雙通道計數(shù)器的電子課程設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　紅外技術(shù)發(fā)展的先導是紅外探測器的發(fā)展。1800年，F(xiàn)·W·赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射時使用的是水銀溫度計，這是最原始的熱敏型紅外探測器。紅外技術(shù)的內(nèi)容包含四個主要部分，紅外輻射的性質(zhì)，紅外元件、部件的研制、把各種紅外元、部件構(gòu)成系統(tǒng)的光學、電子學和精密機械、紅外技術(shù)在軍事上和國民經(jīng)濟中的應用。目前，對于紅外線的探

2、究已經(jīng)趨于成熟了，越來越多的此類產(chǎn)品已經(jīng)被研發(fā)出來，并深受顧客的歡迎，比如說：紅外遙控器，人體感應器和紅外測距儀，以及其他一些。</p><p>　　本課程設計是設計一個紅外反射式通道計數(shù)器，紅外反射式通道計數(shù)器利用發(fā)光二極管和接收二極管實現(xiàn)對進出人數(shù)所產(chǎn)生的信號的接收，通過對信號的處理達到對進出人數(shù)的計數(shù)，并在數(shù)碼管上顯示，從而達到對進出人數(shù)進行統(tǒng)計的目的。</p><p>　　關鍵詞：

3、紅外輻射；紅外反射；雙通道計數(shù)器。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅰ</b></p><p>　　1 紅外技術(shù)簡介1</p><p>　　1.1紅外技術(shù)的起源和發(fā)展1</p><p>　　1.2紅外技術(shù)的應用2

4、</p><p>　　1.3紅外技術(shù)的發(fā)展前景3</p><p>　　1.4對紅外技術(shù)課堂的意見及建議4</p><p><b>　　2 設計方案5</b></p><p><b>　　2.1設計要求5</b></p><p>　　2.2 原理方框圖6</p&

5、gt;<p>　　2.3 各單元電路原理介紹6</p><p>　　3 硬件制作與調(diào)試9</p><p><b>　　4 參考文獻10</b></p><p><b>　　致 謝11</b></p><p>　　附 錄I12</p><p>

6、;　　附 錄II13</p><p><b>　　一．紅外技術(shù)簡介</b></p><p>　　1.1、紅外技術(shù)的起源與發(fā)展</p><p>　　紅外技術(shù)發(fā)展的先導是紅外探測器的發(fā)展。1800年，F(xiàn)·W·赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射時使用的是水銀溫度計，這是最原始的熱敏型紅外探測器。 </p><p>

7、　　1830年以后，相繼研制出溫差電偶的熱敏探測器、測輻射熱計等。在1940年以前，研制成的紅外探測器主要是熱敏型探測器。 </p><p>　　19世紀，科學家們使用熱敏型紅外探測器，認識了紅外輻射的特性及其規(guī)律，證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質(zhì)，遵守相同的規(guī)律。它們都是電磁波之一，具有波動性，其傳播速度都是光速、波長是它們的特征參數(shù)并可以測量。 </p><p>　　20世紀初開

8、始，測量了大量的有機物質(zhì)和無機物質(zhì)的吸收、發(fā)射和反射光譜，證明了紅外技術(shù)在物質(zhì)分析中的價值。 </p><p>　　30年代，首次出現(xiàn)紅外光譜代，以后，它發(fā)展成在物質(zhì)分析中不可缺少的儀器。 </p><p>　　40年代初，光電型紅外探測器問世，以硫化鉛紅外探測器為代表的這類探測器，其性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢靠。 </p><p>　　50年代，半導體物理學的迅速發(fā)展，使光

9、電型紅外探測器得到新的推動。 </p><p>　　到60年初期，對于1～3、3～5和8～13微米三個重要的大氣窗口都有了性能優(yōu)良的紅外探測器。在同一時期內(nèi)，固體物理、光學、電子學、精密機械和微型致冷器等方面的發(fā)展，使紅外技術(shù)在軍、民兩用方面都得到了廣泛的應用。 </p><p>　　60年代中葉起，紅外探測器和系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)了紅外技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向。</p><p&

