光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)仿真與制作

1、 學(xué)號：光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)仿真與制作信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師2015 年 7 月 10 日光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)仿真與制作.31 摘要.3電路設(shè)計(jì)及其工作原理.41.1電路設(shè)計(jì)要求.41.2電路設(shè)計(jì).51.3電路整體原理簡述.51.4方案選擇.61.4.1 單片機(jī)方案.61.4.2 數(shù)字電路方案.61.2.單元電路設(shè)計(jì).72.1光控電路.72.1.1 電路圖及說明.72.1.2 LM311 的介紹.72.2觸發(fā)脈沖控制電路.92.2.1 電路圖及說明.92.2.2 電路組成元件.102.2.2.1 74LS74.102.3可逆計(jì)數(shù)電路.122.3.1 電路圖及說明.122.3.2 74LS192.142.

2、4譯碼及顯示電路.152.4.1 電路圖及說明.152.4.2 組成元件.162.4.2.1 74ls47.162.4.2.2 數(shù)碼管.173.電路仿真.183.1 光控開關(guān)部分.183.2 整體電路.193.2.1 初始狀態(tài).193.2.2 有人進(jìn)入加一.203.2.3 有人出去減一及借位.213.2.4 排除干擾.223.2.5 初始置數(shù).224.課設(shè)結(jié)果總結(jié).235.心得體會(huì).236.元件清單.247.參考文獻(xiàn).24附錄.252 光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)仿真與制作摘要隨著電子技術(shù)的日新月異，如今的電子技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了充分的利用，如在實(shí)際生活中很多需要統(tǒng)計(jì)人數(shù)的場合，光控計(jì)數(shù)器得到了充分

3、利用。本次課程設(shè)計(jì)的題目為光控計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)仿真與制作。此計(jì)數(shù)器主要是對室內(nèi)人員數(shù)目進(jìn)行時(shí)刻的智能統(tǒng)計(jì)并顯示出來。電路中分別包括光控電路部分，觸發(fā)脈沖控制部分，計(jì)數(shù)部分，譯碼部分及顯示部分。本設(shè)計(jì)主要是利用光線的通斷來統(tǒng)計(jì)進(jìn)入室內(nèi)人數(shù)。要求設(shè)計(jì)兩路光控電路，一路放置在門外，另一路設(shè)置在門里，當(dāng)有人通過門口時(shí)（無論是進(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，判斷來人是進(jìn)來還是離開實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)實(shí)驗(yàn)室時(shí)令計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)有人離開時(shí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行減計(jì)數(shù)。除外，本設(shè)計(jì)較為準(zhǔn)確，因?yàn)樗€有排除有人并沒有真正進(jìn)入門內(nèi)情況功能。通過 prot

4、eus 仿真可以看到電路實(shí)現(xiàn)功能的效果。電路中利用四個(gè) D 觸發(fā)器即兩片 74LS74 和 74LS00 來控制兩路光控電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，通過 74LS74 完成計(jì)數(shù)，CD4511 完成譯碼并用七段共陰數(shù)碼管顯示目前室內(nèi)人數(shù)。關(guān)鍵詞：光控 加減計(jì)數(shù) 譯碼 室內(nèi)人數(shù)3 AbstractWith the rapid development of electronic technology, electronic technology today has invarious fields have been fully utilized, as in real life a lot to stat

5、istics the number of occasions,photo counter has been full use. The topic of curriculum design for the design of simulationand fabrication of optical counter. This counter is mainly for the number of indoor personnelto carry out the intelligent statistics and display. The light control circuit part

6、comprises acircuit, a trigger pulse control part, a counting part, a decoding part and display part.This design is mainly to use light to break through the statistics to enter the interior of thenumber of people. Requirements of the design of two optical control circuit, a road placed atthe door and

