實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)電課設(shè)

1、沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)（說明書）實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路的設(shè)計(jì)班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課 程 名 稱 數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目 實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說明設(shè)計(jì)一個(gè)利用光線的通斷來統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室人數(shù)的電路。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)入或是走出房間），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)的先后順序，判斷人員是進(jìn)入還是離開實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)令計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)有人離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。其電路原理框圖如圖1所

2、示。它由光電控制電路，脈沖整形電路，控制邏輯電路，計(jì)數(shù)器電路，譯碼顯示電路等組成。光電電路I數(shù)碼顯示聲、光報(bào)警電路脈沖整形光電電路II脈沖整形控制邏輯電路加減法可逆計(jì)數(shù)器顯示譯碼手動(dòng)復(fù)位圖1 實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路原理框圖二、技術(shù)指標(biāo)計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)容量為99，并用數(shù)碼管顯示。三、設(shè)計(jì)要求1在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本。2有手動(dòng)復(fù)位（清零）功能。3要求計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)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(duì)管); (2)集成譯碼顯示電路74LS47或其它；(3)可逆計(jì)數(shù)器74LS190或者74LS192；(4)LED數(shù)碼管；(5)555定時(shí)器；(6

3、)發(fā)光二極管等。四、實(shí)驗(yàn)要求1根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路。2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試. M武漢：華中理工大學(xué)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(shí)驗(yàn)與實(shí)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(jì)報(bào)告成績?cè)u(píng)定表：序號(hào)評(píng)定項(xiàng)目評(píng)分成績1設(shè)計(jì)方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分）2設(shè)計(jì)結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律（15分）4設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范化、參考文獻(xiàn)充分（不少于5篇）（25分）5答辯（

4、30分）總分最終評(píng)定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）指導(dǎo)教師簽字： 2015 年 6 月 25 日一、概述本次課設(shè)的任務(wù)是實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路的設(shè)計(jì)，要求我們運(yùn)用理論課上學(xué)到的知識(shí)來完成人數(shù)統(tǒng)計(jì)的電路設(shè)計(jì)，讓使用者可以通過這個(gè)電路了解實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的總?cè)藬?shù)和人員進(jìn)出的變化情況，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出反應(yīng)。對(duì)任何知識(shí)的掌握程度都取決于對(duì)其認(rèn)識(shí)的程度，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，只有自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路才能較好的理解基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。在查閱資料之后，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)首先用紅外線感應(yīng)電路感應(yīng)實(shí)驗(yàn)人員的進(jìn)出，有人進(jìn)入或離開時(shí)依次觸發(fā)兩個(gè)光電電路，繼而根據(jù)光電電路顯示的人員進(jìn)出的情況用控制邏輯電路發(fā)出脈沖，使

5、用加減計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)功能，即有人進(jìn)入時(shí)令計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)有人離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，同時(shí)伴隨著人數(shù)加減的數(shù)碼管顯示還有燈光或者蜂鳴報(bào)警電路提示，最后把總?cè)藬?shù)結(jié)果通過數(shù)碼管反映。現(xiàn)代人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代， 因而信息技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展， 科學(xué)進(jìn)步將起到?jīng)Q定性作用。為了達(dá)到節(jié)省人力資源的目的，避免人工的繁瑣計(jì)算，使用數(shù)字邏輯電路是一個(gè)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(jì)是一個(gè)對(duì)我們實(shí)踐能力的檢驗(yàn)，同時(shí)也是一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我們深入了解人數(shù)計(jì)數(shù)器的組成和如何讓計(jì)數(shù)報(bào)警的功能實(shí)現(xiàn)，人數(shù)計(jì)數(shù)器在超市、商場、酒店、實(shí)驗(yàn)室等大多數(shù)人類活動(dòng)場所都能用到，所有它對(duì)于當(dāng)今社會(huì)具有重大的

6、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數(shù)碼顯示聲、光報(bào)警電路脈沖整形光電電路II脈沖整形控制邏輯電路加減法可逆計(jì)數(shù)器顯示譯碼手動(dòng)復(fù)位圖1方案一原理框圖實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路由模擬光電感應(yīng)電路、控制邏輯電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路、和聲光報(bào)警電路四部分組成?，F(xiàn)實(shí)中用紅外線感應(yīng)器感應(yīng)人進(jìn)出，由紅外感應(yīng)器產(chǎn)生信號(hào)跳變，但是由于在實(shí)驗(yàn)條件下無法真正實(shí)現(xiàn)人進(jìn)人出的效果，所以用開關(guān)模擬光電感應(yīng)電路代替紅外線感應(yīng)器，根據(jù)開關(guān)高低電平變化模擬出有人進(jìn)出的效果，連接雙D觸發(fā)器將脈沖發(fā)送給聲、光報(bào)警電路進(jìn)行提醒和計(jì)數(shù)譯碼電路進(jìn)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

