光控計數(shù)器的設計.doc

鄭州科技學院數(shù)字電子技術課程設計題 目 光控計數(shù)器的設計 學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 （系） 信息工程學院 指導教師 完成時間 2013年11月29日 目 錄1 課程設計的目的12 課程設計的任務與要求13 設計方案14 設計原理及功能說明24.1 工作原理24.2 功能說明25 單元電路的設計65.1 光控電路部分65.2 脈沖整形部分65.3 加減信號產(chǎn)生部分75.4 計數(shù)及數(shù)碼管顯示部分86 硬件的調試97 總結9參考文獻10附錄1：原理圖12附錄2：元器件清單13附錄3：實物圖141 課程設計的目的(1) 熟悉邏輯門電路、集成芯片和555定時器等器件的內(nèi)部結構和功能，合理運用其內(nèi)部及其功能，完成相應的設計工作。 (2) 學會使用電路仿真軟件如：Mutisim。 (3) 能夠對電子電路、印刷電路板、電子元器件等一些相關與電子和焊接等方面的知識有進一步的認識，并獨立對其進行測試與檢查。(4) 這次試驗對焊接技術、排錯調試、以及相關設備的使用等方面的得到了比較全面的鍛煉和提高。并進一步鞏固了在課堂上學習的理論知識。2 課程設計的任務與要求基本功能：(1) 使用邏輯門電路、集成芯片及555定時器等器件完成光控計數(shù)器的設計；(2) 使用光敏元件采集信息，通過調整進行計數(shù)；(3) 采用2位數(shù)碼管進行計數(shù)，計數(shù)范圍在0-99，可進行復位。擴展功能：對進出加以區(qū)分，進入時計數(shù)器進行加，出去時計數(shù)器進行減。3 設計方案整個系統(tǒng)由五個部分組成：光控電路、觸發(fā)脈沖、加減計數(shù)、顯示譯碼和數(shù)碼顯示，其系統(tǒng)整體框圖如下：圖3-1 系統(tǒng)整體框圖4 設計原理及功能說明4.1 工作原理首先由光控電路將接收的光信號轉換為電信號，經(jīng)由555定時器組成的施密特觸發(fā)器整形和555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)脈沖，輸出計數(shù)脈沖信號。再通過計數(shù)器和譯碼器，在數(shù)碼顯示管上顯示數(shù)目的增加或減少，實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。4.2 功能說明光電轉換電路：光電轉換電路用于將光信號轉換為系統(tǒng)所需的電信號。由于需要進行數(shù)目的加和減的運算，此部分需要兩個相同的光控電路。每個電路的組成為：一個發(fā)射管，一個接收管，同時還有一個370歐姆和一個5.1K歐姆的電阻。接通電源后，接收管接收到發(fā)射管射來的紅外光線。當有人通過兩個二極管間時，內(nèi)阻減小，集電極輸出低電平，送至施密特觸發(fā)器。時鐘脈沖產(chǎn)生電路：對于雙D觸發(fā)器所需要的1000Hz的脈沖，由于在本課題中電路對脈沖的精確度要求不是很高而晶體振蕩需要分頻，所以采用了555定時器構成的多諧振蕩器，使其產(chǎn)生需要的方波作為觸發(fā)器和計數(shù)器的CP脈沖。時序控制電路：時序控制電路在本課題中主要用于判斷計數(shù)的增加或是減少，在此選用了一個D觸發(fā)器、三個74LS00芯片來實現(xiàn)。設計思路如下：設初始狀態(tài)為0，由光控電路部分產(chǎn)生的兩列脈沖分別為A，B，設置計數(shù)器為增加狀態(tài)時，如圖4-1所示。圖4-1 增加狀態(tài)時序邏輯分析圖如上圖時序邏輯分析圖所示，可得真值表如表4-1所示： 表4-1 增加狀態(tài)時序控制電路真值表 A B Q（t） Q（t+1） Z 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 01 0 1 1 01 1 1 1 1 得卡諾圖如圖4-2所示：AB Q0001111001111 圖4-2 增加狀態(tài)時序控制電路卡諾圖因此，得 Q（t+1）=AB+AQ (4-1) =（AB）（AQ） (4-2)Z=ABQ（t） (4-3)同理：設置計數(shù)器為減少狀態(tài)時，其時序邏輯分析圖如圖4-3所示。圖4-3 減少狀態(tài)時序邏輯分析圖如上圖時序邏輯分析圖所示，可得真值表如表4-2：表4-2 減少狀態(tài)時序控制電路真值表A B Q（t） Q（t+1） Z0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 00 0 1 0 00 1 1 1 01 0 1 0 01 1 1 1 1得卡諾圖如圖4-4所示：AB Q0001111001111 圖4-4 減少狀態(tài)時序控制電路卡諾圖所以： Q（t+1）= BA+BQ (4-4) =（BA）（BQ） (4-5) Z=ABQ（t） (4-6) 計數(shù)和譯碼和顯示部分：計數(shù)和譯碼由兩個計數(shù)器、兩個譯碼器和兩個數(shù)碼管來完成，用于接收計數(shù)脈沖信號并將其轉化成單獨的信號輸出并顯示。