畢業(yè)論文--光電計數(shù)器設(shè)計及制作

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p>　　第一章 光電轉(zhuǎn)換部分6</p><p>　　§1.1光源的基本特性和選擇6</p><p>　　1.1.1熱輻射光源6</p><p>　　1.1.2

2、氣體放電光源6</p><p>　　1.1.3固體發(fā)光光源7</p><p>　　1.1.4激光器7</p><p>　　§1.2 光電探測器8</p><p>　　1.2.1光伏探測器的原理9</p><p>　　1.2.2光伏探測器的特性10</p><p>　　1.2

3、.3 快速硅PIN光電二極管11</p><p>　　§1.3 光電信號輸出12</p><p>　　第二章 計數(shù)電路13</p><p>　　§2.1 十進(jìn)制計數(shù)電路設(shè)計13</p><p>　　§2.2 顯示譯碼電路設(shè)計15</p><p>　　§2.3 數(shù)碼顯示

4、16</p><p>　　第三章 光電計數(shù)器電路的安裝及改進(jìn)17</p><p>　　§3.1 器件準(zhǔn)備17</p><p>　　3.1.1 器件清單表17</p><p>　　3.1.2 其它使用的儀器：18</p><p>　　§3.2 電路連接18</p><p&

5、gt;　　3.2.1 光電部分18</p><p>　　3.2.2 計數(shù)部分18</p><p>　　3.2.3 顯示譯碼部分19</p><p>　　3.2.4 顯示部分19</p><p>　　§3.3 電路分步測試20</p><p>　　3.3.1 光電二極管的測試20</p>

6、<p>　　3.3.2 555定時器的測試20</p><p>　　3.3.3 計數(shù)電路的測試20</p><p>　　3.3.4顯示電路的測試20</p><p>　　§3.4 電路總體調(diào)試21</p><p>　　§3.5 光電轉(zhuǎn)換電路改進(jìn)21</p><p>　　3.5

7、.1阻抗匹配改進(jìn)21</p><p>　　3.5.2 光電計數(shù)器適用性改進(jìn)22</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　致謝25</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字式計

8、數(shù)器因為其有使用方便，計數(shù)精確，顯示直觀等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)生產(chǎn)線上的物件計數(shù)。本論文利用光電二極管接收激光光源發(fā)射的光信號，并通過數(shù)字計數(shù)與顯示電路設(shè)計了一種光電計數(shù)器。當(dāng)物件從光電二極管與激光器之間通過時會對光束進(jìn)行遮擋，光電二極管的電壓發(fā)生變化。該信號經(jīng)過放大和處理后，經(jīng)計數(shù)電路和LED數(shù)碼管顯示計數(shù)的數(shù)值。該光電計數(shù)器可以將機(jī)械或者人工的計數(shù)方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮幼詣佑嫈?shù)，工業(yè)實用性很強(qiáng)。</p><p>

9、　　關(guān)鍵詞:光電二極管，激光器，計數(shù)器， LED數(shù)碼管</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As the digital counter has advantages in convenient using, accurate counting, direct display , it is widely used in indu

10、stry production line for counting the objects.This paper designed a photoelectric counter,the photoelectric receivers optical signal sent from the laser,and then through the digital count and display circuit.when objects

11、 cross the middle of the laser ,the beam will be kept out, photoelectric receiver's voltage would have a change.The voltage signal will be amplified and process</p><p>　　Key Words: photodiode,,laser,coun

12、ter,LED digital tube</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　隨著自動化技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)上的生產(chǎn)越來越趨向于自動化。在流水生產(chǎn)線中，自動化的計數(shù)裝置已經(jīng)普及。采用自動化計數(shù)不僅可以提高生產(chǎn)計數(shù)的效率，還可以提高計數(shù)的準(zhǔn)確性。對于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化具有很大的推進(jìn)作用。生產(chǎn)自動化、設(shè)備數(shù)字化、機(jī)電一體化不斷發(fā)展，工業(yè)中對光電計數(shù)

13、器的需求量也逐漸在增大，因此，設(shè)計光電計數(shù)器是十分具有現(xiàn)實意義的。</p><p>　　光電技術(shù)是一門以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，將光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代微電子技術(shù)、精密機(jī)械及計算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，成為獲取光信息或借助光提取其他信息的重要手段的課程。光電技術(shù)在現(xiàn)代科技、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，以此為支撐的光電子產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界爭相發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是競爭激烈、發(fā)展最快的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主力軍。光電技術(shù)迅速發(fā)展，半

14、導(dǎo)體激光器、上千萬像素的CCD與CMOS固體圖像傳感器、PIN與APD光電二級管及液晶顯示等在工業(yè)與民用領(lǐng)域隨處可見，熱成像技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域。光電技術(shù)不斷滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個方面，成為信息社會的支撐技術(shù)之一。</p><p>　　光電計數(shù)器主要分為光電檢測轉(zhuǎn)換部分和電子顯示部分。光電傳感器是一種將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，它實現(xiàn)工作的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)大致可以分成三個類型：第一類就是外光

