數(shù)字電路在傳感器中的應(yīng)用

田澤正,田豐慶,薛海麗

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

光電傳感器在自動(dòng)計(jì)數(shù)、光電報(bào)警等方面應(yīng)用很廣泛,但本文介紹的智能光電傳感器不同于普通光電傳感器,它的不同點(diǎn)是：當(dāng)有人通過光電檢測點(diǎn)時(shí),它不僅能檢測出是否有人員通過,同時(shí)能辨別通過的人員是進(jìn)入的還是出去的.用該光電傳感器再配合相應(yīng)的計(jì)數(shù)器,通過顯示器即可顯示出：總共進(jìn)來多少人,出去了多少人,現(xiàn)在還剩多少人.因此它可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)記錄出入商場的人數(shù),便于商場的規(guī)化與營運(yùn)；用于自動(dòng)記錄展覽館和圖書館的人數(shù),便于進(jìn)出人員的統(tǒng)計(jì)；用于學(xué)校自動(dòng)記錄各個(gè)教室的學(xué)生人數(shù),便于學(xué)校教學(xué)管理等等.

1 電路組成

本文電路主要由直流穩(wěn)壓電源、光電傳感器電路及計(jì)數(shù)器電路等組成.光電傳感器主要由紅外光信號(hào)發(fā)射電路、光電檢測及進(jìn)出鑒別電路等組成.

1.1 直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、橋式整流器、濾波電容器及三端穩(wěn)壓器等組成,其作用是為信號(hào)發(fā)射及信號(hào)檢測等電路提供穩(wěn)定的直流電源.

1.2 紅外光信號(hào)發(fā)射電路

紅外光信號(hào)發(fā)射電路如圖1所示,主要由電阻R1～R4、電容器C1、二極管D1、D2、紅外線發(fā)射二極管DL1及定時(shí)器電路555等組成.

圖1 紅外發(fā)射電路

2.3 光電檢測及進(jìn)出鑒別電路

光電傳感器的設(shè)置如圖2所示.

圖2 光電傳感器設(shè)置

光電檢測及進(jìn)出鑒別電路如圖3所示,主要由光電二極管DL2、DL3、電阻R5～R10、電容器C2～C3、電壓比較器U2（LM393）、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路U3（CC4518）等組成.

圖3 信號(hào)檢測及進(jìn)出鑒別電路

LM393是一個(gè)雙電壓比較器電路,電路中兩比較器的反相輸入端2腳與6腳連接在一起,接一個(gè)固定電壓,兩同相輸入端分別連接兩個(gè)光電二極管,兩比較器的輸出端1腳與7腳分別與計(jì)數(shù)器U3A與U3B的計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入CLK及復(fù)位端R相連接.

CC4518是一個(gè)雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路,其中CLK為計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端、R為復(fù)位端、EN為計(jì)數(shù)允許控制端、Q0～Q3為BCD碼輸出端.

2.4 計(jì)數(shù)器電路

圖4所示的應(yīng)用電路主要由十進(jìn)制加、減計(jì)數(shù)器CC40110及數(shù)碼管等組成.

3 工作過程

3.1 紅外光信號(hào)發(fā)射電路工作過程

紅外光信號(hào)發(fā)射電路的作用是發(fā)射光電檢測電路需要的紅外光信號(hào).

圖1是一個(gè)由時(shí)基電路555組成的振蕩器,為了節(jié)約電能,電路組成窄脈沖發(fā)生器,R2、R3分別選不同的阻值,可改變占空比,如圖（1）中數(shù)值,占空比約10%.改變C1的數(shù)值,可改變振蕩頻率,如圖中數(shù)值,振蕩頻率約為560Hz.電路輸出端通過R4驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射二極管DL1,使其發(fā)出紅外脈沖信號(hào),供光電檢測電路使用.

3.2 光電檢測及進(jìn)出鑒別電路工作過程

光電檢測及進(jìn)出鑒別電路的作用是檢測及鑒別是否有人進(jìn)出,當(dāng)進(jìn)來一個(gè)人時(shí)電路中A點(diǎn)輸出一個(gè)高電平脈沖,當(dāng)出去一個(gè)人時(shí)電路中B點(diǎn)輸出一個(gè)高電平脈沖.后面的幾個(gè)計(jì)數(shù)器電路分別記錄總共進(jìn)來多少人,總共出去多少人,現(xiàn)在還剩多少人.

圖2中,光電二極管DL2、DL3放在進(jìn)出通道的一側(cè),紅外線發(fā)射二極管DL1放在進(jìn)出通道的另一側(cè),并且正對(duì)DL2、DL3,兩個(gè)光電二極管緊挨在一塊,這樣不僅可縮小體積,同時(shí)發(fā)射二極管只用一個(gè)即可.

當(dāng)無人走過信號(hào)檢測區(qū)的進(jìn)出通道時(shí),DL1發(fā)出的紅外線同時(shí)照射在DL2與DL3上,DL2與DL3內(nèi)阻減小,雖然DL1發(fā)射的是脈沖光,但由于R5與C2及R6與C3的時(shí)間常數(shù)較大,因此U2A的3腳與U2B的5腳電平均高于2腳與6腳電平,故U2A的輸出端1腳與U2B的輸出端7腳也為高電平.U2A的1腳與U3A的時(shí)鐘端1腳及U3B的復(fù)位端15腳相連,此時(shí)由于15腳為高電平（復(fù)位狀態(tài)）,故U3B輸出端均為低電平,B點(diǎn)也為低電平；U3A的7腳與U3B的9腳相連,此時(shí)為高電平,因此U3A輸出端均為低電平,A點(diǎn)也為低電平.此時(shí)計(jì)數(shù)器U3輸出端A點(diǎn)與B點(diǎn)均無輸出.

