工业计数控制系统设计辅导资料.doc

style='margin: 0pt; text-align: justify; line-height: 250%; font-family: "Times New Roman"; font-size: 10.5pt; -ms-text-justify: inter-ideograph;'>                         图14   计数显示原理图

（3）元件的选用与介绍

   计数显示部分由计数器CD4518，显示译码器CD4511和数码管够成。

● 计数器-----CD4518

CD4518为双BCD码计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，芯片引脚如图所示。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。

计数器在脉动模式可级联，通过将Q₃连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。

                               图15   CD4518引脚图

〈1〉CD4518的引脚功能

电源电压范围   3～15V；

输入电压范围   0～V_DD

引出端功能符号：

1CP，2CP    时钟输入端

1CR，2CR    清零端

1EN，2EN    计数允许控制端

1Q₀～1Q₃     计数器输出端

2Q₀～2Q₃     计数器输出端

V_DD          电源正端

V_SS          地

其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518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）。
CD4518控制功能：CD4518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端为高电平（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低电平（0）,同时复位端Cr也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。
    采用CD4518组成8421码同步十进制计数器，对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，计数脉冲信号接EN输入端。因CD4518内含两个相同的计数器，可将第一级的Q4输出接第二级的EN端，再将第二级的Q4输出接第三级的EN1端，第三级的Q4输出端接第四级的EN端，构成四级串行计数，实现0～9999的计数显示。CD4518的第⑦、15脚CR为清零端，通过由R₁₂ R₁₃C_{4 K1}组成的RC电路来实现开机清零或手动清零作用。

● 显示译码器-----CD4511

数字显示译码器是将BCD代码译成数码管所需要的相应高、低电平信号，使数码管显示出BCD代码所表示的对应的十进制数。

CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器，其引脚图如图16所示：

                         图16 CD4511

〈1〉 CD4511的引脚功能介绍如下：
         BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 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：5脚是锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 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：为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作

CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。
各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示     a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
〈2〉CD4511功能： 

① 锁存功能

译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

② 译码

CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数
据B、C进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
 ③ 消隐
    BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。
消隐输出J的电平为
                       J= =（C+B）D+BI
如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D
据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。图17为CD4511连线图：

                            图17  CD4511连线图

CD4511的工作真值表如下所示

● 数码管

LED数码分为共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的。由于此次设计所用的译码器CD4511输出是高点平有效的，所选用共阴极数码管。其组成框图如图18所示：

                              图18 数码管组成框图

其内部分解图如下图所示：

图19  共阴级数码管内部结构图

共阴数码管的检测：用万用表黑表笔接3或8脚，然后再用红表笔去接触其他每个脚。观察其相应的管是否发光，同过这样检测可以检测出数码管质量的好坏。

四、设计原理图总图

                           图20   设计原理图总图

  五、元件清单

                            元件清单    

  此次设计的作品由电源电路、光电计数电路、译码显示电路构成。

（一）、电源电路方案选择

方案一：用开关稳压电源给整个电路供电，此方案能够完成本作品电流源的供电，但开关电源比较复杂，而且体积也比较大，制作不便，因而此方案难以实现。

方案二：此次电源设计采用78系列三端稳压器件，通过变压器降压，再经过全波整流，然后进行滤波稳压。就能提供整个电路所需要的+5V电压。这个电路简单，成本低且容易实现。故本次设计采用方案二。入图5所示：

                             图5 电源方案二方框图

（二）、电源电路设计

（1）电源原理图

                         图6 电源原理图

（2）变压器选用

此次设计所用的电压为=5V。因此所用的变压器为降压变压器。

在桥式整流电路中，变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为：

Ｉ₂=(1.5～2)I_I≈(1.5～2)I_O=1.5×0.5=0.75(A).

对于集成三端稳压器，当（U_I-U_O）min=2~10V时，具有较好的稳压特性。故滤波器输出电压值：U_I≥15+3+1.8+1.98≥22(V),取U1=22V.根据UI可确定变压器次级电压 U₂。

U₂=U_I/　1.1～1.2≈(20V)

取变压器的效率η＝0.8,则变压器的容量为

                   P=U₂I₂/η=20×0.75/0.8=18.75(W)

选择容量为20W的变压器。

（3）整流二极管的选用

因为流过桥式电路中每只整流二极管的电流为

I_D=1∕2I_max=1/2I_Omax=1/2×0.5=0.25(A)

每只整流二极管承受的最大反向电压为

选用三极管IN4002，其参数为：I_D=1A，U_RM=100V, 满足要求。

（4）滤波电容的选用

一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常数R_LC是其充电周期的确2～5倍。对于桥式整流电路，滤波电容C的充电周期等于交流周期的一半，即

R_LC≥（2～5）T/2=2～5/2f,

由于ω＝2πf,故ωR_LC≥(2～5)π,取ωR_LC＝3π则

C=3π/ωR_L

其中R_L=U_I/I_I，所以滤波电容容量为

C＝3πI_I/2πfU_I＝(3π×0.5)/ 2π×50×22＝0.20×1000³(μF)

取C=1000µF。电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小时的情况。

U_Cmax=1.1×U_2max=1.1××20≈31.1(V)

综合考虑波后电容可选择C=470µF，50V的电解电容。另外为了滤除高频干扰和改善电源的动态特性，一般在滤波电容两端并联一个0.01～0.1µF的高频瓷片电容。整流滤波电路如图7所示：       

