光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì).doc

鄭州科技學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目 光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 院 （系） 信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2013年11月29日 目 錄1 課程設(shè)計(jì)的目的12 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求13 設(shè)計(jì)方案14 設(shè)計(jì)原理及功能說(shuō)明24.1 工作原理24.2 功能說(shuō)明25 單元電路的設(shè)計(jì)65.1 光控電路部分65.2 脈沖整形部分65.3 加減信號(hào)產(chǎn)生部分75.4 計(jì)數(shù)及數(shù)碼管顯示部分86 硬件的調(diào)試97 總結(jié)9參考文獻(xiàn)10附錄1：原理圖12附錄2：元器件清單13附錄3：實(shí)物圖141 課程設(shè)計(jì)的目的(1) 熟悉邏輯門電路、集成芯片和555定時(shí)器等器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，合理運(yùn)用其內(nèi)部及其功能，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作。 (2) 學(xué)會(huì)使用電路仿真軟件如：Mutisim。 (3) 能夠?qū)﹄娮与娐贰⒂∷㈦娐钒?、電子元器件等一些相關(guān)與電子和焊接等方面的知識(shí)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并獨(dú)立對(duì)其進(jìn)行測(cè)試與檢查。(4) 這次試驗(yàn)對(duì)焊接技術(shù)、排錯(cuò)調(diào)試、以及相關(guān)設(shè)備的使用等方面的得到了比較全面的鍛煉和提高。并進(jìn)一步鞏固了在課堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求基本功能：(1) 使用邏輯門電路、集成芯片及555定時(shí)器等器件完成光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)；(2) 使用光敏元件采集信息，通過(guò)調(diào)整進(jìn)行計(jì)數(shù)；(3) 采用2位數(shù)碼管進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)范圍在0-99，可進(jìn)行復(fù)位。擴(kuò)展功能：對(duì)進(jìn)出加以區(qū)分，進(jìn)入時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加，出去時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行減。3 設(shè)計(jì)方案整個(gè)系統(tǒng)由五個(gè)部分組成：光控電路、觸發(fā)脈沖、加減計(jì)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(shè)計(jì)原理及功能說(shuō)明4.1 工作原理首先由光控電路將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)由555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器整形和555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)脈沖，輸出計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。再通過(guò)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。4.2 功能說(shuō)明光電轉(zhuǎn)換電路：光電轉(zhuǎn)換電路用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電信號(hào)。由于需要進(jìn)行數(shù)目的加和減的運(yùn)算，此部分需要兩個(gè)相同的光控電路。每個(gè)電路的組成為：一個(gè)發(fā)射管，一個(gè)接收管，同時(shí)還有一個(gè)370歐姆和一個(gè)5.1K歐姆的電阻。接通電源后，接收管接收到發(fā)射管射來(lái)的紅外光線。當(dāng)有人通過(guò)兩個(gè)二極管間時(shí)，內(nèi)阻減小，集電極輸出低電平，送至施密特觸發(fā)器。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路：對(duì)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(duì)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(shí)器構(gòu)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(jì)數(shù)器的CP脈沖。時(shí)序控制電路：時(shí)序控制電路在本課題中主要用于判斷計(jì)數(shù)的增加或是減少，在此選用了一個(gè)D觸發(fā)器、三個(gè)74LS00芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)思路如下：設(shè)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(shè)置計(jì)數(shù)器為增加狀態(tài)時(shí)，如圖4-1所示。圖4-1 增加狀態(tài)時(shí)序邏輯分析圖如上圖時(shí)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(shí)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(shí)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(shè)置計(jì)數(shù)器為減少狀態(tài)時(shí)，其時(shí)序邏輯分析圖如圖4-3所示。圖4-3 減少狀態(tài)時(shí)序邏輯分析圖如上圖時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)數(shù)和譯碼和顯示部分：計(jì)數(shù)和譯碼由兩個(gè)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)譯碼器和兩個(gè)數(shù)碼管來(lái)完成，用于接收計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成單獨(dú)的信號(hào)輸出并顯示。