毕业设计 课 题 名 称：
流量计数器设计 专 业 班 级：
学 生 姓 名：
指 导 老 师：
二O一四年X 月 摘要 本次设计的流量计数器的目是在自动化生产过程中能精确分装物料，避免因人为疏忽原因致使物料出现漏装或多装的现象，由此引入了流量计数器。流量计数器采用了红外传感器系统，利用红外光的关断原理进行计数。这样既能够为企业减少不必要的损失，同时也能够避免因企业缺斤少两的尴尬局面。本电路主要由红外检测电路、放大电路、施密特触发器、CD4518加法计数器、CD4511译码器、红色LED报警灯、七段LED显示译码器组成。在设计中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。这套系统在常温运行过程中抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。它可以解决计数中的增减问题，能够对任意流水线产自动计数。因此,研究红外计数器及扩大其应用，对现实工厂自动生产有着非常现实的意义。

关键词：红外传感器，CD4511译码器，CD4518加法计数器、施密特触发器 引言 在当今社会飞速发展的今天，随着现代工业自动化生产水平的不断提高，人们对自动化生产的高效率，高精准生产要求更加高，高度自动化计数器也就孕育而生。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发展。厂家基本采用流水线技术进行产品生产作业，而怎样对其线上的产品进行实时的、有效的、精确的自动计数成为广大生产厂家十分关注的问题。传统的机械式或电子式计数器（主要是用数字电路集成组件组成）电路比较复杂，元器件数量较多，故障率较高，维修比较困难，而设置预定数值不太方便，功能不易更改且功能过于单一，适用范围较窄。而基于单片机为核心控制的计数器有着能够实时、精确、可靠、稳定等计数优点已成为广大厂家的首先自动计数装置。

随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展，对红外计数器的需求日益增多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。该产品在现代社会中应用广泛，也可以测量流水线上的产品数量。

计数器在工业控制中有着广泛的应用。传统的数字计数器都是用中小规模数字集成电路构成的，不但电路复杂，成本高，功能修改也不易。用单片机制作的计数器可以克服传统数字电路计数器的局限，有着广阔的应用前景。

目录 摘要 I 引言 II 第一章 总体方案设计 1 1.1总体设计的目的 1 1.2总体设计的思路 1 第二章 硬件电路设计 3 2.1稳压输入电源 3 2.1.1 桥式整流电路原理 3 2.1.2 输入电源的工作过程 4 2.2 输出电源 5 2.2.1电磁继电器输出应用 5 2.3 红外发射/接收二极管应用 7 2.3.1发光二极管的及工作原理 7 2.3.2发光二极管的结构 8 2.3.3接收二极管的工作过程 8 2.4由晶闸管管与施密特触发器构成的触发电路 9 2.4.1晶闸管的结构和工作过程 10 2.4.2晶闸管的伏安特性 10 2.4.2 施密特触发器的功能及特点 12 2.5 模数转换 13 2.6 放大电路的应用 14 2.6.1放大电路的工作原理及过程 14 2.7电磁继电器应用 15 2.8 八段LED数码管设计 16 2.9 集成电路块的选用 18 2.9.1 CD4511译码器的应用 18 2.9.2 CD4511译码器的功能 19 2.9.3 CD4511的特点 20 2.10 CD4518编码器的应用 21 2.10.1 CD4518的功能 21 2.10.2 CD4518的工作过程 22 2.10.3 十进制同步加法计数器 22 第三章 毕业设计总结 24 致谢 25 参考文献 26 附录1流量计数器电气原理图 27 附录2 流量计数器成品实物图 28 第一章 总体方案设计 1.1总体设计的目的 某生产车间生产量不断加大，在生产中遇到一个问题，正常情况下一个大袋中药装入10个物料，但是由于人为疏忽，有时会导致多装或漏装。这样不仅损失公司的经济利益，而且还让人感觉公司做产品偷工减料的尴尬局面。为此，为了解决这个问题，我们就提出一个物料自动打包的系统。这个自动打包系统可以根据流量自动计数，计数达到预设的数值时就停止本次的计数工作，再将计数满的大袋运往下一个装配站，同时做好下一次计数工作，如此重复的完成相同的工作。

1.2总体设计的思路 下面是我们为此次工程设计一个自动打包系统框图，经过我们分析它主要由：红外对射、放大整形、计数显示、计满输出和稳压电源组成。流计数器组成部分框图如图1.1所示。

