多功能計數器的設計

邱海峰 時 強 孔祥敏 趙 毅 何道清

(1. 中石化西北油田分公司，烏魯木齊 830001；2. 西南石油大學電氣信息學院，成都 610500)

隨著科學技術的發展，工業生產過程的自動化程度越來越高，生產過程中經常需要對生產流水線上的產品或零部件進行計數，傳統的人工計數方法不僅容易漏計、錯計，而且勞動強度大、效率較低。一般的計數器裝置雖然可以對產品進行自動計數，但通用性差，且不具備斷電保存數據的功能。筆者設計的多功能計數器針對不同產品或零部件特性選用多種不同的傳感器，并選用具有免備電/掉電保持數據功能的QA640253C-E計數器芯片，提高了計數器計數數據的準確性、可靠性和生產自動化水平。

1 多功能計數器的設計方案①

多功能計數器以QA640253C-E計數器芯片為核心，針對生產流水線上不同產品或零部件特性分別選用光電傳感器ST168、電渦流傳感器LJ12A3-4-Z/BX、霍爾傳感器H-JK8002C，將物體數量轉換為脈沖信號，經整形電路整形后送入計數器，最后由計數單元處理后通過5位LED共陰極數碼管進行計數值顯示和存儲(圖1)。該計數器由單獨設計的直流穩壓電路供電，配合存儲芯片QZC01A，無需備用電源，具有掉電計數器數據保持、來電繼續計數的功能，保證計數的準確性和可靠性，有效地提高了工業生產的自動化水平。

圖1 多功能計數器的組成框圖

2 傳感器選用和設計

根據不同物體的特性，設置多種傳感器，實現被計數物體的計數脈沖轉換[1]。

2.1 光電傳感器

光電傳感器一般由光源、光路和光學元件、光電元件3部分組成，光電元件將光信號轉換成電信號。光電檢測方法具有精度高、反應快及非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣。

ST168為單電源反射式紅外光電傳感器，內含一個紅外發光二極管，一個光敏三極管(用來接收反射回來的紅外光)。當發光二極管發出的紅外光大部分被反射體反射回來，照射到光敏三極管接收端時，光敏三極管導通；當光敏三極管接收到的反射紅外信號微弱時，光敏三極管截止。其結構及其電路如圖2所示。

圖2 光電傳感器ST168的結構及其電路

光電傳感器的K、E腳接地，A腳串聯330Ω的電阻R1接+5V直流穩壓電源Vcc的正極，C腳串聯20kΩ的電阻R2也接電源Vcc的正極，輸出信號從C腳引出。電阻R1起限流作用，電阻R2起限流和確定輸出電平高低的作用。

ST168光電傳感器適于檢測具有光反射性能的物體。當被測物體經過ST168時，紅外光在被測物體表面發生發射，光敏三極管導通，電路輸出端C輸出低電平(約0.3V)；當沒有被測物體經過時，光敏三極管基本接收不到紅外光，光敏三極管截止，電路輸出端C輸出高電平(約2.8V)；輸出信號滿足計數器計數脈沖電平要求。電路輸出脈沖信號輸入到計數芯片QA640253C-E的輸入端CP，計數器對脈沖信號計數，從而得到通過光電傳感器ST168的物體的個數。光電傳感器ST168的檢測距離5～10mm。

2.2 電渦流傳感器

電渦流傳感器LJ12A3-4-Z/BX能靜態或動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面的距離，它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準確測量被測體(金屬導體)與探頭端面之間靜態和動態的相對位移變化。電渦流傳感器LJ12A3-4-Z/BX 的主要特點：

a. 靈敏度高、頻率響應快、重復定位精度高、瞬變過程短、輸出功率大、機電特性好、工作穩定可靠及使用壽命長等；

b. 紅色LED顯示可以檢查傳感器的狀態；

c. 經濟且操作簡單；

d. 運用廣泛，可替換小型開關和限位開關。

電渦流傳感器LJ12A3-4-Z/BX采用三芯護套電纜，棕色線接電源Vcc，黑色線接輸出OUT，藍色線接接地端GND，接線簡單。對其提供5V電源，將被測導電物體轉換為計數脈沖信號輸出，適合檢測導電材料的物體。工作距離4mm，輸出電壓0～Vcc，計數響應頻率可達200Hz。

2.3 霍爾傳感器

霍爾傳感器H-JK8002C是根據霍爾效應原理制成的新型集成自動開關器件。JK系列按工作狀態分為3類：JK-常開型、JB-常閉型和JZ-自鎖型。H-JK8002C是常開型，其輸出極性為NPN型。它的主要優點是：響應頻率高、重復定位精度高、抗干擾能力強、多種保護功能，有工作狀態指示燈、可以和編程控制器(PC)直接接口、可靠性高、使用壽命長。

霍爾傳感器H-JK8002C也是采用三芯護套電纜，紅色線接電源Vcc，黃色線接輸出OUT，黑色線接接地端GND。對其提供5V電源，將被測磁性物體轉換為計數脈沖信號輸出，適合檢測磁性材料的物體。工作距離8～11mm，輸出低電平不大于0.4V，計數響應頻率可達100kHz。

