(完整版)實驗室人數(shù)統(tǒng)計數(shù)電課設(shè)

1、沈陽航空航天大學課程設(shè)計（說明書）實驗室人數(shù)統(tǒng)計電路的設(shè)計班級學號學生姓名指導教師沈陽航空航天大學課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱數(shù)字邏輯課程設(shè)計課程設(shè)計題目實驗室人數(shù)統(tǒng)計電路的設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計說明設(shè)計一個利用光線的通斷來統(tǒng)計實驗室人數(shù)的電路。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，當有人通過門口時（無論是進入或是走出房間），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)的先后順序，判斷人員是進入還是離開實驗室，當有人進入時令計數(shù)器進行加計數(shù)，當有人離開實驗室時進行減計數(shù)。其電路原理框圖如圖1所示。它由光電控制電路，脈沖整形電路，控制邏輯電路，計數(shù)器

2、電路，譯碼顯示電路等組成。光電電路i光電電路脈沖整形脈沖整形控制邏輯電路加減法可逆計數(shù)器顯示譯碼手動復位數(shù)碼顯示聲、光報警電路ii圖1實驗室人數(shù)統(tǒng)計電路原理框圖二、技術(shù)指標計數(shù)器的最大計數(shù)容量為99，并用數(shù)碼管顯示。三、設(shè)計要求1在選擇器件時，應考慮成本。2有手動復位（清零）功能。3要求計數(shù)器每計一個數(shù)，發(fā)光二極管指示燈閃爍一次（或蜂鳴器響一次）。4可選元件：(1)紅外發(fā)光二極管和光電三極管(對管);(2)集成譯碼顯示電路74ls47或其它；(3)可逆計數(shù)器74ls190或者74ls192；(4)led數(shù)碼管；(5)555定時器；(6)發(fā)光二極管等。四、實驗要求1根據(jù)技術(shù)指標制定實驗方案；驗證

3、所設(shè)計的電路。2進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。五、推薦參考資料1.謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試.m武漢：華中理工大學出版社，2000年2.閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).m北京：高等教育出版社，2006年3.付家才.電子實驗與實踐.m北京：高等教育出版社，2004年六、按照要求撰寫課程設(shè)計報告成績評定表：序號評定項目評分成績12345設(shè)計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分）設(shè)計結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）態(tài)度認真，遵守紀律（15分）（設(shè)計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇）25分）答辯（30分）總分最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字：2015年6月25日一、概

4、述本次課設(shè)的任務(wù)是實驗室人數(shù)統(tǒng)計電路的設(shè)計，要求我們運用理論課上學到的知識來完成人數(shù)統(tǒng)計的電路設(shè)計，讓使用者可以通過這個電路了解實驗室內(nèi)的總?cè)藬?shù)和人員進出的變化情況，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出反應。對任何知識的掌握程度都取決于對其認識的程度，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，只有自己動手設(shè)計電路才能較好的理解基礎(chǔ)知識和基本技能。在查閱資料之后，本次實驗設(shè)計首先用紅外線感應電路感應實驗人員的進出，有人進入或離開時依次觸發(fā)兩個光電電路，繼而根據(jù)光電電路顯示的人員進出的情況用控制邏輯電路發(fā)出脈沖，使用加減計數(shù)器實現(xiàn)加減計數(shù)功能，即有人進入時令計數(shù)器進行加計數(shù)，當有人離開實驗室時進行減計數(shù)，同時伴隨著人數(shù)加減