7、電電路I聲、光報(bào)警電路脈沖整形光電電路II脈沖整形單片機(jī)顯示譯碼圖2方案二原理框圖由單片機(jī)、紅外發(fā)射器、紅外接收器、顯示譯碼電路、聲光報(bào)警電路組成，在門里門外各放一組紅外感應(yīng)器，當(dāng)有人進(jìn)出時(shí)紅外感應(yīng)器產(chǎn)生信號(hào)跳變反映到單片機(jī)上，單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)然后通過蜂鳴器或二級(jí)管實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，通過數(shù)碼管顯示人數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用方案一。由于我們還沒有學(xué)習(xí)過單片機(jī)，對(duì)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(duì)熟悉，而且價(jià)格相對(duì)低廉，電路連接比較容易，實(shí)驗(yàn)效果也證明它正確可行，所以在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里選用方案一進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。三、電路設(shè)計(jì)1.光電傳感器電路的設(shè)計(jì)光電傳感器電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3

8、光電傳感器電路的設(shè)計(jì)實(shí)際情況中應(yīng)該用紅外線感應(yīng)器來感應(yīng)人進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的情況, 光控電路用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電信號(hào),雙D觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端各需要一個(gè)紅外線發(fā)射器與紅外線接收器。當(dāng)人沒有經(jīng)過紅外線感應(yīng)器時(shí)，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(dǎo)通，集電極為低電平；當(dāng)有人經(jīng)過后，紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線被遮擋，接收管接收不到紅外線，所以接收管不導(dǎo)通，集電極為高電平，并且將高電平信號(hào)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(bào)警電路進(jìn)行提醒和計(jì)數(shù)譯碼電路進(jìn)行加減和譯碼。而仿真情況下無法用紅外線感應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，所以?/p>

9、兩個(gè)開關(guān)代替。2.人進(jìn)人出控制電路的設(shè)計(jì)人進(jìn)人出控制電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。圖4人進(jìn)人出控制電路的設(shè)計(jì)因?yàn)榉抡孳浖ultism沒有紅外感應(yīng)器，所以用開關(guān)模擬光電感應(yīng)。開關(guān)模擬光電感應(yīng)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(jìn)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(jìn)是出。人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的時(shí)序邏輯圖如圖5所示。圖（a）為人員進(jìn)門時(shí)的時(shí)序邏輯圖，圖（b）為人員出門時(shí)的時(shí)序邏輯圖。（a）人員進(jìn)門時(shí)序邏輯

10、圖 （b）人員出門時(shí)序邏輯圖圖5人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的時(shí)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(gè)獨(dú)立的D觸發(fā)器。每個(gè)D觸發(fā)器都有一個(gè)置位端（SET),復(fù)位端（RST),時(shí)鐘端（CLOCK),數(shù)據(jù)輸入端（D),兩個(gè)輸出端Q和Q端。當(dāng)RST為1、SET為0時(shí)，無論D和CLK（時(shí)鐘信號(hào)）為哪種狀態(tài)，輸出Q一定為0，因此RST可稱為復(fù)位端。當(dāng)SET為1、RST為0時(shí)，輸出Q一定為1，因此SET稱為置位端。當(dāng)RST、SET均為0時(shí)，在ClK端有脈沖上升沿觸發(fā)，即Q=D。接線時(shí)，兩個(gè)觸發(fā)器的置位端（SET)均接地，輸入端（D)都接高電平，時(shí)鐘端1CLK和復(fù)位端2RST接開關(guān)S1，時(shí)鐘端

11、2CLK和復(fù)位端1RST接開關(guān)S2，輸出端Q1 、Q2分別接LED1、LED2兩個(gè)二極管，Q1端接的UP端，Q2接U2的DOWN端。LED1接雙D觸發(fā)器的Q1端，LED2接雙D觸發(fā)器的Q2端。當(dāng)有人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，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?。因?yàn)殡pD觸發(fā)器的兩個(gè)觸發(fā)器的置位端（SET)均接地，所以在時(shí)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(shí)Q1端把高電平傳給加減計(jì)數(shù)器的UP端，Q2輸出低電平給加減計(jì)數(shù)器的DOWN端，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器加