除以上所列，還可根據實際計數需要，選用其他能產生計數脈沖的傳感器。

3 計數器設計

3.1 計數器電路

計數器選用免備電掉電100年數據保持的QA640253C-E計數器，它是28引腳的雙列直插式封裝器件，其引腳如圖3所示。主要引腳功能如下：

a. SLK，片外存儲芯片QZC01A時鐘端。

b. CP，計數器外計數脈沖輸入端，下沿計數，輸入端口具有施密特整形電路；最高計數頻率2.5kHz，最小正、負脈寬0.2ms。

c. RSB，計數器清零鍵，下沿有效，無論在何種狀態中持續按住該鍵3s以上則計數器清零。

d. RR/S，啟動計數，下沿有效，保持高電平或低電平不變則不起作用，初次上電時電路首先進入設定狀態，計數器全為零；設定完成后，按下“RR/S”鍵下沿使電路啟動；啟動后電路進入計數狀態，計數脈沖有效。

e. RC，輸入端，外接5kΩ電阻到Vcc。

f. PWR，片內上電復位電路外接阻容端，正常工作時應為高電平。

g. PWT，早期電源掉電測試輸入端。應使此處的電源時間常數小于Vcc處的電源時間常數至少200ms,以確保在掉電瞬間片外存儲器對計數器數據的可靠保存。

h. B0～B7，5位共陰LED數碼管位選輸出端，“1”電平有效。

i. a、b、c、d、e、g、f，5位共陰LED數碼管的段輸出端，“1”電平有效。

j. SDA，片外存儲芯片QZC01A數據端。

計數器外圍電路的設計如圖3相應電路所示，計數器的第1、3、4、5腳接地，第2腳接+5V直流穩壓電源Vcc。第8腳與電阻R3、按鈕開關S1構成計數器的復位清零電路。第25腳與電阻R4、按鈕開關S2構成計數器的初次啟動電路。第27腳串聯電阻R5后接+5V直流穩壓電源Vcc。第28腳與電阻R6、R7、R8、三極管Q6構成計數器的復位電壓控制電路。

圖3 計數器總電路

3.2 存儲器

QZC01A存儲器是8引腳雙列直插式封裝，其引腳如圖3所示。QZC01A存儲器與QA640253C-E計數器配套應用，在計數器掉電后，無需備用電源，由片外存儲芯片QZC01A保持數據，并且上電時電路從原計數狀態繼續工作。其中，引腳SLK為片外存儲芯片QZC01A的時鐘端；SDA為片外存儲芯片QZC01A的數據端。

存儲器外圍電路的設計如圖3相應電路所示，存儲器的第1、2、3、4、7腳接地，第8腳接+5V直流穩壓電源Vcc，第6腳接計數器的第6腳，第5腳與電阻R9、R10構成存儲器數據端電路。

3.3 電源電路

直流穩壓電源電路由電源變壓器、整流濾波電路及穩壓電路等組成，如圖3相應電路所示。電源電路設計[2]主要將220V的交流電壓轉換為+5V的直流電壓Vcc，分別給光電傳感器(或霍爾傳感器、或電渦流傳感器)、計數器QA640253C-E和存儲器QZC01A提供工作電源；5端接計數器PWT端，并且使5端處的電源時間常數至少小于Vcc處的電源時間常數200ms，以確保在掉電瞬間計數器數據對片外存儲器的可靠保存。

3.4 顯示電路

顯示電路的設計[3]如圖3相應電路所示，數碼管顯示電路由5個一位共陰極數碼管、5個9013NPN三極管、阻值為20kΩ電阻R和100Ω的電阻Ra組成。顯示單元采用動態顯示方式，把每個LED的a～g顯示段并聯到總線上，為提高數碼管的亮度，在位選線上加入了一個9013三極管驅動電路。整個顯示電路由QA640253C-E控制。

4 測試

通過實際制作和調試，獲取得如下結果：

a. 傳感器正常工作，將產品數轉換成對應的脈沖個數(傳感器輸出信號見表1)，脈沖信號送計數器QA640253C-E的CP端。

b. 電源電路具有兩路輸出，一路+5V直流電壓Vcc，給所有電路元器件提供工作電源；另一路(5端)接計數器PWT端，其電源時間常數比Vcc處的電源時間常數小200ms以上，使計數器具有免備電斷電保持計數數據和來電繼續計數的功能。

c. 顯示器的顯示范圍為0～99999，數字顯示。

表1 傳感器電路輸出信號測試(Vcc=5V)

5 結束語

筆者設計的多功能計數器，采用純硬件電子電路設計的方法，避免單片機編寫軟件的麻煩，突出顯示了集成電路設計的優點。該計數器主要由傳感器電路、計數器及外圍電路、存儲器及外圍電路、電源電路和顯示電路組成。該計數器電路簡單、工作穩定、性能可靠、使用方便、整體性能好，可用于生產流水線上多種產品或零部件的計數。對電路稍作改進，還可用于轉速和頻率測量，具有廣泛的工程實用價值。