當(dāng)有人走過信號(hào)檢測區(qū)的通道時(shí),方向如圖中箭頭所示,身體首先擋住DL1照射到DL2上的光線,此時(shí)U2A的3腳電平低于其2腳電平,U2A輸出端1腳變?yōu)榈碗娖?與其相連的U3B的15腳由原來的復(fù)位狀態(tài)變?yōu)橛?jì)數(shù)狀態(tài),此時(shí)U3B的9腳如果輸入一個(gè)高電平脈沖,其輸出端計(jì)一個(gè)數(shù),即B點(diǎn)即輸出高電平.當(dāng)繼續(xù)前進(jìn),此時(shí)人體同進(jìn)擋住DL1照射到DL2與DL3的紅外光線,U2B的5腳電平低于其6腳電平,U2B的7腳也變?yōu)榈碗娖?與其相連的U3A的7腳由原來的復(fù)位狀態(tài)變成計(jì)數(shù)狀態(tài),此時(shí)如果U3A的1腳輸入一個(gè)高電平脈沖,其輸出端即可計(jì)一個(gè)數(shù),即A點(diǎn)輸出高電平.繼續(xù)前進(jìn),人體首先離開DL1照射到DL2上的紅外光線,U2A的3腳變成高電平,其1腳也變?yōu)楦唠娖?由于U3A的7腳此時(shí)仍為低電平,其時(shí)鐘輸入端1腳輸入1個(gè)高電平,其輸出端計(jì)一個(gè)數(shù),即A點(diǎn)變成高電平.當(dāng)人繼續(xù)前進(jìn),離開光電檢測區(qū),即DL1發(fā)出的紅外光又同時(shí)照射到DL2與DL3上時(shí),計(jì)數(shù)器U3A與U3B均處于復(fù)位狀態(tài),輸出端全為低電平,A點(diǎn)的高電平也消失.這樣,每當(dāng)有人走過信號(hào)檢測區(qū),進(jìn)入時(shí),A點(diǎn)輸出一個(gè)高電平脈沖,出去時(shí),B點(diǎn)輸出一個(gè)高電平脈沖.出去時(shí)的工作過程讀者可自行分析.

3.3 應(yīng)用電路舉例

單門計(jì)數(shù)器電路可選用十進(jìn)制加、減計(jì)數(shù)器CC40110,其管腳CPU端為計(jì)數(shù)加時(shí)鐘輸入端、CPD為計(jì)數(shù)減輸入端、CR為復(fù)位端、CT為計(jì)數(shù)允許控制端、LE為鎖存器預(yù)置端、a～g為七段碼輸出端,BO為借位輸出端、CO為進(jìn)位輸出端.

圖4是一個(gè)三位計(jì)數(shù)器電路.將圖4中的A點(diǎn)與圖3中的A點(diǎn)相連接,將圖4中的B點(diǎn)與圖3中的B點(diǎn)相連接,這樣每當(dāng)信號(hào)檢測區(qū)進(jìn)入一個(gè)人時(shí),A點(diǎn)輸出一個(gè)高電平脈沖,計(jì)數(shù)器加一個(gè)數(shù),每出去一個(gè)人時(shí),B點(diǎn)輸出一個(gè)高電平脈沖,計(jì)數(shù)器減去一個(gè)數(shù),因此圖4計(jì)數(shù)器顯示的是進(jìn)入的人數(shù)減去出去的人數(shù),即現(xiàn)在有多少人.

如果想記錄總共進(jìn)入多少人,可再增加一個(gè)圖4所示計(jì)數(shù)器電路,其中A點(diǎn)與圖3中的A點(diǎn)連接,這樣每進(jìn)入一個(gè)人,計(jì)數(shù)器加一個(gè)數(shù),由于B點(diǎn)未連接,該計(jì)數(shù)器只加不減,因此新增設(shè)的這個(gè)計(jì)數(shù)器,記錄的人數(shù)即為進(jìn)入的總?cè)藬?shù).

同理,如果想記錄總共出去多少人,可再增加一個(gè)圖4所示計(jì)數(shù)器電路,其中B點(diǎn)與圖3中的B點(diǎn)連接,這樣每出去一個(gè)人,計(jì)數(shù)器加一個(gè)數(shù),該計(jì)數(shù)器也是只加不減,因此這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的人數(shù)即為出去的總?cè)藬?shù).

圖4 單門計(jì)數(shù)器電路

以上分析的是現(xiàn)場只有一個(gè)門的情況,如果現(xiàn)場有兩個(gè)門或三個(gè)門,那么每個(gè)門都要設(shè)置如圖1與圖3所示的發(fā)射與接收裝置,再用計(jì)數(shù)器分別記錄各個(gè)門的人員進(jìn)出數(shù)據(jù),然后可將各個(gè)門記錄的數(shù)據(jù)用加法器電路相加后再由數(shù)碼管顯示出來.

4 小結(jié)

該光電傳感器,不管進(jìn)出人員速度快慢,均可準(zhǔn)確無誤檢測計(jì)數(shù),但如果兩人同時(shí)進(jìn)出,則造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤,因此光電檢測通道不能太寬,以免造成計(jì)數(shù)誤差.光電發(fā)射管與光電接收管必須對(duì)應(yīng)安裝,并且安裝位置不可過高或過低,以保證每經(jīng)過一個(gè)人只計(jì)一個(gè)數(shù).

[1]陳貴燦.CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,2002.

[2]張著.數(shù)字設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社,2001.

[3]馬俊興.數(shù)字電子技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社,2005.

[4]張輝宜.數(shù)字邏輯［M］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2005.