5、的數(shù)碼管顯示還有燈光或者蜂鳴報警電路提示，最后把總?cè)藬?shù)結(jié)果通過數(shù)碼管反映?，F(xiàn)代人類社會已經(jīng)進入信息時代，因而信息技術(shù)對社會發(fā)展，科學進步將起到?jīng)Q定性作用。為了達到節(jié)省人力資源的目的，避免人工的繁瑣計算，使用數(shù)字邏輯電路是一個極其方便的方法用以記錄出的人數(shù)和入的人數(shù)以及總?cè)藬?shù)。這次課程設(shè)計是一個對我們實踐能力的檢驗，同時也是一個機會，讓我們深入了解人數(shù)計數(shù)器的組成和如何讓計數(shù)報警的功能實現(xiàn)，人數(shù)計數(shù)器在超市、商場、酒店、實驗室等大多數(shù)人類活動場所都能用到，所有它對于當今社會具有重大的意義。二、方案論證方案一：方案一原理框圖如圖1所示。光電電路i光電電路脈沖整形脈沖整形控制邏輯電路加減法可逆計數(shù)器

6、顯示譯碼手動復位數(shù)碼顯示聲、光報警電路ii圖1方案一原理框圖實驗室人數(shù)統(tǒng)計電路由模擬光電感應電路、控制邏輯電路、計數(shù)譯碼顯示電路、和聲光報警電路四部分組成?，F(xiàn)實中用紅外線感應器感應人進出，由紅外感應器產(chǎn)生信號跳變，但是由于在實驗條件下無法真正實現(xiàn)人進人出的效果，所以用開關(guān)模擬光電感應電路代替紅外線感應器，根據(jù)開關(guān)高低電平變化模擬出有人進出的效果，連接雙d觸發(fā)器將脈沖發(fā)送給聲、光報警電路進行提醒和計數(shù)譯碼電路進行加減、譯碼，最后由數(shù)碼管顯示人數(shù)。方案二：方案二原理框圖如圖2所示。光電電路i光電電路ii脈沖整形單片機脈沖整形顯示譯碼聲、光報警電路圖2方案二原理框圖由單片機、紅外發(fā)射器、紅外接收器、

7、顯示譯碼電路、聲光報警電路組成，在門里門外各放一組紅外感應器，當有人進出時紅外感應器產(chǎn)生信號跳變反映到單片機上，單片機進行計數(shù)然后通過蜂鳴器或二級管實現(xiàn)聲光報警功能，通過數(shù)碼管顯示人數(shù)。本實驗采用方案一。由于我們還沒有學習過單片機，對其各種功能和性能參數(shù)并不了解，所以方案二并不可行。方案一的器件我們相對熟悉，而且價格相對低廉，電路連接比較容易，實驗效果也證明它正確可行，所以在這個實驗里選用方案一進行電路設(shè)計。三、電路設(shè)計1.光電傳感器電路的設(shè)計光電傳感器電路的設(shè)計如圖3所示。r4330vcc5vr620kr3330vcc5vr520kvcc5vgndu1led1led2gndu8u9u10u1

8、11set1d1clkvdd1q1qphoto_transistor_ratedphoto_transistor_rated1rst2set2d2clk2rstvss2q2q4013bp_5vvss0v圖3光電傳感器電路的設(shè)計實際情況中應該用紅外線感應器來感應人進出實驗室的情況,光控電路用于將光信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電信號,雙d觸發(fā)器的兩個輸入端各需要一個紅外線發(fā)射器與紅外線接收器。當人沒有經(jīng)過紅外線感應器時，紅外線發(fā)射管led-red-rated將紅外線發(fā)射給接收管photo-transisto-rated,接收管導通，集電極為低電平；當有人經(jīng)過后，紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線被遮擋，接收管接收不

9、到紅外線，所以接收管不導通，集電極為高電平，并且將高電平信號發(fā)送給雙d觸發(fā)器，雙d觸發(fā)器將脈沖發(fā)送給聲、光報警電路進行提醒和計數(shù)譯碼電路進行加減和譯碼。而仿真情況下無法用紅外線感應器來實現(xiàn)實驗目的，所以用兩個開關(guān)代替。2.人進人出控制電路的設(shè)計人進人出控制電路的設(shè)計如圖4所示。gndled1led2gndvcc5vs1key=spacevcc5vvccu11set1d1clk1rst2set2d2clk2rstvss5vvdd1q1q2q2qs24013bp_5vkey=spacevss0v圖4人進人出控制電路的設(shè)計因為仿真軟件multism沒有紅外感應器，所以用開關(guān)模擬光電感應。開關(guān)模擬光電