10、gt;　　在紅外技術(shù)的發(fā)展中，需要特別指出的是：60年代激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術(shù)的發(fā)展，很多重要的激光器件都在紅外波段，其相干性便于移用電子技術(shù)中的外差接收技術(shù)，使雷達和通信都可以在紅外波段實現(xiàn)，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，紅外技術(shù)僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術(shù)用于紅外探測，使探測性能比功率探測高好幾個數(shù)量級。另外，由于這類應用的需要，促使出現(xiàn)新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術(shù)向更先進的方向發(fā)

11、展。</p><p>　　1.2、紅外技術(shù)的應用 </p><p>　　紅外應用產(chǎn)品種類繁多，本文選擇紅外熱像、紅外通訊、紅外光譜儀、紅外傳感器等幾個比較大的領域做介紹。</p><p><b>　　1)、紅外熱像儀</b></p><p>　　紅外熱像儀行業(yè)是一個發(fā)展前景非常廣闊的新興高科技產(chǎn)業(yè)，也是紅外應用產(chǎn)品中市場

12、份額最大的一塊，在軍民兩個領域都有廣泛的應用。紅外熱像儀在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下的衛(wèi)星、導彈、飛機等軍事武器上獲得了廣泛的應用。同時，隨著非制冷紅外熱成像技術(shù)的生產(chǎn)成本大幅度降低，該產(chǎn)品的應用已延伸到了電力、消防、工業(yè)、醫(yī)療、安防等國民經(jīng)濟各個部門。 </p><p>　　據(jù)美國著名高科技行業(yè)咨詢公司Maxtech International的預測，未來5年全球民用紅外熱像儀市場需求年均增長率將達到15%，到2012年

13、，全球民用紅外熱像儀的市場需求將達到38.12億美元。由于國內(nèi)經(jīng)濟高速發(fā)展，中國紅外熱像儀市場的年均增長率可以達到20%，預計2011年中國民用紅外熱像儀市場的需求量可以達到9.95億元。以美國為例，2000年，美國紅外成像與紅外測溫系統(tǒng)的市場銷售總額為18.2億美元，比1999年增長了3%，預計到2008年，總的市場銷售額將達到28.2億美元，年綜合增長率達到6.5%。 </p><p>　　“我國紅外熱像儀市

14、場還處于起步階段，未來發(fā)展空間巨大?！敝袊夤鈱W學會常務理事兼秘書長倪國強先生在中國光電產(chǎn)業(yè)高層論壇上表示：在發(fā)達國家的軍用領域，紅外熱像儀已得到非常廣泛的配置，例如海灣戰(zhàn)爭中平均每個美國士兵配備1.7具紅外熱像儀。與發(fā)達國家相比，目前我國軍隊中紅外熱像儀的應用相對較少，其市場遠景需求量相當巨大。隨著高性能多色紅外焦平面以及智能靈巧型片上圖像處理技術(shù)的發(fā)展，預計這一比例還將繼續(xù)走高。 </p><p>　　隨著北

15、京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等國內(nèi)大型活動的增加，對安全的要求越來越嚴格，越來越多的場所需要24小時持續(xù)監(jiān)控。紅外線在夜間監(jiān)視的應用更加突出，不僅金庫、油庫、軍械庫、圖書文獻庫、文物部門、監(jiān)獄等重要部門采用，而且也在一般監(jiān)控系統(tǒng)中也被廣泛采用，甚至居民小區(qū)監(jiān)控工程也應用了紅外線攝像機。帶動了紅外攝像市場持續(xù)升溫。 </p><p><b>　　2)、紅外光譜儀</b></p>

