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安全检测课程设计

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2020年4月19日
文档仅供参考
目录
1.引言 2
2.设计要求 2
3.设计原理 3
4.方案设计 4
5.系统组成及各单元设计 5
5.1 系统组成 5
5.2 单元电路设计 5
5.2.1 信号采集电路部分设计 5
5.2.2 计数电路设计 6
5.2.3 数码显示电路设计 7
5.2.4 报警电路设计 9
6.结论 10
参考文献 11
附录 12
附录一 整体电路图 12
附录二 元件清单表 13

1.引言
21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。
　　光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，当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。采用光电传感器制作的光电式电子计数器。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其它计数器不可取代的优点。
2.设计要求
1.基本要求
利用发光二极管和光敏三极管作为光电计数器的传感器进行计数，用数码管显示计数值，当数码管显示值与设定值相同时报警，另外计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作。
2.提高要求
l)发光器件和光接收器之间的距离大于lM(提示：由于距离较远；需要增大发光二极管的电流，这种情况下只能采用脉冲供电方法，此时有物体和无物体其输出频率会产生变化
2)有抗干扰技术，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差
3)每计数100，灯闪烁2S指示一下
3.设计原理
在光电计数部分我们考虑到脉冲信号的稳定度、方便检测是否能够产生脉冲信号，因此在电压比较器和NE555之间我们选择了NE555，又要利用遮断式红外控制原理对经过的物件计数，为了感应良好，我们使红外发光管与光电接收管相对安放，同时为避免自然光线干扰引起的误计数，同时因实验室条件有限，在光电计数器工作时尽可能的让房间里没有自然光照射进来。每当物件经过一次，红外光被遮挡一次，光电接收管的输出电压发生一次变化，这个变化的电压信号经过放大和处理后，形成计数脉冲，去触发一个十进制计数器，便可实现对物件的计数统计。
该计数器系统总体设计方案较为简单，用光电感应器实现对生产线产品的数量的采集，将信号传送到防干扰的迟滞比较器，共经过两级比较器，传输信号脉冲，经过74LS160计数器进行计数，计数范围是0～99，经过4511七段译码器进行译码，输出信号给LED数码管进行显示。其中，个位计数器的进位标志位接到十位计数器的计数控制端CET和CEP控制十位计数器工作计数，因为74LS160是十进制计数器，计数的结果是BCD码0000～1001，经过译码器数码管后显示的十进制00～99。，本设计还实现了十位数的动态“零消隐”，（当计数结果不超过10时，十位数的数码管无显示，原理就是将十位计数器的输出端经过4072进行相或，从而只有当数码管个位显示时十位数码管BL端低有效，即十位数码管熄灭）。本设计还实现清零时，是两位数码管都显示0，因为这样能够让工作人员方便确定计数系统工作正常，原理就是利用7404的非门功能，输入端接复位端，输出与十位七段译码器的灭灯输入端BL端相接，每当复位时，BL就会输入高电平，从而使两个数码管都会清零。
实际情况下，生产线上产品每经过光电传感器，信号在经过两级比较器后，就会有一个上升沿信号作为时钟信号，控制计数器工作，同时计数开始，能够连续实现对100个产品进行计数，如需重新开始，只要按下清零按键就能重新计数。
4.方案设计
系统设计方案遵循几大块：第一、光信号的采集，光能否被接收会产生不同的信号，将其转换成高低电平；第二、计数器记录高低电平的变化，实现计数功能；第三、计数器计满后，输出信号经过单稳态触发器，产生2秒延时，同时驱动相应的蜂鸣器电路与LED电路。
方案采用74KS160实现计数功能，用与门和或门实现反馈或控制功能，最后采用74LS47共阳数码管显示计数值。简化电路图如下图所示:

图2-1 运用74160构成计数电路

5.系统组成及各单元设计
5.1 系统组成
超过设定值报警
BCD码－七段译码器

光检测

数码管
二－十进制计数器BCD码

5.2 单元电路设计
5.2.1 信号采集电路部分设计
该电路主要由光电转换电路，信号滤波比较电路组成。
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，如图。

图 3-2 信号采集电路
光电转换电路输出信号在无物件遮挡住光线时，输出含有直流交流分量的信号，再有物件遮挡光线时，输出是一电压较低的直流信号。因此经过滤波电路，能够将两种信号转换为不同电压的直流信号，再经过一定阈值的比较器，能够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。
5.2.2 计数电路设计
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，减少其它器件的使用，经过查看各种计数器芯片的技术手册，选取74LS160为该电路计数元件。下图所示为计数电路：

