數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計說明書

.....學(xué)校代碼：10128學(xué)校代碼：10128學(xué)號：201311204018數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計說明書題目：生產(chǎn)線自動裝箱計數(shù)監(jiān)控器邏輯電路設(shè)計與實驗學(xué)生__潘壘堅學(xué)院：電力學(xué)院班級：自動化13-1指導(dǎo)王艷榮2015年7月日摘要自動化系統(tǒng)不僅已成為了工業(yè)和社會生活的一個組成部分,而且是經(jīng)濟發(fā)展平的重要標(biāo)志。工業(yè)生產(chǎn)中常常需要自動統(tǒng)計產(chǎn)品的數(shù)量并實現(xiàn)對生產(chǎn)線的整體控制,本次設(shè)計的生產(chǎn)線自動裝箱計數(shù)監(jiān)控器采用光電傳感器與計數(shù)器相結(jié)合的方法實現(xiàn)對物件的數(shù)目統(tǒng)計。設(shè)計中采用光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號產(chǎn)生正弦脈沖,通過放大濾波整形電路將信號整形為矩形脈沖。將該脈沖通過"罐、箱"計數(shù)器實現(xiàn)對罐和箱的計數(shù),最終在數(shù)碼顯示管上顯示所計數(shù)目。設(shè)計還可以通過一系列控制電路實現(xiàn)在箱子未滿時持續(xù)加入飲料罐,在箱子已滿時設(shè)備停止工作直到下一空箱到來后設(shè)備再次啟動并重新加入飲料罐,同時整體電路也可以手動啟動、停止和清零控制。本設(shè)計經(jīng)Multisim和實測驗證均可達到預(yù)期要求。關(guān)鍵詞：光電傳感器；自動統(tǒng)計；計數(shù)監(jiān)控器；濾波整形；控制電路目錄一、設(shè)計任務(wù)概述11.1設(shè)計題目11.2設(shè)計目的11.3設(shè)計內(nèi)容和要求11.3.1設(shè)計內(nèi)容11.3.2設(shè)計要求1二、設(shè)計方案論證及方框圖22.1題目要求簡析22.2方案設(shè)計與論證22.2.1方案一22.2.2方案二22.2.3方案選擇22.3電路分塊32.4電路結(jié)構(gòu)方框圖3三、電路組成及工作原理43.1信息采集電路43.1.1信號產(chǎn)生43.1.2信號放大43.1.3信號整形53.2計數(shù)顯示電路53.2.1罐計數(shù)顯示電路63.2.2箱計數(shù)顯示電路63.2.3計數(shù)顯示總電路73.3狀態(tài)控制電路73.4總電路原理圖8四、電路元器件選擇與實際測試94.1放大、整形部分測試9放大部分測量9整形部分測量104.2計數(shù)顯示部分測試12裝罐24計數(shù)顯示部分12裝箱18計數(shù)顯示部分144.3工作狀態(tài)控制部分測試15總結(jié)17致謝18參考文獻19設(shè)計所需儀器設(shè)備及元器件清單20附件21.....一、設(shè)計任務(wù)概述1.1設(shè)計題目生產(chǎn)線自動裝箱計數(shù)監(jiān)控器邏輯電路設(shè)計與實驗1.2設(shè)計目的〔1掌握基本時序邏輯電路的分析和設(shè)計方法,培養(yǎng)學(xué)習(xí)專業(yè)知識能力?！?掌握基本邏輯故障識別與診斷基本方法,培養(yǎng)分析問題、解決問題能力。〔3掌握學(xué)習(xí)總結(jié)報告和設(shè)計說明書的基本書寫方法,培養(yǎng)技術(shù)交流能力。1.3設(shè)計內(nèi)容和要求1.3.1設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一個生產(chǎn)線自動裝箱計數(shù)監(jiān)控器邏輯電路,實現(xiàn)自動裝箱計件控制。對罐裝飲料裝箱,每箱24個。計數(shù)器對裝箱飲料罐進行計數(shù),未滿24個運送設(shè)備繼續(xù)工作。當(dāng)裝滿24個時,停止飲料運送設(shè)備運行,直到下一個空箱到來時,再啟動運送飲料設(shè)備工作,進行飲料運送、裝箱。