16、;<p>　　紅外光譜儀主要用于化學物理分析領域，可應用于各種物理化學實驗室、石油、農(nóng)業(yè)、檢測等領域。按應用范圍可分為通用型紅外光譜儀和專用紅外光譜儀，按波長范圍分可分為近紅外光譜儀和遠紅外光譜儀，目前以近紅外光譜儀為主?，F(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)包括了近紅外光譜儀、化學計量學軟件和應用模型三部分。只有三者的完美結(jié)合才能達到高性能的要求。目前近紅外專用光譜儀器的研制及應用在國內(nèi)已受到很多專家的關注，并已開發(fā)研制出一批適應國內(nèi)分

17、析對象的儀器及應用軟件。如，中國石油科學院的一批年輕學者在陸婉珍院士的帶領下，研制和開發(fā)出了有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的近紅外專用光譜儀器及其在我國石油科學中應用的一些軟件；以北京農(nóng)業(yè)大學嚴衍祿教授領導的“中國農(nóng)業(yè)近紅外分析技術(shù)網(wǎng)絡系統(tǒng)”課題已完成，研制和開發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適用于中國農(nóng)業(yè)品品質(zhì)的分析的軟件；相秉仁教授在中國藥科大學分析計算中心建立了Internet近紅外光譜分析虛擬建模中心，進行近紅外光譜分析的建模和數(shù)學模型維護等工作，并

18、建立了一些中草藥近紅外分析的數(shù)學模型。 </p><p><b>　　3)、紅外傳感器</b></p><p>　　在實現(xiàn)遠距離溫度監(jiān)測與控制方面，紅外溫度傳感器以其優(yōu)異的性能，滿足了多方面的要求。在產(chǎn)品加工行業(yè)，特別是需要對溫度進行遠距離監(jiān)測的場合，都是溫度傳感器大顯身手的地方。在食品行業(yè)紅外溫度可以在不被污染的的情況下實現(xiàn)食品溫度記錄，因此備受歡迎。光纖紅外傳感

19、器還具有抗電磁和射頻干擾的特點，這為便攜式紅外傳感器在汽車行業(yè)中的應用又開辟了新的市場。 </p><p>　　隨著紅外測溫技術(shù)的普遍應用，一種新型的紅外技術(shù)—智能（Smart）數(shù)字紅外傳感技術(shù)正在悄然興起。這種智能傳感器內(nèi)置微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與控制單元的雙向通信，具有小型化、數(shù)字通信、維護簡單等優(yōu)點。另外，隨著便攜式紅外傳感器的體積越來越小，價格逐漸降低，在食品、采暖空調(diào)和汽車等領域也有了新的應用。比如用

20、在食品烘烤機、理發(fā)吹風機上，紅外傳感器檢測溫度是否過熱，以便系統(tǒng)決定是否進行下一步操作，如停止加熱，或是將食品從烤箱中自動取出，或是使吹風機冷卻等。隨著更多的用戶對便攜式紅外溫度傳感器的了解，其潛在用戶正在增加。 </p><p>　　1.3、紅外技術(shù)的發(fā)展前景</p><p>　　紅外線自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對她的研究從來沒有停止過，目前已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應用產(chǎn)品，從醫(yī)療、檢測、

21、航空到軍事等領域，幾乎處處都能看到紅外的身影。但人們對她的研究仍然延續(xù)，時不時出現(xiàn)的新發(fā)明新應用，帶給我們驚訝與感嘆，人類對這座寶藏的開發(fā)還遠遠不夠，紅外產(chǎn)業(yè)還有廣闊的擴張空間！</p><p>　　紅外技術(shù)已廣泛應用于陸、海、空各軍兵種，其中紅外成像精確制導是各國紅外技術(shù)應用的主流方向之一。紅外成像制導技術(shù)是由美國人從60年代初開始研創(chuàng)。有資料統(tǒng)計，在過去的20年里，世界范圍內(nèi)多次的局部戰(zhàn)爭和有限軍事沖突中，被

