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生产线产品产量自动计数器电路设计.doc

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1江西航空职业技术学院毕业设计说明书(论文)课题名称:生产线产品产量自动计数器电路设计航空电子设备维修 专业 081331 班学生姓名:赵繁 学号 29指导老师:姚卫华 技术职称______________2011 年 4 月 2 日2江西航空职业技术学院毕业设计(论文)任务书学生姓名:赵繁 班级:0813311.毕业设计(论文)题目:生产线产品产量自动计数器电路设计2.毕业设计(论文)使用的原始资料数据及设计技术要求:1、电子技术基础实验;2、数字电子技术基础本设计要求发光器件和光接收器件之间的距离大于 1m,最大计数值为99,每计数 100,用灯闪烁 2s 指示一下,LED 数码管显示计数值,可上电自动复位和外部手动人工复位。3.毕业设计(论文)工作内容及完成时间:此设计采用组合与时序逻辑电路,采用模块化方法设计电路图。每计数一百 LED 灯闪烁 2s,同时蜂鸣器发出响声作为提示音。日期:自 2010 年 12 月 15 日至 2011 年 4 月 2 日指导老师评语:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________指导老师:_______________ 系主任:____________3摘要电子计数器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对电子计数器提出的越来越高的要求,电子计数器技术的发展和电子技术的高速发展密不可分,从而为现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。本电路设计是根据生活中的需要而设计出来的一种计数器。它适用于工厂生产流水线的计数和产品的包装等方面,具有成本低、灵敏度高等优点。该模拟计数器用于工厂流水线计数,在数码管上计数。当物品计满一定个数时,传送带停止传送,灯闪烁 2s 指示一下 ,提醒工作人员操作。几秒后,操作完成,传送恢复工作,计数器重新计数,如此循环。系统用的变压器,是将 220V 的交流市电降为 12V 的安全电压,经过整流、滤波和 7809 集成稳压器稳压,输出+9V 的直流电压,作为系统的供电直流电源。电路主要是通过输出+9V 的直流电压来对各个小模块主控供电。由红外线传感器检测产生模拟信号,通过 NE555 构成施密特触发器对传感器模拟信号进行波形整形,信号进入 进行计数、译码、驱动数码管,最终通过数码管显示出来。关键词:计数器、译码、驱动。4目录毕业设计(论文)任务书 .2摘要 .3关键词 .3一、设计要求及技术指标 .6二、光电计数器简介 .6三、设计方案 .7四、主要设计思路 .7五、主要原件介绍 .85.1、74LS190 简介 85.2、74LS47 译码器简介 .95.3、数码管 115.4 集成 555 定时器 125.5、74LS00 与非门 135.6、74LS08 管脚图如图 10 所示: .135.7、三端集成稳压器 145.8、整流桥 14六、设计电路 156.1、计数、译码、显示及上电和手动清零电路 156.2、单稳态电路 166.3、方波发生器 176.4、驱动电路 1856.5 电源电路 19总电路图 20原件清单 21参考文献 23总结 246一、设计要求及技术指标1、发光器件和光接收器件之间的距离大于 1m。2、有抗干扰技术,防止背景光或瓶子抖动产生误计数。3、最大计数值为 99。4、每计数 100,用灯闪烁 2s 指示一下。5、LED 数码管显示计数值。6、可上电自动复位和外部手动人工复位。二、光电计数器简介在啤酒、汽水和罐头等灌装生产线上,常常需要对随传送带传送到包装处的成品瓶进行自动计数,以便统计产量或为计算机管理系统提供数据。光电计数器是通过红外线发射和接收进行计数,有直射式和反射式两种,通常用于流水线作业工件计数。直射式的发射、接收分体,发生器和接收器分别置于流水线两边,中间没有阻挡时发射器的红外线射到接收器,接收器收到发射来的红外线,经相反处理使之没有信号输出,有工件经过时挡住光路,接收机失去红外线信号的便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。发射式是发射、接收同体,置流水线一边,前面没有工件往下流时,发射器发出的红外线直接射出没有发射,接收器没有接收到反射来的红外线信号没有输出。有工件经过时挡住光电路使发射器发出的红外线信号发射到接收器上,接收器接收到反射来的红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。