數字電子技術課程設計說明書.doc

內蒙古工業(yè)大學數字電子技術課程設計說明書_學校代碼：10128學 號：201311204018 數字電子技術課程設計說明書 題 目：生產線自動裝箱計數監(jiān)控器 邏輯電路設計與實驗 學生姓名：潘壘堅 學 院：電力學院 班 級：自動化13-1 指導教師：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，而且是經濟發(fā)展平的重要標志。工業(yè)生產中常常需要自動統(tǒng)計產品的數量并實現對生產線的整體控制，本次設計的生產線自動裝箱計數監(jiān)控器采用光電傳感器與計數器相結合的方法實現對物件的數目統(tǒng)計。設計中采用光電傳感器將光信號轉化為電信號產生正弦脈沖，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”計數器實現對罐和箱的計數，最終在數碼顯示管上顯示所計數目。設計還可以通過一系列控制電路實現在箱子未滿時持續(xù)加入飲料罐，在箱子已滿時設備停止工作直到下一空箱到來后設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。本設計經Multisim和實測驗證均可達到預期要求。關鍵詞：光電傳感器；自動統(tǒng)計；計數監(jiān)控器；濾波整形；控制電路目 錄一、設計任務概述11.1設計題目11.2設計目的11.3設計內容和要求1 1.3.1設計內容1 1.3.2設計要求1二、設計方案論證及方框圖22.1題目要求簡析22.2方案設計與論證2 2.2.1方案一2 2.2.2方案二2 2.2.3方案選擇22.3電路分塊32.4電路結構方框圖3三、電路組成及工作原理43.1信息采集電路4 3.1.1信號產生4 3.1.2信號放大4 3.1.3信號整形53.2計數顯示電路5 3.2.1罐計數顯示電路6 3.2.2箱計數顯示電路6 3.2.3計數顯示總電路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 4.1.1放大部分測量9 4.1.2整形部分測量104.2計數顯示部分測試12 4.2.1裝罐24計數顯示部分12 4.2.2裝箱18計數顯示部分144.3工作狀態(tài)控制部分測試15總結17致謝18參考文獻19設計所需儀器設備及元器件清單20附件21一、設計任務概述1.1設計題目 生產線自動裝箱計數監(jiān)控器邏輯電路設計與實驗1.2設計目的 （1）掌握基本時序邏輯電路的分析和設計方法，培養(yǎng)學習專業(yè)知識能力。 （2）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）掌握學習總結報告和設計說明書的基本書寫方法，培養(yǎng)技術交流能力。1.3設計內容和要求 1.3.1設計內容 設計一個生產線自動裝箱計數監(jiān)控器邏輯電路，實現自動裝箱計件控制。對罐裝飲料裝箱，每箱24個。計數器對裝箱飲料罐進行計數，未滿24個運送設備繼續(xù)工作。當裝滿24個時，停止飲料運送設備運行，直到下一個空箱到來時，再啟動運送飲料設備工作，進行飲料運送、裝箱。在監(jiān)控器上加顯示電路，顯示計數過程?？蓪崿F手動啟動、停止、清零控制。 1.3.2設計要求 (1)查找資料，比較實現邏輯功能的幾種設計方法(要求2種以上，主要根據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，完成框架設計。從設計任務邏輯抽象、設計方案選擇、選収器件材料、設計制作、測試分析等方面歸納闡述并總結成文，列出選用器件清單；列出參考文獻目錄清單。(2) 確定電路設計方案，繪制原理框圖或流程圖，簡述所選電路設計方案的工作原理或設計思路；根據設計要求，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，完成所設計邏輯電路的仿真測試。 (5)安裝、調試實測電路，完成電路性能指標測試，記錄并分析實驗測試結果。 (6)得出結論(是否針對設計任務完成電路設計，通過什么方式驗證設計的正確性，設計電路的性能如何，還可以在哪些方面做進一步改進等)。 (7)寫出設計說明和實驗報告，分析說明實驗過程中出現故障的原因及排除方法。 (8)創(chuàng)意設計或自主擴展設計。想一想白己的設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)新性設計，怎樣才能銷售出去等。二、設計方案論證及方框圖2.1題目要求簡析本設計中整體控制信號與裝罐計數器記錄情況有如下關系（見表1）操作控制罐計數器顯示數目設備當前狀態(tài)清零0罐計數器清零，設備停止啟動124設備正常運行暫停保持當前數值設備暫停停止0罐計數器清零，設備停止表1 設計要求簡析擴展功能：（1）實現對已裝箱數的記錄； （2）實現對裝罐整體電路的手動暫停控制；2.2方案設計與論證 通過光電元件產生脈沖信號，再通過放大電路、濾波整形電路產生矩形脈沖信號，用該信號觸發(fā)罐計數器計數，當計數脈沖輸入24個脈沖信號時，產生進位信號至箱計數器，同時罐計數電路暫停工作。當罐計數電路接收到下一空箱到位脈沖信號后，罐計數器清零并重新開始計數。 