15、電效應(yīng)，在光的照射下使電子從物質(zhì)的表面逸出；第二類是內(nèi)光電效應(yīng)，在光的照射下，物質(zhì)的電阻率改變；第三類是光生伏特效應(yīng)，在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生電動勢。實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的器件主要有光電二極管、光電三極管、光電倍增管、光電雪崩管等等。光電計數(shù)器的工作原理是，從光源發(fā)出一束集中的平行有效光，在流水線上，每出現(xiàn)一個物體，就會對光進(jìn)行一次遮擋，光接收器無法接受到光源信息，電路的光電流就會產(chǎn)生改變，經(jīng)過信號處理后計數(shù)器計數(shù)一次，即通過了一個器件。光電計數(shù)器

16、常用來統(tǒng)計成品數(shù)量和參加展會人數(shù)。</p><p>　　計數(shù)技術(shù)在不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了多種輔助計數(shù)功能。多功能計數(shù)器的響應(yīng)度較高，功耗低，在交流和直流電源下都可以工作，無機(jī)械碰撞，無磨損，造價低等等。還有很多依據(jù)實際的工作環(huán)境添加了個性化功能，如毛線生產(chǎn)線上的斷線報警功能。通用計數(shù)器不僅可測頻率、周期還可以測多周期平均、時間間隔、頻率比和累計等。由于光電計數(shù)器設(shè)計理念的不斷創(chuàng)新，光電計數(shù)器的功能也在不斷發(fā)展。在

17、電子計數(shù)器行業(yè)的需求增長有所減緩的市場環(huán)境下，光電計數(shù)器需要大力進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，以滿足客戶的不同需求，提高產(chǎn)品的性價比，以期獲得更好的市場效益。</p><p><b>　　光電轉(zhuǎn)換部分</b></p><p>　　§1.1光源的基本特性和選擇</p><p>　　光源在科學(xué)研究和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在成份分析、結(jié)構(gòu)研究、光電

18、檢測、照明設(shè)計等方面，都離不開一定型式的光源。因此，為適應(yīng)各種高科技工作的實際需要人們生產(chǎn)了各種不同光學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點的光源。在光電技術(shù)系統(tǒng)中，光源往往起著關(guān)鍵的作用。因此，了解光源的基本特性參數(shù)，然后按照實際的工作需要選取合適光源，是我們設(shè)計光電系統(tǒng)和解決光電檢測問題時成功的關(guān)鍵之一。</p><p>　　光源的基本特性參數(shù)主要包括輻射效率和發(fā)光效率、光譜功率分布、空間光強(qiáng)分布、光源的色溫、光源的顏色。在進(jìn)行光

19、源選擇的時候，主要會考慮一下幾點基本要求：1、對光源發(fā)光光譜特性的要求 2、對光源發(fā)光強(qiáng)度的要求 3、對光源穩(wěn)定性的要求 4、對光源其它方面的要求 。本次設(shè)計不需要使用特殊光源，因此參考幾種常用光源的基本特性進(jìn)行選擇：</p><p>　　1.1.1熱輻射光源</p><p>　　熱輻射光源是基于物體的熱輻射現(xiàn)象制造的。熱輻射光源有三個特點：1、它們的發(fā)光特性都可以用普朗克公式進(jìn)行精確的估

20、算，即可以精確掌握和控制它們發(fā)光或輻射性質(zhì)；2、它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。但在通常溫度下，紫外輻射和可見輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；3、采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使者類光源的光輸出獲得很高的穩(wěn)定度。</p><p>　　1.1.2氣體放電光源</p><p>　　利用該氣體放電原理制成的光源成為氣體放電光源，蜜蜂在泡殼內(nèi)的氣體或金

21、屬氣體在電場的作用下激勵出電子和離子，電子和離子從電場中獲得能量分別向陰極和陽極運動，它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子，這一過程中會引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出輻射，這既是氣體放電原理。與白熾燈相比，具有發(fā)光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長以及光色適應(yīng)性強(qiáng)等特點，因而具有較強(qiáng)的競爭力，在光電技術(shù)和照明工程中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.1.3固體發(fā)光光源</p>

22、<p>　　固體在電場的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象叫場致發(fā)光，也稱為電致發(fā)光。電子儀器的固體化和小型化、新的顯像技術(shù)和照明技術(shù)的需求以及半導(dǎo)體材料、集成化技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，大大加速了場致發(fā)光光源的研究和應(yīng)用，不但能使人們得到全固化的光源，而且為全固化顯示開辟了途徑。</p><p>　　目前常見的場致發(fā)光有三種形態(tài)，即粉末、薄膜和結(jié)型。有場致發(fā)光本領(lǐng)的固體材料很多，但達(dá)到實際應(yīng)用水平的

