基于光電開(kāi)關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

摘 要： 設(shè)計(jì)一種可顯示記數(shù)器，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)零件及成品的數(shù)字記錄。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將電路分為電源、光電轉(zhuǎn)換、同步計(jì)數(shù)及顯示四大部分。電源可提供不同電壓；光電轉(zhuǎn)換部分由光電開(kāi)關(guān)和繼電器組成，其中光電開(kāi)關(guān)采用漫反射E3F?DS10C1型；記數(shù)部分采用CD系列CMOS芯片；末端通過(guò)數(shù)碼管顯示輸出。在Proteus軟件中對(duì)電路進(jìn)行模擬、調(diào)試、修改，可用開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)代替光線(xiàn)的有無(wú)來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷、并仿真完成。實(shí)驗(yàn)中連接實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該方案是切實(shí)可行的。

關(guān)鍵詞： 光電開(kāi)關(guān)； 計(jì)數(shù)器； 工業(yè)產(chǎn)品； 模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN29?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）08?0136?02

0 引 言

光電開(kāi)關(guān)屬于光電傳感器的一種，又稱(chēng)光電接近開(kāi)關(guān)。它由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。它發(fā)射光束一般來(lái)源于發(fā)光二級(jí)管（LED）和激光器。接收器由光電二極管或光電三極管組成。接收器的前面一般還裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。其后是檢測(cè)電路，能濾出有效信號(hào)并加以應(yīng)用[1?2]。

光電開(kāi)關(guān)的輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，被檢物對(duì)光束遮擋或反射，接收器將接收到光線(xiàn)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流變化，由同步回路選通電路，來(lái)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。

利用光電開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)出的非接觸式數(shù)字電子計(jì)數(shù)器，一般有直射式和反射式兩種，可通過(guò)紅外線(xiàn)發(fā)射和接收進(jìn)行計(jì)數(shù)，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于元器件及產(chǎn)品的自動(dòng)計(jì)數(shù)，還可用于記錄機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。這種計(jì)數(shù)器在工廠(chǎng)的生產(chǎn)流水線(xiàn)上作產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)，有著其他計(jì)數(shù)器不可取代的優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體方案

采用分模塊設(shè)計(jì)方法，由電源、光電轉(zhuǎn)換、同步計(jì)數(shù)及顯示四大部分組成整個(gè)計(jì)數(shù)器系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1中，電源為整個(gè)系統(tǒng)供電，可提供不同電壓，以供不同部分使用。

光電轉(zhuǎn)換部分由光電開(kāi)關(guān)及繼電器組成：光電開(kāi)關(guān)（實(shí)驗(yàn)中采用E3F?DS10C1型），設(shè)計(jì)采用為漫反射型，檢測(cè)距離10 cm，輸出形態(tài)為NPN常開(kāi)[3?4]；繼電器為電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（輸入回路）和被控制系統(tǒng)（輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，在系統(tǒng)中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、電路轉(zhuǎn)換等作用。計(jì)數(shù)功能模塊思路有多種，本設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

主要采用了NE555、CD4518、CD4511、共陰極數(shù)碼管。按照?qǐng)D2，利用Proteus軟件設(shè)計(jì)電路并進(jìn)行了模擬。實(shí)際仿真中，可加上一個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)通斷，對(duì)計(jì)數(shù)器電路進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 電路設(shè)計(jì)

各模塊設(shè)計(jì)原理如下：

（1）光電轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)

發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到光敏三極管上，光電開(kāi)關(guān)內(nèi)部會(huì)有光電流產(chǎn)生，一旦有物體遮擋住發(fā)光二極管所發(fā)出的光線(xiàn)，在光電開(kāi)關(guān)輸出端，會(huì)有一個(gè)高低電平的變化，這個(gè)變化轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)經(jīng)555定時(shí)器輸出。

（2）同步計(jì)數(shù)部分設(shè)計(jì)

555定時(shí)器將脈沖信號(hào)輸入同步加計(jì)數(shù)器CD4518的CLK接口，它的EN端接電源，根據(jù)真值表，它會(huì)完成一次加計(jì)數(shù)。為了完成進(jìn)位計(jì)數(shù)，需將低位的Q3端接到高位的EN端，高位計(jì)數(shù)器的CLK接地，這樣就能實(shí)現(xiàn)進(jìn)位計(jì)數(shù)。

（3）顯示部分設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)CD4518完成加計(jì)數(shù)后，將結(jié)果輸入CD4511并進(jìn)行譯碼，通過(guò)共陰極數(shù)碼管顯示出計(jì)數(shù)結(jié)果。

1.3 重點(diǎn)問(wèn)題

仿真過(guò)程中，由于無(wú)法仿真出光線(xiàn)的變化這一效果，整體電路可通過(guò)給計(jì)數(shù)器一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)模擬。此外，由于光電開(kāi)關(guān)的工作電壓是12 V，而整體電路工作電壓為6 V，為了將工作電壓統(tǒng)一，可以考慮用一個(gè)分壓電路，電源輸出給光電開(kāi)關(guān)12 V，分壓輸出6 V給整個(gè)計(jì)數(shù)電路。在具體實(shí)驗(yàn)中根據(jù)設(shè)計(jì)完成了實(shí)際器件的連接，在適當(dāng)距離有物體通過(guò)時(shí)，開(kāi)始記數(shù)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)是完全可行的。

該系統(tǒng)還具有清零及可擴(kuò)展為多位計(jì)數(shù)功能。工作人員通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)使兩個(gè)數(shù)碼管都顯示零，這樣可以方便進(jìn)行人工操作以及確認(rèn)計(jì)數(shù)器是否正常工作；該計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)只有2位，但通過(guò)級(jí)聯(lián)可以擴(kuò)展為4位、甚至多位，以完成更復(fù)雜計(jì)數(shù)器系統(tǒng)的需求。

2 結(jié) 語(yǔ)

作為傳感器家族中的重要成員，光電開(kāi)關(guān)具有體積小、硬件少、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)單、容易操作及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，一直都以其卓越的性能而備受青睞。

隨著技術(shù)的發(fā)展，新一代光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)品更是具有延時(shí)、展寬、外同步、抗干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)中。同時(shí)，光電開(kāi)關(guān)也朝著體積更小、功能更多、檢測(cè)精度更高、響應(yīng)時(shí)間更短的方向邁進(jìn)；它的抗光、電、磁等干擾的能力也更為強(qiáng)大[5?6]。很多廠(chǎng)商也開(kāi)始由單純提供產(chǎn)品，走向以自己核心產(chǎn)品為核心，向客戶(hù)提供基于產(chǎn)品的解決方案之路。本文利用光電開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)出一種兩位數(shù)字計(jì)數(shù)器，可將機(jī)械或人工計(jì)數(shù)方式變?yōu)殡娮佑?jì)數(shù)，并且采用LED數(shù)碼顯示、簡(jiǎn)單直觀，可對(duì)工業(yè)零件進(jìn)行計(jì)數(shù)，還可用于其他諸多行業(yè)，以滿(mǎn)足現(xiàn)代生產(chǎn)、生活等方面的需求[7?9]。實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的，能完全達(dá)到實(shí)用的目的。

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