10、感應電路中s1是代表門外的開關(guān)，s2是代表門內(nèi)的開關(guān)，初始都置于低電平，有人進入，s1先變成高電平，然后s2變成高電平，人經(jīng)過后s1，s2再依次變成低電平；有人離開就正好相反，s2變成高電平，然后s1變高電平，人離開之后，s2，s1再依次變成低電平。從s1、s2電平的變化可以得知人員是進是出。人員進出實驗室的時序邏輯圖如圖5所示。圖（a）為人員進門時的時序邏輯圖，圖（b）為人員出門時的時序邏輯圖。s1s2s1s2q1q1q2q2（a）人員進門時序邏輯圖（b）人員出門時序邏輯圖圖5人員進出實驗室的時序邏輯圖4013bp_5v雙d觸發(fā)器是集成觸發(fā)器芯片，內(nèi)部有兩個獨立的d觸發(fā)器。每個d觸發(fā)器都有一

11、個置位端（set),復位端（rst),時鐘端（clock),數(shù)據(jù)輸入端（d),兩個輸出端q和q端。當rst為1、set為0時，無論d和clk（時鐘信號）為哪種狀態(tài)，輸出q一定為0，因此rst可稱為復位端。當set為1、rst為0時，輸出q一定為1，因此set稱為置位端。當rst、set均為0時，在clk端有脈沖上升沿觸發(fā)，即q=d。接線時，兩個觸發(fā)器的置位端（set)均接地，輸入端（d)都接高電平，時鐘端1clk和復位端2rst接開關(guān)s1，時鐘端2clk和復位端1rst接開關(guān)s2，輸出端q1、q2分別接led1、led2兩個二極管，q1端接的up端，q2接u2的down端。led1接雙d觸發(fā)器

12、的q1端，led2接雙d觸發(fā)器的q2端。當有人進入室內(nèi)時，s1變?yōu)楦唠娖?，連接的1clk和2rst也變成高電平，隨后s2變?yōu)楦唠娖?，連接的2clk和1rst也變成高電平，然后s1、s2依次變?yōu)榈碗娖健Ｒ驗殡pd觸發(fā)器的兩個觸發(fā)器的置位端（set)均接地，所以在時鐘上升沿觸發(fā)，將加在d1輸入端的高電平傳送到q1輸出端，由q1傳給led1，二極管led1亮，同時q1端把高電平傳給加減計數(shù)器的up端，q2輸出低電平給加減計數(shù)器的down端，實現(xiàn)計數(shù)器加一。當有人從室內(nèi)離開時，s2變?yōu)楦唠娖?，連接的2clk和1rst也變成高電平，因為雙d觸發(fā)器的兩個觸發(fā)器的置位端（set)均接地，所以在時鐘上升沿觸發(fā)，

13、將加在d2輸入端的高電平傳送到q2輸出端，由q2傳給發(fā)光二極管led1，二極管led1亮，同時q2端把高電平傳給加減計數(shù)器的down端，q1輸出低電平給加減計數(shù)器的up端，實現(xiàn)計數(shù)器減一。3.計數(shù)譯碼顯示電路的設(shè)計計數(shù)譯碼顯示電路的設(shè)計如圖6所示。gndgndckcku6u7vcc5vu2u4abcdefgabcdefg151109111454abcdloadclrupdownqaqbqcqdboco326713127126354aoabobcocdodoeltofrbiogbi/rbo74ls48n131211109151474ls192nu35vvccu5680r1vccs35vkey=s