7、 another set in the door, when a person through the door (either into or out of theroom, to trigger a photoswitch circuit, trigger another optical control circuit, according to theoptical control circuit produces pulse sequence, the judge is in or out of the lab, whensomeone enters the laboratory of

8、 seasonal counter for counting and, when people leavelaboratory count reduction. Except that the design is more accurate, because it also excludespeople who have not really entered the door. Through proteus simulation, we can see theeffect of the circuit.Circuit using four D flip flops is two pieces

9、 of 74ls74 and 74ls00 to control two opticalcontrol circuit generates a trigger pulse by 74ls74 counting is completed, CD4511 completedecoding and seven segment digital tube were overcast display at present in the room number.Keywords: light subtraction counting decoding indoor number1. 電路設(shè)計(jì)及其工作原理1.

10、1 電路設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)利用光線的通斷來統(tǒng)計(jì)進(jìn)入房間人數(shù)的電路，用 2 個(gè)數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值。 設(shè)計(jì)兩路光控電路，一路放置在門外，一路放置在門里。當(dāng)有人進(jìn)入或走出房間時(shí)，4 先后觸發(fā)兩路光控電路產(chǎn)生脈沖信號。 （仿真時(shí)可用 2 個(gè)開關(guān)模擬光控開關(guān)） 設(shè)計(jì)一個(gè)加減控制電路，根據(jù)光控電路產(chǎn)生脈沖的先后順序，判斷人員是進(jìn)入房間還是離開房間，從而控制可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)加法或減法的操作。要求有人進(jìn)入時(shí)，加法計(jì)數(shù)；有人離開時(shí)，減法計(jì)數(shù)。1.2 電路設(shè)計(jì)整個(gè)電路由光控電路，脈沖觸發(fā)控制電路，可逆計(jì)數(shù)電路，譯碼電路，顯示部分構(gòu)成，各部分電路及連接如下面框圖：首先由光控電路將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號觸發(fā)脈沖，在光線強(qiáng)

11、的時(shí)候，輸入低電平，在光線較暗的時(shí)候，輸入高電平，在低電平磚高電平時(shí)，會(huì)產(chǎn)生上升沿信號，可以作為D 觸發(fā)器的觸發(fā)信號，一個(gè)開關(guān)分別控制前一個(gè)D 觸發(fā)器的脈沖和D 觸發(fā)器的清零端，來區(qū)分up 和down 的觸發(fā)信號，從而控制譯碼加減計(jì)數(shù)電路的輸入信號，再由顯示譯碼器在顯示管上顯示數(shù)目的增加或減少，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加減計(jì)數(shù)的功能。 1.4 方案選擇51 單片機(jī)運(yùn)用廣泛，在控制領(lǐng)域十分常見，而且成本低廉。本設(shè)計(jì)要求中，可采用一塊 51 單片機(jī)作為核心。電路連接如下圖所示。設(shè)計(jì)兩路光控電路，一路放置在門外，一路放置在門里。當(dāng)有人進(jìn)入或走出房間時(shí)，將先后觸發(fā)兩路光控電路產(chǎn)生脈沖信號。設(shè)計(jì)一個(gè)加減控制電路，根

12、據(jù)光控電路產(chǎn)生脈沖的先后順序，判斷人員是進(jìn)入房間還是離開房間，從而控制可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)加法或減法的操作。要求有人進(jìn)入時(shí)，加法計(jì)數(shù)；有人離開時(shí)，減法計(jì)數(shù)。用兩片 190 或兩片 192 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 100 進(jìn)制的可逆計(jì)數(shù)器，并用數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。要求當(dāng)加法計(jì)數(shù)至 99 時(shí)，+1，計(jì)數(shù)器回到 00；當(dāng)減法計(jì)數(shù)至 00 時(shí)，-1，計(jì)數(shù)器回到99。數(shù)字電路方案更為貼近數(shù)字電路的學(xué)習(xí)和鞏固，而且此方案不需使用單片機(jī)，簡單6 2.單元電路設(shè)計(jì)光控電路部分就是模擬了開關(guān) S1、S2 的通斷。通過過零比較器的兩個(gè)輸入端電壓的不同來決定輸出端 1 腳的值。此次設(shè)計(jì)是利用接地輸出，2 腳為正輸入端，3 腳為負(fù)輸入端

