数字显示式光电计数电路的制作

◆1设计任务和要求

1.1设计任务：

实现数字显示式光电计数器的功能，当用遮挡物挡住光电开关一下，它就自动计数一个，按一下SB就复位清零。可实现0～99的计数显示。

1.2设计要求： 

  在电源输入端输入7－9V电压，经稳压调幅成6V左右在电压，经过光电输入电路、计数脉冲形成电路、显示电路组成和显示计数部分完成电路功能。

◆2总体设计方案

2.1方案一：

图1、光电显示电路

原理：如图所示电路，当光敏三极管VT1接收到红外发光二极管射来的红外光线时，VT1导通，比较器IC2-B的反相输入端6脚为低电平，7脚输出高电平，加到比较器IC2-A的反相输入端，使1脚输出低电平，则光电耦合器4N35内的发光管点亮，对应的光敏管导通，三极管VT2也导通，VT2集电极输出低电平。当有物体通过红外发光二极管VD1和接收管VT1之间，红外线被挡住，VT1截止，IC2-A的1脚输出高电平，4N35截止，VT2截止，VT2集电极输出高电平，故当有物体通过VT1时，便在VT2集电极上输出计数脉冲信号，该信号送到十进制计数器，再送到译码显示电路，显示出相应的数据。

缺点：输入电源需要220V较大，连接不好容易烧坏原件

2.2方案二：

                    图2光电数字显示电路

原理：该电路有光电输入电路(VD,3DU12),脉冲形成电路(IC1A,IC1B组成电压比较器；光电耦合器；晶体管开关电路)和记数与显示电路等组成. 当光敏三极管VD接收到红外发光二极管射来的红外光线时，3DU12中VT1导通，比较器IC1-A的反相输入端为低电平，输出高电平，加到比较器IC1-B的反相输入端，使输出低电平，则光电耦合器4N35内的发光管点亮，对应的光敏管导通，三极管也导通，集电极输出低电平。当有物体通过红外发光二极管VD和接收管VT之间，红外线被挡住，VT截止，IC1-B的1脚输出高电平，4N35截止，VT截止，VT集电极输出高电平，故当有物体通过VT时，便在VT集电极上输出计数脉冲信号，该信号送到十进制计数器，再送到译码显示电路，显示出相应的数据。

缺点：电路的计数脉冲形成部分比较复杂，焊接起来连线比较复杂

以上电路基本都可以实现本课程项目的要求，但是经过比较改进，我们选用了以下这个电路：

◆3原理方框图

图3

◆4总图体电路

图4光电数字显示电路

◆4主要元件原理介绍

4.1 LED数字显示管

数码管显示的数码均是由七个发光二极管构成的。每段上加上合适的电压，该段就点亮。我们在这个电路中用的是共阴型，共阴型就是七个发光管的负极都连在一起，作为一条引线。

4.2 CD40110   

CD40110计数集成电路运用该电路能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段LED数码管，其逻辑功能见图。R为清零端，R=1时，计数器复位，CP为时钟端(CPU为加法计数时钟，CPO为减法计数时钟)，QCO输出进位脉冲，QBO输出借位脉冲，TE为触发器使能端，TE=0时，计数器工作，TE=1时，计数器处于禁止状态，LE为锁存控制端。七段数码管器件为小型LED共阴极数码，CD40110与它配套使用可直接驱动显示。CD40110计数为十进制加计数器，逢十时自QCO端输出进位脉冲，送至下一个相同计数器CPu端(9脚)将继续累加(即为十位数)，由555电路组成脉冲发生器，3脚VO端输出连续脉冲加至CD40110加法输入端，调整RP，可改变脉冲速度。集成电路CD40110是可逆计数器。CD40110集计数、译码、锁存、驱动为一体的

电路中VCC,VSS为电源端；a-g为数码笔段输出端；CPU为加计数脉冲输入端；CPD为减计数脉冲输入端；MP为清零端，高电平时计数器清零；QCO为进位脉冲输出端，作加法计数时，每当计数满10后输出一个进位脉冲；QBO为借位脉冲输出端，作减法计数时，每当计数满10后输出一个借位脉冲；TE为触发器控制端，TE=0时计数器工作，TE=1时计数器处于禁止状态，不计数；LE为锁存控制端，当LE=0时正常显示，LE=1时显示数被锁定。

图5、CD40110引脚图

4.3 CD4017

CD4017是十进制计数器/时序译码器，内部有一个十进制计数器和一个时序译码器，图14-9是其引脚图，CP为时钟脉冲输入，上升沿计数，为允许计数，低电平有效，计数时Q0～Q9的十个输出端依次为高电平，RD为异步清零端，RD=1时Q0=1。计数器的输出Q0～Q4=1时进位Co=1，Q5～Q9=1时Co=0。

普通计数器作为分频时，从计数器输出引脚可以得到CP的2、4、8…分频的信号，用N进制计数器可以得到N分频信号。依此原理用CD4017可以方便得到2～10分频信号，将CD4017输出端Q2～Q9分别与复位端相连，可以构成2～9的分频。如图14-10所示构成3分频，当高电平移到Q3时，计数器复位，重新计数，3分频信号可以从Q0～Q2中一个输出，不接反馈复位则可以得到10分频。

图6　CD4017引脚图

4.4 光电开关

红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380-780nm，发射波长为780nm-1nm的长射线称为红外线，根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，看分为漫反射式，镜放射式，对射式等。输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，AC二线，AC无线。有槽型还有漫反射型光电开关。