图1.1 总体设计方案系统框图 电路通电后红外发射二极管发射的红外线直接射入红外接收二极管中，此时红外接收二极管导通；
当有物体经过时光线被遮挡，红外接收二极管截止，此信号通过放大电路对信号进行放大处理，处理后的信号送入由施密特触发电路，将模拟的信号转化为脉冲信号；
BCD码加法计数器接收到此信号后，对脉冲上升沿 进行加法计数处理，计数电路输出Q1-Q4信号，分别送入译码显示电路和计满输出电路；
译码显示电路由七段显示译码驱动器CD4511和7段LED数码管组成，CD4511将接收到的BCD码经过译码后驱动LED数码管，使其显示当前计数值。计满输出电路，当BCD码输出为1001时继电器K1吸合，从而证明已经计数9件，该信号输出用于启动自动封箱设备。稳压电路主要由整流滤波电路好串联式稳压电路组成。

第二章 硬件电路设计 2.1稳压输入电源 2.1.1 桥式整流电路原理 由于输入电路采用交流12V电源输入，但其中的集成芯片只有在直流电源的驱动下才能够工作，因此在整个电路中必须要将交流电源转换成直流电源的装置，由此就引入了桥式整流电路。由于本次设计电路选取的继电器型号是JZC-23F(4123)-12V，因此本电路的输入选取的是交流12V输入，再经桥式整流电路整流后得直流12V。桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。需要特别指出的是,二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择，如选择不当,则或者不能安全工作，甚至烧了管子;或者大材小用，造成浪费。

图2.1 桥式整流电路的工作原理图 桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；
对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；
对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；
输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。

2.1.2 输入电源的工作过程 整个输入电路的工作过程是：由入线端子（JI）引入交流12V，再经桥式整流电路整流。桥式电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；
在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。

因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。整流过后的直流电源由电容滤波后经三极管放大处理，再由电容滤波。滤波后的稳压电源才输送到整个电路当中去。同时由一个绿色的发光二极管作显示的作用，绿色发光二极管点亮表示输入电路的整流和滤波已经完成，确保整个输入电路工作完好。桥式整流的名称只是说明电路连接方法是桥式的接法。

2.2 流量计数器输入电源电气原理图 桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好。

2.2 输出电源 2.2.1电磁继电器输出应用 电磁继电器在这个电路当中同样相当于一个开关元器件，当译码器CD4511将接收到的BCD码经过译码后驱动LED数码管，使其显示当前计数值。计满输出电路，当BCD码输出为1001时继电器K1吸合，K1吸合后将信号传递给变频器，变频器带动电机旋转，从而使得传送带转动，下一个打包又开始，周而复始。

(1) 继电器的工作原理 电磁继电器一般由铁芯、线圈、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的常“开常、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；
处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

图2.3 继电器工作原理图 (2) 继电器主要参数 1) 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。

2) 直流电阻（线圈阻抗） 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

3) 吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略 大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一 般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

4) 释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程 度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

图2.4 输出电路图 （3）输出电路的工作过程 当CD4518（8421编码）的输出编码为“1001”，即十进制数的“9”时，二极管D6(IN4148)和D7(IN4148)正向导通，二极管将微信号送入三极管Q3(C1815)和Q4(C1815)多级放大。此时，继电器K1线圈得电，常开触点闭合，继电器利用低电压、弱电流电路的通断，来间接控制高电压、强电流电路输出控制外接装置。使电机等传动装置停止传动，为下一次计数做好准备。在继电器K1得电常开触点闭合的瞬间红色发光二极管也正向导通，发出红光表示计数已经满。红色指示灯在电路中的作用是一个检测装置的作用，第一表示计数器计数已满，第二表示传动装置的停止是计数已满，而非机械故障。

电路中与继电器并联的二极管（D5）的作用是：继电器线圈断电时，其中残余能量须以合适途径释放。如果没有二极管，则能量以火花形式释放，队电子开关损坏很厉害，日久对机械开关也会有明显损坏。与继电器线圈并联二极管后，二极管负极接直流电源正极，继电器线圈断电时，二极管因势利导，为线圈电流继续流动提供途径，残余能量在线圈与二极管组成的回路中较为平缓地自我消耗掉，开关得到有效保护。

2.3 红外发射/接收二极管应用 电路传感器的设计原理是：电路通电后红外发射二极管发射的红外线直接射入红外接收二极管中，此时红外接收二极管导通。当有物体经过红外发射二极管与红外接收二极管时红外光线被挡住，这时红外接收二极管截止。这个低频信号经放大电路对信号进行放大处理，处理后的信号送入施密特触发器电路。施密特触发器将信号送入到编码器编码，编码器将编码送入到计数器，从而达到计数的目的，并且用LED灯显示相应的计数个数。

