邱海峰 時(shí) 強(qiáng) 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(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610500)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度越來越高，生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要對(duì)生產(chǎn)流水線上的產(chǎn)品或零部件進(jìn)行計(jì)數(shù)，傳統(tǒng)的人工計(jì)數(shù)方法不僅容易漏計(jì)、錯(cuò)計(jì)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率較低。一般的計(jì)數(shù)器裝置雖然可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)，但通用性差，且不具備斷電保存數(shù)據(jù)的功能。筆者設(shè)計(jì)的多功能計(jì)數(shù)器針對(duì)不同產(chǎn)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?jǐn)?shù)據(jù)功能的QA640253C-E計(jì)數(shù)器芯片，提高了計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。

1 多功能計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方案①

多功能計(jì)數(shù)器以QA640253C-E計(jì)數(shù)器芯片為核心，針對(duì)生產(chǎn)流水線上不同產(chǎn)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(shù)量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)整形電路整形后送入計(jì)數(shù)器，最后由計(jì)數(shù)單元處理后通過5位LED共陰極數(shù)碼管進(jìn)行計(jì)數(shù)值顯示和存儲(chǔ)(圖1)。該計(jì)數(shù)器由單獨(dú)設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電路供電，配合存儲(chǔ)芯片QZC01A，無需備用電源，具有掉電計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)保持、來電繼續(xù)計(jì)數(shù)的功能，保證計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，有效地提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

圖1 多功能計(jì)數(shù)器的組成框圖

2 傳感器選用和設(shè)計(jì)

根據(jù)不同物體的特性，設(shè)置多種傳感器，實(shí)現(xiàn)被計(jì)數(shù)物體的計(jì)數(shù)脈沖轉(zhuǎn)換[1]。

2.1 光電傳感器

光電傳感器一般由光源、光路和光學(xué)元件、光電元件3部分組成，光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快及非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣。

ST168為單電源反射式紅外光電傳感器，內(nèi)含一個(gè)紅外發(fā)光二極管，一個(gè)光敏三極管(用來接收反射回來的紅外光)。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)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(shí)，光敏三極管導(dǎo)通；當(dāng)光敏三極管接收到的反射紅外信號(hào)微弱時(shí)，光敏三極管截止。其結(jié)構(gòu)及其電路如圖2所示。

圖2 光電傳感器ST168的結(jié)構(gòu)及其電路

光電傳感器的K、E腳接地，A腳串聯(lián)330Ω的電阻R1接+5V直流穩(wěn)壓電源Vcc的正極，C腳串聯(lián)20kΩ的電阻R2也接電源Vcc的正極，輸出信號(hào)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(cè)具有光反射性能的物體。當(dāng)被測(cè)物體經(jīng)過ST168時(shí)，紅外光在被測(cè)物體表面發(fā)生發(fā)射，光敏三極管導(dǎo)通，電路輸出端C輸出低電平(約0.3V)；當(dāng)沒有被測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，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(hào)滿足計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖電平要求。電路輸出脈沖信號(hào)輸入到計(jì)數(shù)芯片QA640253C-E的輸入端CP，計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，從而得到通過光電傳感器ST168的物體的個(gè)數(shù)。光電傳感器ST168的檢測(cè)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(tài)或動(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離，它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體(金屬導(dǎo)體)與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化。電渦流傳感器LJ12A3-4-Z/BX 的主要特點(diǎn)：

a. 靈敏度高、頻率響應(yīng)快、重復(fù)定位精度高、瞬變過程短、輸出功率大、機(jī)電特性好、工作穩(wěn)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(tài)；

c. 經(jīng)濟(jì)且操作簡(jiǎn)單；

d. 運(yùn)用廣泛，可替換小型開關(guān)和限位開關(guān)。

電渦流傳感器LJ12A3-4-Z/BX采用三芯護(hù)套電纜，棕色線接電源Vcc，黑色線接輸出OUT，藍(lán)色線接接地端GND，接線簡(jiǎn)單。對(duì)其提供5V電源，將被測(cè)導(dǎo)電物體轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)輸出，適合檢測(cè)導(dǎo)電材料的物體。工作距離4mm，輸出電壓0～Vcc，計(jì)數(shù)響應(yīng)頻率可達(dá)200Hz。

2.3 霍爾傳感器

霍爾傳感器H-JK8002C是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的新型集成自動(dòng)開關(guān)器件。JK系列按工作狀態(tài)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(yōu)點(diǎn)是：響應(yīng)頻率高、重復(fù)定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、多種保護(hù)功能，有工作狀態(tài)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(hù)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(duì)其提供5V電源，將被測(cè)磁性物體轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)輸出，適合檢測(cè)磁性材料的物體。工作距離8～11mm，輸出低電平不大于0.4V，計(jì)數(shù)響應(yīng)頻率可達(dá)100kHz。

除以上所列，還可根據(jù)實(shí)際計(jì)數(shù)需要，選用其他能產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的傳感器。