23、主要是Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體。 Ⅱ—Ⅵ族化合物既是發(fā)光效率很高的光致發(fā)光和陰極射線發(fā)光材料，亦是目前用于實際的唯一的粉末和薄膜場致發(fā)光材料。Ⅲ—Ⅴ族發(fā)光材料在發(fā)光二極管方面得到廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　1.1.4激光器</b></p><p>　　激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。當(dāng)高能態(tài)離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，產(chǎn)生輻射后，它通過受

24、激原子時會感應(yīng)出同相位同頻率的輻射。這些輻射波沿由兩平面構(gòu)成的諧振腔來回傳播時，沿軸線的來回反射次數(shù)最多，它會激發(fā)出更多的輻射，從而使輻射能量放大。這樣，受激和經(jīng)過放大的輻射就可以通過部分投射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。[1] 圖1為激光器的工作原理。</p><p>　　圖1.激光器的工作原理</p><p>　　目前已研制成功的激光器達(dá)數(shù)百種，輸出波長范圍從近紫外直到遠(yuǎn)紅外，輻射功率

25、從幾毫瓦至上萬瓦，一般按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。</p><p>　　氣體激光器的激勵方式多樣，發(fā)射波長也最廣。固體激光器所使用的工作物質(zhì)是具有特殊能力的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，里面摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。染料激光器以燃料為工作物質(zhì)。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。</p><p>　　本次實驗需要光源可以發(fā)出一束集中的

26、且強(qiáng)度足夠的可見光，因此采用半導(dǎo)體激光器作為光源。</p><p>　　半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。 半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時多為脈沖器件，而雙

27、異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。</p><p>　　半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。半導(dǎo)體激光器優(yōu)點是體積小，重量輕，運轉(zhuǎn)可靠，耗電少，效率高等。</p><p>　　圖2.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)</p><p>

28、　　激光器與普通光源相比，具有光束集中，亮度高等優(yōu)點，所以本次設(shè)計采用激光器而不選擇普通光源。</p><p>　　§1.2 光電探測器</p><p>　　光電探測器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電訊號的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中個的作用是發(fā)現(xiàn)信號、測量信號，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。</p><p>　　光電探測器按照探測機(jī)理的物理效應(yīng)

29、可以分為兩大類：一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測器，另一類是利用溫度變化效應(yīng)的熱探測器。由于光源采用的是半導(dǎo)體激光器，是可見光，因此探測器選用光子探測器。光子探測器可以分為四種：</p><p>　　光電子發(fā)射效應(yīng)也稱為光電效應(yīng)。入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。利用光電子發(fā)射效應(yīng)的探測器稱為光電子發(fā)射探測器，其中有真空光電管、充氣光電管和光電倍增管。</p>

30、<p>　　光電導(dǎo)是應(yīng)用最廣泛的光電子效應(yīng)。光子所激發(fā)的載流子仍保留在材料內(nèi)部，所以光電導(dǎo)是一種內(nèi)光電效應(yīng)。利用光電導(dǎo)效應(yīng)的探測器是光電導(dǎo)探測器。</p><p>　　1.2.1光伏探測器的原理 </p><p>　　光伏效應(yīng)是另一種應(yīng)用廣泛的內(nèi)光電效應(yīng)，是半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。雖然非本征光伏效應(yīng)也是可能的，但幾乎所有實用的光伏探測器都使用本征的光伏效應(yīng)。同時用p-

31、n結(jié)來實現(xiàn)這種效應(yīng)的。</p><p>　　當(dāng)入射光子在p-n結(jié)產(chǎn)生電子--空穴對時，光生載流子受勢壘區(qū)電場作用，</p><p>　　電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。如果在外電路中把p區(qū)和n區(qū)短接，就產(chǎn)生反向的短路信號電流。假若外電路開路，則光生的電子和空穴分別在n區(qū)和p區(qū)積累，兩端便產(chǎn)生電動勢，如圖3 所示，這稱為光生伏特效應(yīng)。</p><p>　　圖3. p-

32、n結(jié)上的光電激發(fā)</p><p>　　無光照時，若給PN結(jié)加上一個適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場，使PN結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢壘增大；被光照時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被加強(qiáng)了的內(nèi)建電場拉開，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，于是形成了以少數(shù)載流子漂移運動為主的光電流。</p><p>　　圖4為使用Altium Designer 07 Winter軟件繪制的光電二極管的工作電

33、路圖，在光電二極管上加上反向偏置電壓15V。經(jīng)過仿真后得出結(jié)果：無光照時負(fù)載上輸出電壓為低電平，有光照時，負(fù)載輸出電壓為高電平。</p><p>　　圖4.光電二極管工作電路圖</p><p>　　與普通二極管相比,光電二極管受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺； 表面有防反射的SiO2保護(hù)層，外加負(fù)向的偏置電壓。實際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管

34、一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。</p><p>　　1.2.2光伏探測器的特性</p><p>　　光電二極管的基本特性有光照特性、伏安特性、溫度特性和頻率特性。 </p><p><b>　?。?）光照特性</b></p><p>　　光照特性主要體現(xiàn)了光電流與光照度的關(guān)系，圖5是光電流與光照度的特性圖

