光电计数器的设计

光电计数器的设计

摘要：采用了光源与计数器分离设计的方法，设计了一种光电感应计数器。光源采用红外点光源，计数器部分由接收电路、电压放大整形电路、光电耦合器、CD4518等组成，经过译码器的译码，最后通过显示器显示计数结果。其电路简单、可靠，可以实现0—99的计数显示。

关键词：光电；计数器；整形电路

光电技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术，已渗透到许多科学领域。主要研究光与物质中电子相互作用及其能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特性，是一门新兴的综合性交叉学科。

光电计数器广泛应用于工业生产、实时监测、自动化控制等领域。本文设计的光电计数器克服了传统的采用机械式计数或反射式计数带来的不足，不仅适合原来传统计数器所适用的场合，同时对传统的计数器也是一个很好的换代产品，特别是对于那些采用人工式计数的场所，也是一个很好的换代产品。一般的光电计数器采用红外感应器件，或者光电对射器件，其计数范围发散，不适合体积大的固件计数。该计数器成本低，价格便宜，性能可靠，稳定性高，抗干扰能力强， 计数方向明确，也可对大体积固件计数，能够满足现代生产和生活的需要。

1光电计数器系统的结构组成

系统电路主要由接收电路、信号放大电路、波形整形电路、计数器、译码器、显示器、控制电路等组成。原理框图如图1所示。

（1）接收电路：由于光电计数器的目的是对光信号进行计数，所以接收电路的主要任务是接收光信号，然后转换成电信号，通过所接负载转换成电压信号输出。该电路用红外发光二极管和光电三极管组成。

（2）信号放大电路：由于光经过光电三极管产生的电信号很微弱，不能使后面的波形整形电路及计数器正常工作，所以要经过放大电路放大到一定程度才可以使后面的电路正常工作。

（3）波形整形电路：波形整形电路是通过一个电压比较器将正弦波、三角波等转换成高低电平。基于计数器工作时钟脉冲需要高低相间的电平，然而，经过光电三极管又经放大的电压信号是正弦曲线，所以电压比较器在此的作用非常重要。

（4）计数器电路：计数器电路接收来自波形整形电路的脉冲信号经过内部触发器的运作输出4位二进制数。若产生进位溢出，则输入到下一个计数单元，从而又产生一个高4位的二进制数，此电路是整个装置的核心部分。

（5）译码器电路：译码器电路是将计数器输出的二进制数译成7段显示码信号。 （6）显示器电路：接收7段显示码信号，触动数码管各端显示出所计的脉冲个数的数字。

（7）控制电路：控制电路是对计数器的工作产生置位与复位，复位让计数器的各输入端清除原来的状态为“0”状态，置位可以对计数器进行预置数。

2 器件选型

光电计数器主要采用CMOS 集成电路设计，电路都是基本的元器件，其价格低廉，功耗小，抗干扰能力强等优点，所以受到人们的普遍重视。 2.1 接收电路

接收电路的主体是光电探测器，光电探测器有两类：真空光电探测器和固体光电探测器[1]。光电探测器件包括：光敏电阻、光电池、光电倍增管、光电三极管等。光敏电阻在光照下会改变自身的电阻率，且光照越强，器件电阻率越小，阻抗呈阻性，没有极性，且灵敏度高，具有内电流增益，响应速度则一般较慢，主要用于电子电路、仪器仪表、计量分析等方面；光电池可直接将光能转变为电能，不再需要外加电源，因而适应于响应速度要求不高的场合；光电倍增管的光谱响应宽，从近紫外线、可见光到近红外均可覆盖；光电三极管在发射极与集电极之间加上电压时，基极周围产生的电子和空穴向集

电三极管作为接收电路的器件。

路的组合器件应运而生。两者的典型连接方式有3种：电流放大型、电压放大型、电阻放大型。电压放大型接收电路如图2所示。

图2 电压放大型接收电路

2.2 放大整形电路

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相输入端，表示运放输出端V o 的信号与该输入端的相位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端V o 的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列如图4所示。