在監(jiān)控器上加顯示電路,顯示計數(shù)過程?？蓪崿F(xiàn)手動啟動、停止、清零控制。1.3.2設(shè)計要求<1>查找資料,比較實現(xiàn)邏輯功能的幾種設(shè)計方法<要求2種以上,主要根據(jù)器件選型不同來進行對比分析>,理解原理,比較它們的優(yōu)缺點,完成框架設(shè)計。從設(shè)計任務(wù)邏輯抽象、設(shè)計方案選擇、選収器件材料、設(shè)計制作、測試分析等方面歸納闡述并總結(jié)成文,列出選用器件清單；列出參考文獻目錄清單。確定電路設(shè)計方案,繪制原理框圖或流程圖,簡述所選電路設(shè)計方案的工作原理或設(shè)計思路；根據(jù)設(shè)計要求,進行邏輯抽象、變量賦值,列出真值表。<3>選擇小規(guī)模/中規(guī)模/可編程邏輯器件,繪制完整實驗電路原理圖或接線圖,說明主要元件在電路中的作用,說明整體電路工作原理或工作流程。<4>搭建Multisim仿真電路,完成所設(shè)計邏輯電路的仿真測試。<5>安裝、調(diào)試實測電路,完成電路性能指標(biāo)測試,記錄并分析實驗測試結(jié)果。<6>得出結(jié)論<是否針對設(shè)計任務(wù)完成電路設(shè)計,通過什么方式驗證設(shè)計的正確性,設(shè)計電路的性能如何,還可以在哪些方面做進一步改進等>。<7>寫出設(shè)計說明和實驗報告,分析說明實驗過程中出現(xiàn)故障的原因及排除方法。<8>創(chuàng)意設(shè)計或自主擴展設(shè)計。想一想白己的設(shè)計作品具有哪些方面的市場競爭力,是否可以通過進一步拓展和深化,開展項目開發(fā),參加創(chuàng)新性設(shè)計,怎樣才能銷售出去等。二、設(shè)計方案論證及方框圖2.1題目要求簡析本設(shè)計中整體控制信號與裝罐計數(shù)器記錄情況有如下關(guān)系〔見表1操作控制罐計數(shù)器顯示數(shù)目設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)清零0罐計數(shù)器清零,設(shè)備停止啟動1~24設(shè)備正常運行暫停保持當(dāng)前數(shù)值設(shè)備暫停停止0罐計數(shù)器清零,設(shè)備停止表1設(shè)計要求簡析擴展功能：〔1實現(xiàn)對已裝箱數(shù)的記錄；〔2實現(xiàn)對裝罐整體電路的手動暫停控制；2.2方案設(shè)計與論證通過光電元件產(chǎn)生脈沖信號,再通過放大電路、濾波整形電路產(chǎn)生矩形脈沖信號,用該信號觸發(fā)罐計數(shù)器計數(shù),當(dāng)計數(shù)脈沖輸入24個脈沖信號時,產(chǎn)生進位信號至箱計數(shù)器,同時罐計數(shù)電路暫停工作。當(dāng)罐計數(shù)電路接收到下一空箱到位脈沖信號后,罐計數(shù)器清零并重新開始計數(shù)。2.2.1方案一信號源選用光敏電阻組成的傳感器,將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)有飲料罐通過時,LED燈的燈光被遮擋,光敏電阻的阻值隨光照強度的減弱而增大,相應(yīng)電壓信號為低電平,通過放大電路放大信號,再經(jīng)過濾波整形電路產(chǎn)生脈沖信號,觸發(fā)罐計數(shù)器計數(shù),并在七段數(shù)碼顯示管上顯示數(shù)值。當(dāng)罐計數(shù)器計數(shù)達24時產(chǎn)生進位信號至箱計數(shù)器,罐計數(shù)電路暫停工作。同時通過控制電路實現(xiàn)對整體電路的啟動、清零和停止控制。2.2.2方案二采用壓力傳感器采集信號,將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)有飲料罐到來時,壓力傳感器感受壓力,阻值發(fā)生變化。產(chǎn)生電信號并經(jīng)過放大、整形電路處理后將脈沖信號傳給計數(shù)器,并在七段數(shù)碼顯示管上顯示數(shù)值。2.2.3方案選擇方案一在使用放大、濾波整形電路后脈沖信號比較穩(wěn)定且有效,再傳遞給計數(shù)顯示電路和控制電路后,可以較容易實現(xiàn)設(shè)計要求。