调节制定占空比，电路如下图2所示：

图2

电路中增加了两个导引二极管，使充放电的电流流过指定的电阻，只要分别调节1R 和1

v R 的比例就可以方便的调节输出波形的占空比。上电

路中，震荡周期T 和占空比η分别为：

C R R T v )(7.011+=…………式3.1

1

1

v R R =η……………………式3.2

本设计中输出波形的频率大约为30KHz ，占空比大约是20%。所以

C R R s f

T v )(7.0103.331

116+=⨯≈=-……式3.3

%201

1

≈=

v R R η……………………式3.4 按常规，电阻和电容选取不宜过大或过小，中和调节，选取电容0.022μF ，电阻1R =390Ω，电阻1

v R 选用2K Ω的电位器，调节至大约1.8K Ω。

光电转换电路采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换传感器，采用典型电路，如下图3所示：

图3 光电转换电路

从555多谐振荡器输出的信号控制小功率三极管的导通与截止，从而控制发光二极管发光与否。接收电路由光敏三极管上接电源并加一下拉电阻实现。发光二极管的正常工作压降大约是1.2V，电流大约是20mA，从而可以估算出限流电阻大约是150Ω，但是由于由脉冲信号控制，工作时间大约占20%，因此瞬时功率可以提高5倍，即限流电阻减小80%，大约是30Ω。光敏三极管在无光照射下，电阻可达输兆欧姆，有足够的关照时，电阻降到几千欧姆，因此其分压电阻可以取几十到几百千欧，具体需根据实际情况调整，这里采用了典型值33KΩ。图3中节点3输出含有直流分量的信号，其交流部分大致同步于前面脉冲输出信号。

光电转换电路输出信号在有、无物件遮挡住光线时，都输出含有直流交流分量的信号。因此通过滤波电路，可以将两种信号转换为不同电压的直流信号，再通过一定阈值的比较器，可以将两种信号转换为数字

电路中的高低电平，从而控制后续电路。电路如下图4所示：

图4 滤波比较电路

电路中，

R和3C构成滤波电路，为了减小纹波，一般电阻、电容取

5

得较大。但电容和电阻取得过大又会使的在两种输入信号切换时，电路反应迟钝，这里选用了一般值。比较电路采用LM258构成，3脚输入参考电压，即是阈值电压，2脚输入待处理信号。阈值的选取需根据实际情况设定，是电路能够准确的区分两种不同的输入信号电压，因此采用一电位器从电源分压获得，其中电容

C为纹波滤除电容。

4

综合上述三个单元电路，信号采集电路可以实现“发光器件和光接收器之间的距离大于lM；抗干扰，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差”要求，电路情况为当有物体通过时，遮挡住红外光线，电路输出高电平，平时输出低电平。

2 计数电路

计数电路主要采用计数器统计信号采集电路输出的脉冲个数，实现对物件计数的功能。为了使电路简单化，在此选用74LS190为此电路的计数器。

74LS161为可预置十进制同步加减计数器，其功能表如下表1、表2。其预置是异步的，当置入控制端LD 为低电平时，不管时钟端CP 状态如何，输出端30~Q Q 即预置成与数据输入端30~D D 相一致的状态。其计数是同步的，靠CP 同时加在四个触发器上而实现的。当计数控制端CT 为低电平时，在CP 上升沿作用下30~Q Q 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制D U /为低电平时进行加计数；当D U /为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CT 和D U /才可以跳变。其有超前进位功能，当计数上溢或下溢时，进位/借位输出端BO CO /输出一个宽度等于脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端RC 输出一个宽度等于CP 低电平部分的低电平脉冲。；利用RC 端可级联成N 位同步计数器。当采用并行时钟控制时，则将RC 接到后一级CT ；当采用并行CT 控制时，则将RC 接到后一级CP 。

表1 功能表