22、導彈擊中的飛機中有90%是被紅外制導導彈擊落的, 有85%的地面和海上目標是被有紅外制導能力的武器系統(tǒng)所擊中。</p><p>　　紅外制導技術(shù)的擴展應用領域相當寬廣，大量裝備的還有陣地型、機載型、艦載型和星載型制導火控系統(tǒng)和預告警系統(tǒng)。這些地面系統(tǒng)由于基本不受體積、重量、造型和時效性的嚴格限制，又有人工參與進行維護和參數(shù)的現(xiàn)場設置。 在歐、美發(fā)達國家，非消耗性紅外成像制導（指揮、預警和火控）系統(tǒng)的列裝率較高，

23、幾乎軍用（警用）艦船上、飛機上、戰(zhàn)車上和重要的地面陣地都裝備了大量的紅外成像設備，并發(fā)揮了相當重要的作用。 </p><p>　　民用領域根據(jù)美國Maxtech International 發(fā)布的紅外市場報告， 2006年全球民用紅外熱像儀的銷售額為16.3億美元，幾年來，全球民用紅外熱像儀市場需求年均增長率已超過了15%，預計2010 年全球民用紅外熱像儀市場供給將達到28億美元。全球民用紅外熱像儀市場的供給和

24、需求趨勢由于紅外技術(shù)具有很高的軍用和民用價值，近年來國外主要廠家紛紛在核心器件及系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程中加大投入和研發(fā)的力度。</p><p>　　1.4、對紅外技術(shù)課堂的意見及建議</p><p>　　我認為這門課程可以拓展學生的視野，擴大學生的知識面，雖然只是一門專業(yè)限選課，但它的重要性仍不能忽視。我們要重視這門課程的學習，因為它和當今的先進科學技術(shù)緊密聯(lián)系，我們可以通過這門課程了解這一

25、方面科技的新的科研成果，以及它將來的發(fā)展方向和趨勢，便于我們準確定位，將來從事哪一方面的科學研究，對我們今后的發(fā)展都是具有很大的意義的。</p><p>　　我認為每節(jié)課都應有具體的任務，明確的目的和要求，每節(jié)課都給學生留有思考的空間，即留一些問題， 問題的設計是有利于學生去思考</p><p><b>　　二、設計方案</b></p><

26、;p><b>　　2.1、設計要求</b></p><p>　　設計并制作用于識別、計算通過管道的物品數(shù)目的光電識別計數(shù)器。</p><p>　?。?）能夠?qū)νǖ纼?nèi)進出的人數(shù)進行統(tǒng)計；</p><p>　?。?）當有人進入時自動加一，反之自動減一；</p><p>　?。?）有效作用距離 〉20cm；</p&

27、gt;<p>　?。?）至少一位數(shù)碼管顯示。</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　電路包括入口和出口的光電發(fā)射接收電路、信號放大電路和兩位計數(shù)/譯碼/顯示電路。應用到了電阻、發(fā)光二極管、光敏電阻、運算放大器、十進制加減計數(shù)器CD40110及數(shù)碼管等元器件。</p><p>　　如圖2-1所示，LED正

28、向壓降1.66V，工作電流5mA，所以選擇阻值為665Ω的電阻R1、R2為保護電阻。</p><p>　　圖2-1 光電發(fā)射電路</p><p>　　如圖2-2所示，利用光敏電阻特性，使電橋電路輸出電壓變化，產(chǎn)生脈沖。</p><p>　　Ra為蓋黑膠布的光敏電阻Ф3系列GL3516，亮電阻為10KΩ，暗電阻為600KΩ，提供溫度補償，電阻固定為600KΩ。<

29、/p><p>　　Rb為600KΩ，Rc為10KΩ。</p><p>　　Rd為光敏電阻Ф3系列GL3516，亮電阻為10KΩ，暗電阻為600KΩ。</p><p>　　圖2-2 光電接收電路</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　電路包括光電發(fā)射接收電路、反相短路、信號互

30、鎖電路、計數(shù)/譯碼/顯示電路和輔助電源電路五部分。其中Ra、Rb、Rc、Rd、Re為零歐電阻，可當做導線，作用是在焊接電路時替代飛線。</p><p>　　不難看出方案二中的設計靈敏度更高，顧選擇方案二。</p><p><b>　　2、原理方框圖</b></p><p>　　如圖2-3所示，電路各部分工作原理及作用如下。</p>