3 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)數(shù)器電路

計(jì)數(shù)器選用免備電掉電100年數(shù)據(jù)保持的QA640253C-E計(jì)數(shù)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(chǔ)芯片QZC01A時(shí)鐘端。

b. CP，計(jì)數(shù)器外計(jì)數(shù)脈沖輸入端，下沿計(jì)數(shù)，輸入端口具有施密特整形電路；最高計(jì)數(shù)頻率2.5kHz，最小正、負(fù)脈寬0.2ms。

c. RSB，計(jì)數(shù)器清零鍵，下沿有效，無論在何種狀態(tài)中持續(xù)按住該鍵3s以上則計(jì)數(shù)器清零。

d. RR/S，啟動(dòng)計(jì)數(shù)，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(shí)電路首先進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)，計(jì)數(shù)器全為零；設(shè)定完成后，按下“RR/S”鍵下沿使電路啟動(dòng)；啟動(dòng)后電路進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)，計(jì)數(shù)脈沖有效。

e. RC，輸入端，外接5kΩ電阻到Vcc。

f. PWR，片內(nèi)上電復(fù)位電路外接阻容端，正常工作時(shí)應(yīng)為高電平。

g. PWT，早期電源掉電測(cè)試輸入端。應(yīng)使此處的電源時(shí)間常數(shù)小于Vcc處的電源時(shí)間常數(shù)至少200ms,以確保在掉電瞬間片外存儲(chǔ)器對(duì)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的可靠保存。

h. B0～B7，5位共陰LED數(shù)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(shù)碼管的段輸出端，“1”電平有效。

j. SDA，片外存儲(chǔ)芯片QZC01A數(shù)據(jù)端。

計(jì)數(shù)器外圍電路的設(shè)計(jì)如圖3相應(yīng)電路所示，計(jì)數(shù)器的第1、3、4、5腳接地，第2腳接+5V直流穩(wěn)壓電源Vcc。第8腳與電阻R3、按鈕開關(guān)S1構(gòu)成計(jì)數(shù)器的復(fù)位清零電路。第25腳與電阻R4、按鈕開關(guān)S2構(gòu)成計(jì)數(shù)器的初次啟動(dòng)電路。第27腳串聯(lián)電阻R5后接+5V直流穩(wěn)壓電源Vcc。第28腳與電阻R6、R7、R8、三極管Q6構(gòu)成計(jì)數(shù)器的復(fù)位電壓控制電路。

圖3 計(jì)數(shù)器總電路

3.2 存儲(chǔ)器

QZC01A存儲(chǔ)器是8引腳雙列直插式封裝，其引腳如圖3所示。QZC01A存儲(chǔ)器與QA640253C-E計(jì)數(shù)器配套應(yīng)用，在計(jì)數(shù)器掉電后，無需備用電源，由片外存儲(chǔ)芯片QZC01A保持?jǐn)?shù)據(jù)，并且上電時(shí)電路從原計(jì)數(shù)狀態(tài)繼續(xù)工作。其中，引腳SLK為片外存儲(chǔ)芯片QZC01A的時(shí)鐘端；SDA為片外存儲(chǔ)芯片QZC01A的數(shù)據(jù)端。

存儲(chǔ)器外圍電路的設(shè)計(jì)如圖3相應(yīng)電路所示，存儲(chǔ)器的第1、2、3、4、7腳接地，第8腳接+5V直流穩(wěn)壓電源Vcc，第6腳接計(jì)數(shù)器的第6腳，第5腳與電阻R9、R10構(gòu)成存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)端電路。

3.3 電源電路

直流穩(wěn)壓電源電路由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路等組成，如圖3相應(yīng)電路所示。電源電路設(shè)計(jì)[2]主要將220V的交流電壓轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)器QA640253C-E和存儲(chǔ)器QZC01A提供工作電源；5端接計(jì)數(shù)器PWT端，并且使5端處的電源時(shí)間常數(shù)至少小于Vcc處的電源時(shí)間常數(shù)200ms，以確保在掉電瞬間計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)對(duì)片外存儲(chǔ)器的可靠保存。

3.4 顯示電路

顯示電路的設(shè)計(jì)[3]如圖3相應(yīng)電路所示，數(shù)碼管顯示電路由5個(gè)一位共陰極數(shù)碼管、5個(gè)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(dòng)態(tài)顯示方式，把每個(gè)LED的a～g顯示段并聯(lián)到總線上，為提高數(shù)碼管的亮度，在位選線上加入了一個(gè)9013三極管驅(qū)動(dòng)電路。整個(gè)顯示電路由QA640253C-E控制。

4 測(cè)試

通過實(shí)際制作和調(diào)試，獲取得如下結(jié)果：

a. 傳感器正常工作，將產(chǎn)品數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)(傳感器輸出信號(hào)見表1)，脈沖信號(hào)送計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器PWT端，其電源時(shí)間常數(shù)比Vcc處的電源時(shí)間常數(shù)小200ms以上，使計(jì)數(shù)器具有免備電斷電保持計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)和來電繼續(xù)計(jì)數(shù)的功能。

c. 顯示器的顯示范圍為0～99999，數(shù)字顯示。

表1 傳感器電路輸出信號(hào)測(cè)試(Vcc=5V)

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的多功能計(jì)數(shù)器，采用純硬件電子電路設(shè)計(jì)的方法，避免單片機(jī)編寫軟件的麻煩，突出顯示了集成電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。該計(jì)數(shù)器主要由傳感器電路、計(jì)數(shù)器及外圍電路、存儲(chǔ)器及外圍電路、電源電路和顯示電路組成。該計(jì)數(shù)器電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、性能可靠、使用方便、整體性能好，可用于生產(chǎn)流水線上多種產(chǎn)品或零部件的計(jì)數(shù)。對(duì)電路稍作改進(jìn)，還可用于轉(zhuǎn)速和頻率測(cè)量，具有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值。