35、，由圖5可知兩者之間的關(guān)系是：線性好;光電流較小;靈敏度低。</p><p>　　圖5. 15V反向偏壓時的光照特性曲線</p><p><b>　?。?）伏安特性</b></p><p>　　光電二極管的伏安特性可參考下圖，反向偏置電壓與光電流呈線性關(guān)系。</p><p>　　圖6.光電二極管的伏安特性曲線</p

36、><p><b>　　（3）溫度特性</b></p><p>　　光電二極管的溫度特性描述光電流和暗電流隨溫度變化的性質(zhì)，硅光電二極管的溫度升高，信噪比降低。</p><p><b>　　（4）頻率特性</b></p><p>　　光電二極管的頻率特性是所有半導(dǎo)體光電器件中最好的一種。這主要是由于光電二

37、極管的結(jié)電容較小（小于20µF) ；光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時間及PN結(jié)中的漂移時間較短，故其響應(yīng)頻率可以達(dá)到很高。</p><p>　　1.2.3 快速硅PIN光電二極管</p><p>　　本次實驗采用的光電二極管是GT106型快速硅PIN光電二極管。該光電二極管的主要特點是響應(yīng)度高，響應(yīng)速度特別快；噪聲低、性能穩(wěn)定可靠。</p><p>　　PIN結(jié)

38、光電二極管在p型和n型半導(dǎo)體之間加入一個本征區(qū)域，其表面做得很薄，使得入射輻射透入本征區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生電子一空穴對。本征區(qū)內(nèi)的電場使電子一空穴對分開，并快速通過本征區(qū)分別進(jìn)入n區(qū)和p區(qū)。器件的頻率響應(yīng)和效率都比用同樣材料制作的p-n結(jié)光電二極管好。</p><p>　　圖7.PIN光電二極管結(jié)構(gòu)</p><p>　　GT106型快速硅PIN光電二極管采用硅PIN內(nèi)外管復(fù)合結(jié)構(gòu)。為保證極快的

39、響應(yīng)速度，采用背面蝕洞法，使I層盡量薄。這樣，載流子高速通過漂移區(qū)的時候，被電極收集在外電路里就產(chǎn)生了光電流。用外管來短路慢速的光生載流子，從而實現(xiàn)了快速響應(yīng)的目的。</p><p>　　GT106型快速硅PIN光電二極管的光譜響應(yīng)曲線如圖8.</p><p>　　圖8.PIN光電二極管的光譜響應(yīng)曲線</p><p>　　§1.3 光電信號輸出</p

40、><p>　　要實現(xiàn)光信號對電路的控制，即對光電二極管進(jìn)行持續(xù)照射，當(dāng)有物件通過時對光進(jìn)行遮擋，輸出一次低電平，計數(shù)器計數(shù)一次。光電轉(zhuǎn)換電路需要控制計數(shù)器的時鐘輸入端，產(chǎn)生矩形脈沖波。經(jīng)過測試，GT106型光電二極管的光電流為微安量級，因此在偏置電路中加上1M歐的負(fù)載電阻，可以實現(xiàn)無光照時負(fù)載電阻上輸出低電平，有光照時負(fù)載電阻上輸出高電平。但負(fù)載上的輸出情況與計數(shù)器所需要的時鐘信號是反向的，因此將負(fù)載輸出連接到555

41、定時器上，再對計數(shù)器進(jìn)行控制。</p><p>　　555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。下面是555的引腳圖以及功能表。</p><p>　　圖9.555定時器的引腳圖及功能表</p><p>　　將555定時器的νⅠ1和νⅠ2兩個輸入端連在一起作為信號輸入端，即可以得到施密特觸發(fā)器。施密特

42、觸發(fā)器的輸出電壓ν0由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎?yīng)的νⅠ也不相同，這樣就形成了施密特觸發(fā)器的觸發(fā)特性。施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是回滯的。傳輸特性圖如下：</p><p>　　圖10.施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性</p><p>　　根據(jù)以上分析，設(shè)計出光電轉(zhuǎn)換電路。使用仿真軟件繪制出電路圖。</p><p><b>　　第二章 計數(shù)電路<

43、;/b></p><p>　　§2.1 十進(jìn)制計數(shù)電路設(shè)計</p><p>　　光電計數(shù)器需要對光電信號脈沖進(jìn)行計數(shù)，利用TTL器件74160可以實現(xiàn)十進(jìn)制的計數(shù)，要實現(xiàn)兩位的計數(shù)，低位計數(shù)到10自動進(jìn)位，整體計數(shù)達(dá)到99以后實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，從0開始計數(shù)。使用兩個160接成計數(shù)電路。74160的1號引腳懸空，2號引腳為時鐘輸入信號，3、4、5、6號引腳為預(yù)置數(shù)端，可以懸空可以接零

