數(shù)字電路設(shè)計(jì)-重力加速度測(cè)定

1、數(shù)字邏輯電路分析與設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告題目(A):重力加速度的測(cè)定組號(hào)：A7任課教師：組長(zhǎng)：成員：成員：成員：成員：聯(lián)系方式：二零一四年二月十八日目錄TOC o 1-5 h z一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? HYPERLINK l bookmark8 二、電路設(shè)計(jì)方案及工作原理3 HYPERLINK l bookmark4 三、原理圖4 HYPERLINK l bookmark14 四、實(shí)際電路的測(cè)試及結(jié)果分析4五、測(cè)試中遇到的問題及解決方法5六、使用實(shí)驗(yàn)器材原理和使用方法6七、團(tuán)隊(duì)成員感悟?qū)嶒?yàn)?zāi)康?3八、團(tuán)隊(duì)分工和比例14實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.設(shè)計(jì)一個(gè)重力加速度的測(cè)量、顯示裝置，能夠測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)，電梯運(yùn)行狀態(tài)下的重力

2、加速度。2.測(cè)量時(shí)間小于10秒。二、電路設(shè)計(jì)方案及工作原理我們的電路設(shè)計(jì)方案是落球法測(cè)量重力加速度。x=1/2gt2將小球從靜止釋放，測(cè)量小球下落的時(shí)間和距離就能測(cè)量出重力加速度。G=2*x/t2工作原理：小球從高處落下，初速度為零。當(dāng)小球下落時(shí)，計(jì)時(shí)器開始工作。當(dāng)小球落下距離H時(shí)，計(jì)時(shí)器停止工作。在小球開始下落的位置加上一個(gè)光電門，起到復(fù)位作用。此時(shí)，所用的計(jì)數(shù)器清零。松開手，小球自由落下，在距小球正下方H的位置放置另外一個(gè)光電門，當(dāng)小球經(jīng)過時(shí)，通過計(jì)數(shù)器和非門，使所有的計(jì)數(shù)器停止工作。實(shí)驗(yàn)用具:實(shí)驗(yàn)用具數(shù)量741s041741s1604741s4735551電阻如圖按鍵1電容如圖數(shù)碼管3光

3、電門模塊2三、原理圖IU”，u*2$04*/4lS1C0B-/IIi=MLU11A5|r(JUnl1Dnk燉.SU0DJZA74LSM同1川忖GNDT4LS1右口注：圖中按鍵aB為光電門模塊圖中左上角160計(jì)數(shù)器的功能是使所有的計(jì)數(shù)器停止，中間三個(gè)160計(jì)數(shù)器記錄時(shí)間，左下角555產(chǎn)生1KHz的矩形脈沖信號(hào)四、實(shí)際電路的測(cè)試及結(jié)果分析原理：自由落體法測(cè)重力加速度所用公式：x=gtA22參數(shù)：x為下落距離，即兩光電門相距距離，我們?cè)O(shè)定為50cm。t為下落時(shí)間，即數(shù)碼管顯示的時(shí)間g為待求的重力加速度測(cè)試步驟：開始時(shí)，將小球靠近上方的光電門，并遮擋住光電門，這時(shí)電路復(fù)位,數(shù)碼管清零，接著釋放小球，讓

4、其做自由落體運(yùn)動(dòng)，下落過程中經(jīng)過下面的光電門，電路停止工作，同時(shí)數(shù)碼管停止計(jì)數(shù)并顯示下落所用時(shí)間，記錄時(shí)間。由于是初速度為0的自由落體，采用公式：x=gtA2/2可計(jì)算出重力加速度g。測(cè)試數(shù)據(jù)：下落距離x=50cm,公式x=gtA2/2.過4空12345時(shí)間t(s)0.300.280.290.310.30重力加速度g(m/sA2)11.112.711.910.411.1結(jié)果誤差分析：重力加速度的理論值為g=9.8m/sA2,我們測(cè)得數(shù)據(jù)和理論值相比較，絕對(duì)誤差在06(m/sA2)2.9(m/sA2)之間，相對(duì)誤差在6.1%29.5股問。誤差產(chǎn)生原因：1.空氣阻力。2.555電路由于電阻不精產(chǎn)生