图3 运放的符号 图4 LM324引脚图

2.3 计数器

CMOS 计数器的种类很多，其中只有CD4518具有两个各自独立内部同步的4位二进制加计数器，具有异步清除功能。计数器级为D 型触发器，具有内部可交换CP 和EN 线，用于在时钟上升沿或下降沿进行加计数，在单个单元运算中，EN 输入保持高电平，且在CP 上升沿进位。CR 线为高电平时，计数器清零。CD4518的引脚图如图6所示。

计数器的脉冲模式可级联，通过将Q 3接连至下一个计数器的EN 输入端可实现级联，同时后者的CP 输入保持低电平。CD4518的功能表如表1所示。

表1 CD4518的功能表

当清除端（CR）为低电平，时钟允许输入端（EN）为高电平时，在时钟输入端（CP）上升沿作用下进行加计数。

当清除端（CR）为低电平，时钟输入端（CP）也为低电平时，在时钟允许输入端（EN）脉冲下降沿作用下也进行加计数。

当清除端（CR）为高电平时，不管其它输入端的状态如何，即可完成清除功能。 除这两种计数方式外，时钟输入端（CP）和时钟允许输入端（EN）为任何其它组合时，输出均保持原状态不变。

由CD4518的时序波形图可知 ：若以CP1—CP10表示10个时钟脉冲， 其计数过程如下：复位脉冲过后，计数状态为0000。当CP1来到时，触发器Q0置1，计数状态是0001。CP2来到时，Q0置0，Q1置1，计数状态为0010。当CP3来到时，Q0置1，Q1不变，计数状态变成0011。当CP4来到时，Q2置1，而Q1和Q0均置0，计数状态为0100。……CP8来到时，Q3置1，Q0、Q1、Q2均置0，输出为1000。当CP10来到时，计数状态又恢复成0000。 2.4 译码器

CD4511是由一个4位锁存器、一个8421BCD 码-7段译码器和输出驱动器组成，在同

一单片结构上由MOS 逻辑器件和NPN 双极型晶体管器件构成，这些器件的组合，使CD4511具有低耗散和高抗干扰及电源高达25mA 的性能，可直接驱动LED 及其它显示器件[7]。CD4511具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能，能提供较大的拉电流。CD4511的引脚图如图7所示。

图6 CD4518的引脚图 图7 CD4511的引脚图

引脚功能介绍如下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：3脚是测试输入端，当

BI=1，LT=0时，译码器输出全为

1，不管输入DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码器输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD 码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码器输出端，输出为高电平1时有效。

CD4511

表2所示。

表2 CD4511的功能表

当测试输入端（LT）为高电平，消隐输入端（BI）也为高电平时，加锁存允许输入端（LE）的高电平到来之前一瞬输入的BCD 码可存入锁存器中。

当输入BCD 码大于1001时，输出消隐。 2.5 显示器

LED 显示器在许多数字系统显示中作为显示输出设备，使用非常广泛。它的结构是由发光二极管构成如图7所示的a、b、c、d、e、f和g 七段。内部的所有发光二极管有共阴极接法和共阳极接法两种，即将LED 内部所有二极管阴极或阳极接在一起通过输出引脚引出，并将每一发光段的另一端分别引出到对应的引脚，通过点亮不同的LED 字段，可显示数字0，1，…，9和A，b，C，d，E，F等不同的字符及自定义一些段发光代表简单符号。LED的结构如图8所示。

图8 LED的结构图

3 光电计数器的工作原理

电源部分：220V 的交流电经过变压器降压、桥式整流、电容滤波、7809稳压器后为整个电路提供+9V的工作电源。

光电计数部分：当光电三极管VT1接收到红外发光二极管D1射来的红外光线时，其亮电流增大，内阻减小，集电极输出低电平，此低电平加到电压比较器U1—A 的反相输入端②脚，同时因①脚经R3、R4电阻分压后，电压为4.5V ，因此②脚电压低于①脚电压，U1—A 的③脚输出高电平。此高电平又加到比较器U1—B 的反相输入端⑤脚，使得⑤脚电压高于同相输入端④脚电压，比较器U1—B 的⑥脚输出为低电平，该低电平使光电耦合器内藏发光管点亮，对应的光敏管导通，三极管VT2也导通，VT2集电极输出低电平，计数器不计数。

