产品计数器的设计(完成)
燕山大学
课程设计说明书题目：产品计数器设计
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20１0年6月26日星期六
光电计数器的设计
摘要
本系统采用的是以单片机STC89c5２为核心的自动计数器。采用反射式光电传感器，将激光发射管与接收管相邻安放,每当物体通过一次，激光就被物体遮挡一次,光电接收管的输出电压就发生一次变化,这个变化的电压信号通过放大和处理后，形成计数脉冲，输入至STC8９c5２单片机的Ｐ1口,通过软件控制用LED加以显示,便可实现对物体的计数统计。本计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数,并且采用ＬED数码管显示,可适用于诸多行业,以满足现代生产、生活方式的需求。
所谓的光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应,即在光照射下,能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应,即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应,即在光线作用下,物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后,电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近,包括红外波长和紫外波长。市场上的光电计数器采用的光电传感器有摄像头、光电管等,采用的光的种类有普通光和激光，可见光和不可见光等。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器,光电检测方法具有精度高、应用快、非接触等优点，而可测参数多,光电传感器的结构简单,形式灵活多变因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
【关键词】计数器光电传感器单片机数码管
目录
前言 (5)
第一章方案设计 (6)
第一节方案一 (6)
第二节方案二 (7)
第三节方案选定 (7)
第四节方案系统结构图....................................７第二章硬件构成及功能...............................................................８第一节STC89c52系列单片机..............................８第二节光电传感的原理与特性..............................1０第三节蜂鸣器原理 (1)
２
第四节ＬED数码显示器简介……………………………………
1 3
第三章硬件电路设计………………………………………………………1４第一节发射与接收电路……………………………………１4 第二节计数与显示电…………………………………………１５
第三节报警电路 (1)
６
第四章软件设计说明............................................................1７第一节总模块流程图 (18)
第二节各模块流程图 (19)
结论………………………………………………………………………………2０
参考文献 (21)
附录…………………………………………………………………………………２2
前言
光自动化的计数提高了工业生产上的效率以及准确性,计数的自动化和智能化最终能加速实现现代化的工业。随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展,对光电计数器的需求日益增多。光电计数器设计一方面是为了巩固课本所学知识,完成知识迁移，另一方面加强动手能力，识图能力及设计能力。进一步掌握数字电路和模拟电路课程所学的理论知识；掌握微弱信号的传送方式,以及接受信号的放大、检波、反向处理、以及传感器知识;掌握数字电路计数、译码、显示系统的工作原理及设计方法；熟悉常用元器件知识,并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计;了解电路设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题；学会对所设计电路的软件Proteus仿真过程,了解Ｐｒｏteｌ99 S Ｅ设计电路和了解绘制PＣB板过程;培养认真严谨的学习态度和实际动手能力以及工艺素质,市场素质,团队精神；培养遇到问题，分析原因，查找原因的能力,以及独立解决问题的能力；学会独立查阅资料,自主学习的能力，以及设计创新的能力。光电计数器在实际生产中已经得到了广泛的应用本计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数,并且采用LEＤ数码显示，简单直观,可适用于诸多行业，以满足现代生产、生活方式的需求。
1.2单片机概述
随着大规模集成电路技术的发展,中央处理器（CPU)、随机存取存储器(RAM）、只读存储器(RＯM)、(I/O)接口、定时器/计数器和串行通信接口,以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机,简称为单片机。单片机具有体积小、成本低，性能稳定、使用寿命长等特点。其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，这是其他计算机和网络都无法做到的。
第一章设计任务要求
设计光电计数器,实现无接触计数，主要用于工厂生产线工件计数。可采用遮光式光电传感器或者反射式光电传感器，要求使用红外发光二极管、光电管检测，要求光电发射管和接收管有３0mm以上的间距，在制作实物可用导线引出长度，用LＥD数码显示器来显示0-999的范围计数，当数字超出99９时，能够发出报警，并且能在报警后延时3秒钟自动关闭报警并自动重新计数同时可以手动清除报警，能够实现无接触计数，独立设计光电计数器电路原理图(包含电源部分),画出完整的电路原理图(包含电源部分)和PCB板图，查找资料，要求做出实物，可以使用万用板制作实物,独立完成。
第二章方案设计
第一节方案
以ＳTC89C５２为核心的计数电路
基于单片机的光电计数器，使用SＴC89c52单片机，电路简单，需要编写程序,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方便,可实现数码显示和键盘设定等多种功能。
采用遮光式光电传感器，将红外发光管与光电接收管相对安放，每当物体通过一次，红外光就被遮挡一次,光电接收管的输出电压就发生一次变化，这个变化的电压信号通过放大和处理后,形成计数脉冲,通过光电隔离耦合并行输入至STＣ8９ｃ5２单片机的P1口,通过软件控制和键盘设定计数值并用LＥD加以显示，便可实现对物体的计数统计。