5、的震蕩誤差。3.計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)時(shí)，小球已有一定速度。4.小球本身具有一定體積，通過上下兩個(gè)光電門時(shí)小球測(cè)量位置不同，導(dǎo)致誤差。五、測(cè)試中遇到的問題及解決方法問題一：計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確問題描述：我們組本來設(shè)想用單擺測(cè)重力加速度，測(cè)量小球通過20次光電門的時(shí)間，即十個(gè)周期。但由于光電門計(jì)數(shù)時(shí)脈沖有毛刺，產(chǎn)生抖動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。無法得到具有一般規(guī)律的數(shù)據(jù)。解決方法：測(cè)量重力加速度原理改為自由落體法，計(jì)數(shù)器只記一次脈沖信號(hào)，當(dāng)小球遮擋光電門時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，使得電路開始計(jì)時(shí)。這樣避免由于多次計(jì)數(shù)不準(zhǔn)導(dǎo)致的問題。問題二：數(shù)碼管亮度不均問題描述：中間數(shù)碼管有時(shí)無法顯示，只有用力按這個(gè)數(shù)碼管才能亮。除此

6、之外，最左邊數(shù)碼管有一段亮度與其他段相比較低。問題分析：關(guān)于亮度一致性的問題是一個(gè)行業(yè)內(nèi)的常見問題。有二個(gè)大的因素影響到亮度一致性。一是使用原材料芯片的選取，一是使用數(shù)碼管時(shí)采取的控制方式。原材料一芯片的V林口亮度和波長(zhǎng)是一個(gè)正態(tài)分布，即使篩選過芯片，V林口亮度和波長(zhǎng)已在一個(gè)很小的范圍了，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品還是在一個(gè)范圍內(nèi)，結(jié)果就是亮度不一致。要保證數(shù)碼管亮度一樣，在控制方式選取上也有差別解決方法：中間的數(shù)碼管經(jīng)過補(bǔ)焊，已經(jīng)可以正常顯示，而另一個(gè)數(shù)碼管的一段顯示亮度不夠，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)是數(shù)碼管工藝問題。由于數(shù)碼管上已焊引腳過多，不好拆了重焊，因未解決這個(gè)問題。六、使用實(shí)驗(yàn)器材原理和使用方法I.74L

7、S160十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器（異步清除）簡(jiǎn)要說明：160為可預(yù)置的十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，共有54/74160和54/74LS160兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其主要電特性的典型值如下:160的清除端是異步的。當(dāng)清除端/MR為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端CP狀態(tài)如何，即可完成清除功能。160的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器/PE為低電平時(shí)，在CP上升沿作用下，輸出端Q0-Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0-P3一致。對(duì)于54/74160,CP由低至咼跳變或跳變前，當(dāng)如果計(jì)數(shù)控制端CEP、CE叨咼電平，iJ/PE應(yīng)避免由低至咼電平的跳變，而54/74LS160無此種限制。160的計(jì)數(shù)是同步的，靠CP同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)CEPCE

8、T均為高電平時(shí)，在CP上升沿作用下Q0-Q3同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。對(duì)于54/74160，只有當(dāng)CP為高電平時(shí)，CEP才允許由高至低電平的跳變，54/74LS160CETW的CEP、CET跳變與CP無關(guān)。160有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位輸出端（TC）輸出一個(gè)高電平脈沖，其寬度為Q0的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級(jí)聯(lián)成N位同步計(jì)數(shù)器。對(duì)于54/74LS160,CP出現(xiàn)前，在即使CEP、CET/MR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。2PO-Q6-Q3一代一00-02一CCTPECEPCMC74LS16ct腳圖引出端符號(hào)：TC!位輸出端、CEPK控制端、Q0-

