多功能计数器的设计

邱海峰 时 强 孔祥敏 赵 毅 何道清

(1. 中石化西北油田分公司，乌鲁木齐 830001；2. 西南石油大学电气信息学院，成都 610500)

随着科学技术的发展，工业生产过程的自动化程度越来越高，生产过程中经常需要对生产流水线上的产品或零部件进行计数，传统的人工计数方法不仅容易漏计、错计，而且劳动强度大、效率较低。一般的计数器装置虽然可以对产品进行自动计数，但通用性差，且不具备断电保存数据的功能。笔者设计的多功能计数器针对不同产品或零部件特性选用多种不同的传感器，并选用具有免备电/掉电保持数据功能的QA640253C-E计数器芯片，提高了计数器计数数据的准确性、可靠性和生产自动化水平。

1 多功能计数器的设计方案①

多功能计数器以QA640253C-E计数器芯片为核心，针对生产流水线上不同产品或零部件特性分别选用光电传感器ST168、电涡流传感器LJ12A3-4-Z/BX、霍尔传感器H-JK8002C，将物体数量转换为脉冲信号，经整形电路整形后送入计数器，最后由计数单元处理后通过5位LED共阴极数码管进行计数值显示和存储(图1)。该计数器由单独设计的直流稳压电路供电，配合存储芯片QZC01A，无需备用电源，具有掉电计数器数据保持、来电继续计数的功能，保证计数的准确性和可靠性，有效地提高了工业生产的自动化水平。

图1 多功能计数器的组成框图

2 传感器选用和设计

根据不同物体的特性，设置多种传感器，实现被计数物体的计数脉冲转换[1]。

2.1 光电传感器

光电传感器一般由光源、光路和光学元件、光电元件3部分组成，光电元件将光信号转换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快及非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。

ST168为单电源反射式红外光电传感器，内含一个红外发光二极管，一个光敏三极管(用来接收反射回来的红外光)。当发光二极管发出的红外光大部分被反射体反射回来，照射到光敏三极管接收端时，光敏三极管导通；当光敏三极管接收到的反射红外信号微弱时，光敏三极管截止。其结构及其电路如图2所示。

图2 光电传感器ST168的结构及其电路

光电传感器的K、E脚接地，A脚串联330Ω的电阻R1接+5V直流稳压电源Vcc的正极，C脚串联20kΩ的电阻R2也接电源Vcc的正极，输出信号从C脚引出。电阻R1起限流作用，电阻R2起限流和确定输出电平高低的作用。

ST168光电传感器适于检测具有光反射性能的物体。当被测物体经过ST168时，红外光在被测物体表面发生发射，光敏三极管导通，电路输出端C输出低电平(约0.3V)；当没有被测物体经过时，光敏三极管基本接收不到红外光，光敏三极管截止，电路输出端C输出高电平(约2.8V)；输出信号满足计数器计数脉冲电平要求。电路输出脉冲信号输入到计数芯片QA640253C-E的输入端CP，计数器对脉冲信号计数，从而得到通过光电传感器ST168的物体的个数。光电传感器ST168的检测距离5～10mm。

2.2 电涡流传感器

电涡流传感器LJ12A3-4-Z/BX能静态或动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离，它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器LJ12A3-4-Z/BX 的主要特点：

a. 灵敏度高、频率响应快、重复定位精度高、瞬变过程短、输出功率大、机电特性好、工作稳定可靠及使用寿命长等；

b. 红色LED显示可以检查传感器的状态；

c. 经济且操作简单；

d. 运用广泛，可替换小型开关和限位开关。

电涡流传感器LJ12A3-4-Z/BX采用三芯护套电缆，棕色线接电源Vcc，黑色线接输出OUT，蓝色线接接地端GND，接线简单。对其提供5V电源，将被测导电物体转换为计数脉冲信号输出，适合检测导电材料的物体。工作距离4mm，输出电压0～Vcc，计数响应频率可达200Hz。

2.3 霍尔传感器

霍尔传感器H-JK8002C是根据霍尔效应原理制成的新型集成自动开关器件。JK系列按工作状态分为3类：JK-常开型、JB-常闭型和JZ-自锁型。H-JK8002C是常开型，其输出极性为NPN型。它的主要优点是：响应频率高、重复定位精度高、抗干扰能力强、多种保护功能，有工作状态指示灯、可以和编程控制器(PC)直接接口、可靠性高、使用寿命长。

霍尔传感器H-JK8002C也是采用三芯护套电缆，红色线接电源Vcc，黄色线接输出OUT，黑色线接接地端GND。对其提供5V电源，将被测磁性物体转换为计数脉冲信号输出，适合检测磁性材料的物体。工作距离8～11mm，输出低电平不大于0.4V，计数响应频率可达100kHz。