图7  漫反射光电开光工作原理

  漫反射光电开光工作原理

在这个电路中我们用到的是漫反射光电开关，是一种集成发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过是，将光电开关发射的足够量的光线放射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高是，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

4.5 555

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

3脚：输出端Vo

2脚： 低触发端

6脚：TH高触发端

4脚： 是直接清零端。当 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电

图8  555引脚图

4.6 7806稳压器

稳压IC型号中的78系列，7806同来输出电压为正6V，过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。可以用来做分立元件的稳压电源，也课可用作电子设备。焊接时工作电源注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4-5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。

◆5电路原理介绍

电路主要从电源输入端输入7-9V的电压，经过7806稳压器输出稳定的6V左右电源。连接漫反射光电开关，当有被检测物体经过的时，将光电开关发射器发射的足够量的光反射到接收器， VD导通，三极管VT也导通，VT集电极输出低电平。当有物体通过红外发光二极管VD和接收管VT之间，光线被挡住，VT截止， VT集电极输出高电平，故当有物体通过VT时，便在VT集电极上输出一个高电平，经过555时基电路，555电路有开关信号形成计数脉冲CP,CP通过倍率调节电路CD4017，CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器，通过14脚输出CP给CD40110，CD40110计数集成电路能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段LED数码管，第一个LED数码管通过10脚进位给第二个LED数码管，形成两位计数器，由此形成两位的光电数字显示电路。

◆6实验调试

6.1实验调试步骤

首先在电源输入端输入7-9V电压，然后用遮挡物挡住开关一下，让其产生一个高电平，555就开始输出方波脉冲，电路开始计数。

在调试中，我们遇到了以下几个问题：

①接通电源后，数字显示管总是多亮了一个灯；

②接通电源后，挡住光电开关，但是数字显示管不会计数；

③用一个脉冲信号直接接入到CD4017芯片的14脚，数字显示管不会计数。

解决方案：

1检查电路，查看电路是否有引脚接通的现象，用万用表检查是否有引脚接通。

2光电开关可能正负极接反了，安装时要求发光管与接收管正对，同时为避免自然光线干扰引起的误计数，应在接收管上套一段黑色圆筒作遮光筒。或者是查看555是否有工作，检查555的3脚是否有输出方波。

3加入的脉冲信号的电压过低，至少要大于6V。

6.2实验数据分析：

    调试过程中，电压大概是6~9V之间波动，电流大概为1.5，电路显示较为稳定。

◆7心得体会及思路扩展

7.1心得体会

李婷婷---这次我们在设计电路的时间，遇到了很多挫折。刚开始我们是决定做电源保护报警电路的，通过查阅书籍，还有网上一些资料，遇到很多知识都不理解，通过老师、还有师兄师姐，才懂得一些，但是由于对这方面的了解还很不够，觉得设计这个电路不适合我们。后来我和我的同伴决定设计数字电路，通过数字电路学到的知识还有自学的一些知识，做起来比较顺利。通过一段时间完成电路以后，给老师检查，老师给一些意见后经过改进，我们就开始焊接电路了。先列出原件清单，到电子城买齐原件开始焊接。焊接的时候，遇到很多困难，才发现都是对知识的掌握不够牢固的结果。在焊接LED显示管的时候，需要很细心，因为电路中有很多电阻的连接，不然将不能正常计数。通过设计，焊接电路，还有多次的调试，让我都那些元器件有了多一些的了解，他们的功能和使用等。通过这次课程设计，把学到的东西真正运用到实践，对于电子仪器的运用也加深了不少，万用表、电源、脉冲输入、示波器等都能够正确的使用帮助检测电路。

思路扩展：数字计数电路是一种很实用的电路，在平时生活中广泛运用，商场‘游乐城等等都用得比较多，而其电路的实现也是多种多样，希望能够在价格上，还有使用灵敏度上，争取能够做出更完美的计数电路。

7.2思路扩展

实验总结

我查看了相关的芯片引脚资料，还有实践过，觉得电路还有可以改进的地方，就是SA1和SA2其实可以只是接3脚输出端，11脚可以不接。如果想进行更多位的计数，可直接对计数显示部分进行扩展。CD40110可以继续连接一个CD40110和LED数码管，形成三位或者更多位的数字显示电路。

数字计数电路是一种很实用的电路，在平时生活中广泛运用，商场，游乐城等等都用得比较多，而其电路的实现也是多种多样，希望能够在价格上，还有使用灵敏度上，争取能够做出更完美的计数电路。

◆8元器件列表

表1

[1]. 韩克、柳秀山《 电子技能与EDA技术 》·暨南大学出版社           　　　

  [2].张大彪　《 电子技能与实训 》·北京电子工业出版社 

  [3]. 社夏路易 石宗义《电路原理图与电路板设Protel》·北京希望电子出版                     　 

  [4]. 杨元挺《电子技术技能训练》·电子工业出版社 

[5]. 梁廷贵《现代集成电路实用手册》· 科学技术文献出版社编著

[6]. 李萧 郭明琼《常用数字集成电路原理与应用》·人民邮电出版社 

[7]. 余孟尝《数字电子技术基础简明教程》·高等教育出版社 

[8]. 李中发 《数字电子技术基础》·中国水利水电出版社

[9]. 曹国清 《数字电路与逻辑设计》·中国矿业大学出版社

[10]. 杨绪东 刘景行《实用电子电路精选》·化学工业出版社