在本課題中選用了74LS192加減計數(shù)器、74LS47和共陽極LED數(shù)碼顯示管。5 單元電路的設計5.1 光控電路部分如圖5-1，采用兩個開關模擬兩個光電管對，平時保持高電平，當有人通過，遮住光路時，輸出低電平。在實際電路中，對于紅外發(fā)光二級管，正極接一個510歐姆的限流電阻后接電源，負極接地；對于紅外接收管，負極直接接電源，正極接一個3K歐姆的電阻后接地。脈沖信號從電阻上引出。圖5-1 光控電路部分電路圖5.2 脈沖整形部分用555芯片構成單穩(wěn)觸發(fā)器，每次觸發(fā)產(chǎn)生一個1s左右的方波脈沖（仿真時為10ms）。目的是將實際中可能不重合的脈沖信號變?yōu)橹睾系男盘枺瑫r，由于此觸發(fā)器不具有重觸發(fā)的功能，所以此電路還兼有消抖的功能。脈沖整形部分電路圖如圖5-2所示。圖5-2 脈沖整形部分電路圖5.3 加減信號產(chǎn)生部分此部分由一個D觸發(fā)器和一個由兩個與非門構成的基本RS觸發(fā)器及三個與非門構成。（如圖5-3）圖5-3 加減信號產(chǎn)生部分電路圖A、B分別為經(jīng)整形后的脈沖信號。與非門C的輸出作為計數(shù)器74LS192的減計數(shù)信號；與非門D的輸出作為計數(shù)器74LS192的加計數(shù)信號。5.4 計數(shù)及數(shù)碼管顯示部分計數(shù)及數(shù)碼管顯示部分電路圖如5-4所示。計數(shù)部分由兩片74LS192異步級聯(lián)而成。從低位的QA、QB端和高位的QB端經(jīng)與門引出異步清零信號，實現(xiàn)計數(shù)到28時+1回到00。實際中，與門由一個四輸入與非門74LS20和一個二輸入與非門74LS00構成，仿真中直接使用與門。從高位的QD端經(jīng)與非門引出異步置數(shù)信號，實現(xiàn)計數(shù)到00時-1回到99。開關的作用是手動清零功能，可以用一個復位開關實現(xiàn)（實際中是需要時用導線直接接電源），仿真中用一個單刀雙擲開關實現(xiàn)，并與異步清零信號經(jīng)過或門接到74LS192的清零端。顯示部分由兩個共陽數(shù)碼管和與其相配的譯碼器74LS47構成，限流電阻為300歐。 圖5-4 計數(shù)及數(shù)碼管顯示部分電路圖6 硬件的調試在實際電路搭建中，出現(xiàn)的問題主要有三個。其一，低位的74LS192的地線未接，導致計數(shù)產(chǎn)生混亂。其二，加計數(shù)時會在基本RS觸發(fā)器的B信號的輸入端產(chǎn)生了一個毛刺，產(chǎn)生的原因未知，解決方法是加一個較大的吸收電容，電容為1uF，小電容不能吸收干凈。其三，由于是兩片計數(shù)器是異步級聯(lián)，所以在計數(shù)到20后-1會產(chǎn)生一個瞬間的29信號，此信號會是計數(shù)器清零，解決方法是在清零信號端加一個大電容（10uF），吸收這個瞬間的清零信號。7 總結兩周的數(shù)電課程設計，印象最深的是要設計一個成功的電路，必須要有一個好的設計。設計思路是最重要的，只要設計思路是成功的，那設計已經(jīng)成功了一半。其次還要有耐心，要有堅持的毅力。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細節(jié)設計和檢測上，如CP脈沖的供給通斷，計數(shù)器的進位連接等。在整個過程中，我深刻的體會到在設計過程中，需要反復實踐，其過程很可能相當煩瑣，有時花很長時間設計出來的電路還是需要重做，那時心中未免有點灰心，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心，查找原因。此外，團隊精神和老師的指導對本次課題的完成也是相當重要，在此對我的合作伙伴和指導老師表示感謝?？傮w來說，這次課程設計受益匪淺。在摸索該如何設計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了設計思維，增加了實際操作能力。在體會到了設計電路的艱辛的同時，更體會到成功的喜悅和快樂心得體會。參考文獻1 閻石. 數(shù)字電子技術基礎（第五版）M. 高等教育出版社,20062 謝佳奎. 電子線路（線性部分）（第四版）M. 高等教育出版社,19993 謝自美. 電子線路設計實驗測試 （第三版）M. 華中科技大學出版社,20064