7三、设计方案采用组合逻辑电路和时序逻辑电路实现电路框图如图 1 所示,图 1四、主要设计思路没有瓶子挡光时,光接收电路输出低电平,有瓶子挡光时,光接收电路输出高电平。所以每当有一个瓶子通过时,光电转换电路输出一个正脉冲通过单稳态电路给计数电路,计数电路累加计数。由于当计数达到 99 后,若再有瓶子通过,由 555 组成的单稳态电路便会输出一个持续时间为 2s 的高电平脉冲,与另一个由 555 组成的方波发生器电路一起经过一个与门以及三极管驱动后使 LED 灯闪烁 2s,同时蜂鸣器发出响声作为提示音。此设计采用组合与时序逻辑电路,采用模块化方法设计电路图,易于实现对电路的检查,且制作成本较低。但其运用了较多的模拟器件,比较容易受到外界的影响。8五、主要元件介绍5.1、74LS190 简介74LS190 为十进制同步加/减计数器 74LS190。其管脚图和功能表如图 2和图 3 所示:图 2 74LS190 管脚图图 3 74LS190 功能表74LS190 的预置是异步的,当置入控制端( LD )为低电平时,不管时钟 CP 的状态如何,输出端(Q0~Q3)即可预置成与数据输入端(D0~D3)相一致的状态。74LS190 的计数是同步的,靠 CP 加在 4 个触发器上而实现。当计数控制端(CT )为低电平时,在 CP 上升沿作用下 Q0~Q3 同时变化,9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(U /D)为低电平时进行加计数,当计数方式控制(U /D)为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时 CT 和 U /D 才可以跳变。74LS190 有超前进位功能。当计数溢出时,进位/错位输出端(CO/BO)输出一个低电平脉冲,其宽度为 CP 脉冲周期的高电平脉冲;行波时钟输出端( RC )输一个宽度等于 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CP 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。我们的设计中也用到了这个功能。5.2、74LS47 译码器简介74LS47 管脚图和功能表如图 4 和图 5 所示:图 4 74LS47 管脚图10输入 输出1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B AH H H H H H H H H H H H HX X X X X X X X L L H H LX X X X X X X L H L H H HX X X X X X L H H H L L LX X X X X L H H H H L L HX X X X L H H H H H L H LX X X L H H H H H H L H HX X L H H H H H H H H L LX L H H H H H H H H H L HL H H H H H H H H H H H L图 5 74LS47 功能表74LS47 是驱动共阳极 LED 数码管的译码驱动器。为了直接驱动指示灯,74LS47 的输出端是低电平作用的,即输出为 0 是,对应的字段点亮;输出为1 时,对应的字段熄灭。译码器有 4 个使能端,灯测试输入 、静态灭灯输LT入 、动态灭零输入 、动态灭零输出 。BIRBIRBO当 接低电平且 / 端接高电平时,译码器各段输出低电平,数码LTO管七段全亮,因此可利用此端输入低电平对数码管进行测试。 是动态灭RBI零输入使能端, =1, =0 时,如果输入数码 DCBA=0000,译码器各段输RBI出端均为高电平,数码不显示数字,并且灭零输出 为 0。利用 端,OI可对无意义的零进行消隐。 是静态灭灯输入使能端,它与灭零输出 共I RBO11用一个输出端,当 =0,不论 DCBA 为何值状态,译码器各段输出均为高电BI平,显示器各段均不亮,利用 可对数码管进行熄灭或工作控制。I是动态灭零输出,当 =0, =1,DCBA=0000 时,表示译码器出RORLT于灭零状态,此时 / 为输出端,输出 =0。 端的设置主要用于BIORBO多个译码器级联时,对无意义的零消隐。在本次的设计中,我们用动态灭零端实现零消隐。5.3、数码管图 6 数码管管脚图中小型的荧光数码管和发光二极管显示器多采用七段形式显示。荧光数码管是一种真空管,其外形引脚如上图所示,灯丝兼作阴极,阳极由涂发光物质的材料制成,其形状为 a、b、c、d、e、f、g,七个笔画段构成的 8字,也可增加一个点状显示灯表示小数点。阳极与阴极之间设有栅极,当灯丝加热时发射电子,经加 20V 电压的栅极加速后撞击到阳极,如该阳极接有20V 高压则发出荧光;若该阳极未接高压则不发荧光,由此显示相应的字形。12七段发光二极管显示器的原理与荧光显示器相似,用七个发光二极管构成a、b、c、d、e、f、g 七个笔画段,并分为共阳极和共阴极两种连接方法。