13、。當(dāng) 2 腳電壓大于 3 腳時(shí)，輸出電壓翻轉(zhuǎn)，即低電平，相當(dāng)于開關(guān)初始斷開狀態(tài)，當(dāng) 3 腳電壓大于 2 腳電壓，同理分析，相當(dāng)于開關(guān)閉合。7 圖 2.1.2 LM311 引腳圖引腳功能如下若 2、3 腳分別接 VA、VB，輸出如下圖 2.1.3 LM311 輸出舉例8 觸發(fā)脈沖電路由四個(gè) D 觸發(fā)器組成和邏輯門（一個(gè)與非門和兩個(gè)非門）組成。上面的兩個(gè) D 觸發(fā)器與下面的兩個(gè) D 觸發(fā)器地位分別對應(yīng)相等。上面部分左邊的 D 觸發(fā)器為D1，右邊的為 D2。開始 D1 的 CLK 接低電平，非門 U7、U8 輸出為高電平，因此 U10輸出為高電平，連到置數(shù)端 R，因此現(xiàn)在可以觸發(fā) D1，D1 的 D

14、 端接 VCC 始終為 1，當(dāng)閉合 S1 時(shí)，D1 變?yōu)?1，即 D2 的 R 端為 1，可以置數(shù)，此處的 D1 的功能相當(dāng)于保存S1 的觸發(fā)信號，當(dāng) S2 閉合時(shí)，D2 的時(shí)鐘輸入端接收到上升沿觸發(fā)信號，觸發(fā)有效，Q2 變?yōu)楦唠娖?，則up 變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)，up 的低電平通過與非門和一個(gè)非門，反饋到D1 的 R 端，D1 和 D2 都被清零，恢復(fù)到高電位，此時(shí) up 也恢復(fù)高電位，有上升沿產(chǎn)生，計(jì)數(shù)器 74ls192 加數(shù)計(jì)數(shù)。對下面兩個(gè) D 觸發(fā)器的分析與上面相同。因?yàn)闊o論是加 數(shù)還是減數(shù)計(jì)數(shù)，左邊的D 觸發(fā)器都會(huì)被觸發(fā)，要想實(shí)現(xiàn)在計(jì)數(shù)之后恢復(fù)到初始狀態(tài)，則需反饋清零，考慮到加數(shù)減數(shù)計(jì)數(shù)都

15、要清零，故使用與非門連接up 和down 同時(shí)反饋到左邊兩個(gè)D 觸發(fā)器的R 端。可見，加一的過程是由后按的開關(guān)的決定的。后按S2，S2 決定了 D2 即 U1 的觸發(fā)。將 U7 連到 U7，就可以觸發(fā) UP 端。同理，只要，先按 S2，后按 S1，S1 決定了 U2 的觸發(fā)，U8 連到 DOWN 端，就可以經(jīng)相似的過程產(chǎn)生 DOWN 端的觸發(fā)上升沿，實(shí)現(xiàn)減一的過程。除了可以實(shí)現(xiàn)加一和減一計(jì)數(shù)來顯示室內(nèi)人數(shù)，設(shè)計(jì)特別之處在于可以排除干擾情況。如果連按兩次某一個(gè)開關(guān)，即有人在門口晃悠并沒有真正進(jìn)入或出去。比如只按 S1，雖然使得 D2 清零端 R2 為 1，可以觸發(fā)，但另一個(gè)開關(guān) S2 始終不按，