2.3.1发光二极管的及工作原理 二极管的工作原理：晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

2.5 发光二极管的结构及工作原理图 2.3.2发光二极管的结构 红外线发光二极管的辐射强度，依光轴上的距离而变，亦随受光元件的不同而变。是受光元件的入射光量变化和与红外发光管的距离呈一定特性。基本上光量度是随距离的平方成反比，且和受光元件特性不同有关。

发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离。提高Ip的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度T。一般其使用频在300KHz以下。

图2.6 发光二极管的结构图 红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；
反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。

2.3.3接收二极管的工作过程 红外接收二极管又叫红外光电二极管，它在外形结构上与发射二极管相似。在接收二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。接收二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。接收二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。接收二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电 转换的能力。另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。

图2.7 红外接收二极管结构示意图 红外接收一般是接收、放大、解调一体头，一般红外信号经接收头解调后，数据 “0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输出脚连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间从而获取数据。重点是找到数据“0”与“1”间的波形差别。

红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。

2.4由晶闸管管与施密特触发器构成的触发电路 在整个设计系统中，晶闸管也是必不可少的一种元件，它在电路中起一个开关作用。当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当正向门极电压，使晶闸管导通过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，通常在门极上只要加上一个正向脉冲电压即可，称为触发电压。门极在一定条件下可以触发晶闸管导通，但无法使其关断。要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电压，或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流减小至维持电流(IH)(当门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持晶闸管导通所需的最小阳极电流叫维持电流)，电流会突然降到零，之后再提高电压或减小负载电阻，电流不会再增大，说明晶闸管已恢复阻断。

图2.8 放大电路原理图 2.4.1晶闸管的结构和工作过程 晶闸管是PNPN四层三端器件,共有三个PN结。分析原理时,可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图2.9所示。

当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。

图2.9 晶闸管的结构图 2.4.2晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极A与阴极K之间的电压与晶闸管阳极电流之间关系称为晶闸管伏安特性,如图2.9所所示。正向特性位于第一象限,反向特性位于第三象限。

图2.10 晶闸管伏安特性参数示意图 (1) 反向特性 当门极G开路,阳极加上反向电压时(见图12),J2结正偏,但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流,当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后,同时J3结也击穿,电流迅速增加,如图2的特性曲线OR段开始弯曲,弯曲处的电压URO称为“反向转折电压”。此后,晶闸管会发生永久性反向击穿。

(2) 正向特性 当门极G开路,阳极A加上正向电压时(见图2.12),J1、J3结正偏,但J2结反偏,这与普通PN结的反向特性相似,也只能流过很小电流,这叫正向阻断状态,当电压增加,如图2的特性曲线OA段开始弯曲,弯曲处的电压UBO称为“正向转折电压”。

由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后,J2结发生雪崩倍增效应,在结区产生大量的电子和空穴,电子进入N1区,空穴进入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合。同样,进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿后，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉。

  图2.11（a）阳极加反向电压(b)阳极加正向电压 (3) 触发导通 在门极G上加入正向电压时(如图2.12所示),因J3正偏,P2区的空穴进入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在晶闸管的内部正反馈作用(如图13)的基础上,加上IGT的作用,使晶闸管提前导通,导致图13中的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。

图2.12 阳极和门极均加正向电压 2.4.2 施密特触发器的功能及特点 （1）施密特触发器的功能 555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。

一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；
CMOS定时器电源电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。

施密特触发器输出状态的转换取决于输入信号的变化过程，即输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时，对应的输入电平VT+与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平VT-不同，其中VT+称为正向阔值电压，VT-称为负向阔值电压。另外由于施密特触发器内部存在正反馈，所以输出电压波形的边沿很陡。

因此，利用施密特触发器不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的消除。

图2.13 555定时器的电器原理图（a）和电路符号(b) （2）TTL施密特触发器的特点 1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。

2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。

3）带负载能力和抗干扰能力都很强。

2.5 模数转换 由于传感器接收到的信号时模拟信号，计数器和编码器是不能够处理模拟信号的。因此，将将模拟信号转换成数字信号就是电路中必不可少的过程了。集成施密特触发器比普通门电路稍微复杂一些。我们知道，普通门电路由输入级、中间级和输出级组成。如果在输入级和中间级之间插入一个施密特电路就可以构成施密特触发器。集成施密特触发器的正向阀值电压和反向阀值电压都是固定的。

图2.14 用施密特触发器实现波形变换 2.6 放大电路的应用 在设计的这套流量计数器中，集成放大电路是至关重要的一部分，在整个电路中发挥重要的作用。传感器所捕获的信号时及其微小的，所以在整个电路中是需要将传感器所接收到的信号进行放大整形处理的，然后将得到的信号送入到计数器和编码器当中。