除以上所列，还可根据实际计数需要，选用其他能产生计数脉冲的传感器。

3 计数器设计

3.1 计数器电路

计数器选用免备电掉电100年数据保持的QA640253C-E计数器，它是28引脚的双列直插式封装器件，其引脚如图3所示。主要引脚功能如下：

a. SLK，片外存储芯片QZC01A时钟端。

b. CP，计数器外计数脉冲输入端，下沿计数，输入端口具有施密特整形电路；最高计数频率2.5kHz，最小正、负脉宽0.2ms。

c. RSB，计数器清零键，下沿有效，无论在何种状态中持续按住该键3s以上则计数器清零。

d. RR/S，启动计数，下沿有效，保持高电平或低电平不变则不起作用，初次上电时电路首先进入设定状态，计数器全为零；设定完成后，按下“RR/S”键下沿使电路启动；启动后电路进入计数状态，计数脉冲有效。

e. RC，输入端，外接5kΩ电阻到Vcc。

f. PWR，片内上电复位电路外接阻容端，正常工作时应为高电平。

g. PWT，早期电源掉电测试输入端。应使此处的电源时间常数小于Vcc处的电源时间常数至少200ms,以确保在掉电瞬间片外存储器对计数器数据的可靠保存。

h. B0～B7，5位共阴LED数码管位选输出端，“1”电平有效。

i. a、b、c、d、e、g、f，5位共阴LED数码管的段输出端，“1”电平有效。

j. SDA，片外存储芯片QZC01A数据端。

计数器外围电路的设计如图3相应电路所示，计数器的第1、3、4、5脚接地，第2脚接+5V直流稳压电源Vcc。第8脚与电阻R3、按钮开关S1构成计数器的复位清零电路。第25脚与电阻R4、按钮开关S2构成计数器的初次启动电路。第27脚串联电阻R5后接+5V直流稳压电源Vcc。第28脚与电阻R6、R7、R8、三极管Q6构成计数器的复位电压控制电路。

图3 计数器总电路

3.2 存储器

QZC01A存储器是8引脚双列直插式封装，其引脚如图3所示。QZC01A存储器与QA640253C-E计数器配套应用，在计数器掉电后，无需备用电源，由片外存储芯片QZC01A保持数据，并且上电时电路从原计数状态继续工作。其中，引脚SLK为片外存储芯片QZC01A的时钟端；SDA为片外存储芯片QZC01A的数据端。

存储器外围电路的设计如图3相应电路所示，存储器的第1、2、3、4、7脚接地，第8脚接+5V直流稳压电源Vcc，第6脚接计数器的第6脚，第5脚与电阻R9、R10构成存储器数据端电路。

3.3 电源电路

直流稳压电源电路由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路等组成，如图3相应电路所示。电源电路设计[2]主要将220V的交流电压转换为+5V的直流电压Vcc，分别给光电传感器(或霍尔传感器、或电涡流传感器)、计数器QA640253C-E和存储器QZC01A提供工作电源；5端接计数器PWT端，并且使5端处的电源时间常数至少小于Vcc处的电源时间常数200ms，以确保在掉电瞬间计数器数据对片外存储器的可靠保存。

3.4 显示电路

显示电路的设计[3]如图3相应电路所示，数码管显示电路由5个一位共阴极数码管、5个9013NPN三极管、阻值为20kΩ电阻R和100Ω的电阻Ra组成。显示单元采用动态显示方式，把每个LED的a～g显示段并联到总线上，为提高数码管的亮度，在位选线上加入了一个9013三极管驱动电路。整个显示电路由QA640253C-E控制。

4 测试

通过实际制作和调试，获取得如下结果：

a. 传感器正常工作，将产品数转换成对应的脉冲个数(传感器输出信号见表1)，脉冲信号送计数器QA640253C-E的CP端。

b. 电源电路具有两路输出，一路+5V直流电压Vcc，给所有电路元器件提供工作电源；另一路(5端)接计数器PWT端，其电源时间常数比Vcc处的电源时间常数小200ms以上，使计数器具有免备电断电保持计数数据和来电继续计数的功能。

c. 显示器的显示范围为0～99999，数字显示。

表1 传感器电路输出信号测试(Vcc=5V)

5 结束语

笔者设计的多功能计数器，采用纯硬件电子电路设计的方法，避免单片机编写软件的麻烦，突出显示了集成电路设计的优点。该计数器主要由传感器电路、计数器及外围电路、存储器及外围电路、电源电路和显示电路组成。该计数器电路简单、工作稳定、性能可靠、使用方便、整体性能好，可用于生产流水线上多种产品或零部件的计数。对电路稍作改进，还可用于转速和频率测量，具有广泛的工程实用价值。