16、就不會(huì)產(chǎn)生 CLK2的觸發(fā)脈沖。因此仍然不會(huì)計(jì)數(shù)。這種設(shè)計(jì)，能較準(zhǔn)確的反映室內(nèi)人數(shù)。2.2.2 電路組成元件2.2.2.1 74LS74其中各個(gè)引腳功能分別為：1CP、2CP： 時(shí)鐘輸入端，1D、2D： 數(shù)據(jù)輸入端 ，1Q、2Q、/1Q 、/2Q ：輸出端 ，CLR1、CLR2：直接復(fù)位端（低電平有效），PR1、PR2：直接置位端（低電平有效）功能表如下 74LS74 芯片即代替了 4 個(gè) D 觸發(fā)器。D 觸發(fā)器只有一個(gè)輸入，十分常見。狀態(tài)方程為 Qn+1Dn ，其輸出狀態(tài)的更新發(fā)生在 CP 脈沖的上升沿，故又稱為上升沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器，觸發(fā)器的狀態(tài)只取決于時(shí)鐘到來前 D 端的狀態(tài)。其中SD

17、和RD 接至基本 RS 觸發(fā)器的輸入端，它們分別是預(yù)置和清零端，低電平有效。D 觸發(fā)器的應(yīng)用很廣，可用作數(shù)字信號的寄存，移位寄存，分頻和波形發(fā)生等。有很多種型號可供各種用途的需要而選用。圖 2.2.4 D 觸發(fā)器邏輯圖D 觸發(fā)器功能表如下：圖 2.2.5 D 觸發(fā)器功能表 2.2.2.2 74LS0074LS74 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖如下圖 2.2.7 74LS74 引腳圖2.3 可逆計(jì)數(shù)電路可逆計(jì)數(shù)器電路圖如下 圖 2.3.1 計(jì)數(shù)電路圖電路由兩片 74LS192 構(gòu)成。其中 U5 為低位的計(jì)數(shù)，U2 為高位計(jì)數(shù)。進(jìn)位的實(shí)現(xiàn)：U5 的 12 腳 TCU 連到 U2 的 5 腳 UP，當(dāng)各位計(jì)到9

18、 后時(shí)，產(chǎn)生上升沿到U2 的 UP 實(shí)現(xiàn)進(jìn)位。 74LS192 是一種常見的計(jì)數(shù)芯片，為同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，即同時(shí)可以加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)。其中 PL 為置數(shù)端，低電平有效。CPU 為加計(jì)數(shù)端，上升沿有效。CPD 為減計(jì)數(shù)端，上升沿有效。TCU 為非同步進(jìn)位輸出端，TCD 為非同步借位輸出端。P0、P1、P2、P3 為計(jì)數(shù)器輸入端。MR 為清除端，高電平有效。Q0、Q1、Q2、Q3 為數(shù)據(jù)輸出端。其引腳圖如下： 圖 2.4.1 譯碼及顯示電路如圖，譯碼顯示電路由兩個(gè) CD4511 完成譯碼，然后驅(qū)動(dòng)右邊的數(shù)碼管來顯示人數(shù)。兩個(gè) CD4511 與兩個(gè) 74LS192 對應(yīng)相連，分別將個(gè)位和十位的數(shù)字

19、進(jìn)行譯碼，然后送進(jìn)數(shù)碼管。其中輸出為 a,b,c,d,e,f,g，分別對應(yīng)著七段數(shù)碼管的七個(gè)二極管，即顯示字形的七條邊。對應(yīng)輸出為 1 的時(shí)候，對應(yīng)邊會(huì)亮，即顯示了某種字形。 2.4.2.1 74ls47J圖 2.4.4 74LS47 功能表 顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI 為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)， B1 端應(yīng)加高電平。另外 CD4511 有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù) 9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。LE 是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。ag 是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰 LED