而方案二在理想條件下可以實現(xiàn),但是在實際設(shè)計過程中由于單個飲料罐對傳感器壓力變化并不明顯,信號產(chǎn)生有困難,所以不容易實現(xiàn)。故我們采用方案一進行設(shè)計。2.3電路分塊〔1信息采集電路：對光敏傳感器輸出電壓進行放大、濾波整形處理?！?計數(shù)顯示電路：信息采集電路將脈沖信號傳遞到罐計數(shù)器并通過數(shù)碼顯示管顯示具體數(shù)目,罐計數(shù)器計數(shù)達24時將進位信號傳遞到箱計數(shù)器,同時箱計數(shù)顯示器數(shù)目?！?狀態(tài)控制電路：罐計數(shù)器工作開始、暫停、停止和清零控制電路。2.4電路結(jié)構(gòu)方框圖〔見圖1圖1電路結(jié)構(gòu)方框圖三、電路組成及工作原理3.1信息采集電路信息采集電路部分用于對電路信號的產(chǎn)生、放大和整形,此處將信號產(chǎn)生、放大和整形電路設(shè)置為模塊子電路以方便調(diào)試和控制。3.1.1信號產(chǎn)生該部分由光敏電阻及提供光源的發(fā)光二極管組成〔見圖2。每當(dāng)有一個飲料罐通過傳感器擋住光時,傳感器就開始工作。無罐經(jīng)過時光不斷照到光敏電阻,光敏電阻阻值很小相當(dāng)與短路；當(dāng)有一個飲料罐經(jīng)過擋住光時,光敏電阻阻值升至無限大,此過程產(chǎn)生一個信號脈沖。圖2光敏傳感器電路3.1.2信號放大該部分由運算放大器構(gòu)成的同向放大器組成〔見圖3。由于虛斷,Vi=V-即反向輸入端沒有電流輸入輸出。通過R1和R2的電流相等,設(shè)此電流為I,由歐姆定律得：I=Vout/<R1+R2>。Vi等于R2上的分壓即：Vi=I*R2。綜上可得Vout=Vi*<R1+R2>/R2。圖3放大電路3.1.3信號整形該部分由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器組成對波形進行整形〔見圖4。555定時器是一種集模擬,數(shù)字于一體的中規(guī)模的集成電路,可用于信號的產(chǎn)生和信號的變換,只需要外接電阻,電容,就可以實現(xiàn)施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。圖4整形電路3.2計數(shù)顯示電路這是此次課程設(shè)計的核心電路,利用計數(shù)器,顯示器來完成計數(shù)功能。計數(shù)器是常用的時序電路之一,它不僅可用于對脈沖進行計數(shù),還可以用于分頻,定時,產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其它時序信號。計數(shù)器可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器,還可分為加計數(shù)器和減計數(shù)器和可逆計數(shù)器。設(shè)計罐計數(shù)器時用置數(shù)法獲得二十四進制計數(shù)器,即用兩片74LS160N芯片可以實現(xiàn)二十四進制的計數(shù)。同理設(shè)計出十八進制的箱計數(shù)器。當(dāng)罐計數(shù)到24時,通過與非門產(chǎn)生一個進位信號,傳遞至脈沖輸入端并加與門使脈沖信號暫時截止,同時為箱計數(shù)器提供一個脈沖信號,箱計數(shù)器遞加一。此處設(shè)計將計數(shù)顯示電路設(shè)置為模塊子電路以方便調(diào)試和控制。3.2.1罐計數(shù)顯示電路罐計數(shù)顯示電路由兩片74LS160N和七段數(shù)碼顯示管兩部分構(gòu)成,并將該部分做成一個子電路〔見圖5。圖524進制罐計數(shù)顯示電路3.2.2箱計數(shù)顯示電路箱技術(shù)顯示電路組成和原理與罐計數(shù)顯示電路類似〔見圖6。圖618進制箱計數(shù)顯示電路3.2.3計數(shù)顯示總電路〔見圖7圖6計數(shù)顯示總電路3.3狀態(tài)控制電路本次設(shè)計我用了多個門電路作為控制電路的一部分,如：非門,與門,與非等。在這里我以與非門作模板。與非門電路其作用是將被測信號與作為標(biāo)準(zhǔn)的信號做與非計算,得出需要被計數(shù)器進行計數(shù)測量的信號脈沖。具體的工作過程由下圖可以具體了解〔見圖7。圖7與非門圖8與非門真值表與非門是與門和非門的結(jié)合,先進行與運算,再進行非運算。