44、，7號引腳ENP和10號引腳ENT連接后接高電平，電路才可以工作在計數(shù)狀態(tài)，11、12、13、14號引腳為輸出信號端，15號引腳為進(jìn)位輸出端，計數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位時自動輸出一次高電平。74161的功能表如表1：</p><p>　　表1.四位同步十進(jìn)制計數(shù)器74160的功能表</p><p>　　使用protues軟件繪制電路圖，然后進(jìn)行仿真，計數(shù)部分的電路圖如圖11：</p>&

45、lt;p><b>　　圖11.計數(shù)電路圖</b></p><p>　　最初設(shè)計方案是將低位160的進(jìn)位輸出端接到高位的時鐘輸入上，在仿真時候發(fā)現(xiàn)當(dāng)計數(shù)到9時進(jìn)位輸出端就會輸出信號，導(dǎo)致出現(xiàn)高位提前計數(shù)的情況。對電路進(jìn)行修改，當(dāng)?shù)臀坏妮敵鲂盘枮?000時輸出進(jìn)位脈沖。具體實現(xiàn)方法為在Q0Q1Q2Q3端加上非門，之后經(jīng)過四輸入與門，再作為高位計數(shù)器的時鐘信號。改動后對電路進(jìn)行仿真，在計數(shù)器

46、的四個輸出端加入示波器，波形輸出如圖12，波形輸出檢測正常，為二進(jìn)制的計數(shù)。</p><p>　　圖12.計數(shù)器輸出波形仿真結(jié)果</p><p>　　§2.2 顯示譯碼電路設(shè)計</p><p>　　計數(shù)電路計數(shù)的結(jié)果需要通過譯碼器連接顯示電路。譯碼器的邏輯功能是將每個輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)的輸出高、低電平信號或另一個代碼。常用的譯碼器電路有二進(jìn)制譯碼器、

47、二-十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器三類。由于要使用七段共陰顯示數(shù)碼顯示譯碼管，所以計劃采用顯示譯碼器7448。</p><p>　　7448的附加控制端的功能和用法如下：</p><p>　　燈測試輸入LT' ： LT'=0，便可使被驅(qū)動數(shù)碼管的七段同時點亮，以檢查改數(shù)碼管各段能否正常發(fā)光。平時應(yīng)置LT'為高電平。</p><p>　　滅零輸入RB

48、I' ： 設(shè)置滅零輸入信號RBI'的目的是為了能把不希望顯示的零熄滅。</p><p>　　滅燈輸入/滅零輸出BI'/RBO'：這是一個雙功能的輸入/輸出端，作為輸入端使用時，成滅燈輸入控制端，控制信號為0時，可以將被驅(qū)動數(shù)碼管的各段同時熄滅。</p><p>　　將滅零輸入端和滅零輸出端配合使用，即可實現(xiàn)多為數(shù)碼顯示系統(tǒng)的滅零控制。</p>

49、<p>　　7448的顯示功能表如表2：</p><p><b>　　表2：</b></p><p>　　用7448驅(qū)動數(shù)碼管，使用protues軟件畫出電路圖如圖13：</p><p>　　圖13.顯示譯碼電路</p><p><b>　　§2.3 數(shù)碼顯示</b></p

50、><p>　　計數(shù)器數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼器后可以通過數(shù)碼管顯示。為了直觀地表示出數(shù)值，實驗采用了七段字符顯示器，或者稱之為七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可以發(fā)光的線段拼接而成。其中比較常見的七段字符顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。</p><p>　　半導(dǎo)體數(shù)碼管的外形圖如圖14所示。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管（Light Emitting Diode,簡稱LED),因而也將它稱為

51、LED數(shù)碼管或者LED七段顯示器。</p><p>　　圖14.七段數(shù)碼管外形圖</p><p>　　發(fā)光二極管使用的材料與普通的硅二極管和鍺二極管不同，有砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等幾種，而且半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度十分高。當(dāng)外加正向電壓的時候，大量的空穴和電子在擴(kuò)散的過程中又復(fù)合，其中會有一部分電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶，把多余的能量以光的形式釋放出來，便可以產(chǎn)生出可見光。</p>&l

52、t;p>　　數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種類型。陰極做在一起的屬于共陰極類型，陽極做在一起的稱為共陽極類型。為了增加使用時候的靈活性，同一規(guī)格的數(shù)碼管一般都會有共陰極和共陽極兩種類型供使用者進(jìn)行選擇。數(shù)碼管的等效電路圖以及引腳分布如下：</p><p>　　圖15.數(shù)碼管等效電路圖及引腳</p><p>　　半導(dǎo)體數(shù)碼管步進(jìn)具有工作電壓低，壽命長，體積小，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，而且響應(yīng)時間很

53、短（一般不超過0.1us)，發(fā)光的亮度也很高，便于識別。</p><p>　　使用仿真軟件進(jìn)行仿真后數(shù)碼管顯示數(shù)值如圖16所示，其中引腳紅色代表高電平，藍(lán)色代表低電平，圖示為顯示2的時候數(shù)碼管字符以及電平情況。 </p><p>　　圖16.數(shù)碼管仿真顯示結(jié)果</p><p>　　第三章 光電計數(shù)器電路的安裝及改進(jìn)</p><p><