图2.15 用施密特触发器实现波形变换 2.6.1放大电路的工作原理及过程 如图2.15所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；
把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么 当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；
当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。

2.7电磁继电器应用 电磁继电器在这个电路当中同样相当于一个开关元器件，当译码器CD4511将接收到的BCD码经过译码后驱动LED数码管，使其显示当前计数值。计满输出电路，当BCD码输出为1001时继电器K1吸合，K1吸合后将信号传递给变频器，变频器带动电机旋转，从而使得传送带转动，下一个打包又开始，周而复始。

(1) 继电器的工作原理 电磁继电器一般由铁芯、线圈、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的常“开常、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；
处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

图2.16 继电器工作原理图 (2) 继电器主要参数 1) 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

2) 直流电阻（线圈阻抗） 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

3) 吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

4) 释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

5) 触点切换电压和电流（触点容量） 是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

2.8 八段LED数码管设计 八段LED数码管在整个电路中起一个数字显示作用，他能根据相应的BCD码显现相应的十进制数，从而使操作者能够观察计数是否正确。因为任何机械设备都有使用寿命。安装八段LED数码管既能够让设备维修人员易于检修，又能够让操作人员查看计数的精准度。因此，在系统当中安装八段LED数码管是非常有必要的。

LED数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a，b,c,d,e,f,g,dp来表示。

图2.17 LED数码管原理图 (1) 驱动方式 LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

(2) 八段LED数码管的的部分参数 规格：D形 防护等级：IP65级 直径：40mm 工作功率：8-12W 颜色：单红 工作环境：-40度-+75度 外壳颜色：乳白 工作电压范围：12V-24V 性能：防水，防尘，耐压，耐破裂，耐高低温 正常寿命：　>80,000小时 (3) 引脚测试 找公共共阴和公共共阳，首先，我们找个电源（3到5伏）和不同规格的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就共阳的。也可以直接用数位万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。

(4) 动态显示 LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

(5) 功耗估算 1) 静态实像素（等间距与非等间距相同）：16*8实像素单一模组最大功耗 16*8*3*0.02=7.68 16——16个像素点宽；
8——8个像素点高；
3——每个像素点由三路电流；
0.02——估算每一路电流的大小。

2) 扫描实像（1R1G1B）或（2R1G1B）：以P10全彩四扫16*16模组为例 单一模组最大功 耗 （16*16*3*0.02）/4=3.84 16——16个像素点宽；
16——16个像素点高；
3——每个像素点由3路电流；
0.02——估算每 一路电流的大小；
4——为1/4扫描。

注：
1R1G1B实像素四个LED灯管并联算一路电流；
扫描板每一电源估算使用率为80%。

2.9 集成电路块的选用 集成电路在这个流量计数系统当中起作相当大的作用，相当于人的大脑一样。当施密特触发器将模拟信号转换成数字（方波）信号，就需要相应的BCD编码器，对相应的脉冲信号进行编码，然后将相应的二进制数送入到八段LED数码管，这将导通相应的发光二极管，从而显现相应的十进制数字。同时在这个过程当中，也是需要相应的计数器进行计数。因为当八段LED数码管显示十进制数“9”时，红色发光LED灯将点亮，预示计数已满。这时，也需要通知相应的机械元件从事相应的动作，将计数已满的袋子运走，以进行下一个计数周期。因此，本系统当中需要的集成电路为：CD4511译码器和CD4518计数器。

2.9.1 CD4511译码器的应用 (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。

(4) CD4511的工作真值表 图2.18 CD4511真值表 2.9.2 CD4511译码器的功能 (1) 简介 CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器。

(2) 功能 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，特点是：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。

图2.18 CD4511引脚图 (3) 引脚功能及工作条件 引脚功能 工作条件 A0～A3：二进制数据输入端 Ya～Yg：数据输出端 电源电压范围：3V～18V /BI:输出消隐控制端 VDD：电源正 VSS：电源负 输入电压范围：0V～24V LE：数据锁定控制端 /LT：灯测试端 工作温度范围：-40℃～85℃ 2.9.3 CD4511的特点 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，特点是：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。

CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 2 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示 数“6”时，a段消隐；
显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。

2.10 CD4518编码器的应用 2.10.1 CD4518的功能 CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。

CD4518引脚功能(管脚功能)如下：1CP、2CP：时钟输入端。

1CR、2CR：清除端。

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。

Vdd：正电源。Vss：地。

图2.20 CD4518引脚图   CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，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端为低吨平（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。

  将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已 变成串行计数了。需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。