與運算輸入要求有兩個,如果輸入都用0和1表示的話,那么與運算的結(jié)果就是這兩個數(shù)的乘積。如輸入1和1〔兩端都有信號,則輸出為0；輸入1和0,則輸出為1；輸入0和0,則輸出為1。其真值表如圖8所示。3.4總電路原理圖〔見圖9圖9總電路原理圖四、電路元器件選擇與實際測量4.1放大、整形部分測量放大部分測量放大部分我們選用的是NE5532AI四運算放大器。NE5532AI內(nèi)部電路見圖10,管腳排列見圖11。圖10NE5532AI內(nèi)部電路圖11NE5532AI管腳排列仿真結(jié)果分析：通過仿真,我們可以成功地將50mV左右的電壓放100倍,放大到4-5V,以至于輸出信號可以滿足我們的要求,繼而方便下一步驟的實驗〔見圖12。圖12放大電路仿真結(jié)果整形部分測量整形部分我們選用的是LM555CM555定時器。LM555CM內(nèi)部電路見圖13,管腳排列見圖14。圖13LM555CM內(nèi)部電路圖14LM555CN管腳排列它的各個引腳功能如下：GND腳：外接電源負端VSS或接地,一般情況下接地。TRI腳：低觸發(fā)端OUT腳：輸出端VoDIS腳：是直接清零端。當(dāng)端接低電平,則時基電路不工作,此時不論、TH處于何電平,時基電路輸出為"0",該端不用時應(yīng)接高電平。CON腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓,則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓,當(dāng)該端不用時,應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地,以防引入干擾。THR腳：TH高觸發(fā)端RST腳：放電端。該端與放電管集電極相連,用做定時器時電容的放電。VCC腳：外接電源VCC,雙極型時基電路VCC的范圍是4.5~16V,CMOS型時基電路VCC的范圍為3~18V。一般用5V。輸入輸出閥值輸入<Vcc>Vcc<Vcc觸發(fā)輸入<Vcc>Vcc>Vcc復(fù)位0111輸出010不變放電管T導(dǎo)通截止導(dǎo)通不變表2555定時器的功能表仿真結(jié)果分析：通過仿真,我們可以成功地將正弦波脈沖整形成矩形波脈沖,以至于可以滿足我們的要求,繼而方便進行下一步的實驗〔見圖15。圖15整形電路仿真結(jié)果4.2計數(shù)顯示部分測試裝罐24計數(shù)顯示部分裝罐24計數(shù)顯示部分我們選用的是74LS160N十進制計數(shù)器。74LS160N內(nèi)部電路圖,管腳排列及功能表見圖16、圖17和圖18。圖1674LS160N內(nèi)部電路圖1774LS160N管腳排列圖1874LS160N功能表實驗結(jié)果分析：把2片74LS160N接成24進制計數(shù)器后,在CLK端接入已整形好的矩形脈沖,在數(shù)碼顯示管上可以顯示1到24數(shù)字〔見圖19。圖1924進制罐計數(shù)器實測裝箱18計數(shù)顯示部分裝箱18計數(shù)顯示部分我們選用的也是兩片74LS160N十進制計數(shù)器。在CLK端接入已整形好的矩形脈沖,在數(shù)碼顯示管上可以顯示1到18數(shù)字〔見圖20。圖2018進制箱計數(shù)器實測我們把裝罐計數(shù)器的進位接到了裝箱計數(shù)器的EP,ET端。使得罐計數(shù)器可以滿24向箱計數(shù)器提供一個脈沖信號〔見圖21。圖21罐、箱計數(shù)器整體電路實測4.3工作狀態(tài)控制部分測量工作狀態(tài)控制電路通過非門,非門和與門與實現(xiàn),這里用到了74LS00P,74LS04P和74LS08P芯片,芯片管腳排列圖見圖22、圖23和圖24。圖2274LS00P管腳排列圖2374LS04P管腳排列圖2474LS08P管腳排列控制部分芯片連接如圖25所示：圖25控制部分芯片根據(jù)仿真圖連接實物電路,實測結(jié)果如圖26所示：圖26實物整體電路實測結(jié)果分析：我們將開關(guān)S1和脈沖信號與S2和清零信號分別通過與門連接,到S1和S2在高低電平間切換時可以控制信號通過和暫時截止失效。S1和S2都接高電平,電路正常工作,罐計數(shù)器從1到24計數(shù)。