当有物体通过时，红外线被挡住，红外发光二极管D1不发光，VT1因无光照，其暗电流小于0.3uA [7]，所以接收管VT1不导通，集电极输出高电平。因比较器U1—A 的反相输入端②脚电压高于同相输入端①脚电压，比较器的③脚输出低电平，此低电平有加到电压比较器U1—B 的反相输入端⑤脚，使得反相输入端⑤脚电压小于同相输入端④脚电压，比较器⑥脚输出为高电平，光电耦合器截止，三极管VT2也截止，所以VT2集电极输出高电平，高电平使得计数器计数。

综上所述，当有物体通过VT1时，VT2集电极上输出计数脉冲信号，使得计数器计数，通过译码器的译码，在显示器上显示所通过物体的数量。工作原理图如图9所示。

图9 光电计数器的工作原理图

4 设计及制作

4.1 电源的制作

根据在给器件选择型号时对其参数的了解，整个电路对电源要求如下：

（1） CMOS器件所需单电源电压应在3—18V之间，双电源电压应在-18V—+18V之间； （2）电源供电电流约100mA；

（3）电源供电电流变化不大，输出电流的稳定度小于0.1%； （4）电源供电电压稳定，工作电压的允许误差约0.5%。

为了满足以上条件，采用18V，2W 的变压器，通过3A 的全波整流电桥，最后经过7809稳压管的稳压后，输出+9V的电压。 4.2 光信号的放大整形电路制作

是脉冲信号，即不能按计数器工作也不能对计数器产生计数信号。所以要经过放大器放大到一定程度，然后通过电压比较器生成脉冲信号。电路如图10所示。

图10 光信号的放大整形电路

4.3 计数器的连接

采用CD4518组成的8421码同步十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～15脚，该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD 码信号输出（3脚～6脚；11脚～14脚），有两个时钟输入端CP 和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP 输入，此时EN 端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号由EN 端输入，此时CP 端应接低电平“0”，清零端CR 也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足电路则不工作。

由于采用的是对VT2集电极输出的脉冲信号下降沿进行计数。为满足下降沿计数的要求，需将CD4518的CP 端接地，即1、9脚接地，计数脉冲信号接EN 输入端，即2脚，7脚和15脚为清零端，通过电阻R12接零电平，与电容C2一起实现开机清零作用。因为CD4518内含有两个相同的计数器，将第一级的1Q 4即6脚输出接第二级的EN 端即10脚构成两级串行计数，可以实现0—99的计数显示。电路连接图如图11所示。 4.4 译码器的连接

CD4511是译码、驱动、锁存三种功能集于一体的“三合一”电路，译码器将BCD 码转换成七段码，再经电流反相器，驱动共阴极LED 数码管，锁存器避免在计数过程中出现跳数现象。图11中D～A为BCD 码输入端，a～g为七段码输出端，当LE 为低电平时，加在A、B、C、D端的数据译成段驱动信号，经过限流电阻送到数码管的端控制线上。当LE 为高电平时，驱动信号被锁存在输出端，实现静态显示。

因此在连接中应把CD4518的输出端3、4、5、6（11、12、13、14 ）脚分别与CD4511的输入端7、1、2、6脚相连。输出端a、b、c、d、e、f、g

3脚、4脚接电源。电路连接图如图12所示。

图11 计数器的连接图

图12 译码器的连接图

4.5 显示器的连接

由于LED 数码管的每段工作电流一般为5mA～10mA，七段全亮电流可达35mA～70mA，考虑到依次显示0～9数字时每次只有4.5段发光，因此正常显示的平均电流只有17mA～32mA。LED的正向压降为1.5V～2V，如果CD4511选用+5V的工作电源时，每段最大输出电流为40mA～50mA，因此必须采取限流措施，以免因驱动电流过大而损坏数码管[7]。所以在每个驱动端串入1K 的限流电阻，将各端驱动电流限制在5mA～10mA。电路连接图如图13所示。