光电耦可逆计数器原理.doc

光电耦可逆计数器
光耦可逆计数器可以用来对不同运行方向的物件进行自动加减
计数，可用于在生产线上对生产物件进行自动计数。
光耦可逆计数器主要有四部分组成：采集信息部分——由光耦器件组成该部分；波形转换部分——由与非门和D触发器构成；计数部分——由74192、7448以及数码管组成该部分电路;报警电路部分——由74LS160和NE555组成该部分电路。其主要的工作原理为先用光耦器件负责采集信息，根据是否有物体通过，从而输出高低电平。再把输出的高低电平作为脉冲信号接入到波形转换电路中，最后将波形转换电路输出的相应的信号接入到计数部分。其中报警电路的大部分是独立于主电路的，具有独立的电路。
1、采集信息电路设计：
电路中的光耦器件为反射式光耦器件，红外发光二极管和光敏三极管里35o 夹角封装为一体，其交点在距光耦合器5mm处。工作时，红外发光二极管发出的红外光若被前方的物件遮挡，则红外光反射回来并被光敏三极管所接收使光敏三极管导通，使其输出高电平；若光耦器件前方没有物件，则光敏三极管处于截止状态，使其输出低电平。如果不断有物件以一个相同的速度依次经过光耦器件，那么光耦器件就会依次输出高低电平，形成一个脉冲波形。形成的这个脉冲波形就可用于对计数器进行计数。在电路的设计中，用了两个光耦器件，当物体从不同方向依次通过这两个光耦器件时，这两个光耦器件输出的高低电平是存在一个时间差的，而这个时间差的大小在波形转换电路中是很重要的，这决定了74LS192能否正常的计数。

2、波形转换电路：
在波形转换部分，由于光耦器件能够产生一脉冲波形，但是如果把这两个信号波各自加入到可逆计数器74LS192的两个脉冲时钟端，则会使得计数混乱。故需要通过一部分电路来实现当正向运动计数器时，使得74LS192的加法计数时钟端有脉冲输入，而减法输入时钟端始终为高电平，使得74LS192进行加法计数。同样在进行反向运动计数时，使得加法时钟输入端保持高电平，减法时钟输入端有脉冲输入即可。在设计原理中，用一个D触发器和两个与非门实现。由于边沿D触发器的输出状态取决于时钟上升沿时的输入端状态。
在进行运动物体加法计数器时，只要保证每次在时钟的上升沿时D输入端均为高电平，既可以实现Q端输出一直保持高电平，在用Q端和D端进行与非，即可得到一个脉冲波形，把这个脉冲信号作为加法时钟输入信号。而Q’端则一直输出为低电平，再和CLK端信号进行与非，从而一直输出为高电平，该信号作为减法时钟输入信号。从而实现加法计数。
在进行运动物体减法法计数器时，只要保证每次在时钟的上升沿时D输入端均为低电平，既可以实现Q端输出一直保持低电平，在用Q端和D端进行与非，从而一直输出为高电平，该信号作为加法时钟输入信号。而Q’端则一直输出为高电平，再和CLK端信号进行与非，即可得到一个脉冲波形，把这个脉冲信号作为减法时钟输入信号。从而实现减法计数。

74LS175为四上升沿D触发器，有四个D输入端，一个公共的清零端。当清除端（CR）为低电平时，输出端Q为低电平。在时钟（CP）上升沿作用下，Q与数据端（D）相一致。当CP为高电平或低电平时，D对Q没有影响。CP 时钟输入端（上升沿有效），CR 清除端（低电平有效）
3、计数和显示电路设计：
在计数和显示部分用74LS192、74LS48以及数码管来实现。74LS192因为本身就是一个可逆计数器，故有两个时钟输入端，那么也就相应的有两个输出端，一个是加法进位输出端，一个是减法借位输出端。在进位的时候是输出低电平，在借位的时候也是输出低电平，这和一般的计数器进为输出高电平有点不同。在进行级联是把个位的加法进位输出端接入至十位的加法时钟输入端，把减法借位端接至十位的减法时钟输入端。74LS192在做加法计数是，加法时钟输入端输入脉冲，减法时钟输入端保持高电平。做减法计数器时，减法时钟输入端输入脉冲，加法时钟输入端保持高电平。74LS48用于编码，七段数码管用于显示计数的数字。

74LS192 为可预置的十进制同步加/减计数器，74LS192 的清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。192的预置是异步的。当置入控制端为低电平时，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（P0～P3）相一致的状态。74LS192的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端输出一个低电平脉冲；当计数下溢出时，借位输出端输出一个低电平脉冲。
4、报警电路设计：
在考虑到由于故障，生产线会停止运转，故附加了一个报警显示电路，由一个74LS160和一个与非门以及灯泡组成该部分电路。
74LS160具有异步清零的功能和保持的功能。在设计74LS160的计数时钟频率和光耦器件产生的脉冲频率大致同步，然后再用光耦器件产生的信号经过一非门接至74LS160的清零端，实现只要不断有物体通过光耦器件，则160会一直处于清零状态。因为一直有物体通过的话，就会有脉冲，也就会有高低电平，从而使得74LS160一直处于清零状态，而不会触发报警电路。当没有物体通过光耦器件时，清零端变为高电平，160计数器开始正常工作开始计数。当计数到5时，使得160进入保持状态，直到再次清零。进入保持状态是把计数输出端的5的状态用一个与非门提取再接到160的EP端，使得160进入保持状态，以及报警指示灯一直亮着，实现报警功能。74LS160的技术脉冲用一片NE555来产生，NE555接成一个多谐振荡器。定时时间为6S。
电路中的NE555 集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。目前被广泛用于各种电子产品中，555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本 R-S 触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。
555 的 8 脚是集成电路工作电压输入端，电压为 5～18V以 UCC 表示；从分压器上看出， 上比较器 6 脚 A1 的５脚接在 R1 和 R2 之间， 所以 5 脚的电压固定在 2UCC/3 上； 下比较器 A2 接在 R2 与 R3 之间，A2 的同相输入端电位被固定在 UCC/3 上。

