红外计数器的设计
DesignofInfraredCounter
杨汉祥张琦YangHanxiangZhangQi
(赣南师范学院物理与电子信息学院，江西赣州341000)
(SchoolofPhysicsandElectronicInformationScience,GannanTeachers'College,JiangxiGanzhou341000)
摘要：计数器在人们日常生活中应用越来越多，已成为不可缺少的必需品。本文介绍了红外计数器的发展前景和现状，设计了一种由数字电路来实现的红外计数器，详细阐述了红外计数器的工作原理和构成，讨论了各模块的实现方法，并对它们进行了严格的理论逻辑推敲和实验测试，以达到设计要求。它可以解决计数中的增减问题，对任意流水线产品及来往客流自动有着非常现实的意义。计数。因此,研究红外计数器及扩大其应用，
关键词：自动计数；红外检测；8位数码管TP368.4中图分类号：
文献标识码：B
文章编号：1671-4792-(2009)7-0187-04
Abstract:Countersarewidelyusedinourdailylifeandgraduallybecomeanecessity.Hereweintroducethecurrentstatusandal-sothefutureofinfraredcounters,thenpresentadesignontopofdigitalcircuit.Andtheworkingtheoryandconstructaredescribedandimplementationofeachmoduleisdiscussedhere.Strictlogicalreasoningandrealexperimentshaveapprovedeachstepiscorrectintheprocesswhichhavefulfilledthedesignspecifications.Tosummarize,infraredcounterscansolveincrease/decreaseproblemincount-ing,suchasautomaticcountingforindustrialpipeliningandtraffic.Therefore,thestudyofinfraredcounterandexpandingitsapplica-tionsmakeverypracticalsenseinaboveterms.
Keywords:AutomaticCounting；InfraredDetection；8-bitDigitalTube
红
外计数器的设计
0引言
随着人们生活水平的不断提高，人们越来越追求人性化的事物，计数器是不可缺少的必需品。本文所设计的计数器采用红外线遮光方式，抗干扰性好，可靠性高,可用于测量宾馆、饭店、商场、超市、博物馆、展览观、车站、码头、银行等场所的人员数量及人员流通数量。该产品应用广泛，也可以测量流水线上的产品数量，以及可检查产品有无缺损。因此，研究计数器及扩大其应用，有着非常现实的意义。1红外技术的介绍
红外技术的内容包含四个主要部分：红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。把各种红外元件、部件构成系统的光学、电子学和精密机械的组成部分。红外技术在军事上和国民经济中有着广泛的应用。
红外技术有很多应用，例如在夜晚可以用看见物体的红外线来确定物体的位置;用一个红外线发射器和一个红外线接收器在生产上可以计算商品的数量；军事上可以用来防止敌人侵入,当红外线发射器和接收器被挡住,警报就会响;在医学上还可以查看人的病情等等。
红外线计数器分为对射式和反射式两种电路。对射式红外线是一个发射头和一个接收头在中间如有物件通过就遮挡一下光线，输出脉冲信号触发计数电路；反射式红外线是把发射头和接收头做在一块成为一个红外探头，当探头前有一个物件出现就把发射头的红外线反射给接收头，探头输出一个脉冲给计数器计数。
本文所设计的计数器是采用红外线遮光方式，利用红外对射管作计数传感器,当有物体通过时光被遮挡住,接收模块输出一个高电平脉冲,对此脉冲进行计数,就可实现对产品的统计。基于这种光电检测原理,配合组成集成电路,就可设计对射式红外线计数器。实践证明,该装置抗干扰能力强,
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工作稳定,计数准确。2设计任务与要求
2.1设计任务
实现数字式光电计数器的功能，当用遮挡物按正方向(设定物体从电路板下方向上移动为正方向)挡住两红外线开关各一次，它就自动计数加一；当用遮挡物按负方向(设定物体从电路板上方向下移动为负方向)挡住两红外线开关各一次，它就自动计数减一，可实现0～99的计数显示。
2.2设计要求
该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，在电源输入端输入220V电压，经稳压为5V左右的电压，经过光电输入电路、计数脉冲形成电路、显示计数电路完成电路功能。3红外计数器的工作原理