14、pace151109111454aqabqbcqcdqdloadboclrcoupdown74ls192n326713125v7126354aoabobcocdodoeltofrbiogbi/rbo74ls48n1312111091514vcc5vr2680vccvcc5v圖6計數(shù)譯碼顯示電路的設(shè)計圖計數(shù)器74ls192n是十進制可預置同步可逆bcd碼計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)功能，在本實驗中作為加減計數(shù)器使用。使用兩個74ls192n計數(shù)器u2、u3分別計算個位和十位，74192n上升沿觸發(fā)，由up，down兩管腳控制加減計數(shù)，up端為增計數(shù)脈沖輸入，down端為減計數(shù)脈沖輸

15、入，有異步置數(shù)端load和異步復位端clr，借位輸出端bo和進位輸出端co分別輸出高電平表示加進位和減進位。接線時，異步置數(shù)端load為加載，低電平有效，在本電路中接高電平。兩個異步復位端clr接單刀雙擲開關(guān)s3，當開關(guān)s3接高電平時，計數(shù)器實現(xiàn)清零，其他操作被禁止。bo為借位輸出端接著十位的down，用于發(fā)出退位信號，co為進位輸出端接著十位的up，用于發(fā)出進位信號，實現(xiàn)兩位數(shù)的加減運算。譯碼器74ls48n芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，用在數(shù)字電路的顯示系統(tǒng)中，由于74ls48n輸出高電平有效所以選用共陰極數(shù)碼管。接線時，u4的輸入端abcd接u2的輸出端qaqbqcqd，lt，

16、rbi，bi/rbo低電平有效接高電平。u5的輸入端abcd接u3的輸出端qaqbqcqd，lt，rbi，bi/rbo接高電平，u4、u5輸出端分別接代表個位、十位的數(shù)碼管，另外用兩排阻值為680歐的電阻排接高電平連接u4、u5為晶體管提供電流，從而實現(xiàn)兩位數(shù)字的計數(shù)結(jié)果顯示。四、性能的測試電路整體測試圖如圖7所示。xsc1gndgndabexttrig+_ckcku6u7vcc+_+_vccu2u4abcdefgabcdefgkey=spacevcc5v4013bp_5vvccaqaaoabqbbobcqccocdqddodoeloadboltof12514bi/rbo74ls48n5vs1

17、u11set1d1q1clk1q1rst2d2q2clk2q2rstvsss2vdd2set5v1511091114543713211262117610913315clrcorbiog4updown5v74ls192nvccvccu3u5r16805vkey=space0vvssvcc5v5v151109111454aqabqbcqcdqdloadboclrcoupdown326713127126354aoabobcocdodoeltofrbiogbi/rbo74ls48n1312111091514s374ls192nvcckey=space5vr2680vcc5v圖7電路整體測試圖用開關(guān)s1

18、、s2模擬光電感應，s1代表人經(jīng)過門外，s2代表人經(jīng)過門內(nèi)，開關(guān)s1、s2開始都置于低電平，有人進入，s1先變成高電平，然后s2變成高電平，人經(jīng)過后s1，s2再依次變成低電平；有人離開就正好相反，s2變成高電平，然后s1變高電平，人離開之后，s2，s1再依次變成低電平。當一個周期內(nèi)s1先變成高電平，就說明進來一個人所以計數(shù)器加一，當一個周期內(nèi)s2先變成高電平，就說明出來一個人計數(shù)器減一。當s3開關(guān)接高電平時，數(shù)據(jù)清零。所以，此電路能實現(xiàn)題目要求的所有功能。電路整體性能測試表如表1所示。表1電路整體性能測試表狀態(tài)s1(門外）s2(門里）00原數(shù)00現(xiàn)數(shù)00led1滅led2滅進門1100出門01