NE555各个引脚介绍：１脚为地； 2 脚为触发输入端；3 脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器 6 脚和下比较器 2 脚的控制。当触发器接受上比较器 A1 从 R 脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3 脚输出低电平。2 脚和 6 脚是互补的，2 脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于 1Ucc/3，此时3 脚输出高电平。6 脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于 2 Ucc/3，称高触发端，3 脚输出低电平，但有一个先决条件，即 2 脚电位必须大于
1Ucc/3 时才有效。3 脚在高电位接近电源电压 Ucc，输出电流最大可打 200mＡ。4 脚是复位端，当 4 脚电位小于 0.4V 时，不管 2、6 脚状态如何，输出端 3 脚都输出低电平。5 脚是控制端。7 脚称放电端，与 3 脚输出同步，输出电平一致，但7 脚并不输出电流，所以 3 脚称为实高（或低） 、7 脚称为虚高。
555 的应用电路很多，大体上可分为 555 单稳、555 双稳及 555 无稳(即振荡器)三类。单稳电路有一个稳态和一个暂稳态， 是利用电容的充放电形成暂稳态的， 因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容，常见的 555 单稳电路有两种：其中单稳态有两种电路，一种是人工启动型电路，另一种是脉冲启动型电路。双稳态电路也有两种，一种是RS触发电路，另一种是施密特触发电路。无稳态电路也就是多谐振荡器，常用来产生固定频率的脉冲。也可变成占空比和频率都可调的电路。
　　在本电路设计中用的是ＮＥ５５５的无稳态电路也就是多谐振荡器。在电路图中的Ｒ１６和Ｒ１７电阻和电容Ｃ２组成一个充放电电路。当电容充电到１ UＣＣ／3时，上比较器输出为高电平，下比较器输出为低电平，ＮＥ５５５输出为高电平，放电管截止，电容继续充电。当电容充电到２UＣＣ／3时，上比较器输出为低电平，下比较器输出为高电平，ＮＥ５５５输出为低电平，放电管导通，电容通过电阻Ｒ１７和放电管放电，当电容的电位低于１ UＣＣ／3时，放电管截止，电容重新充电，当当电容的电位高于２ UＣＣ／3时，放电管导通，电容放电。如此循环，从而输出一个周期性的脉冲信号。

报警电路

下图为整的原理图：

在用proteus画好原理图之后，飞线图

PCB图：

心得体会
在完成课程设计的过程中遇到了不少的困难，但主要是在画电路板的基础上，在原理图基本上没有什么大问题。但是在原理上有一个比较难把握的就是如何使得这两个光耦器件的导通时间有一半是重合的，或者确切的说是保证在进行运动物体加法计数器时，每次在时钟的上升沿时D输入端均为高电平以及在进行运动物体减法计数器时，只要保证每次在时钟的上升沿时D输入端均为低电平。在仿真是比较难保证这一点。
在用proteus做PCB图时，由于数码管和开关没有自带封装，所以还需要自己设计一个封装，而且还需根据实际器件的大小来设计尺寸。一开始在给数码管和开关添加好封装之后，转成PCB图却发现在图中并没有这两种器件，重现做了一下发现还是不对，如何上网查资料也没理出结果。后来在自己的摸索下找到了问题，是自己对器件的设置上有一点的小问题。
不过总的来说，在这个课程设计中，还是可以学到很多东西的，比如说一开始不会布线，布线的时候，总是会有交叉，后来先看着自动布线，然后慢慢摸索出一点点的规律和不断的总结经验。我认为，在这个课程设计中不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。首先要用基础理论知识弄懂原理图，然后还要在用软件仿真的时候能通过，在然后还要能把PCB图画出来，最后还要把实物做出来。这四个环节都有可能出问题。比较纠结的问题是做出了实物但是却不能达到要求。从理论到实践，虽说有很多挫折，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

课程设计说明书
1、 设计题目：光耦器件可逆计数器
2、 完成的目标：对整个原理图的设计有一个明确的把握和了解，在整个课程设计过程多学到一点知识。能比较熟练的使用proteus来画PCB图和学会布线。
3、 主要元器件：
74LS00
两片
74LS192
两片
74LS48
两片
74LS160
两片
74LS175
一片
NE555
一片
光耦器件
两个
开关
三个
电阻100欧
两个
电阻100k
一个
数码管
两个
LED
两个
47uf电容

一个
100pf电容

一个
电阻68k
一个

4、 参考资料：
【1】 数字电子技术基础 阎石
【2】常用数字集成电路设计 黄继昌 王东 程宝平