红外计数器电路的工作原理是：该电路由光电输入电路、脉冲形成电路(U1-U8组成电压比较器)和计数与显示电路等组成，利用被检测物对光束的遮挡或反射，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能遮挡或反射光线的物体均可被检测。红外对射管将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。每当物件通过红外对射管中间一次，红外光被遮挡一次，光电接收管的输出电压发生一次变化，这个变化的电压信号通过放大和处理后，形成计数脉冲，去触发一个十进制计数器，便可实现对物件的计数统计[1]。红外计数器总体框图如图一所示：
的电压应比稳压值要高。
4.1.2电源电路
220V交流电经过变压器降压成12V，经过桥式整流器整C1滤波，成为约14V直流电，再经三端稳压集成电路流、
7805稳压，形成5V稳定直流电，作为光电输入电路、脉冲形1-U8组成电压比较器)和计数与显示电路的工作成电路(U
电源。电源电路如图二所示：
图二电源电路
4.2光电输入电路的设计4.2.1红外对射管的工作原理
目前常用的红外线对射管是根据物体对近红外线光束的反射原理，利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回光电传路感应反射回来的光的强弱而检测物体的存在与否。感器首先发出红外线光束到达或透过物体，物体或镜面对红外线光束进行反射，光电传感器接收反射回来的光束，根据光束的强弱判断物体的存在，多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。红外对射管的种类很多，有镜反射式光电开关、漫反射式、槽式、对射式、光纤式等。
4.2.2光电输入电路
红外对射管将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。每当物件通过红外对射管中间一次，红外光被遮挡一次，光电接收管的输出电压发生一次变化，这个变化的电压
图一
4主体电路的设计
光电数字显示电路框图信号经过9014的放大并向计数脉冲形成电路输送信号。光电输入电路如图三所示：
4.1电源电路的设计
4.1.17805稳压器的工作原理
7805输出电压为正5V，具有稳压IC型号中的78系列，
过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，可以用来做电路的稳压电源。焊接时要注意三端集成稳输出和接地端绝不能接错，否则容易烧坏。一压电路的输入、
般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为3V，否则不能输出稳定的电压，7805输入端和输出端之间的电压差允许在3-13V，即经变压器变压、二极管整流、电容器滤波后
图三
光电输入电路
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4.3计数脉冲形成电路的设计
当用遮挡物按正方向(设定物体从电路板下方向上移动为正方向)先挡住两红外对射管中下面一次，下方的Q2先（0.01uF）充电，Q1输出为低输出高电平，经过两个非门给C27输入端为0和1，输出为1，再一个与非门后输出电平，使U为0，即借位为0。当用遮挡物按正方向再挡住两红外线开1输出高电平，经过两个非门给C1关中上面一次，上方的Q（0.01uF）充电，此时Q2（9014）集电极为高电平，使U5两输入端为0和1，输出为0，再一个与非门后输出为1，即进位1输出高电平时，C2放电使U7输入端仍为0为1。上方的Q
和1，输出为1，再一个与非门后输出为0，即借位还为0。同理，当用遮挡物按负方向(设定物体从电路板上方向下移动为负方向)挡住两红外对射管各一下，借位输出1，进位输出为0[2]。光电计数脉冲形成电路如图四所示：
显示，/LE=1时显示数被锁定[3]。
4.4.2LED数字显示管
LED数码管的显示控制方式有扫描控制和控制两共用种方式。前者用于多位LED数码管并列显示的情况下，由于人眼的视段控信号，通过扫描位控信号，实现分时显示。觉暂留现象，形成多位LED数码管同时并列显示的效果。这种方式的实现有软件实现和硬件实现两种，软件实现是由程序控制扫描过程，程序只需向扫描控制电路写入控制字和各位数码管的段码或字符的BCD(BinaryCodedDecimal)码即可；硬件实现是由专用芯片或逻辑电路控制扫描过程。前一种控制方式下，对于多位数码管的情况，可以有效减少连线数量，但控制过程相对复杂。后一种控制方式下显示控制方式相对简单，但不适合多位并列显示的情况[4]。
4.4.3计数与显示电路
译码电路采用两块CD40110分别组成BCD七段译码器，驱动LED数码管显示器。CD40110计数集成电路能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型CR=1时，计数器复位；CP为七段LED数码管。CR为清零端，
