課程設(shè)計(jì)__光控計(jì)數(shù)器.doc

課程設(shè)計(jì) -光控計(jì)數(shù)器學(xué)校：淮北師范大學(xué) 信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)姓名：學(xué)號(hào)：時(shí)間：2010-6-19指導(dǎo)老師：一章 設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)主要是利用光線的通斷來(lái)統(tǒng)計(jì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人數(shù)。要求設(shè)計(jì)兩路光控電路.一路放置在門(mén)外.另一路設(shè)置在門(mén)里.當(dāng)有人通過(guò)門(mén)口時(shí)（無(wú)論是進(jìn)入或走出房間）.都會(huì)先觸發(fā)一個(gè)光控電路.再觸發(fā)另一個(gè)光控電路.要求根據(jù)光控電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的先后順序.判斷來(lái)人是進(jìn)入還是離開(kāi)實(shí)驗(yàn).當(dāng)有人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)令計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù).當(dāng)有人離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)；要求計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)容量為99人.并用數(shù)碼管顯示數(shù)字。第二章 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成整個(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.其工作原理框圖如下： 2.2 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)施密特觸發(fā)器整形觸發(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LED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。第三章 電路設(shè)計(jì) 3.1元器件介紹 3.1.1施密特觸發(fā)器 經(jīng)光電部分出來(lái)的波形是不規(guī)則的.需要經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形。在此課題中選用的施密特觸發(fā)器是555定時(shí)器。3.1.2 555定時(shí)器 555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。它使用靈活、方便.只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器.廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制和檢測(cè)。在此課題中主要是用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器.產(chǎn)生雙D觸發(fā)器所需要的時(shí)鐘脈沖。其引腳圖如圖一。 圖一3.1.3 雙D觸發(fā)器本課題中選用的是74LS74雙D觸發(fā)器.用于和其它芯片一起構(gòu)成時(shí)序邏輯電路。由于74LS74是上升邊沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器.電路結(jié)構(gòu)是維特阻塞型的.所以又稱(chēng)維特阻塞觸發(fā)器。它要求控制端D的信號(hào)應(yīng)超前CP脈沖上升邊沿2Tpd1時(shí)間建立.并要求在CP脈沖觸發(fā)邊沿到來(lái)后繼續(xù)維持1Tpd1時(shí)間（此處的Tpd1是TTL門(mén)的平均傳輸延遲時(shí)間）。其中一個(gè)D觸發(fā)器引腳結(jié)構(gòu)如圖二。 圖二3.1.4 與非門(mén)本課題中選用了兩個(gè)74LS00芯片和一個(gè)74LS20芯片.與雙D觸發(fā)器一起構(gòu)成時(shí)序控制電路。其中與74LS00芯片引腳如圖三.74LS00芯片結(jié)構(gòu)及引腳圖如圖四.74LS20芯片中為兩個(gè)四腳合一與非門(mén).與74LS20類(lèi)似。圖三圖四3.1.5 加/減計(jì)數(shù)器因?yàn)楸菊n題中需要對(duì)人數(shù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行加和減的運(yùn)算.所以選用了74LS192可逆計(jì)數(shù)器。其引腳圖如圖五。 圖五3.1.6 譯碼器譯碼器用以連接計(jì)數(shù)器和顯示部分。本課題選用了CD4511芯片作為譯碼器。其引腳圖如右圖。 3.1.7 數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管.本設(shè)計(jì)提供的為L(zhǎng)ED數(shù)碼管（共陰極）。其引腳圖如圖六。 圖六3.2 單元電路設(shè)計(jì)3.2.1 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)接收管以及一個(gè)三極管.同時(shí)還有一個(gè)20歐姆.一個(gè)20K歐姆和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).三極管電流增大.內(nèi)阻減小.集電極輸出低電平.送至施密特觸發(fā)器。