20、 數(shù)碼管。 若要多位計(jì)數(shù)，只需將計(jì)數(shù)器級聯(lián)，每級輸出接一只 CD4511和 LED 數(shù)碼管即可。課設(shè)中我仿真的是使用的數(shù)碼管為七段共陽數(shù)碼管。由 7 個(gè)發(fā)光二極管組成，這 7個(gè)二極管分別對應(yīng)表達(dá)一個(gè)字形所要用到的七條邊。此外，還有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。共陰指的是共陰極接法，把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時(shí)公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平的則不點(diǎn)亮。共陰極數(shù)碼管引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：17 3.電路仿真圖 3.1.1 模擬開關(guān)斷開 3.2 整體電路 此時(shí)先按 S2 再按 S1，即有一人出，不僅減一而且借位 由仿真得可以成功借位當(dāng)

21、只按下一個(gè)開關(guān)，即人沒有真正進(jìn)入情況，仿真結(jié)果顯示可以排除這種情況。只按兩次 S1，仿真結(jié)果如下，數(shù)碼管顯示人數(shù)始終為 0，沒有變化，即沒有被干擾。 4.課設(shè)結(jié)果總結(jié)本次課設(shè)的設(shè)計(jì)較好地完成了要求。不僅能夠進(jìn)出人員的加一減一計(jì)數(shù)，正確完成進(jìn)位與借位過程，將室內(nèi)總?cè)藬?shù)顯示于兩個(gè)數(shù)碼管上，即 0 到 99 的兩位十進(jìn)制數(shù)字（其中加減是通過兩個(gè)開關(guān)的閉合順序確定的，而開關(guān)模擬的光線的通斷，即是否有人經(jīng)過），還能夠排除干擾情況。兩個(gè)開關(guān)相當(dāng)于兩道門，經(jīng)過兩道門的順序可以看出是進(jìn)入還是出去。然而如果有人只經(jīng)過其中一道門就不是真正的進(jìn)出。這種情況在仿真中可以看到被排除了。只有兩道門都經(jīng)過才會(huì)進(jìn)行加減數(shù)。剛

22、開始用的方案是用 JK 觸發(fā)器來完成觸發(fā)脈沖的控制，但是不能排除干擾，只按一個(gè)開關(guān)時(shí)仍然會(huì)進(jìn)行加數(shù)或者減數(shù)。因此改進(jìn)了方案，使用了4 個(gè) D 觸發(fā)器以及一些邏輯門才完成了干擾的排除。5.心得體會(huì)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)有趣的過程， 在設(shè)計(jì)過程中可以提升對數(shù)電課上知識的理解，并能將所學(xué)用于解決實(shí)際問題。此次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如學(xué)會(huì)思考解決問題的方法，出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)的隨機(jī)應(yīng)變和與人合作共同提高的意識，實(shí)在是受益非淺。這些天的努力也讓我增強(qiáng)了信心，相信自己只要踏實(shí)努力，以后也一定能高質(zhì)量地完成項(xiàng)目。調(diào)試過程是痛苦的，調(diào)試電路是需要非常強(qiáng)的理論作為基礎(chǔ)，但也是最能提升能力的部分。只有通過親自調(diào)試電路，發(fā)現(xiàn)電路存在的問題，思考產(chǎn)生的原因，并想辦法解決問題，才能加深對自己設(shè)計(jì)電路的認(rèn)識。動(dòng)手實(shí)踐也讓我們對各個(gè)元件的功能及使用有了更深刻的了解。能力來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在這次課程設(shè)計(jì)的完成過程中，我深刻地體會(huì)到過程很可能相當(dāng)煩瑣，花很長時(shí)間設(shè)計(jì)出來的電路需要重做，花很大精力焊接的電路也實(shí)現(xiàn)不了想要的功能的時(shí)候，未免有點(diǎn)灰心，甚至想放棄，但是一旦靜下心，查找原因，反復(fù)實(shí)踐，成功的幾率就會(huì)增加許多?？傮w來說，我在摸索該中設(shè)計(jì)電路并實(shí)現(xiàn)功能的過程中，培養(yǎng)了設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操