2.2.1方案一 信號源選用光敏電阻組成的傳感器，將光信號轉換成電信號。當有飲料罐通過時，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，相應電壓信號為低電平，通過放大電路放大信號，再經過濾波整形電路產生脈沖信號，觸發(fā)罐計數器計數，并在七段數碼顯示管上顯示數值。當罐計數器計數達24時產生進位信號至箱計數器，罐計數電路暫停工作。同時通過控制電路實現對整體電路的啟動、清零和停止控制。2.2.2方案二采用壓力傳感器采集信號，將壓力信號轉換為電信號。當有飲料罐到來時，壓力傳感器感受壓力，阻值發(fā)生變化。產生電信號并經過放大、整形電路處理后將脈沖信號傳給計數器，并在七段數碼顯示管上顯示數值。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，再傳遞給計數顯示電路和控制電路后，可以較容易實現設計要求。而方案二在理想條件下可以實現，但是在實際設計過程中由于單個飲料罐對傳感器壓力變化并不明顯，信號產生有困難，所以不容易實現。故我們采用方案一進行設計。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。 （2）計數顯示電路：信息采集電路將脈沖信號傳遞到罐計數器并通過數碼顯示管顯示具體數目，罐計數器計數達24時將進位信號傳遞到箱計數器，同時箱計數顯示器數目。 （3）狀態(tài)控制電路：罐計數器工作開始、暫停、停止和清零控制電路。2.4電路結構方框圖（見圖1）圖1 電路結構方框圖三、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生、放大和整形，此處將信號產生、放大和整形電路設置為模塊子電路以方便調試和控制。 3.1.1信號產生 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。無罐經過時光不斷照到光敏電阻，光敏電阻阻值很小相當與短路；當有一個飲料罐經過擋住光時，光敏電阻阻值升至無限大，此過程產生一個信號脈沖。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，數字于一體的中規(guī)模的集成電路，可用于信號的產生和信號的變換，只需要外接電阻，電容，就可以實現施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器等脈沖產生與變換電路。圖4 整形電路3.2計數顯示電路這是此次課程設計的核心電路，利用計數器，顯示器來完成計數功能。計數器是常用的時序電路之一，它不僅可用于對脈沖進行計數，還可以用于分頻，定時，產生節(jié)拍脈沖以及其它時序信號。計數器可分為同步計數器和異步計數器，還可分為加計數器和減計數器和可逆計數器。設計罐計數器時用置數法獲得二十四進制計數器，即用兩片74LS160N芯片可以實現二十四進制的計數。同理設計出十八進制的箱計數器。當罐計數到24時，通過與非門產生一個進位信號，傳遞至脈沖輸入端并加與門使脈沖信號暫時截止，同時為箱計數器提供一個脈沖信號，箱計數器遞加一。 此處設計將計數顯示電路設置為模塊子電路以方便調試和控制。 3.2.1罐計數顯示電路 罐計數顯示電路由兩片74LS160N和七段數碼顯示管兩部分構成，并將該部分做成一個子電路（見圖5）。圖5 24進制罐計數顯示電路3.2.2箱計數顯示電路 箱技術顯示電路組成和原理與罐計數顯示電路類似（見圖6）。圖6 18進制箱計數顯示電路3.2.3計數顯示總電路（見圖7）圖6 計數顯示總電路3.3狀態(tài)控制電路本次設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準的信號做與非計算，得出需要被計數器進行計數測量的信號脈沖。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，那么與運算的結果就是這兩個數的乘積。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 4.1.1放大部分測量放大部分我們選用的是NE5532AI四運算放大器。NE5532AI內部電路見圖10，管腳排列見圖11。 圖10 NE5532AI內部電路圖11 NE5532AI管腳排列仿真結果分析：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 放大電路仿真結果4.1.2整形部分測量整形部分我們選用的是LM555CM 555定時器。LM555CM內部電路見圖13，管腳排列見圖14。圖13 LM555CM內部電路圖14 LM555CN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，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F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VccVcc觸發(fā)輸入VccVcc復位0111輸出010不變放電管T導通截止導通不變表2 555定時器的功能表仿真結果分析：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 整形電路仿真結果4.2計數顯示部分測試 4.2.1裝罐24計數顯示部分 裝罐24計數顯示部分我們選用的是74LS160N十進制計數器。