54、;b>　　§3.1 器件準(zhǔn)備</b></p><p>　　3.1.1 器件清單表</p><p><b>　　表3</b></p><p>　　3.1.2 其它使用的儀器：</p><p>　　數(shù)字電路實驗箱一臺、萬用表一個、半導(dǎo)體激光筆一支、導(dǎo)線若干根。</p><p&g

55、t;<b>　　§3.2 電路連接</b></p><p>　　3.2.1 光電部分</p><p>　　根據(jù)事先設(shè)計的電路進(jìn)行器件的連接。首先連接光電轉(zhuǎn)換電路。對光電二極管加上反向偏置電壓15V。由于PIN管有三個管腳，其中位于正中的是1號管腳，接正電壓。與1號管腳平行并在其右側(cè)的是2號管腳，1、2為內(nèi)管，2號管腳通過負(fù)載電阻與電源相連。3號管腳為外管，通

56、過負(fù)載電阻接地。在連接光電二極管時要注意復(fù)合管的內(nèi)外管極性，內(nèi)管負(fù)載接信號輸出。電壓的極性不能接錯，最大反向偏壓不得大于或者等于擊穿電壓。負(fù)載使用1MΩ的電阻。</p><p>　　負(fù)載電阻的輸出連接到555定時器的2號引腳，將2號引腳和6號引腳連接；1號引腳接地；4號引腳為選通工作端口，接高電平；5號引腳懸空；7號引腳懸空；8號引腳接高電平。</p><p>　　3.2.2 計數(shù)部分&l

57、t;/p><p>　　最初的電路設(shè)計計數(shù)部分用74LS160十進(jìn)制計數(shù)器實現(xiàn)，但是在實驗室沒有74LS160，因此用SN74LS161AN代替。74LS161為十六進(jìn)制計數(shù)器。計數(shù)方法與74LS160一樣，只是進(jìn)制不同。要計數(shù)到99后進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，需要更改電路，用兩片74LS161實現(xiàn)100進(jìn)制的計數(shù)。具體方法為：一片74LS161作為低位，另一片作為高位。用置零法改變進(jìn)制。低位計數(shù)器的輸出狀態(tài)為1010時復(fù)位，重新開始

58、計數(shù)。將輸出Q3Q1通過與非門與置零端RD'連接。再將RD'通過非門連接到高位計數(shù)器的時鐘輸入端CLK，作為時鐘信號輸入。當(dāng)?shù)臀惠敵龅?之后，輸出一個時鐘信號，高位計數(shù)器啟動，開始計數(shù)，實現(xiàn)進(jìn)位的功能。高位計數(shù)器將輸出信號Q3Q0通過與非門與置零端RD'連接，保證計數(shù)到99的時候計數(shù)器跳轉(zhuǎn)，重新從1開始計數(shù)。</p><p>　　3.2.3 顯示譯碼部分</p><p&

59、gt;　　實驗使用SN74LS247N作為顯示譯碼器，SN74LS247N的引腳編號及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖17：</p><p>　　圖17.74LS247引腳編號及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由圖可知，74LS247的引腳以及功能與7448是一樣的，因此74LS247的連接可以參照原設(shè)計電路圖。將低位74LS247的RBO端接到高位74LS247的RBI端上，即可實現(xiàn)高低位的譯碼。</

60、p><p>　　3.2.4 顯示部分</p><p>　　顯示器使用實驗室已有的LED七段顯示數(shù)碼管SM2105。SM2105是共陽極數(shù)碼管。參照其工作電路，將數(shù)碼管的3、8號管腳接陽極+5V電壓，a、b、c、d、e、f、g七個顯示段端口通過1千歐電阻接地。同時與74LS247對應(yīng)的a、b、c、d、e、f、g端口連接。小數(shù)點輸入端口DP懸空。</p><p>　　對數(shù)碼

61、管的顯示功能進(jìn)行測試，將低電平分別接到a、b、c、d、e、f、g端口，看對應(yīng)的顯示段是否亮燈。經(jīng)測試，數(shù)碼管的各段均可以正常顯示。</p><p>　　§3.3 電路分步測試</p><p>　　3.3.1 光電二極管的測試</p><p>　　將后續(xù)電路斷開，只保留光電二極管的偏置回路，測試光電二極管是否可以正常工作。把萬用表調(diào)到歐姆檔，測量光電二極管的

62、正向和反向電阻，理論上是正向?qū)ǎ错戨娮锜o限大，處于截止?fàn)顟B(tài)。然后把萬用表調(diào)到電壓測量檔位，量程選為5V。測量負(fù)載1M歐電阻上的電壓。用氦氖激光筆照射光電二極管的光窗。無光照時二極管截止，測量出的電壓很?。挥泄庹諘r，電壓接近5V。用邏輯筆進(jìn)行測量，無光照時邏輯筆顯示低電平，綠燈亮；有光照時，邏輯筆顯示高電平，紅燈亮。證明光電二極管可以正常工作，光電轉(zhuǎn)換電路連接無誤。</p><p>　　3.3.2 555定時器