图3-3 74160组成计数电路

图3-4 74160管脚图

74LS160 同步置数功能
当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0～D3的数据被置入计数器并呈现在Q0～Q3端。若接成七进制计数器，控制置数端的信号是N（7）状态，如在D0～D3置入0000，则在Q0～Q3端呈现的数据就是0110。

图3-5 74160 功 能 表
5.2.3 数码显示电路设计
该电路是实现将计数电路的计数值以直观的数字方式显现出来，只需实现基本要求即可，无特殊要求。

图3-6 数码管组成的显示电路
计数电路输出两组BCD码，为了使电路简单，应选用BCD码—七段数码管译码驱动器，而七段数码管的选择与之配套。译码器无特殊功能要求。这里选用了常见的74LS47共阳数码管驱动器，配套选取共阳八段数码管，但小数点位不用。74LS47为内部有上拉电阻的BCD—七段数码管译码器/驱动器，输出端为低电平有效，可用于驱动缓冲器或共阳数码管。其功能表如表3-7所示：
图3-7 74ls47真值表

数码管一般有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，数码管是共阴极数码管，译码器的输出端接到数码管的输入端，输出端与地之间接电阻510欧姆限流保护数码管，否则数码管容易烧坏。本设计提供的为LED数码管（共阴极）。其引脚图如图所示。

5.2.4 报警电路设计
该电路是为了实现每计数100，用灯闪烁2S指示一下功能而设计的。根据计数电路介绍，当计数器由99回转向0时，FLASH输出端将输出一个下降沿，因此能够用此信号来触发报警电路。用以触发由555构成的单稳态触发器，使其输出一个两秒的高电平，用以控制555多谐振荡器使其工作两秒，输出为时两秒的低频率方波，使LED灯闪烁2s。
暂稳态的持续时间（即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小
经过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并能够使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。按要求，为使R和C都不至取得过大，选取C（）为10μF，R（）为20KΩ。如图所示：

图3-8 555组成的单稳态电路

6.结论
进过自己与同组人员的努力制作和调试，我们的光电计数器终于完成。电路板调试成功，满足了设计要求中的基本要求及大部分提高要求，而且计数显示部分的计数位数具有直接扩展性。从这次课程设计中，学到了很多的专业知识，以及一些宝贵的心得。从找寻参考书这方面来说，别人的答案只能参考，不能照搬。要有独立的看法，善于发现错误，勤于讨论和提问，这样才能改正错误。
起初，拿到设计要求的时候，大脑是很空白的，因为这就是专业知识的缺乏成为了整个过程最大的阻力，“书到用时方知少”，此时才知自己专业知识的贫乏。经过不懈的找寻，查资料，以及向老师提问，对于电路的构造和基本设计有了大概的蓝图。
经过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，能够说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
最后衷心的感谢指导老师，以及参与讨论的同学们的耐心指导与鼎力相助！
经过这次设计，巩固了之前学习的安全监测技术的相关知识，并把这些知识运用到实际中。这次设计是理论和实践的相结合，放大了理论和实践之间的差别，问题带来了设计经验，从而为以后的发展添加了资本。

参考文献
[1] 黄正谨 综合电子设计与实践.东南大学出版社
[2] 康华光 电子技术基础（数字与模拟）高等教育出版社
[3] 夏路易,石宗义 电路原理图与电路设计教程Protel 99SE.北京希望电子出版社．
[4] 王毓银 数字电路逻辑设计.高等教育出版社
[5]百度文库 . http：//
[6]陈振官 陈宏威等. 光电子电路及制作实例. 北京：国防工业出版社，  
[7]杨志忠. 数字电子技术举出. 北京：高等教育出版社， 
[8]蔡雅铮. 计数器及其逻辑设计. 北京:高等教育出版社，
[9]郝鸿安等 555集成电路实用大全.上海科学普及出版社。

附录
附录一 整体电路图

附录二 元件清单表
元件
数量
74160
2片
74ls47
2片
74ls00
1片
74ls08
1片
数码管（共阳）
2个
300欧
1个
100欧
17个
20千欧
1个
三极管
1个
NE555
1片
10nf
1个
10uf
1个
发光二极管
1个
光敏三极管
1套
16管脚插槽
4片
14管脚插槽
2片
8管脚插槽
1片