9、Q3俞出端、CET+數(shù)控制端、CP寸鐘輸入端（上升沿有效）、M布步消除輸入端（低電平有效）、PEW步并行置入控制端（低電平有效）極限值：TOC o 1-5 h z電源電壓7V輸入電壓54/74LS1607VCEP與CET間電壓54/741605.5V70c工作環(huán)境溫度741s040貯存溫度65150邏輯圜74LS04六反向器由1勖V0C向阿甲甲取印ryirtirtnrt5-I11LL占山Ri山LJGND雙列直插封裝極限值電源電壓.7V輸入電壓54/74LS047V工作環(huán)境溫度74XXX0-70C存儲(chǔ)溫度-65150cIII.74LS47七段顯示、譯碼驅(qū)動(dòng)器工作電壓5V。常用的BCD對(duì)七段顯示器

10、譯碼器/驅(qū)動(dòng)器之IC包裝計(jì)有TTL之7446、7447、7448、7449與CMOS八4511等等。其中7446、7447必須使用共陽極七段顯示器，7448、7449、4511等則使用共陰極七段顯示器。在正常操作時(shí)，當(dāng)輸入DCBA=OO1OM輸出abcdefg=0010010。故使顯示器顯示2，當(dāng)輸入DCBA=O11CM,a&出abcdeg=11OOOOO，顯示器顯示6。在7447中尚有LT、RBI與BI/RBO之控制腳，其功能分述如下：該電路是由與非門、輸入緩沖器和7個(gè)與或非門組成的BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。通常是低電平有效，高的灌入電流的輸出可直接驅(qū)動(dòng)顯示器。7個(gè)與非門和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器成對(duì)連

11、接，以產(chǎn)生可用的BCD數(shù)據(jù)及其補(bǔ)碼至7個(gè)與或非譯碼門。剩下的與非門和3個(gè)輸入緩沖器作為試燈輸入（LT）端、滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅燈輸出（BI/RBO）端及動(dòng)態(tài)滅燈輸入（RBI）端。該電路接受4位二進(jìn)制編碼一十進(jìn)制數(shù)（BCD輸入并借助于輔助輸入端狀態(tài)將輸入數(shù)據(jù)譯碼后去驅(qū)動(dòng)一個(gè)七段顯示器。輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成能承受7段顯示所需要的相當(dāng)高的電壓。驅(qū)動(dòng)顯示器各段所需的高達(dá)24mA的電流可以由其高性能的輸出晶體管來直接提供。BCD輸入計(jì)數(shù)9以上的顯示圖案是鑒定輸入條件的唯一信號(hào)。該電路有自動(dòng)前、后沿滅零控制（RBI和RBO。試燈（LT）可在端處在高電平的任何時(shí)刻去進(jìn)行，該電路還含有一個(gè)滅燈輸入（BI）,它用來控制燈

12、的亮度或禁止輸出。該電路在應(yīng)用中可以驅(qū)動(dòng)共陽極的發(fā)光二極管或直接驅(qū)動(dòng)白熾燈指示器。7447之輸出系為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，其邏輯0之吸入電流高達(dá)4OmA故在使用必須加入330Q左右電阻加以限流，以免過大電流流經(jīng)LED而燒毀顯示器，如圖3所示。圖1DM7447ADM5447Asi腳功能圖DecimniorFunctionInputsBI/RBONote1)oinputsLTR&lDGabcdefg0HHLLLLHLLLLLLH1HXLLLHHHLLHHHH2HXLLHLHLLHLLHL3HXLLHHLLLLHHL4HXLHLLHHLLHHLL5HXLHLHMLHLLHLL5HXLHHLHHHLLLLL7H

13、XLHHHLLLHHHH5HXHLLLHLLLLLLL9HXHLLrtHLLLHHLL10HXHLHLHHHHLLHL11HXHLHHHHHLLHHL12HXHHLLHHLHHHLL13HXHHLMHLHHLHLL14HXHHHLHHHHLLLL15HXHHHHHHHHHHHBlX;cdefEoooooo-oJLo公共陰極(A)(B)圖4.17七段LED顯示器內(nèi)部連接圖VV圖4.1174LS147管腳排列圖3645L/8r45&78TITIIIcB15141312GND11109為了使用方便，通常將各發(fā)光二極管的陽極或陰極連接在一起，這樣七段LED顯示器就有兩種連接方式，如果將各發(fā)光二極管的陽