采用光电传感器，将红外激光发射管与接收管相相对安放,每当物体通过一次，红外光就被阻挡，光电接收管的输出电压就发生一次变化,输入至ＳＴＣ８９c52单片机的Ｐ1口，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，便
可实现对物体的计数统计。
本设计除了单片机外无其他芯片，在发射与接收电路中也只简单的用激光管和感光三极管组成检测部分。接线排线有规律、整齐、增强电路板的艺术美感。
第二节方案系统结构图
图2-１系统结构图
如图2－1所示整个光电计数器系统主要由电源部分、光电发射与接收电路、计数电路、报警电路这几个部分组成。当有物体经过时,红外发光二极管发出的红外信号被物体反射至光电接收管,并被光电接收管所接收，光电发射与接收电路把被计数的物体的变化转换成电信号,这时计数电路开始计数。
第三章硬件构成及功能
第一节STC ８9c52单片机
ＶＣC: 供电电压。
GND: 接地。
Ｐ0口: P0口为一个8位漏级开路双向I/Ｏ口，每脚可吸收８TTＬ门电流。当P１口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。Ｐ0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FＩASH编程时,P0 口作为原码输
入口，当FＩＡＳH进行校验时,Ｐ0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P１口： P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在ＦLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P２口: Ｐ2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,Ｐ2口缓冲器可接收,输出4个TＴL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或1６位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时，Ｐ2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLＡＳH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口： P３口管脚是８个带内部上拉电阻的双向Ｉ／O口,可接收输出４个TTL 门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（IＬL）这是由于上拉的缘故。Ｐ3口作为AＴ８9C51的一些特殊功能口,
RST：复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RＳT脚两个机器周期的高电平时间。ＡLE／PＲＯG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
／PＳEＮ: 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/ＰＳEN有效。在访问外部数据存储器时，这两次有效的/ＰＳEN 信号将不出现。
/EA / ＶPP：当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0０00Ｈ-ＦF ＦFH),不管是否有内部程序存储器。
ＸTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
ＸＴAＬ2: 来自反向振荡器的输出。
第二节 LED数码显示器简介
发光二极管LEＤ是一种通电后能发光的半导体器件,其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。在单片机系统中应用非常普遍。
一、LED数码显示器的结构
LＥＤ数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了８个ＬＥＤ发光二极管，其中7个用于显示字符,1个用于显示小数点。
二、LED数码显示器有两种连接方法
(一)共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接＋５V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮,而输入高电平时则不点亮。
（二)共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。
在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器,其引脚排列如２-３图所示:
第四章硬件电路设计
第一节发射与接收电路
激光与接收电路如图4－1所示,发射与接收电路主要的功能是当有物体经过时,激光被物体遮挡,接收管不能接收到激光管发出的红外光线,这时计数电路开始计数。
将红外激光管与光电接收管相对安放,每当物体通过一次,红外光就被物体遮挡,光电接收管的输出电压就发生一次变化，输入至ＳTC89ｃ52单片机的Ｐ１口,通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，便可实现对物体的计数统计。
在我们生活的环境里处处都暗藏着红外光线,太阳是最常见的红外线发光体，还有火光、灯光、红外线遥控器和一些不可预知的光源。那么，我们身边所处的环境中这么多红外线光源,传感器里的红外线光敏二极管如何分辨环境里的红外光和红外发射管发出来的红外光？调制解调的办法:把激光管以某一频率进行调制,即让它以固定的频率闪烁。所以选用了激光调制电路,用特殊的接收管可以筛选出这一频率的红外光源。这样便可以达到去除外界环境光的干扰。因为环境里的红外光要么是没有频率的，要么就是有着自己固定的频率。像收音机一样，传感器只要以自己的频率发射,再以自己的频率接收就可以过滤其他频率光源的干扰了。
图4-1光电发射与接收电路原理图
其中C11为胆电容,容值为1uf，jｐ1１为调制管,jｐ12为接收管,他们长的差不多，都是三条腿，但是需要注意的是，在购买的时候调制管和激光管一定要买相配的,应为他们之间必须频率必须匹配才可以正常工作。L11就是激光发射管，用5ｍｗ就够了。图中的OUT1为控制信号，控制激光发射管是否工作，IN1
为信号输出，当有物体通过时输出低电平,当没有物体通过时,IN1输出为高电平。
第二节计数与显示电路
如图4－2所示为计数及显示电路，其显示部分是由4个8段LＥD管组成,而ＬED由三极管驱动显示。其计数部分是由单片机控制输出，由个位到千位依次进行。
第五章 软件设计说明 第一节 总模块流程图
一、总模块的流程图
如图5－1所示:?