19、001001100001010101000001010101000000亮滅滅滅亮滅滅滅滅滅滅滅滅滅電路原來的狀態(tài)是00，用開關(guān)模擬有人進門的效果之后，數(shù)碼管示數(shù)加一，發(fā)光二極管led1亮了；用開關(guān)模擬有人出門的效果之后，數(shù)碼管示數(shù)減一，發(fā)光二極管led2亮了，測試結(jié)果符合題目要求。當有人進入時，示波器顯示的波形圖如圖8所示。圖8有人進入時示波器顯示的波形圖有人進入時示波器顯示的波形圖，上面一道線為q1，下一道線為q2。有人進入即先把s1變?yōu)楦唠娖?，連接的1clk和2rst也變成高電平，因為雙d觸發(fā)器的兩個觸發(fā)器的置位端（set)均接地，此時1set和1clk為0，所以在時鐘上升沿觸發(fā)狀態(tài)為q

20、=d，將加在d1輸入端的高電平傳送到q1輸出端，q1跳轉(zhuǎn)為高電平。當有人離開時,示波器顯示的波形圖如圖9所示。圖9有人離開時示波器顯示的波形圖有人時示波器顯示的波形圖，上面一道線為q1，下一道線為q2。有人進入即先把s1變?yōu)楦唠娖剑B接的2clk和1rst也變成高電平，因為雙d觸發(fā)器的兩個觸發(fā)器的置位端（set)均接地，此時2set和2clk為0，所以在時鐘上升沿觸發(fā)狀態(tài)為q=d，將加在d2輸入端的高電平傳送到q2輸出端，q2跳轉(zhuǎn)為高電平。五、結(jié)論本次課程設(shè)計題目為“實驗室人數(shù)統(tǒng)計電路的設(shè)計”，要求設(shè)計一個利用光線的通斷來統(tǒng)計實驗室人數(shù)的電路。它要求計數(shù)器的最大計數(shù)容量為99，并用數(shù)碼管顯示結(jié)

21、果，并根據(jù)光控電路產(chǎn)生觸發(fā)的先后順序，判斷人員是進入還是離開實驗室，然后由可逆計數(shù)器進行加減，計數(shù)器每計一個數(shù)，發(fā)光二極管指示燈閃爍一次，計數(shù)結(jié)果由數(shù)碼管顯示。有手動復位（清零）功能，當s3被接到高電平時數(shù)據(jù)清零，數(shù)碼管顯示為零，由仿真電路的測試結(jié)果可以看出，以上功能全部實現(xiàn)，所以此電路能夠進行實驗室人數(shù)統(tǒng)計。在連接電路的過程中，由于對一下器件不熟悉，我查閱了一些資料，例如肖景和編著的cmos數(shù)字電路應用300例，從這本書里知道了雙d觸發(fā)器4013的功能和電路連接方式以及其他芯片的功能和引腳連接方式。所以在這段時間的課程設(shè)計中我收益頗豐，對數(shù)字電子計數(shù)的理解又更上一層樓。在這次設(shè)計過程中，暴露

22、出自己單獨設(shè)計電路的許多問題，體會到了學以致用、完成自己勞動成果的心情，感謝老師和同學們的幫助和指正使我順利完成本次課程設(shè)計?？傊?，這次課程設(shè)計提高了我思考問題解決問題的能力，對以后的工作來說是一個訓練。參考文獻1章忠全.電子技術(shù)基礎(chǔ).m北京:國防工業(yè)出版社，2008年2閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).m北京：高等教育出版社，2006年3付家才.電子實驗與實踐.m北京：高等教育出版社，2004年4肖景和編著.cmos數(shù)字電路應用300例.m北京：中國電力出版社，2005年5謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試.m武漢：華中理工大學出版社，2000年6康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分.m北京：高等教育出版社,1998年7王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計.m北京：高等教育出版社,1995年8錢培怡.電子電路實驗與課程設(shè)計.m北京：西安電子科技大學出版社,1992年9余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).m北京：高等教育出版社,1998年10陳振官等編著.新穎高效聲光報警