電路圖如圖3.2.1： 圖3.2.13.2.2 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.振蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),通過(guò)計(jì)算選定參數(shù)確定了R1取430歐姆,R2取500歐姆,電容取1uF.這樣得到了比較穩(wěn)定的脈沖。其電路圖如圖3.2.2所示：圖3.2.2 3.2.3 整形電路 此整形電路由555施密特觸發(fā)器完成.對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形.如上圖。 3.2.4 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、兩個(gè)74LS00芯片和一個(gè)74LS20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： 如上圖時(shí)序邏輯分析圖所示.可得真值表和卡諾圖如下： A B Q（t） Q（t+1） Z 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 11 0 1 1 11 1 1 1 0AB Q00011100000110011 因此.得Q（t+1）=AB+AQ =（AB）（AQ）AB Q000111100110111111 Z=B+Q（t）+A=( ABQ(t) ) 同理：設(shè)置計(jì)數(shù)器為減少狀態(tài)時(shí). 如上圖時(shí)序邏輯分析圖所示.可得真值表和卡諾圖如下：A B Q（t） Q（t+1） Z 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 11 0 1 0 11 1 1 1 0AB Q000111100010010110 得：Q（t+1）= BA+BQ =（BA）（BQ）AB Q000111100110111111 Z=B+Q（t）+A=( ABQ(t) ) 因此可得此部分時(shí)序邏輯圖.如圖3.2.4： 圖3.2.43.2.5 計(jì)數(shù)和譯碼和顯示部分 計(jì)數(shù)和譯碼由兩個(gè)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、CD4511譯碼器和共陰極LED數(shù)碼顯示管.其電路圖如圖3.2.5： 圖3.2.5 3.3 電路總圖此光控計(jì)數(shù)器電路總圖見(jiàn)附錄二。第四章 安裝與調(diào)試在電路板上連接線路。為了更有效的檢測(cè)電路連接的正確性.我們采取了邊連接邊測(cè)試的方法。總共測(cè)試了三個(gè)部分：u 時(shí)鐘脈沖部分：首先進(jìn)行測(cè)試的是時(shí)鐘脈沖部分。連接好線路后.連接電源.將555定時(shí)器的脈沖輸出接口接入示波器.卻未得到任何波形。經(jīng)檢查.發(fā)現(xiàn)是芯片的位置錯(cuò)了。重新安置芯片后.示波器得到如下波形：u 計(jì)數(shù)顯示部分：其次測(cè)試了計(jì)數(shù)顯示部分。同樣的.連接電源.信號(hào)發(fā)生源調(diào)至輸出適當(dāng)頻率的脈沖信號(hào).并將其輸出接口觸碰加減計(jì)數(shù)器的up/down兩腳.數(shù)碼管穩(wěn)定而有序地進(jìn)行數(shù)的加減。u 光電轉(zhuǎn)換部分：最后測(cè)試了光電轉(zhuǎn)換部分。將數(shù)字萬(wàn)用表的負(fù)極端接地.正極端接在三極管的集電極.用硬紙片隔斷發(fā)射管和接收管.集電極由原來(lái)的高電平變?yōu)榈碗娖健?在測(cè)試了以上三個(gè)部分以后.對(duì)總的電路進(jìn)行測(cè)試.數(shù)碼管卻沒(méi)有數(shù)字顯示.經(jīng)過(guò)多方檢查才發(fā)現(xiàn)是由于數(shù)碼管壞了。這是插板過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題.不加以糾正將使電路無(wú)法工作.而且這個(gè)問(wèn)題很難檢查出來(lái).也只能利用萬(wàn)用表檢查。在解決了這個(gè)的問(wèn)題后.整個(gè)電路終于正常工作.實(shí)現(xiàn)了光控計(jì)數(shù)的功能。第五章 結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)總的來(lái)說(shuō)比較成功.但在設(shè)計(jì)及操作過(guò)程中也有一些問(wèn)題.現(xiàn)將發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及解決方法總結(jié)如下：1) 在檢測(cè)電路板的過(guò)程中.出現(xiàn)本該相通的地方卻未通的狀況.后經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是由于萬(wàn)用表筆尖未與面包板內(nèi)部垂直接觸所至。2) 在檢測(cè)CD4511驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況.經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問(wèn)題.其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中.數(shù)碼管有幾段二極管時(shí)隱時(shí)現(xiàn).有時(shí)會(huì)消失。用5V電源對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行檢測(cè).一端接地.另一端接觸每一段二極管.發(fā)現(xiàn)二極管能正常顯示的.再用萬(wàn)用表歐姆檔檢測(cè)每一根線是否接觸良好.在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有幾根線有時(shí)能接通.有時(shí)不能接通.把接觸不好的線重新接過(guò)后發(fā)現(xiàn)能正常顯示了。