應用電子設計報告
學院： 光電技術學院
班級： 光資訊科學與技術***班
姓名： 陶婉琳 (200*032***)
劉春 (200*032***)
指導老師： 劉心田蔣守光費紹敏
完成時間： 2011.06.07
設計時間： 2011-04-20——2011-06-15
通道計數器的設計報告
【課題名稱】
通道計數器的設計
【內容摘要】
紅外反射式通道計數器利用發光二極體和接收二極體實現對進出人數所產生的訊號的接收，通過對訊號的處理達到對進出人數的計數，並在數碼管上顯示，從而達到對進出人數進行統計的目的
【設計指標】
設計並製作乙個紅外反射式通道計數器，滿足以下要求：
1. 能夠對通道內進出的人數進行統計
2. 當有人進入時計數自動加1；反之計數自動減1
3. 有效距離﹥20cm
4. 至少有一位數碼管顯示
【使用儀器】
1. cd40110晶元
2. lm324晶元
3. 74sl74晶元
4. 紅外發射管和紅外置收管（2對）
5. 共陰極數碼管（d5011a/b）
6. 電阻（200ω 2只、50kω 6只、20kω 2只、100ω 1只）
【設計方案與系統框圖】
1. 設計方案
方案一：利用兩組紅外二極體接收訊號，用cd4069晶元（反相器，具有很好的施密特特性）將訊號處理整形，再利用74ls74晶元對處理後的訊號進行鎖存，最後用40110晶元對接收訊號進行加減計數，並用共陰極數碼管顯示資料。
方案二：利用兩組紅外二極體接收訊號，用lm324晶元對接收訊號整形放大並比較，再利用74ls74晶元對處理後的訊號進行鎖存，最後用40110晶元對接收訊號進行加減計數，並用共陰極數碼管顯示資料。
由於二極體之間的距離對感應效果有一定的影響。用lm324和變阻器更容易調節對訊號進行處理，因此我們選擇方案二。
2. 系統框圖
圖1【單元電路設計】
1. 器件選擇
具有運放功能的晶元選取：lm324系列器件為**便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優點。
該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態電流為mc1741的靜態電流的五分之一。共模輸入範圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中採用外部偏置元件的必要性。
每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中「+」、「-」為兩個訊號輸入端，「v+」、「v-」為正、負電源端，「vo」為輸出端。兩個訊號輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端vo的訊號與該輸入端的位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端vo的訊號與該輸入端的相位相同。lm324的引腳排列見圖2。
因此，不管在**還是在功能以及通用性上，我們都可以選擇lm324來作為我們需要的器件進行放大比較。
鎖存器選取：我們選取常見的鎖存器74ls74即可。74ls74是雙上公升沿d觸發器，當訊號由低電平變為高電平時，74ls74就置高電平「1」給下一器件，起到鎖存的作用。
圖3 74ls74邏輯圖
表1 整合維持-阻塞d觸發器74ls74特性表
計數晶元選擇：cd40110為十進位制可逆計數器/鎖存器/解碼器/驅動器，具有加減計數，計數器狀態鎖存，七段顯示解碼輸出等功能。由cd40110完成十進位制加數計數/鎖存/解碼和驅動器任務，輸出端ya、yb、yc、yd、ye、yf和yg分別輸出驅動七段共陰數碼管發光、依次顯示0～9的數字來。
另外cd40110組成的一位數碼計數器，該計數器顯示準確、快捷，電路具有良好通用性和執行穩定、可靠等特點，在電子技術中得到了廣泛的使用。因此，我們選擇擁有如此特點的整合晶元，而不使用傳統的計數器晶元。
圖4 cd40110引腳圖
表2 cd40110功能表
數碼管選取： 由於計數晶元我們選取的是cd40110，這是乙個驅動共陰數碼管的晶元。所以在此選擇數碼管的時候，我們選擇共陰數碼管d5011a/b
2. 引數計算
1) 發射和接收裝置：由兩對紅外發射和接受二極體組成，又由於工作電壓是+5v，需用電阻200ω與發射二極體串聯；接收二極體所需電阻很大，故用20kω的電阻與之串聯。
2) 訊號整形：訊號處理器由晶元lm324來完成。由於lm324是乙個含有4個運放的晶元，因此，我們將其中兩個運放作為放大器，主要用於波形整形。
而另外兩個運放作為反相比較器，用於對關鍵臨界電壓進行比較，從而輸出乙個與輸入電平相反的電平，這個功能有點類似於反相晶元cd4069的功能。故而，只要很好計數好引數的資料，則其一樣可以擁有很好的整形效果。
a) 為了讓輸入電壓放大倍數是輸入的兩倍，我們讓作為放大的運放的反相端接入乙個50k的電阻，並與數字地進行連線。同相端則接入輸入訊號（並同時串聯乙個50k的電阻作為平行電阻），以此方式來組成乙個同相放大器。