共阳极是将七个发光二极管的阳极接在一起并接在正电源上,阴极接到译码器的各输出端,当哪个发光二极管的阴极为低电平时对应的那个发光二极管就导通发光。共阴极则是将七个发光二极管的阴极联在一起并接地,阳极译码器的各输出端,哪一个阳极为高电平时对应的那个二极管就发光。我们在实验中用到的是共阳极的数码管,在连接电路的时候将 3、8 两个管脚都接到正电源上。5.4 集成 555 定时器集成 555 定时器的管脚图、内部结构图和功能表如图 7、图 8 和表 1 所示:图 7 成 555 定时器的管脚图13图 8 集成 555 定时器内部结构图TH(6) TR(2) R(4) OUT(3) T 管 D(7)× × L L 导通 L>2/3UDD × H L 导通 L<2/3UDD >1/3UDD H 不变 不变 不变<2/3UDD <1/3UDD H H 截止 H表 1 集成 555 定时器功能表555 定时电路由 2 个比较器、1 个基本 RS 触发器、1 个反相缓冲器、1个漏极开路的 NMOS 管和 3 个 5K 的电阻组成分压器组成。555 外接适当的电阻、电容能方便的构成单稳态触发器和多谢振荡器。在本次设计中,我们采用 555 构成单稳态触发器来控制计数到达 99 时灯亮的时间以及防止瓶子抖动而重复计数;除此之外,还用 555 构成多谐振荡器来控制灯闪的频率和蜂鸣器发声的频率。Uc1 倒 相 放 大 缓 冲 输 出 Q Q Uc2 S R 5KΩ 5KΩ 5KΩ C1 C2 - + + - 控 制 电 压 输 入 5 阈 值 输 入 6 UI1 触 发 输 入 2 UI2 1 地 4 复 位 T 3 输 出 7 放 电 8 UCC 145.5、74LS00 与非门74LS00 管脚图如图 9 所示:图 9 74LS00 管脚图5.6、74LS08 管脚图如图 10 所示:图 10 74LS08 管脚图5.7、三端集成稳压器L78、79 系列集成稳压器是一种有广泛用途的三端集成稳压器。W78系列三端集成稳压电路具有固定输出正电压,L79 系列三端集成稳压电路具有固定输出负电压。这两个系列稳压器都具有较完善的短路和限流保护、过15热保护和调整管安全工作区保护电路,因而他的工作是比较可靠的。字母后面的数字表示输出电压,电压等级:5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V。在本次试验中,实验中要求工作电源为 220V 交流电,而芯片供电应为 5V,因此我们选用 L7805,作为稳压芯片。5.8、整流桥整流桥的作用是将交流电转变为直流脉动电压。整 流 桥 堆 产 品 是 由 四 只整 流 硅 芯 片 作 桥 式 连 接 , 外 用 绝 缘 朔 料 封 装 而 成 , 大 功 率 整 流 桥 在 绝 缘 层外 添 加 锌 金 属 壳 包 封 , 增 强 散 热 。 最 大 整 流 电 流 从 0.5A 到 100A, 最 高反 向 峰 值 电 压 从 50V 到 1600V。 一 般 整 流 桥 命 名 中 有 3 个 数 字 ,第 一 个 数字 代 表 额 定 电 流 ;后 两 个 数 字 代 表 额 电 压 。 本 实 验 用 RS307, 即 额 定 电 流3A, 额 定 电 压 1000V。六、设计电路6.1、计数、译码、显示及上电和手动清零电路16图 11 计数、译码、显示及上电和手动清零电路图计数、译码、显示及上电和手动清零电路如上图所示。74LS190 为十进制可加减计数器,其中,74LS190(U2)为低位,74LS190(U1)为高位。74LS190(U2)的时钟端与光电转换电路相连,用光电转换电路的输出端的电平变化作为计数时钟脉冲,用来计数;74LS190(U1)的时钟端与74LS190(U2)的进位位相连,实现向高位进位的目的,从而实现计数功能。用 7447 与七段数码管相连,实现计数的译码和显示。从上面介绍过的 7447的功能表不难看出,将 7447(U3)的 RBI 直接接地,可以实现高位的零消隐。单刀双置开关 J1用来控制加减计数。当 J1为低电平时,是加法计数;当 J1接光电转换防抖电路17为高电平时,为减法计数。单刀双置开关 J2用作手动清零。当复位端为零时,手动复位。6.2、单稳态电路(1)由于要求计数达到 100 时,灯要闪烁 2 秒,同时喇叭发出提示音。我们用 NE555 组成的单稳态电路在计数超过 99 时,产生一个持续时间为 2S 的高电平脉冲,用做 LED 灯闪烁及蜂鸣器蜂鸣的门电路。电路图如图 12:A4555_VIRTUALGNDDISOUT RSTVCCTHRCONTRIVCC5VR9200k¦¸C810uFC910nF3130VCC017图 12 单稳态电路图上图为单稳态电路,暂态时间 tw=1.1RC,经计算,,基本符合实验要求。stw2.102.15(2)为防止瓶子抖动,而多次触发计数,我们在光电开关之后加入一个单稳态电路以防止其多次触发。