12、一。當(dāng)有人從室內(nèi)離開時(shí)，S2變?yōu)楦唠娖?，連接的2CLK和1RST也變成高電平， 因?yàn)殡pD觸發(fā)器的兩個(gè)觸發(fā)器的置位端（SET)均接地，所以在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，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(shí)Q2端把高電平傳給加減計(jì)數(shù)器的down端，Q1輸出低電平給加減計(jì)數(shù)器的UP端，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器減一。3.計(jì)數(shù)譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。圖6計(jì)數(shù)譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)圖計(jì)數(shù)器74LS192N是十進(jìn)制可預(yù)置同步可逆BCD碼計(jì)數(shù)器 ，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)功能，在本實(shí)驗(yàn)中作為加減計(jì)數(shù)器使用。使用兩個(gè)74LS192N計(jì)數(shù)器U2、U

13、3分別計(jì)算個(gè)位和十位，74192N上升沿觸發(fā)，由UP，DOWN兩管腳控制加減計(jì)數(shù)，UP端為增計(jì)數(shù)脈沖輸入，DOWN端為減計(jì)數(shù)脈沖輸入，有異步置數(shù)端LOAD和異步復(fù)位端CLR，借位輸出端BO和進(jìn)位輸出端CO分別輸出高電平表示加進(jìn)位和減進(jìn)位。接線時(shí)，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(gè)異步復(fù)位端CLR接單刀雙擲開關(guān)S3，當(dāng)開關(guān)S3接高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器實(shí)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(hào)，CO為進(jìn)位輸出端接著十位的UP，用于發(fā)出進(jìn)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的加減運(yùn)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(dòng)器，用在數(shù)字電路的顯

14、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(shí)，U4的輸入端ABCD接U2的輸出端QAQBQCQD，LT，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(gè)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(shí)現(xiàn)兩位數(shù)字的計(jì)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。圖7電路整體測試圖用開關(guān)S1、S2模擬光電感應(yīng)，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(jìn)入，S1先變成高電平，然

15、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(dāng)一個(gè)周期內(nèi)S1先變成高電平，就說明進(jìn)來一個(gè)人所以計(jì)數(shù)器加一，當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)S2先變成高電平，就說明出來一個(gè)人計(jì)數(shù)器減一。當(dāng)S3開關(guān)接高電平時(shí)，數(shù)據(jù)清零。所以，此電路能實(shí)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）原數(shù)現(xiàn)數(shù)LED1LED2進(jìn)門000000滅滅100001亮滅110101滅滅000101滅滅出門000101滅滅010100亮滅110000滅滅000000滅滅電路原來的狀態(tài)是00

16、，用開關(guān)模擬有人進(jìn)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(dāng)有人進(jìn)入時(shí)，示波器顯示的波形圖如圖8所示。圖8有人進(jìn)入時(shí)示波器顯示的波形圖有人進(jìn)入時(shí)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(jìn)入即先把S1變?yōu)楦唠娖?，連接的1CLK和2RST也變成高電平，因?yàn)殡pD觸發(fā)器的兩個(gè)觸發(fā)器的置位端（SET)均接地，此時(shí)1SET和1CLK為0，所以在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)狀態(tài)為Q=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(dāng)有人離開時(shí),示波器顯示的波形圖如圖9所示。圖9有人離

17、開時(shí)示波器顯示的波形圖有人時(shí)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(jìn)入即先把S1變?yōu)楦唠娖剑B接的2CLK和1RST也變成高電平，因?yàn)殡pD觸發(fā)器的兩個(gè)觸發(fā)器的置位端（SET)均接地，此時(shí)2SET和2CLK為 0，所以在時(shí)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(jì)題目為“實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路的設(shè)計(jì)”，要求設(shè)計(jì)一個(gè)利用光線的通斷來統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室人數(shù)的電路。它要求計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)容量為99，并用數(shù)碼管顯示結(jié)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(jìn)入還是離開實(shí)驗(yàn)室，然后由可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加減，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)，發(fā)光二

18、極管指示燈閃爍一次，計(jì)數(shù)結(jié)果由數(shù)碼管顯示。有手動(dòng)復(fù)位（清零）功能，當(dāng) S3被接到高電平時(shí)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(shí)現(xiàn)，所以此電路能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)。在連接電路的過程中，由于對(duì)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(yīng)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(shí)間的課程設(shè)計(jì)中我收益頗豐，對(duì)數(shù)字電子計(jì)數(shù)的理解又更上一層樓。在這次設(shè)計(jì)過程中，暴露出自己單獨(dú)設(shè)計(jì)電路的許多問題，體會(huì)到了學(xué)以致用、完成自己勞動(dòng)成果的心情，感謝老師和同學(xué)們的幫助和指正使我順利完成本次課程設(shè)計(jì)。總之，這次課程設(shè)計(jì)提高了我思考問題解決問題的能力，對(duì)以后的工作來說是一個(gè)訓(xùn)練。參考文獻(xiàn)1 章忠全.電子技術(shù)基礎(chǔ).M北京:國防