2.10.2 CD4518的工作过程 CD4518/CC4518是二、十进制（8421编码）同步加计数器，内含两个单元的加计数器，其功能表如真值表所示。每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。由表可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；
若用CL℃K信号上升沿触发，触发信号由CL℃K端输入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1～Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。

CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次；
当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次；
当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；
当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。若将第一个加计数器的输出端Q4A作为第二个加计数器的输入端ENB的时钟脉冲信号，便可组成两位8421编码计数器，依次下去可以进行多位串行计数。CD4520/CC4520为二进制加计数器，由两个相同的内同步4级计数器构成。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—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。

2.10.3 十进制同步加法计数器 CC4518是二、十进制（8421编码）同步加计数器，内含两个单元的加计数器，其功能表如真值表所示。每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。由表可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；
若用CLK信号上升沿触发，触发信号由CL ℃K端输入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1～Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。

CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次；
当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次；
当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；
当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。若将第一个加计数器的输出端Q4A作为第二个加计数器的输入端ENB的时钟脉冲信号，便可组成两位8421编码计数器，依次下去可以进行多位串行计数。

CD4520/CC4520为二进制加计数器，由两个相同的内同步4级计数器构成。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—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。

第三章 毕业设计总结 简易流量计数器设计是我这次毕业设计的课题，在几个月的精心努力下，在沈老师的指导下，我的毕业设计终于完成了。经过前期多方寻求资料，在理论的基础上我设计出了本次简易的流量计数器的原理图。在经过反复的修改﹑反复的调过后，最终形成了此前上交的实物流量计数器。经过实践证明，在实际生产过程中用我设计的流量计数器是可行的。在常温下，我设计的流量计数器的可靠性和精度是非常高的。完全满足现代实际生产的条件。

流量计数器整个工作过程是：当输入电源端子（JI）引入交流12V稳压电源，后经四个二极管构成的桥式整流电路进行全波整流。整流后的信号经电容滤波，然后用三极管进行放大处理，后又经电容滤波，最后将比较平稳的电压信号送入到整个电路中。此时，用一个绿色的LED发光二极管作指示作用。显示稳压电源已经送入到整个电路当中去了。

当输入电源将电源信号送入到整个电路当中去的时候，整个电路就已经处于工作状态了。此时，红外发射二极管/接收二极管处于导通状态，形成了一个回路。与此同时，晶闸管处于关断状态，后面的电路也相当于“关断的状态”，计数停止。当红外发射二极管/接收二极管中间有物体挡住的时候，他们就不能形成一个回路。此时，晶闸管关断极正向导通，同时施密特触发器得到正弦波信号，施密特触发器将正弦波信号转换成方波信号，再将方波信号输出给CD4518编码器进行编码。CD4518所编的码除了输出给CD4511译码器以外，还会将所编的码送入到输出电路当中去。因为CD4511译码器只是译码显示所记的数值，当计数满过后还必须要外在的机械装置动作来完成将已经装满的袋子运走，又为下一次的计数工作做好准备，这些都需要外在的装置来完成。因此，CD4518编码后必须接出输出电路。当下一次的所有工作都做好了过后，按下CD4518编码器下面的复位开关（S1），CD4518编码器又进行编码。从而，周而复始的进行计数工作。

经过反复的实验证明，此次设计的流量计数器完全可以应用于实际工业生产的计数工作当中的。

致谢 通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。更懂得科学技术不是纸上谈兵，学习先进的科学知识是要用于实际，用来改变社会生产力，改善人们的生活方式，让我们的生活更加便捷和美好。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：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。

最后，由于本次设计是我的第一次设计，中间肯定存在不少瑕疵，希望各位同学及老师予以指正，我会加以改正！ 参考文献 [1] 宋文绪. 传感器与检测技术[M]. 北京：高等教育出版社, 2004. [2] 梁森. 自动检测与转换技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2011. [3] 张建明. 传感技术与检测技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 宋文绪. 传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社, 2004. [5] 阎石. 数字电子技术基础[M]. 北京：清华大学出版社, 2006. [6] 李全利. 单片机原理及接口技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2004. [7] 电子技术应用[M]. 武汉：中船重工凌久电子有限责任公司出版，2013年第 10期. [8] 电子技术应用[M]. 武汉：中船重工凌久电子有限责任公司出版， 2013年第 12期. [9] 张晓琴. 模拟电子技术应用及项目训练[M]. 重庆：西南交通大学出版社， 2008. [10] 张晓琴,伍小兵.数字电子技术应用及项目训练[J]. 重庆：西南交通大学出 版社，2008. 附录1流量计数器电气原理图 附录2 流量计数器成品实物图