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工业计数控制系统设计辅导资料.doc
文章来源:www.biyezuopin.cc   发布者:毕业设计网站   发布时间:2018-11-15 08:46:39   阅读:54
style='margin: 0pt; text-align: justify; line-height: 250%; font-family: "Times New Roman"; font-size: 10.5pt; -ms-text-justify: inter-ideograph;'>                         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。

 

                

                               15   CD4518引脚图

 

 

 

1〉CD4518的引脚功能

表4.2  CD4518功能表

输入

输出功能

CP

CR

EN

L

H

加计数

L

L

加计数

×

H

L

L

L

L

×

L

保持

×

H

×

全部为L

电源电压范围   3~15V;

输入电压范围   0~VDD

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

1Q01Q3     计数器输出端

2Q02Q3     计数器输出端

VDD          电源正端

VSS          

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、15CR为清零端,通过由R12 R13C4 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:

                  

                         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: 

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。

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
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17为CD4511连线图:

                            17  CD4511连线图

CD4511的工作真值表如下所示

输         入

输         出

LE

BI

LI

D

C

B

A

a

b

c

d

e

f

g

显示

X

X

0

X

X

X

X

1

1

1

1

1

1

1

8

X

0

1

X

X

X

X

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

2

0

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

3

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

4

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

5

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

6

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

7

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

8

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

9

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

 

0

消隐

1

1

1

X

X

X

X

锁        存

锁存

 

● 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:

                              18 数码管组成框图

 

 

 

其内部分解图如下图所示:

 

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

 

                           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:

                             5 电源方案二方框图

二)、电源电路设计

1)电源原理图

                         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:

2=(1.5~2)II≈(1.5~2)IO=1.5×0.5=0.75(A).

对于集成三端稳压器,当(UI-UOmin=2~10V时,具有较好的稳压特性。故滤波器输出电压值:UI≥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=UI/ 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

ID=1∕2Imax=1/2IOmax=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:ID=1A,URM=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RLC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

RLC≥(2~5)T/2=2~5/2f,

由于ω=2πf,故ωRLC≥(2~5)π,取ωRLC=3π则

C=3π/ωRL

其中RL=UI/II,所以滤波电容容量为

C=3πII/2πfUI(3π×0.5)/ 2π×50×22=0.20×10003(μF)

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。

UCmax=1.1×U2max=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:       

 

                          

                               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UI应满足下

U≥Uomax+(UI-UOmin+△UI 

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

UI≥15+3+1.8+1.98≥22(V),

UI=22V.根据UI可确定变压器次级电压 U2

U2=UI/ 1.1~1.2≈(20V)

故选用7805做稳压管,其实物如图8所示:

  

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

                         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:

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:

          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:                       

      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UB有一个微小的变化时,基极电流IB也会随之有一小的变化,受基极电流IB的控制,集电极电流IC会有一个很大的变化,基极电流IB越大,集电极电流IC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。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β(β=ΔIC/ΔIB, 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:

 

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

 

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