                               图7 整流滤波  

（5）稳压管选用

滤波选用电容滤波。电路的输出电压U_I应满足下_：

U≥U_omax+（U_I-U_O）min+△U_I 

式中，U_omax为稳压电源输出最大值；（U_I-U_O）min为集成稳压器输入输出最小电压差；U_RIP为滤波器输出电压的纹波电压值（一般取U_O、（U_I-U_O）min之和的10%）；△U_I为电网波动引起的输入电压的变化（一般取U_O、（U_I-U_O）min、U_RIP之和的10%）。对于集成三端稳压器，当（U_I-U_O）min=2~10V时，具有较好的稳压特性。故滤波器输出电压值：

U_I≥15+3+1.8+1.98≥22(V),

取UI=22V.根据UI可确定变压器次级电压 U₂；

U₂=U_I/　1.1～1.2≈(20V)

故选用7805做稳压管，其实物如图8所示：

图8--7805实物图

1脚为输入端，2脚接地，3脚输出。使用时还要接上散热片，防止管子工作时温度过高损坏管子。

（三）、光电计数部分

此电路由光电计数、比较放大和整形输出构成。由此产生矩形脉冲送到计数译码电路。如图9所示：

（1）光电计数电路原理图

                         图9  光电计数电路

（2）工作原理

当光电三极管VT₁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IC2—B的反相输入端2脚，并与IC2—B的同相输入端3脚电压进行比较，若2脚电压小于3脚电压，则IC2—B的1脚输出高电平。此高电平又加到比较器IC2—A的反相输入端6脚，并与同相输入端5脚电压进行比较，若6脚电压高于5脚电压，则比较器IC2—A的7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。

当有物体通过红外发光二极管VD₁和接收管VT₁之间时，红外光线被挡住，VT₁因无光照，其暗电流很小，趋于截止，集电极输出高电平。若此电平大于⑤脚电压，则比较器IC2—B的1脚输出为低电平。同样此时比较器IC2—A的②脚电压若小于③脚电压，则①脚输出为高电平，并使光电耦合器截止，三极管VT₂也截止，VT₂集电极输出高电平。

综上所述，当有物体通过VT₁时，便在VT₂集电极上输出计数脉冲信号。

（3）元器件的选用与介绍

     D1选用一般的发光二极管；VT1为ST-1KL3B光敏三极管；电压比较器为低功耗、低失调的LM393；光电偶合器采用P521；VT2为9013。

● 发光二极管

 发光二极管的反向击穿电压约为5V。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：

                          R =（E—UF）/ IF

式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

     工作电压很低（有的只有一点几伏）；工作电流很小（有的只有零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过控制电流强弱可以方便地控制亮暗。

● 光敏三极管------ST-1KL3B

光敏三极管具有两个PN结，其基本原理与二极管相同；但它把光信号变成电信号的同时还放大了信号电流，因此具有更高的灵敏度。一般光敏三极管的基极已在管内连接，只有C和E两根引出线。光敏管也分有硅管和锗管，在使用光敏管时，不能从外型来区别是二极管还是三极管，只能由型号来判定。

     光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结。在无光照射时，光敏三极管处于截止状态，无电信号输出。光当信号照射其基极（受光窗口）时，光敏三极管将导通，从发射极或集电极输出放大后的电信号。ST-1KL3B光敏三极管，反向击穿电压:30V.最高工作电压:10V.暗电流:0.2uA.光电流0.5-1mA.功耗:30mW.峰值波长：880nm。因此，用光敏三极管灵敏度更高，能够根据光线的强弱控制电流的大小。图10是ST-1KL3B的实物图：

图10 SK-1KL3B

● 电压比较器------LM393

LM393是由两个独立的，高精度电压比较器组成的集成电路，失调电压低，最大为2.0MV。它专为获得宽电压范围，单电源供电而设计，也可以以双电源供电，比较器的共模输入电压范围接近地电平。其芯片内部结构和引脚图如下图所示：

          图11   LM393引脚图

LM393引脚功能表：

● 光电偶合器------P521

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端

（1）工作原理：

在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大

（2）检测方法：

用万用表判断好坏,用R×1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。调节输入端电流，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。注：不能用R×10k档，否则导致发射管击穿。其的内部结构如图12所示：                       

      图12   P521内部结构图

1②是输入,③④是输出 ①是输入正,②是输入负.③是输出发射极,④是输出集电极，在实物中，背面印有圆点的那个脚是1脚,同侧的为2脚,按顺序转,是3，4脚。

● 三极管----9013

三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压U_B有一个微小的变化时，基极电流I_B也会随之有一小的变化，受基极电流I_B的控制，集电极电流I_C会有一个很大的变化，基极电流I_B越大，集电极电流I_C也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。I_C 的变化量与I_B变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔI_C/ΔI_B, Δ表示变化量。），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。其实物图如图13所示：

图13   9013实物图

（四） 计数显示部分

（1）工作原理

计数显示部分是将光电计数部分产生的脉冲波形进行计数，产生8421BCD码并送到译码器中。通过译码器将BCD代码译成数码管所需要的相应的高、低电平信号，还原后驱动数码管显示BCD所表示的对应的十进制数

（2）计数显示原理图