其次是由于芯片接觸不良的問(wèn)題.用萬(wàn)用表歐姆檔檢測(cè)有幾個(gè)引腳本該相通的地方卻未通.而檢測(cè)的導(dǎo)線狀況良好.其解決方法為把CD4511的芯片拔出.根據(jù)面包板的狀況重新調(diào)整其引腳.使其正對(duì)于孔.再用力均勻地將芯片插入電路板中.此后發(fā)現(xiàn)能正常顯示.本次實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)一塊壞的LED數(shù)碼管和兩塊壞的CD4511.經(jīng)更換后均能正常顯示。第六章 心得體會(huì) 兩周的電子實(shí)習(xí).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。.經(jīng)過(guò)仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因.最后還是在老師的耐心指導(dǎo)下.使整個(gè)電路可穩(wěn)定工作。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).這次實(shí)習(xí)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）高等教育出版社 20062. 謝佳奎 電子線路（線性部分） 第四版 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）華中科技大學(xué)出版社 20064. 門(mén)宏 怎樣識(shí)別和選用集成電路 人民郵電出版社 20075. 中國(guó)集成電路大全.國(guó)防工業(yè)出版社 附錄附錄一：元器件清單. .面包板 1塊脈沖開(kāi)關(guān)（用于計(jì)數(shù)器復(fù)位） 1個(gè)發(fā)光二極管 2個(gè)發(fā)射二極管 2個(gè)接收二極管 2個(gè)三極管（9013） 2個(gè)74LS04 1片74LS74 2片74LS00 2片74LS20 1片74LS192 2片CD4511 2片NE555P 3個(gè)共陰數(shù)碼管 2個(gè)電阻：5.1K 歐姆 2個(gè)20 歐姆 2個(gè) 20K 歐姆 2個(gè) 500 歐姆 1個(gè) 430 歐姆 1個(gè) 100 歐姆 2個(gè)電容： 1 F 1個(gè) 0.01F 1個(gè)附錄二：電路總圖附錄三：電路修改在這次課程設(shè)計(jì)中.在原有的基礎(chǔ)之上我連接完電路圖.但發(fā)現(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)理論上的光控計(jì)數(shù).之后我做了幾方面的改進(jìn)：1、光電轉(zhuǎn)換電路錯(cuò)誤：此部分的三極管的基極與高電平之間沒(méi)有接電阻.無(wú)論發(fā)射管與接收管之間有沒(méi)有物體擋住光線.輸入整形電路的信號(hào)始終是高電平.沒(méi)有脈沖生成。改進(jìn)：在三極管的基極與高電平之間加一個(gè)5.1K歐姆的電阻.這樣就組成一個(gè)放大器。當(dāng)有物體擋住紅外光線時(shí).整形電路輸出端由原來(lái)的低電平變?yōu)楦唠娖?物體離開(kāi)紅外線后.整形電路輸出端有高電平變?yōu)榈碗娖?形成一個(gè)脈沖。2、整形電路錯(cuò)誤：把光電轉(zhuǎn)換電路形成的脈沖輸入74LS04反相器.用74LS04反相器的效果不好。改進(jìn)：整形電路用555定時(shí)器組成的斯密特觸發(fā)器代替74LS04反相器。3、時(shí)序控制電路錯(cuò)誤：在計(jì)算公式時(shí)出錯(cuò)了Q（t+1）=AB+AQ =（AB）（AQ）Q（t+1）= BA+BQ=（BA）（BQ）改進(jìn)：正確計(jì)算Q（t+1）=AB+AQ=（AB）（AQ）Q（t+1）= BA+BQ=（BA）（BQ） 所以原電路圖中吧74LS08與門(mén)換成74LS00與非門(mén)。4、計(jì)數(shù)和譯碼顯示電路 錯(cuò)誤：原課程設(shè)計(jì)給74LS192加減計(jì)數(shù)器的是正脈沖.發(fā)現(xiàn)不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)。 改進(jìn)：經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)給74LS192加減計(jì)數(shù)器負(fù)脈沖時(shí).能同時(shí)實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)。所以把原來(lái)時(shí)序控制電路輸出Z=ABQ（t）改為Z=B+Q(t)+A=( ABQ(t) )5、計(jì)數(shù)和譯碼顯示電路錯(cuò)誤：原課程設(shè)計(jì)是把第一個(gè)74LS194加減計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)位端12腳接到第二個(gè)74LS194加減計(jì)數(shù)器的輸出借位端13腳.這是低級(jí)錯(cuò)誤。改進(jìn)：把第一個(gè)74LS194加減計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)位端12腳和借位端13腳分別接到第二個(gè)74LS194加減計(jì)數(shù)器的加數(shù)計(jì)數(shù)端5腳和減數(shù)計(jì)數(shù)端4腳。附錄四：電路拓展部分此部分在課程設(shè)計(jì)要求里面沒(méi)有.是我在看別的電路是想到的.不知正確與否。實(shí)現(xiàn)功能：當(dāng)發(fā)生異常情況是.電路自動(dòng)報(bào)警。異常情況包括：1、當(dāng)計(jì)數(shù)超過(guò)99是開(kāi)始報(bào)警。2、當(dāng)計(jì)數(shù)少于0時(shí)電路自動(dòng)報(bào)警。連