14、極連接在一起成為公共電極，則稱為共陽極接法如圖4.17(A)所示；如果將各發(fā)光二極管的陰極連接在一起成為公共電極，則稱為共陰極接法如圖4.17(B)所示。有的七段LED顯示器，不但有AF七個(gè)輸出端，還有其它字符如小數(shù)點(diǎn)。這樣的數(shù)碼管實(shí)際上輸出是八段。所以使用數(shù)碼管之前要看清是幾段輸出，是共陰極還是共陽極的。例如譯碼器用輸出高電平驅(qū)動(dòng)顯示器時(shí)，應(yīng)該選用共陰極的數(shù)碼管；譯碼器用輸出低電平驅(qū)動(dòng)顯示器時(shí)，應(yīng)該選用共陽極的數(shù)碼管。V.光電門模塊參數(shù)說明1當(dāng)模塊檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮電平，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào)，該模塊檢測(cè)距離230cm，檢測(cè)角度35o，檢測(cè)距離可以通過電

15、位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。2、傳感器主動(dòng)紅外線反射探測(cè)，因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離最小，白色最大；小面積物體距離小，大面積距離大。3、傳感器模塊輸出端口0UT可直接與單片機(jī)I0口連接即可，也可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)5V繼電器;連接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO4、比較器采用LM393,工作穩(wěn)定；5、可采用3-5V直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時(shí)，紅色電源指示燈點(diǎn)亮；6、具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝；7、電路板尺寸：3.2CM*1.4CM8、每個(gè)模塊在發(fā)貨已經(jīng)將閾值比較電壓通過電位器調(diào)節(jié)好，非特殊

16、情況，請(qǐng)勿隨意調(diào)節(jié)電位器。模塊接口說明1VCC外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機(jī)和3.3v單片機(jī)相連）2GND外接GND3OUT小板數(shù)字量輸出接口（0和1）七、成員感悟馬敬川：在此次項(xiàng)目試驗(yàn)中我認(rèn)為大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施強(qiáng)調(diào)自主性、探索性、實(shí)踐性和協(xié)作性，遵循“興趣驅(qū)動(dòng)、自主試驗(yàn)、重在過程”的原則。注重創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過程講究長(zhǎng)遠(yuǎn)效益，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目實(shí)施過程中在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐方面的收獲，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，不急功近利，不為成果而設(shè)計(jì)，重在實(shí)施過程中得到的鍛煉和培養(yǎng)。趙思成：在此次項(xiàng)目試驗(yàn)中我認(rèn)為研究方面，最深的體會(huì)就是要善于勤于思考，主動(dòng)動(dòng)手動(dòng)腦。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不是基礎(chǔ)課

17、上的實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?，只要按著老師講的步驟做就行了。做的課題對(duì)于我們來說，可能是一個(gè)沒有接觸過的新領(lǐng)域，沒有人會(huì)具體告訴我們每一步該怎么做。需要自己去找文獻(xiàn)、查資料，去獨(dú)立思考。其中會(huì)遇到很多困難，這個(gè)時(shí)候除了尋找?guī)椭?，最重要的還是自己思考。陶鍵：在此次項(xiàng)目試驗(yàn)中我認(rèn)為本項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊逐一設(shè)計(jì)，雖然每一個(gè)設(shè)計(jì)過程都遇到不同程度的困難，在我們的團(tuán)結(jié)協(xié)作下都得到解決，這個(gè)項(xiàng)目鍛煉了項(xiàng)目組人員的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)以及解決問題的能力，當(dāng)然，由于投入的時(shí)間有限和課題組人員能力的限制，本課題還存在很多不足之處。李超然：在此次項(xiàng)目試驗(yàn)中我認(rèn)為在創(chuàng)新方面，首先要確定創(chuàng)新的方向和目標(biāo)。方向和目標(biāo)是貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心，只有明確方向，圍繞這個(gè)方向努力下去，才可能有結(jié)果。創(chuàng)新點(diǎn)可以從很多方面確定，不一定是很高深很前沿的東西。只要不是照搬別人已經(jīng)做過的