74LS160N內部電路圖，管腳排列及功能表見圖16、圖17和圖18。 圖16 74LS160N內部電路圖17 74LS160N管腳排列圖18 74LS160N功能表實驗結果分析：把2片74LS160N接成24進制計數器后，在CLK端接入已整形好的矩形脈沖，在數碼顯示管上可以顯示1到24數字（見圖19）。圖19 24進制罐計數器實測 4.2.2裝箱18計數顯示部分裝箱18計數顯示部分我們選用的也是兩片74LS160N十進制計數器。在CLK端接入已整形好的矩形脈沖，在數碼顯示管上可以顯示1到18數字（見圖20）。圖20 18進制箱計數器實測我們把裝罐計數器的進位接到了裝箱計數器的EP,ET端。使得罐計數器可以滿24向箱計數器提供一個脈沖信號（見圖21）。圖21 罐、箱計數器整體電路實測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，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22 74LS00P管腳排列 圖23 74LS04P管腳排列 圖24 74LS08P管腳排列控制部分芯片連接如圖25所示：圖25 控制部分芯片根據仿真圖連接實物電路,實測結果如圖26所示：圖26 實物整體電路 實測結果分析：我們將開關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，罐計數器從1到24計數。計數達24后，向箱計數器提供進位信號，并暫停顯示數目。當S1接低電平時，控制端提供清零信號，罐計數器清零；當S1接高點平時，罐計數電路重新開始工作。當S2接低電平時，控制端可以使脈沖暫時失效，罐計數器無脈沖接收，顯示數目暫停時S2斷開瞬間的數值。綜上所述，該生產線自動裝箱計數監(jiān)控器邏輯電路可以實現所有信號處理、計數顯示及工作狀態(tài)控制等功能。總 結 經過一周的緊張設計，我們根據設計需求完成了相應的任務。首先我們成功的做到了當箱子未滿24個時設備繼續(xù)工作并計數，當箱子裝滿24個時，停止飲料運送設備運行，直到下一個空箱到來，再啟動運送飲料設備工作，進行飲料運送、裝箱。其中，拓展功能中我們可以手動控制設備暫停運行、計數，然后繼續(xù)運行、計數。而且可以實現手動啟動，停止、清零控制我們也能實現。 但在實際設計時我們遇到了許多問題。首先，由于我們所學放大電路知識有限，致使在放大電路的設計過程中存在問題，導致我們的實際設計并不十分順利。我們先是設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上加入了手動暫停、繼續(xù)模塊，實現了在設備運行期間的暫停與繼續(xù)運行，提升了設計的功能。本次課程設計中，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，經過我們的反復推敲，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，同時也深化了所學知識。我們還在最后加入了統(tǒng)計總的飲料罐數的功能。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。雖然計數控制是比較簡單易行的一個設計，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)的設計過程，明白了各個環(huán)節(jié)的重要性，學會了如何去設計一個合理的、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，在課程設計中遇到問題時，老師們悉心指導、同學們的熱心幫助，這些對我的進步十分重要，在這里向老師們、同學們致謝。致 謝為期一周的數字電子課程設計結束了，我們根據任務書做出的生產線自動裝箱計數器是在我們的指導教師悉心指導下進行的。王艷榮老師在數字電子課程設計有豐富的實踐經驗，從第一天開始悉心指導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到知識，了解、深化課程設計的全過程。王老師嚴謹的工作態(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。從設計開始之前的排斥、反感到設計開始后的熱愛、覺得時間不夠用，我們深化了所學的電子技術理論知識，把理論課上的知識運用到實際操作當中，查漏補缺。最主要的是培養(yǎng)了綜合運用所學知識能力的，并了解了一般小型電子產品的設計思想和基本設計步驟，同時增強了獨立分析問題和解決問題的能力。通過這周的課程設計讓我充分感受到團隊合作的重要性。在學到新知識的同時，我也學會了如何與同學合作、溝通、交流。在課程設計期間，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、分析，得出最佳的問題解決方案。正是這種高效的溝通方式，讓我們在整個課程設計期間一直處于領先狀態(tài)。在此我也要感謝我的搭檔。沒有我的搭檔，我們不可能圓滿完成這次課程設計任務