在本課題中選用了74LS192加減計(jì)數(shù)器、74LS47和共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示管。5 單元電路的設(shè)計(jì)5.1 光控電路部分如圖5-1，采用兩個(gè)開關(guān)模擬兩個(gè)光電管對(duì)，平時(shí)保持高電平，當(dāng)有人通過(guò)，遮住光路時(shí)，輸出低電平。在實(shí)際電路中，對(duì)于紅外發(fā)光二級(jí)管，正極接一個(gè)510歐姆的限流電阻后接電源，負(fù)極接地；對(duì)于紅外接收管，負(fù)極直接接電源，正極接一個(gè)3K歐姆的電阻后接地。脈沖信號(hào)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(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器，每次觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)1s左右的方波脈沖（仿真時(shí)為10ms）。目的是將實(shí)際中可能不重合的脈沖信號(hào)變?yōu)橹睾系男盘?hào)，同時(shí)，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(hào)產(chǎn)生部分此部分由一個(gè)D觸發(fā)器和一個(gè)由兩個(gè)與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器及三個(gè)與非門構(gòu)成。（如圖5-3）圖5-3 加減信號(hào)產(chǎn)生部分電路圖A、B分別為經(jīng)整形后的脈沖信號(hào)。與非門C的輸出作為計(jì)數(shù)器74LS192的減計(jì)數(shù)信號(hào)；與非門D的輸出作為計(jì)數(shù)器74LS192的加計(jì)數(shù)信號(hào)。5.4 計(jì)數(shù)及數(shù)碼管顯示部分計(jì)數(shù)及數(shù)碼管顯示部分電路圖如5-4所示。計(jì)數(shù)部分由兩片74LS192異步級(jí)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(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)到28時(shí)+1回到00。實(shí)際中，與門由一個(gè)四輸入與非門74LS20和一個(gè)二輸入與非門74LS00構(gòu)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(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)到00時(shí)-1回到99。開關(guān)的作用是手動(dòng)清零功能，可以用一個(gè)復(fù)位開關(guān)實(shí)現(xiàn)（實(shí)際中是需要時(shí)用導(dǎo)線直接接電源），仿真中用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)，并與異步清零信號(hào)經(jīng)過(guò)或門接到74LS192的清零端。顯示部分由兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管和與其相配的譯碼器74LS47構(gòu)成，限流電阻為300歐。 圖5-4 計(jì)數(shù)及數(shù)碼管顯示部分電路圖6 硬件的調(diào)試在實(shí)際電路搭建中，出現(xiàn)的問(wèn)題主要有三個(gè)。其一，低位的74LS192的地線未接，導(dǎo)致計(jì)數(shù)產(chǎn)生混亂。其二，加計(jì)數(shù)時(shí)會(huì)在基本RS觸發(fā)器的B信號(hào)的輸入端產(chǎn)生了一個(gè)毛刺，產(chǎn)生的原因未知，解決方法是加一個(gè)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(jì)數(shù)器是異步級(jí)聯(lián)，所以在計(jì)數(shù)到20后-1會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的29信號(hào)，此信號(hào)會(huì)是計(jì)數(shù)器清零，解決方法是在清零信號(hào)端加一個(gè)大電容（10uF），吸收這個(gè)瞬間的清零信號(hào)。7 總結(jié)兩周的數(shù)電課程設(shè)計(jì)，印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有一個(gè)好的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要設(shè)計(jì)思路是成功的，那設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。其次還要有耐心，要有堅(jiān)持的毅力。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是各個(gè)單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和檢測(cè)上，如CP脈沖的供給通斷，計(jì)數(shù)器的進(jìn)位連接等。在整個(gè)過(guò)程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要反復(fù)實(shí)踐，其過(guò)程很可能相當(dāng)煩瑣，有時(shí)花很長(zhǎng)時(shí)間設(shè)計(jì)出來(lái)的電路還是需要重做，那時(shí)心中未免有點(diǎn)灰心，有時(shí)還特別想放棄，此時(shí)更加需要靜下心，查找原因。此外，團(tuán)隊(duì)精神和老師的指導(dǎo)對(duì)本次課題的完成也是相當(dāng)重要，在此對(duì)我的合作伙伴和指導(dǎo)老師表示感謝?？傮w來(lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中，特別有趣，培養(yǎng)了設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。在體會(huì)到了設(shè)計(jì)電路的艱辛的同時(shí)，更體會(huì)到成功的喜悅和快樂(lè)心得體會(huì)。參考文獻(xiàn)1 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試 （第三版）M. 華中科技大學(xué)出版社,20064