課程設(shè)計__光控計數(shù)器.doc

課程設(shè)計 -光控計數(shù)器學(xué)校：淮北師范大學(xué) 信息學(xué)院專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)姓名：學(xué)號：時間：2010-6-19指導(dǎo)老師：一章 設(shè)計要求本設(shè)計主要是利用光線的通斷來統(tǒng)計進入實驗室人數(shù)。要求設(shè)計兩路光控電路.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（無論是進入或走出房間）.都會先觸發(fā)一個光控電路.再觸發(fā)另一個光控電路.要求根據(jù)光控電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的先后順序.判斷來人是進入還是離開實驗.當(dāng)有人進入實驗室時令計數(shù)器進行加計數(shù).當(dāng)有人離開實驗室時進行減計數(shù)；要求計數(shù)器的最大計數(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)組成整個系統(tǒng)由五個部分組成：光控電路、觸發(fā)脈沖、加減計數(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轉(zhuǎn)換為電信號.經(jīng)施密特觸發(fā)器整形觸發(fā)脈沖.輸出計數(shù)脈沖信號。再通過計數(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.實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。第三章 電路設(shè)計 3.1元器件介紹 3.1.1施密特觸發(fā)器 經(jīng)光電部分出來的波形是不規(guī)則的.需要經(jīng)過施密特觸發(fā)器進行整形。在此課題中選用的施密特觸發(fā)器是555定時器。3.1.2 555定時器 555定時器是一種應(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.廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制和檢測。在此課題中主要是用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器.產(chǎn)生雙D觸發(fā)器所需要的時鐘脈沖。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.所以又稱維特阻塞觸發(fā)器。它要求控制端D的信號應(yīng)超前CP脈沖上升邊沿2Tpd1時間建立.并要求在CP脈沖觸發(fā)邊沿到來后繼續(xù)維持1Tpd1時間（此處的Tpd1是TTL門的平均傳輸延遲時間）。其中一個D觸發(fā)器引腳結(jié)構(gòu)如圖二。 圖二3.1.4 與非門本課題中選用了兩個74LS00芯片和一個74LS20芯片.與雙D觸發(fā)器一起構(gòu)成時序控制電路。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芯片中為兩個四腳合一與非門.與74LS20類似。圖三圖四3.1.5 加/減計數(shù)器因為本課題中需要對人數(shù)統(tǒng)計進行加和減的運算.所以選用了74LS192可逆計數(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)計提供的為LED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3.2.1 光電轉(zhuǎn)換電路 光電轉(zhuǎn)換電路用于將光信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電信號。由于需要進行數(shù)目的加和減的運算.此部分需要兩個相同的光控電路。每個電路的組成為：一個發(fā)射管.一個接收管以及一個三極管.同時還有一個20歐姆.一個20K歐姆和5.1K歐姆的電阻。接通電源后.接收管接收到發(fā)射管射來的紅外光線。當(dāng)有人通過兩個二極管間時.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 時鐘脈沖產(chǎn)生電路 對于雙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)器和計數(shù)器的CP脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),通過計算選定參數(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.對光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號進行整形.如上圖。 3.2.4 時序控制電路 時序控制電路在本課題中主要用于判斷計數(shù)的增加或是減少.在此選用了一個D觸發(fā)器、兩個74LS00芯片和一個74LS20芯片來實現(xiàn)。設(shè)計思路如下：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)置計數(shù)器為增加狀態(tài)時.如圖： 如上圖時序邏輯分析圖所示.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)置計數(shù)器為減少狀態(tài)時. 如上圖時序邏輯分析圖所示.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) ) 因此可得此部分時序邏輯圖.如圖3.2.4： 圖3.2.43.2.5 計數(shù)和譯碼和顯示部分 計數(shù)和譯碼由兩個個計數(shù)器、兩個譯碼器和兩個數(shù)碼管來完成.用于接收計數(shù)脈沖信號并將其轉(zhuǎn)化成單獨的信號輸出并顯示。在本課題中選用了74LS192加減計數(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 電路總圖此光控計數(shù)器電路總圖見附錄二。第四章 安裝與調(diào)試在電路板上連接線路。為了更有效的檢測電路連接的正確性.我們采取了邊連接邊測試的方法?？偣矞y試了三個部分：u 時鐘脈沖部分：首先進行測試的是時鐘脈沖部分。連接好線路后.連接電源.將555定時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)是芯片的位置錯了。重新安置芯片后.示波器得到如下波形：u 計數(shù)顯示部分：其次測試了計數(shù)顯示部分。同樣的.連接電源.信號發(fā)生源調(diào)至輸出適當(dāng)頻率的脈沖信號.并將其輸出接口觸碰加減計數(shù)器的up/down兩腳.數(shù)碼管穩(wěn)定而有序地進行數(shù)的加減。u 光電轉(zhuǎn)換部分：最后測試了光電轉(zhuǎn)換部分。將數(shù)字萬用表的負極端接地.