我们选取 1s 的单稳电路。又由于光电开关在未挡住时是低电平,而挡住时是高电平,而单稳电路是负脉冲触发,因而在光电开关和单稳电路之间加一个非门,以实现光电开关的正确触发,具体电18路图 13 所示:图 13 光电转换防抖电路6.3、方波发生器方波发生电路依然由 NE555 组成。由 NE555 组成的振荡电路产生任意频率可调的方波信号。方波发生器输出信号与单稳态输出的信号相与,用于控制 LED 等的闪烁的频率和蜂鸣器的频率。不同的频率可以由电阻及电容值的变化来控制,控制蜂鸣器和 LED 频率的电路分别如下图 5-3 和 5-4 所示。由于人眼的视觉暂留效应,为能准确分辨灯的闪烁,取为 0.2s。而蜂鸣器的频率要求在 500~1000HZ 之间。计算后,可以得到电阻及电容的相关参数。其中图 14 频率为 0.2s,图 15 频率为 0.0016s(621HZ) 。19图 14 周期为 0.2 秒的方波发生器A3555_VIRTUALGNDDISOUT RSTVCCTHRCONTRIVCC5V R7300¦¸R81k¦¸C610nFC71.0uF312VCC0图 15 频率为 621Hz 秒的方波发生器6.4、驱动电路1)LED 灯闪烁电路20U5A74LS08DR4200¦¸LED121019图 16 LED 灯闪烁电路LED 灯闪烁电路如上图所示,当输入端为高电平时,LED 灯亮,当输入端为低电平时,LED 灯灭。2)蜂鸣器电路VCC5VU6BUZZER500 Hz Q22N3019R620k¦¸VCC25026U9A74LS08D32图 17 蜂鸣器电路蜂鸣器电路如上图 16 所示,原理与 LED 灯闪烁电路大致相同.6.5V 电源电路在电子电路中,通常需要电压稳定的直流电源供电,小功率稳压电源一般是由电源变压器、整流、滤波和稳压四部分电路组成。此设计采用 5V电源供电。21总电路图 RSTDIHCONGVUQB0A3E4/56791LMX2KFk?nabcdefgu8PZ+v&光22元 件 清 单数量 描述2 74LS, 74LS08D1 74LS, 74LS00D2 SWITCH, SPDT1 BJT_NPN, 2N30191 BUZZER, BUZZER 500 Hz 1 LED_red2 74LS, 74LS190D3 CAPACITOR, 1.0µF4 CAPACITOR, 10nF1 RESISTOR, 1kΩ15 RESISTOR, 300Ω4 MIXED_VIRTUAL, 555_VIRTUAL2 RESISTOR, 200kΩ1 CAPACITOR, 100nF2 RESISTOR, 100kΩ1 RESISTOR, 20kΩ1 RESISTOR, 200Ω2 74LS,74LS472 数码管1 TS_XFMR1231 FWB, 3N2591 VOLTAGE_REGULATOR, LM7805CT1 CAP_ELECTROLIT, 2.2mF1 CAPACITOR, 330nF24参考文献[1]侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计[M].北京:高等教育出版社,2007.[2]侯建军.数字电子技术基础[M].(第二版).北京:高等教育出版社,2007.25总结通过本次毕业设计,使我感受到过程是艰辛的同时又充满乐趣的。随着毕业日子的到来,毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这三年来所学知识的单纯总结,但是通过这次做毕业设计发现自己的看法太片面了。毕业设计不仅是对三年所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多,以前老是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。通过这次毕业设计,我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己只是和综合素质。毕业设计中也使我们的同学关系更一步亲近了,同学之间互相帮助,有什么不懂得大家一起商量,听听不同的看法,从而使我们更好的理解消化知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学.总之,知识必须通过实践才能实现其价值!在此要感谢我的指导老师姚卫华老师对我的悉心指导,感谢老师给我的帮助。在设计过程中,我通过查阅大量的相关资料,与同学们交流经验,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这份毕业设计做的不是太好,但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富,使我终身受益!
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