計數(shù)達24后,向箱計數(shù)器提供進位信號,并暫停顯示數(shù)目。當(dāng)S1接低電平時,控制端提供清零信號,罐計數(shù)器清零；當(dāng)S1接高點平時,罐計數(shù)電路重新開始工作。當(dāng)S2接低電平時,控制端可以使脈沖暫時失效,罐計數(shù)器無脈沖接收,顯示數(shù)目暫停時S2斷開瞬間的數(shù)值。綜上所述,該生產(chǎn)線自動裝箱計數(shù)監(jiān)控器邏輯電路可以實現(xiàn)所有信號處理、計數(shù)顯示及工作狀態(tài)控制等功能?？偨Y(jié)經(jīng)過一周的緊張設(shè)計,我們根據(jù)設(shè)計需求完成了相應(yīng)的任務(wù)。首先我們成功的做到了當(dāng)箱子未滿24個時設(shè)備繼續(xù)工作并計數(shù),當(dāng)箱子裝滿24個時,停止飲料運送設(shè)備運行,直到下一個空箱到來,再啟動運送飲料設(shè)備工作,進行飲料運送、裝箱。其中,拓展功能中我們可以手動控制設(shè)備暫停運行、計數(shù),然后繼續(xù)運行、計數(shù)。而且可以實現(xiàn)手動啟動,停止、清零控制我們也能實現(xiàn)。但在實際設(shè)計時我們遇到了許多問題。首先,由于我們所學(xué)放大電路知識有限,致使在放大電路的設(shè)計過程中存在問題,導(dǎo)致我們的實際設(shè)計并不十分順利。我們先是設(shè)計了一個用三級管做的電流放大器,仿真測試正常,但考慮到實際情況采集到的信號達不到三級管的開啟電壓,所以此方案實際不可行。接著我們又設(shè)計了正相運算放大器解決了這個問題。在第一次提交審查之后,我們又在原來的基礎(chǔ)上加入了手動暫停、繼續(xù)模塊,實現(xiàn)了在設(shè)備運行期間的暫停與繼續(xù)運行,提升了設(shè)計的功能。本次課程設(shè)計中,我們使用555定時器連接施密特觸發(fā)器的時候忘記了施密特觸發(fā)器是反相輸出,遇到了高低電平的輸入輸出和實際理想狀態(tài)不相符的小問題,經(jīng)過我們的反復(fù)推敲,查閱資料,最后我們找出了問題所在,并在原電路中加入了相反器后解決了問題,同時也深化了所學(xué)知識。我們還在最后加入了統(tǒng)計總的飲料罐數(shù)的功能。其次,某些實驗器件的老化給我們也帶來了不必要的干擾,這是我們無法解決的問題。雖然計數(shù)控制是比較簡單易行的一個設(shè)計,但是完整的一個實驗過程也讓我了解了一個信息處理系統(tǒng)的設(shè)計過程,明白了各個環(huán)節(jié)的重要性,學(xué)會了如何去設(shè)計一個合理的、適合實際需求,也掌握了一些芯片的特點和用法,受益匪淺。同時,在課程設(shè)計中遇到問題時,老師們悉心指導(dǎo)、同學(xué)們的熱心幫助,這些對我的進步十分重要,在這里向老師們、同學(xué)們致謝。致謝為期一周的數(shù)字電子課程設(shè)計結(jié)束了,我們根據(jù)任務(wù)書做出的生產(chǎn)線自動裝箱計數(shù)器是在我們的指導(dǎo)教師悉心指導(dǎo)下進行的。王艷榮老師在數(shù)字電子課程設(shè)計有豐富的實踐經(jīng)驗,從第一天開始悉心指導(dǎo)我們并給我們提出了許多寶貴的意見和問題,讓我們在思考中真正的學(xué)到知識,了解、深化課程設(shè)計的全過程。王老師嚴(yán)謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和銳意創(chuàng)新的精神,使我們受益匪淺,在此特別向王老師表示深深的感謝和由衷的敬意。從設(shè)計開始之前的排斥、反感到設(shè)計開始后的熱愛、覺得時間不夠用,我們深化了所學(xué)的電子技術(shù)理論知識,把理論課上的知識運用到實際操作當(dāng)中,查漏補缺。最主要的是培養(yǎng)了綜合運用所學(xué)知識能力的,并了解了一般小型電子產(chǎn)品的設(shè)計思想和基本設(shè)計步驟,同時增強了獨立分析問題和解決問題的能力。通過這周的課程設(shè)計讓我充分感受到團隊合作的重要性。在學(xué)到新知識的同時,我也學(xué)會了如何與同學(xué)合作、溝通、交流。在課程設(shè)計期間,我們遇到了許多難題,每次遇到難題我們總是先各自思考,然后一起討論