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.集電極由原來的高電平變?yōu)榈碗娖健?在測試了以上三個部分以后.對總的電路進行測試.數(shù)碼管卻沒有數(shù)字顯示.經(jīng)過多方檢查才發(fā)現(xiàn)是由于數(shù)碼管壞了。這是插板過程中經(jīng)常遇到的問題.不加以糾正將使電路無法工作.而且這個問題很難檢查出來.也只能利用萬用表檢查。在解決了這個的問題后.整個電路終于正常工作.實現(xiàn)了光控計數(shù)的功能。第五章 結(jié)論本次課程設(shè)計總的來說比較成功.但在設(shè)計及操作過程中也有一些問題.現(xiàn)將發(fā)現(xiàn)問題及解決方法總結(jié)如下：1) 在檢測電路板的過程中.出現(xiàn)本該相通的地方卻未通的狀況.后經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)是由于萬用表筆尖未與面包板內(nèi)部垂直接觸所至。2) 在檢測CD4511驅(qū)動電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況.經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問題.其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良.在實驗過程中.數(shù)碼管有幾段二極管時隱時現(xiàn).有時會消失。用5V電源對數(shù)碼管進行檢測.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.再用萬用表歐姆檔檢測每一根線是否接觸良好.在檢測過程中發(fā)現(xiàn)有幾根線有時能接通.有時不能接通.把接觸不好的線重新接過后發(fā)現(xiàn)能正常顯示了。其次是由于芯片接觸不良的問題.用萬用表歐姆檔檢測有幾個引腳本該相通的地方卻未通.而檢測的導(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.本次實驗中還發(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 兩周的電子實習(xí).印象最深的是要設(shè)計一個成功的電路.必須要有一個好的設(shè)計。設(shè)計思路是最重要的.只要設(shè)計思路是成功的.那設(shè)計已經(jīng)成功了一半。其次還要有耐心.要有堅持的毅力。在整個電路的設(shè)計過程中.花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細節(jié)設(shè)計和檢測上.如CP脈沖的供給通斷.計數(shù)器的進位連接等。.經(jīng)過仔細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.使整個電路可穩(wěn)定工作。在整個過程中.我深刻的體會到在設(shè)計過程中.需要反復(fù)實踐.其過程很可能相當(dāng)煩瑣.有時花很長時間設(shè)計出來的電路還是需要重做.那時心中未免有點灰心.有時還特別想放棄.此時更加需要靜下心.查找原因。此外.團隊精神和老師的指導(dǎo)對本次課題的完成也是相當(dāng)重要.在此對我的合作伙伴和指導(dǎo)老師表示感謝?？傮w來說.這次實習(xí)受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中.特別有趣.培養(yǎng)了設(shè)計思維.增加了實際操作能力。在體會到了設(shè)計電路的艱辛的同時.更體會到成功的喜悅和快樂心得體會。 參考文獻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)計實驗測試 （第三版）華中科技大學(xué)出版社 20064. 門宏 怎樣識別和選用集成電路 人民郵電出版社 20075. 中國集成電路大全.國防工業(yè)出版社 附錄附錄一：元器件清單. .面包板 1塊脈沖開關(guān)（用于計數(shù)器復(fù)位） 1個發(fā)光二極管 2個發(fā)射二極管 2個接收二極管 2個三極管（9013） 2個74LS04 1片74LS74 2片74LS00 2片74LS20 1片74LS192 2片CD4511 2片NE555P 3個共陰數(shù)碼管 2個電阻：5.1K 歐姆 2個20 歐姆 2個 20K 歐姆 2個 500 歐姆 1個 430 歐姆 1個 100 歐姆 2個電容： 1 F 1個 0.01F 1個附錄二：電路總圖附錄三：電路修改在這次課程設(shè)計中.在原有的基礎(chǔ)之上我連接完電路圖.但發(fā)現(xiàn)不能實現(xiàn)理論上的光控計數(shù).之后我做了幾方面的改進：1、光電轉(zhuǎn)換電路錯誤：此部分的三極管的基極與高電平之間沒有接電阻.無論發(fā)射管與接收管之間有沒有物體擋住光線.輸入整形電路的信號始終是高電平.沒有脈沖生成。改進：在三極管的基極與高電平之間加一個5.1K歐姆的電阻.這樣就組成一個放大器。當(dāng)有物體擋住紅外光線時.整形電路輸出端由原來的低電平變?yōu)楦唠娖?物體離開紅外線后.整形電路輸出端有高電平變?yōu)榈碗娖?形成一個脈沖。2、整形電路錯誤：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：整形電路用555定時器組成的斯密特觸發(fā)器代替74LS04反相器。3、時序控制電路錯誤：在計算公式時出錯了Q（t+1）=AB+AQ =（AB）（AQ）Q（t+1）= BA+BQ=（BA）（BQ）改進：正確計算Q（t+1）=AB+AQ=（AB）（AQ）Q（t+1）= BA+BQ=（BA）（BQ） 所以原電路圖中吧74LS08與門換成74LS00與非門。4、計數(shù)和譯碼顯示電路 錯誤：原課程設(shè)計給74LS192加減計數(shù)器的是正脈沖.發(fā)現(xiàn)不能同時實現(xiàn)加減計數(shù)。 改進：經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)給74LS192加減計數(shù)器負脈沖時.能同時實現(xiàn)加減計數(shù)。所以把原來時序控制電路輸出Z=ABQ（t）改為Z=B+Q(t)+A=( ABQ(t) )5、計數(shù)和譯碼顯示電路錯誤：原課程設(shè)計是把第一個74LS194加減計數(shù)器的輸出進位端12腳接到第二個74LS194加減計數(shù)器的輸出借位端13腳.這是低級錯誤。改進：把第一個74LS194加減計數(shù)器的輸出進位端12腳和借位端13腳分別接到第二個74LS194加減計數(shù)器的加數(shù)計數(shù)端5腳和減數(shù)計數(shù)端4腳。附錄四：電路拓展部分此部分在課程設(shè)計要求里面沒有.是我在看別的電路是想到的.不知正確與否。實現(xiàn)功能：當(dāng)發(fā)生異常情況是.電路自動報警。異常情況包括：1、當(dāng)計數(shù)超過99是開始報警。2、當(dāng)計數(shù)少于0時電路自動報警。連