63、的測試</p><p>　　555定時器具有脈沖整形的功能，電路設(shè)計要求555定時器在輸入為低電平的時候輸出高電平，輸入為高電平時輸出脈沖波形的低電平。因此將定時器輸入端口2號引腳連接高電平，輸出端3號引腳接邏輯筆，此時邏輯筆綠燈亮，顯示輸出為低電平。然后講2號引腳接地或者接—5V電壓，邏輯筆的紅燈亮，表示輸出以及成為高電平。由此可得，555定時器可以正常工作。</p><p>　　3.3

64、.3 計數(shù)電路的測試</p><p>　　計數(shù)電路獨立于光電轉(zhuǎn)換和譯碼顯示電路單獨進(jìn)行測試。將計數(shù)器的低位集成塊74LS161的時鐘輸入端，即2號引腳連接到實驗箱自帶的脈沖信號上，調(diào)節(jié)輸入頻率為1KHz。計數(shù)器的輸出端一共8個引腳，分別按照從高到低的順序接到實驗箱的8個邏輯電平顯示燈上，該顯示燈在輸入為高電平的時候發(fā)光。打開實驗箱的電源，自動輸入脈沖，可以看到顯示燈從00000001開始計數(shù)，顯示00001001

65、之后高位開始計數(shù)，下一個狀態(tài)為00010000，計數(shù)值為10011001之后，下一個數(shù)值跳轉(zhuǎn)，重新開始計數(shù)。表示計數(shù)電路可以正常工作，且進(jìn)制連接正確。</p><p>　　3.3.4顯示電路的測試</p><p>　　之前已經(jīng)測試了計數(shù)電路，因此可以利用計數(shù)電路對顯示電路進(jìn)行測試。連接計數(shù)電路和顯示電路，然后在低位計數(shù)器時鐘輸入端接上時鐘脈沖，觀察數(shù)碼顯示管的數(shù)值。顯示管的示數(shù)從1開始計數(shù)

66、到99，之后跳轉(zhuǎn)到1重新計數(shù)。數(shù)碼管的低位左下角那段時鐘處于熄滅狀態(tài)。經(jīng)檢查由于e端口與74LS247的連接導(dǎo)線松動，導(dǎo)致一直沒有信號輸入。更換導(dǎo)線后，重新測試。數(shù)碼管從1開始顯示直至99后跳轉(zhuǎn)，重新從1開始。沒有出現(xiàn)亂碼和滅燈情況，顯示部分正常工作。</p><p>　　§3.4 電路總體調(diào)試</p><p>　　將電路各個部分連接起來，對光電二極管的光窗進(jìn)行持續(xù)的激光照射。打

67、開實驗箱的電源，理論上此時應(yīng)該無顯示。關(guān)閉光源開關(guān)，顯示應(yīng)變?yōu)?1，而實際上數(shù)碼管并沒有正常顯示。電路沒有正常工作，需要進(jìn)行檢查。</p><p>　　斷開實驗箱的電源，對每個接口導(dǎo)線進(jìn)行檢查，看有無松動情況。確認(rèn)導(dǎo)線連接穩(wěn)固之后排除接觸不良的可能，因此對電路參數(shù)進(jìn)行測量。計數(shù)部分是數(shù)字電路，之前的測試沒有問題。因此只需要對光電部分進(jìn)行測量。用萬用表測量負(fù)載上的電壓。光電部分沒有與計數(shù)部分和顯示部分連接時，電壓依

68、舊為正常的高低電平值。但是當(dāng)光電部分作為輸出與后續(xù)電路連接之后，負(fù)載上的電壓立即改變，給光電二極管加上光照后，負(fù)載電壓只有很微小的變化，沒有明顯高低電平的分界線。因此，對于555定時器來說，這種微小的電壓改變不足以讓555定時器交替輸出高低電平，計數(shù)器接收不到脈沖信號，所以不會產(chǎn)生計數(shù)值。</p><p>　　下面來分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。光電轉(zhuǎn)換部分單獨工作時正常，連接上計數(shù)顯示電路就不能正常輸出?？紤]到本次實

69、驗將電阻負(fù)載上電壓作為信號源輸出，當(dāng)連接上后續(xù)電路時，相當(dāng)于在1M歐電阻上并聯(lián)上一個電路模塊，而后面的電路模塊總電阻遠(yuǎn)小于1M歐，與負(fù)載電阻并聯(lián)后會減小電阻值，相當(dāng)于光電二極管的負(fù)載只有10K左右，而光電二極管的光電流極小，為微安量級，負(fù)載減小之后，光生電壓就只有毫伏量級，不足以控制555定時器。因此，考慮到光電轉(zhuǎn)換部分的高阻情況，需要對電路進(jìn)行修改。</p><p>　　§3.5 光電轉(zhuǎn)換電路改進(jìn)&l