图5-1总模块流程图
结论
首先,通过这次光电计数器设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识,也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在各个方面都有一个较大的提高！本次数字电路课程设计,主要是按照课题要求，运用所学的数字电路等相关知识,进行分析、设计，并进行电路焊接、调试，实现相应功能。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想,却不知道应该选哪个,经过自己查找资料,我的设计渐渐有了头绪,通过查阅资料,逐渐确立系统方案,对单片机AT８９S51的功能及其他芯片的认识和应用掌握力度不够，在软件设计程序时常常遇到问题，又找不到错误问题根源所在，老师看过我编写的程序之后凭着丰富的设计经验，一下子就找到问题的根源所在,就是我对芯片应用和C语言编写程序的经验太少,速度过慢。我知道问题的根本原因之后，我认真研究并掌握了芯片的各种功能的应用和提高编写程序的准确度，变成速度。经过这次毕业设计之后我总结了要解决在设计中遇到的问题就应该完全领会设计中所涉及的知识后再动手操作，不能急躁。在毕业设计期间我学到了很多知识和技巧,而最重要的就是学到了科学试验中的不可缺少的毅力和耐心。总之,知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
经过一段时间的努力，在保证设计方案可行性的前提下，将电路焊接出来,再经过一定的调试,最终实现基本要求和提高要求的全部功能,证实了方案的正确性及可行性。本次设计中，全部采用分立元器件或常用的小规模集成电路，电路结构简单可靠,能够提供准确的统计值,成本低廉，非常适合小型加工厂的产品流水线中自动统计产品个数等。电路采用模块化设计，因此具有较高的二次开发性,如将电路用于统计一定时间中吊瓶滴下液滴的数目用来判定是否点滴是否将要滴尽；将信号采集电路应用于报警器中等等。
但是本电路的人性化设计做的不足，比如定数报警电路中设定数字的电路,未采用拨码盘等直观的方式,而是用开关组直接设定二进制数来实现,不够方便。另外,电路未设有外部接口,无法直接与其他系统进行数据交换。当然，本次设计的数字电路部分可以采用单片机等复杂器件实现,电路将更简单,功能可以做的更强大。
通过这次设计,巩固了之前学习的数字电路模拟电路的相关知识,并把这些知识运用到实际中。这次设计是理论和实践的相结合，放大了理论和实践之间的差别，问题带来了设计经验，从而为以后的发展添加了资本。
刚开始设计光电计数器的时候，电路图不知道从哪个部分画起，想到我们之前有做过电子时钟,可能对此次的光电计数器设计有帮助，我们打开之前的时钟原理图片，发现电源部分是我们可以用的,显示部分也可以用,由于用的都STC８9c52单片机，所以我们的原理图省了设计好几个部分的内容,接下来我们就设计发射和接收这部分和报警部分的原理图，真正去做一些事，我们不难发现其实不并不是我们想象中的那么难,但在做的过程中我也遇到了很困难,更加让我觉得对知识的匮乏!通过对本设计的思考,更加加深了对单片机的认识，通过这次设计，使我的动手能力提高了许多,能够让我在做电路时,自己来解决碰到的问题,学会了怎样去分析电路,怎样把所学到的知识和实际相起来。但是由于自己是第一次真正做系统,所以在很多方面都没有经验，故而并没有完成老师的要求,今后将多做系统来加强自己这方面的实际操作能力。最后由于时间紧迫,本设计还有诸多地方需要改进。