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1、*数字电子技术课程设计题 目 光敏计数器 学生姓名 * 专业班级 * 学 号 * 院 （系） 电气工程学院 指导教师 * 完成时间 2013年12月8日 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求13 设计方案与论正23.1 方案一23.2 方案二33.3 方案三54 设计原理及功能说明65 单元电路的设计75.1 元器件说明75.2 单元电路设计96 制作与调试117 总结12参考文献15附录一：总体电路原理图16附录二：元器件清单171 课程设计的目的 现今人们在生活、学习和工作中，经常需要对某种物品进行数量统计。而在学校的教学中，也时常要对教室或实验室里的人数进行统计，以便了解需
2、要准备的教学仪器或是参考资料的数目。常规的机械计数和人工计数不仅麻烦，而且极为浪费时间和资源。随着社会自动化的不断普及，人们日渐需求一种自动计数的装置。在学习了脉冲数字电路的基础上，笔者设计了一种利用光线的通断来统计数目的光控计数器。其主要系统组成为：光电转换模块、整形模块、时序控制模块、计数译码模块和显示模块，通过对光电的转换，由时序逻辑电路控制，达到自动计数的功能。此产品简单方便，非常易于用于实际生活中,有教高的实用价值。2 课程设计的任务与要求 本设计主要是在数字电子技术的基础上利用光线的通断来统计计数。本电路的指导思想是设计电路光控电路，放置在流水线旁。当有产品通过光电门时，都会先触发
3、光控电路，根据光控电路产生触发脉冲令计数器进行加计数。要求通过后面的编码芯片和译码芯片在数码管上显示数据，要求计数器的最大计数容量为99。3 设计方案与论正3.1 方案一设计整体构思如图3-1图3- 1 构思图设计原理图如图3-2图3- 2原理图 工作原理：由于光电技术电路需要在数码管上显示通过光电门的产品数量，因此可以在内部存储器空间定义它的显示缓存区，用来暂存数码管显示的当前值。系统在初始化程序之中，设置外部中断0产生中断标志T0,并初始化值为0。当有外部中产生时，相应的中断置1。当外部中断0产生中断时，在主程序中扫描T0是否为1。当T0为1时，调用光电计数子程序，将显示暂存变量加1，。每
4、当通过光电门的产品数量达到12时，蜂鸣器响一声，并清零缓存，继续计数。3.2 方案二 设计构思图如图3-3图3- 3构思图 设计原理图如图3-4图3- 4原理图 工作原理：首先由光控电路将接收的光信号转换为电信号，经由555定时器组成的施密特触发器整形和555定时器组成的单稳态触发器触发脉冲，输出计数脉冲信号。再通过计数器和译码器，在数码显示管上显示数目的增加或减少，实现自动计数的功能。3.3 方案三设计构思如图3-5 图3- 5 构思图 设计原理图如图3-6图3- 6 原理图 工作原理：首先由光控电路将接收的光信号转换为电信号，经施密特触发器整形触发脉冲，输出计数脉冲信号。再通过计数器和译码
5、器，在LED数码显示管上显示数目的增加或减少，实现自动计数的功能。3.4方案的确认 经过小组成员的多次仿真和商议，决定，方案一的电路利用了单片机的原理与本次的数字电子技术实训的要求不符所以直接放弃。方案二的电路经多次仿真和调试没有实现预期结果也由于电路功能过于复杂不适合初学者制作也放弃。所以最后决定使用方案三。4 设计原理及功能说明 设计原理：光电转换电路用于将光信号转换为系统所需的电信号。由于需要进行数目的加和减的运算，此部分需要两个相同的光控电路。每个电路的组成为：一个发射管，一个接收管以及一个三极管，同时还有一个20欧姆和一个20K欧姆的电阻。接通电源后，接收管接收到发射管射来的红外光线
6、。当有人通过两个二极管间时，三极管电流增大，内阻减小，集电极输出低电平，送至施密特触发器。本课题中选用的是555双D触发器，用于和其它芯片一起构成时序逻辑电路。由于555是上升边沿触发的边沿D触发器，电路结构是维特阻塞型的，所以又称维特阻塞触发器。它要求控制端D的信号应超前CP脉冲上升边沿2Tpd1时间建立，并要求在CP脉冲触发边沿到来后继续维持1Tpd1时间（此处的Tpd1是TTL门的平均传输延迟时间）。信号传输到后面的编码和译码部分。计数和译码由两个个计数器、两个译码器和两个数码管来完成，用于接收计数脉冲信号并将其转化成单独的信号输出并显示。在本课题中选用了74LS192加减计数器、CD4
7、511译码器和共阴极LED数码显示管。 功能说明：本电路的指导思想是设计光控电路，放置在流水线旁。当有产品通过光电门时，都会先触发光控电路，根据光控电路产生触发脉冲令计数器进行加计数。5 单元电路的设计5.1 元器件说明 5.1.1 555定时器 555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。它使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，广泛用于信号的产生、变换、控制和检测。在此课题中主要是用555定时器构成多谐振荡器，产生双D触发器所需要的时钟脉冲。其管脚图如图5-1。图 5-1 LM555 5.1.2加减计数器 因为本课题中需要对人数统计进行加和减的运算，所
8、以笔者选用了74LS90可逆计数器。其引脚图如图5-2。图 5-2 74LS905.1.3 译码器译码器用以连接计数器和显示部分。本课题选用了74LS48芯片作为译码器。其引脚图如右图5-3。图 5- 3 74LS48 5.1.4 数码管数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管（共阴极）。其引脚图如图5-4。图 5- 4 数码管5.2 单元电路设计 5.2.1 光电转换电路 光电转换电路用于将光信号转换为系统所需的电信号。由于需要进行数目的加和减的运算，此部分需要两个相同的光控电路。每个电路的组成为：一个发射管，一个接收管以及一个三极管，同时还有