b) 為了讓輸入電壓反相，我們讓作為比較器的運放稱為反相比較器。即在運放反相端接入輸入訊號，同相端接入比較訊號。另外，這個比較訊號的產生是由乙個電阻5k和乙個電位器0k-10k串聯，再接入5v的電源而構成的。
通過調節電位器的阻值，我們可以改變比較訊號的大小。
3) 鎖存器：鎖存由74ls74晶元來處理。74ls74是雙上公升沿d觸發器，當訊號由低電平變為高電平時，74ls74就置高電平「1」給下一器件，起到鎖存的作用。
4) 加減計數和解碼器：由於cd40110既是計數器又是解碼器，故加減計數和解碼由cd40110晶元來完成。當cpd端接高電平「1」時，晶元進行減1操作並解碼；當cpu端接高電平「1」時，晶元進行加1操作並解碼。
5) 數碼顯示：數碼管需要的是共陰數碼管，準確反映前一器件所解碼出的數。我們採用了數碼管d5011a/b，又由於電源電壓是+5v，需總串聯接乙個電阻來限流，故我們串聯了乙個阻值為100ω的電阻。
【工作原理】
圖5原理：原理上圖所示，最左端擁有兩對紅外置收管。其中紅外發射管由於阻值較小，則串聯乙個200ω的電阻。
而紅外置收管由於阻值較大，則串聯乙個20k的電阻，並且紅外發射管正接，紅外置收管反接（工作於反向狀態）。此時，將兩組接入5v的電壓，使其開始正常工作。在沒有人通過的情況下，由於發射管發射出的紅外光線沒有經過物體反射回來，則紅外置收管接收不到反射後的紅外線。
因此，在理論情況下，此時紅外置收管的電阻應相當大。此時，紅外置收管和電阻20k的進行分壓，其分的的電壓也較大（大概為3.5v左右）。
線路將兩組紅外置收管分的電壓傳入兩個運放的同相輸入端。這兩個運放起著放大作用，通過計算放大的倍數為2倍。隨後，放大後的電壓又進入兩外兩組運放，此時，這兩組運放起著反相比較器的作用，他們分別與乙個可變比較電壓進行比較（這個電壓通常我們調整為稍小於靜態傳入電壓即可）。
通過比較後，使得運放輸出低電壓（低電平），這個輸出電壓接入到兩個d觸發器中，乙個接時鐘，乙個接清零端。由於清零端是低電平有效。此時，接入清零端的d觸發器會產生乙個低電平而輸出，此電平進入到計數器cd40110的cpu和cpd位（邊沿觸發）。
所以，可知：在靜態時，即沒有人通過時，cd40110是不計數的。因此，數碼管顯示的值不發生改變。
當有人通過通道時，由於紅外線在人體發生了反射（忽略人體自身發出的紅外線影響和外界光影響），則在紅外置收管上能夠接收到紅外線，由於接收管的原理「當接收到光線時，電阻變小」知，紅外置收管分的的電壓也相應變小。這個變小後的電壓通過放大功效的運放後輸出到比較器，這個變小後的電壓應該小於比較電壓，則比較器輸出高電平電壓，並隨之進入d觸發器。此時清零端無效，由於上個狀態觸發器輸出的是低電平，則d端輸入則變成了高電平（由原理圖知），當另外乙個接入線（即接另乙個觸發器清零端，接該觸發器時鐘端）的電平發生改變時，使該觸發器的時鐘電平從低電平向高電平變化，從而產生了上公升沿。
此時，產生電平跟隨，即該觸發器輸出高電平（同理另乙個觸發器也是這樣工作的）。輸出端的電平變化使得cd40110的cpu/cpd的電平產生變化，出現邊沿觸發，從而cd40110開始計數，最終使得數碼管顯示的示數發生改變。從而達到計數的效果。
其總體設計圖如下：
圖3【組裝除錯】
在protel上畫出自己的電路的原理圖，然後封裝好原件後，開始佈線，最終獲得需要的pcb圖。用轉印紙打出pcb圖後，通過轉印的機器將圖轉印到印製板上。然後修改一下沒有轉印上的部分，修改好後則可以進行腐蝕工作。
待腐蝕完成後，就可以打孔了。打完孔後，得到我們需要的電路板，將電路板清洗乾淨塗抹上松香液，帶松香乾後並原件放好後，逐個進行焊接。最後檢查功能是否完善，除錯電路板。
在除錯過程中，我們依次出現了一下幾個問題：
1) 首先我們發現數碼管連數字都不顯示，經過調查，電平測試才知道原來是出現了虛焊，然後從新焊接了一次，解決問題。
2) 在進行測試結果出現數碼管顯示的數字一直是0並不發生改變，通過仔細檢視晶元資料才發現原來cd40110的清零端不是邊沿觸發而是高電平觸發，由於自己新增的某種功能使的清零端一直處於高低平，即一直在不斷清零，因此造成數碼只顯示0的現象，斷掉相關部分的電路連線，解決該問題。
3) 改正了上述問題後，再進行測試，發現數碼管顯示還是不正常。通過用萬用表不斷跟蹤電壓的變化發現由於剛才的錯誤接法，造成一塊晶元燒毀，此後，跟換晶元再次測試，數碼管顯示一切正常。
【實際的pcb圖】
【設計結果與資料處理】
設計結果是要實現期望的資料加一或減一的功能。當手劃過的時候，數碼管能清晰的顯示加一或者減一。說明設計成功了，資料能從0到9依次跳變。
放大器前的靜態電壓應該為大於3v電壓，有人通過後的電壓應變為低於2.5v的電壓。比較器後的靜態電平應該為低電平，有人通過後的電平則變成高電平後再變換低電平。
鎖存器輸出的電壓，在有人通過時，應將會出現電平跳變，即出現邊沿。
資料記錄如表：
電壓記錄順序為：放大前->放大後->比較前->比較後->觸發器前->觸發器後->計數器
靜態電壓
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