时钟端(CPU为加法计数时钟，CPD为减法计数时钟)；QCO输出进位脉冲，QBO输出借位脉冲；/CT为触发器使能端，/CT=0时，计数器工作，/CT=1时，计数器处于禁止状态。七段数码管器件为小型LED共阴极数码管，CD40110与它配套使用可直接驱动显示。计数显示电路如图五所示：
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外计数器的设计
图四计数脉冲形成电路图
4.4计数与显示电路的设计4.4.1CD40110的工作原理
CD40110计数集成电路能完成十进制数的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段LED数码管。七段数码管器件为小型LED共阴极数码管，CD40110与它配套使用可直接驱动显示，如图四所示。CD40110计数为十进CO端输出进位脉冲，送至下一个相制加计数器，逢十时自Q同计数器CPu端(9脚)将继续累加(即为十位数)。集成电路CD40110是可逆计数器，集计数、译码、锁存、驱动为一体。在电路中VCC、VSS为电源端；a-g为数码笔段输出端；CPU为加计数脉冲输入端；CPD为减计数脉冲输入端；MR为清零端，高电平时计数器清零；QCO为进位脉冲输出端，作加法计数时，每当计数满10后输出一个进位脉冲；QBO为借位脉冲输出端，作减法计数时，每当计数满10后输出一个借位脉冲；/CT为触发器控制端，/CT=0时计数器工作，/CT=1时计数器处于禁止状态，不计数；/LE为锁存控制端，当/LE=0时正常
5总原理图
利用红外对射管作计数传感器,当有物体通过时光被遮挡住,接收模块输出一个高电平脉冲,对此脉冲进行计数,就可实现对产品的统计。基于这种光电检测原理，总原理图由光电输入电路、脉冲形成电路(U1-U8组成电压比较器)和计计数与显示电路等组成。红外线接收电路与计数电路连接，数电路的输出端与显示电路连接，总原理图如图六所示。6安装与调试
首先在电源输入端输入5V电压，然后用遮挡物正方向(设定物体从电路板下方向上移动为正方向)挡住开关，让其进位端产生一个高电平，电路开始计数加数；用遮挡物负向挡住开关，让其借位端产生一个高电平，电路开始计数减数。
图五
计数显示电路
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个红外对射管，同时电路连接要准确。本计数器可实现0～99的计数显示，若要增加计数位数，可直接对计数显示部分进行扩展。
调试过程中，电压大概在5～6V之间波动，电流大概为1.5A，电路显示较为稳定。当用遮挡物按正方向(设定物体从电路板下方向上移动为正方向)挡住两红外线开关各一次，它就自动计数加一；当用遮挡物按负方向(设定物体从电路它就板上方向下移动为负方向)挡住两红外线开关各一次，自动计数减一，可实现0～99的计数显示。
电路板调试成功，满足设计要求，并且计数显示部分的计数位数具有直接扩展性。8结束语
本文设计的可逆双向计数器是一种根据物体的不同运动方向自动进行加减计数的计数器，在日常生活及生产科研中有着广泛的用途。该计数器采用红外线遮光方式，其特点是：抗干扰能力强，工作稳定可靠；计数范围为1～99个数，高亮度数字显示。
红外计数器是一种很实用的电路，可用于工农业设备或流水线上对产量或流量进行统计计数，在平时生活中也有广
图六总原理图
在调试中，遇到了以下几个问题：
①接通电源后，数字显示管总是多亮了一个灯；②接通电源后，挡住光电开关，但是数字显示管不会计数；
③电路焊好后，出现的错误是：LED的f段不能亮，而且不能正常计数，输出端不能正常输出脉冲。对应解决方案：
①检查电路，查看电路是否有引脚接通的现象，即用万用表检查是否有引脚接通,而导致数码管总是多亮一段；
②光电开关可能正负极接反了，或者加大C1、C2电容的数值，增大储存电能的能力,延长释放电流的时间,以保证障碍物有足够时间通过第二个红外计数器；
③用万用表测试各条接线的电压，发现芯片的接线错误，因此LED的f段不能正常发亮，LED显示器也不能正常计数以及开机清零。7实验数据分析
安装时要求红外对射管要并列放置，以方便物体通过两
作者简介
杨汉祥（1950—），男，江西清江人，赣南师范学院物理与电子信息学院教授，主要从事电子技术和通信方面的教学与研究工作。参考文献
[1]谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].武汉：华中理工大学出版社，2003.
[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002.
[3]李强.数字电子技术基础教程[M].北京：电子工业出版社，2002.
机械工业[4]赵志杰.集成电路应用识图方法[M].北京：出版社，2003.
泛运用，如商场、游乐城等等都用得比较多，而其电路的实现希望能在价格、使用灵敏度上，做出更加完美也是多种多样。的计数电路。
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