31、<p>　　圖2-3 原理方框圖</p><p>　　3、各單元電路原理介紹</p><p>　　a)光電發(fā)射接收電路</p><p>　　如圖2-4所示，該部分電路采用ST168作為核心器件，當有工件經(jīng)過ST168時，便會產(chǎn)生脈沖。</p><p>　　沒有物體經(jīng)過時，ST168內(nèi)部為通路，輸出為高電平。有物體經(jīng)過時，輸出為低

32、電平。</p><p>　　ST168外形如圖2-5所示。內(nèi)部為高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光</p><p>　　圖2-4 光電發(fā)射接收電路 圖2-5 ST168外形圖</p><p><b>　　b)信號處理電路</b></p><p>　　因為由4069芯片對

33、信號進行反相，以便有物體經(jīng)過ST168時，輸入到74LS74的是高電平。</p><p>　　如圖2-6所示，4069為6個反相器，引腳功能如圖。</p><p>　　圖2-6 4069引腳功能圖</p><p><b>　　c)信號互鎖電路</b></p><p>　　如圖2-7所示，74LS74是上升沿觸發(fā)，此芯片將

34、由4069芯片反相后輸出的后一個信號始終封鎖在高電平。</p><p>　　如圖2-8所示，74LS74是雙D觸發(fā)器，引腳如圖。</p><p>　　圖2-7 信號互鎖電路</p><p>　　圖2-8 74LS74引腳圖d)輔助電源電路</p><p>　　如圖2-9所示，利用7805芯片將9V電源轉(zhuǎn)為5V，芯片前后有兩組電容起濾波作用。

35、</p><p>　　圖2-9 輔助電源電路</p><p><b>　　三、硬件制作與調(diào)試</b></p><p>　　首先在電源輸入端輸入9V電壓，然后用遮擋物依次擋住兩個反射式紅外光電傳感器，讓其產(chǎn)生一個高電平，反相電路輸出低電平脈沖，電路開始計數(shù)。</p><p>　　在調(diào)試中，遇到了以下問題：</p&g

36、t;<p>　　1）接通電源后，數(shù)字顯示管顯示，LED燈不亮；</p><p>　　2）工件計數(shù)器無法實現(xiàn)計數(shù)功能；</p><p>　　3）工件計數(shù)器只能完成減法計數(shù)，無法完成加法計數(shù)。</p><p><b>　　解決方案：</b></p><p><b>　　1）換LED燈；</b&g

37、t;</p><p>　　2）檢查電路，查看是否所有線路都連接完全，是否有引腳沒有接通；</p><p>　　3）檢查是否焊接不好，線路中有斷路情況。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　主編張克農(nóng) .數(shù)字電子技術(shù). 高教出版社出版.第一版.2006年</p><p>

38、;　　彭介華 主編.電子技術(shù)課程設計指導》.高教出版社出版.第一版.2002年</p><p>　　曾建唐 主編.《電工電子基礎實踐教程》.機械工業(yè)出版社.2002年</p><p>　　康光華 主編.《電子技術(shù)基礎》.高教出版社出版.第四版.1999年</p><p>　　電子電工實驗室可以提供的主要儀器設備：</p><p>　　示波器　

39、型號規(guī)格VP-5220、電子學習機　型號規(guī)格WL-V、萬用表　MF10；以及分立元件、或中規(guī)模集成芯片。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在此次設計過程中得到了很多老師的幫助，他們扎實的專業(yè)知識，認證負責的工作態(tài)度，嚴謹求實的作風使我受益匪淺。我們非常感謝我的指導老師邱雄邇老師，他對此次設計提出了很多寶貴的意見和建議，對于我們成功的完

40、成設計任務起到了至關重要的作用，設計中遇到的難題，他能夠引導我們的思路，并能夠耐心的提出自己的觀點和見解。</p><p><b>　　附 錄 I</b></p><p><b>　　元器件清單</b></p><p><b>　　表1 元器件清單</b></p><p>&