70、t;/p><p>　　3.5.1阻抗匹配改進(jìn)</p><p>　　為了不改變光電二極管的負(fù)載，只能避開后續(xù)電路的電阻。555定時器的輸出端和選通端RD'之間只有幾個邏輯門。555定時器的3個5K歐電阻不連入電路，就不會影響二極管的負(fù)載。因此可以讓負(fù)載輸出與RD'相連，直接控制555定時器的啟動與關(guān)閉。高電平時555啟動，低電平關(guān)閉。而理論要求有光照的時候不計數(shù)，出現(xiàn)一次光遮擋計

71、數(shù)一次，即輸出低電平時產(chǎn)生時鐘信號，高電平停止計數(shù)。需要使555定時器可以在啟動時只產(chǎn)生一次時鐘輸入。</p><p>　　根據(jù)以上需求，可以將555定時器連接成一個低頻的多諧振蕩器，啟動時輸出一次高電平，這個高電平的維持時間要相對長，至少大于一個被計數(shù)物件通過傳送帶的時間，否則會出現(xiàn)一個物件通過器件計數(shù)兩三次的情況。控制多諧振蕩器的振蕩周期為1s以上。首先將555定時器接成一個施密特觸發(fā)器，然后將555定時器的

72、2號管腳通過一個10uF的電容接地，輸出3號管腳通過一個100K歐的電阻與2號管腳連接，這樣就構(gòu)成了一個低頻的多諧振蕩器。</p><p>　　圖18.用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　光電二極管的負(fù)載輸出通過邏輯非門接到多諧振蕩器的2號引腳。即可實現(xiàn)有光照時555定時器不工作，無信號輸出；無光照時負(fù)載輸出低電平，通過非門反向后產(chǎn)生高電平，多諧振蕩器開始工作，輸出一次高電

73、平，計數(shù)器計數(shù)一次。</p><p>　　采用激光筆對電路進(jìn)行測試。用激光筆對光電二極管持續(xù)照射，關(guān)閉激光一次，計數(shù)一次，計數(shù)值通過數(shù)碼管顯示出來。至此，光電計數(shù)器的設(shè)計和制作完成。</p><p>　　計數(shù)電路 </p><p>&l

74、t;b>　　顯示電路</b></p><p><b>　　光電輸出</b></p><p><b>　　電路</b></p><p><b>　　光電轉(zhuǎn)換電路</b></p><p>　　3.5.2 光電計數(shù)器適用性改進(jìn)</p><p>

75、;　?。?）根據(jù)物件大小調(diào)整</p><p>　　電路改裝后進(jìn)行調(diào)試，電路顯示正常?？梢愿鶕?jù)實際要計數(shù)物件的大小以及傳送帶的速度計算物件遮擋激光的時間，通過改變電容大小和反饋電阻阻值改變多諧振蕩器的振蕩頻率，使振蕩的1/2周期大于物件的遮光時間。</p><p>　　（2）根據(jù)計數(shù)容量調(diào)整</p><p>　　由于在實際的生產(chǎn)中，計數(shù)容量需要進(jìn)行調(diào)整，可能要上千甚至

76、上萬。具體的調(diào)整放大是改變計數(shù)器連接方式，根據(jù)數(shù)位改變計數(shù)器74LS160個數(shù)，千位使用三個計數(shù)器，萬位使用四個計數(shù)器，以此類推。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　在本文中，我們詳細(xì)介紹了可見光光電計數(shù)器的原理以及制作方法。對實驗中每個使用到的器件的工作原理及功能都有所介紹。作為工業(yè)上常用的一種電子儀器，光電計數(shù)器的市場前景需求量是很大的

77、。隨著電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我們需要進(jìn)行創(chuàng)新。依據(jù)工業(yè)的實際要求設(shè)計出不同特殊功能的光電計數(shù)器，對功能不斷進(jìn)行完善和創(chuàng)新，以期達(dá)到更好的實用目的。在電路設(shè)計上要盡量簡潔，使用常用器件來降低制作成本；工藝上要追求精致，減小儀器的體積；性能上要提高技術(shù)的響應(yīng)度和精確度。在儀器的控制上還可以使用單片機(jī)進(jìn)行自動化控制，通過程序設(shè)計可以更方便地更改計數(shù)器的參數(shù)和功能。這些都是光電計數(shù)器的改進(jìn)創(chuàng)新思路。希望未來我們可以看到更多更好的光電計數(shù)器誕生。&

78、lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]江月松 閻平 劉振玉.光電技術(shù)與實驗.北京：北京理工大學(xué)出版社,2000.9</p><p>　　[2]王慶友 韓同平 李佩乾.光電信息綜合實驗與設(shè)計教程.北京：電子工業(yè)出版社，2010.12</p><p>　　[3]郝曉劍 李仰軍.光電探測技術(shù)與

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