9、一个20欧姆和一个20K欧姆的电阻。接通电源后，接收管接收到发射管射来的红外光线。当有人通过两个二极管间时，三极管电流增大，内阻减小，集电极输出低电平，送至施密特触发器。电路图如图5.5。图 5- 5 光电转换电路 5.2.2 脉冲产生电路 对于双D触发器所需要的1000Hz的脉冲，由于在本课题中电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用了555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为触发器和计数器的CP脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/(R1+2*R2)*C),通过计算选定参数确定了R1取430欧姆,R2取500欧姆,电容取1uF.这样得到了比较稳定的脉冲。其
10、电路图如图5-6。图 5- 6 脉冲和计时电路 5.2.3 计数和译码显示 计数和译码由两个个计数器、两个译码器和两个数码管来完成，用于接收计数脉冲信号并将其转化成单独的信号输出并显示。在本课题中选用了74LS192加减计数器、CD4511译码器和共阴极LED数码显示管，其电路图如图5-7。图 5- 7 显示电路6 制作与调试按照电路图在计算机上进行仿真以后，开始在电路板上连接线路并且焊接。为了更有效的检测电路连接的正确性，笔者采取了边连接边测试的方法。总共测试了三个部分：时钟脉冲部分：首先进行测试的是时钟脉冲部分。连接好线路后，连接电源，将555定时器的脉冲输出接口接入示波器，却未得到任何波
11、形。经检查，发现是芯片的位置错了。重新安置芯片后，示波器得到正确波形。 计数显示部分：其次测试了计数显示部分。同样的，连接电源，信号发生源调至输出适当频率的脉冲信号，并将其输出接口触碰加减计数器的up/down两引脚，数码管稳定而有序地进行数的加减。光电转换部分：最后测试了光电转换部分。将数字万用表的负极端接地，正极端接在三极管的集电极，用硬纸片隔断发射管和接收管，集电极由原来的高电平变为低电平。 在测试了以上三个部分以后，对总的电路进行测试，数码管却没有数字显示，经过多方检查才发现是由于虚焊的缘故。这是焊接过程中经常遇到的问题，不加以纠正将使电路无法工作，而且这个问题很难检查出来，也只能利用
12、万用表检查。在解决了虚焊的问题后，整个电路终于正常工作，实现了光控计数的功能。7 总结本次课程设计总的来说比较成功，但在设计及操作过程中也有一些问题，现将发现问题及解决方法总结如下：1)在检测电路板的过程中，出现本该相通的地方却未通的状况，后经检验发现是由于万用表笔尖未与电路板内部垂直接触所至。2)在检测CD4511驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每
13、一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。其次是由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好，其解决方法为把CD4511的芯片拔出，根据电路板的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入电路板中，此后发现能正常显示，本次实验中还发现一块坏的LED数码管和两块坏的CD4511，经更换后均能正常显示。3)在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的，例如仿真的连接示意图中，往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚，因
14、此在实际的电路连接中往往容易遗漏。通过电子实习，印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有一个好的设计。设计思路是最重要的，只要设计思路是成功的，那设计已经成功了一半。其次还要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如CP脉冲的供给通断，计数器的进位连接等。，经过仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。实习过程中，笔者深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
15、此外，团队精神和老师的指导对笔者本次课题的完成也是相当重要，在此对笔者的合作伙伴和指导老师表示感谢。总体来说，这次实习受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了设计思维，增加了实际操作能力。在体会到了设计电路的艰辛的同时，更体会到成功的喜悦和快乐心得体会。参考文献1江晓安，董秀峰数字电子技术（第三版），西安电子科技大学出版社，20082陈梓城实用电子电路设计与调试，北京：中国电力出版社，20063张旭东数字电路和数字系统实验与课程设计实训教程，人民邮电出版社出版，20094贾更新电子技术实验与课程设计，西北工业大学出版社，20105李维数字电路课程设计及实验，大连理工大学出版社，2008附录一：总体电路原理图附图1 原理图附录二：实物图附图2 实物图附录三：元器件清单表1 元器件清单名称规格型号数量电容0.01uF2100uF1芯片NE555274LS48274LS1602滑动变阻器0-20K1数码管一位10脚2光敏电阻1电阻300欧姆1420K1
