数电课设.docx
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数电课设
洛阳理工学院
课程设计报告
数字逻辑课程设计
课程名称___________________________________
人体反应速度测试电路的设计
设计题目___________________________________
计算机科学与技术
专业___________________________________
B130503
班级___________________________________
B13050326
学号___________________________________
代文帅
姓名___________________________________
2015年1月16日
完成日期___________________________________
课程设计任务书
人体反应速度测试电路的设计
设计题目：
________________________________________
设计内容与要求：
1.收集相关的文献资料，对设计课题进行分析，从整体上把握设计方案。
2.根据系统总体要求，设计电路原理框图。
3.使用中小规模数字集成电路完成人体反应速度测试电路的设计与制作，电路要求：
（1）电路使用LED发光二极管将反应能力分为八段，段数越高反应速度越快。
（2）电源打开后，LED发光二极管全部点亮，之后再计数器的作用下，测试显示发光二极管依次熄灭，在此过程中，当被测试人按下停止按钮后，时钟脉冲停振，计数器停止计数，LED发光二极管保持。
（3）完成电路焊接调试，达到设计任务的各项技术指标。
指导教师：
赵国增
2015年1月5日
课程设计评语
成绩：
指导教师：
_______________
年月日
目录
1概述1
1.1设计意义1
1.2设计内容1
1.3设计要求1
2人体反应速度测试器的设计方案2
2.1人体反应速度测试器的结构2
2.2电路的器件选择2
2.3电路器件介绍2
2.4电路的工作过程3
3人体反应速度测试器的硬件电路设计4
3.1人体反应速度测试器电路原理4
3.2人体反应速度测试器工作原理5
4组装调试6
4.1组装与调试过程6
4.1.1组装所需器件6
4.1.2焊接所需器件6
4.2组装与调试注意事项6
心得8
参考文献9
1概述
1.1设计意义
速度素质是指人体进行快速运动的能力，即在单位时间内迅速完成某一动作或通过某一距离的能力。
它包括反应速度，动作速度和周期性运动的位移速度。
反应速度是速度素质中的一个重要的部分，反应速度是指人体对刺激发生反应的快慢。
从生理机制分析，反应快慢取决于“反射弧”的五个环节：
感受器——传入神经——中枢严格——传出神经——效应器。
反应速度通常用“从刺激到开始发生反应的时间”,即反应时来衡量。
目前，国内外常用反应时指标研究运动员的机能状态及心理活动过程。
反应速度是人类的基本生理素质之一。
本次实验中，以脉冲电路和数字逻辑电路为基础的人体反应速度测试器，主要通过控制发光二极管的状态和测试按键来间接的反映出人体的反应速度。
同时，我们通过在万用板上安装和焊接元器件，调试电路等，也可以强化自己的动手能力和数字电路应用的理解。
1.2设计内容
关于人体反应速度测试器的设计内容主要包括以下内容：
（1）闭合电源开关，电源指示灯LED10点亮，由减法计数器在时钟作用下控制的测试信号灯LED2～LED9依次点亮。
（2）几秒后，测试信号灯LED1点亮，表示测试开始，同时减法计数器电路在时钟脉冲的作用下依次递减，控制由LED2～LED9组成的测试信号灯依次熄灭。
（3）在此过程中，当测试者按下停止按键时，一个双稳态电路被触发，它控制时钟电路停振，减法计数器处于保持状态。
（4）LED2～LED9熄灭的个数将记录为测试者的反应速度。
熄灭的信号灯越少，说明测试者反应速度越快，反应能力段数越高；反之则说明测试者反应速度越慢，反应能力段数越低。
1.3设计要求
关于人体反应速度测试器的设计要求主要包括以下要求：
（1）收集相关的文献资料，对设计课题进行分析，从整体上把握设计方案。
（2）根据系统总体要求，设计电路原理框图。
（3）使用中小规模数字集成电路完成人体反应速度测试电路的设计与制作。
（4）完成电路焊接调试，达到设计任务的各项技术指标。
2人体反应速度测试器的设计方案
2.1人体反应速度测试器的结构
1.人体反应速度测试器的结构组成根据人体反应速度测试器的功能分析，人体反应速度测试器电路中，它的核心电路是一个减法计数器电路控制测试信号灯依次点亮或依次熄灭，该电路利用移位寄存器的移位功能实现。
测试开始和结束，由一个控制电路实现。
此外，电路还需脉冲时钟电路、开机延时电路和驱动显示电路。
在这里设计了人体反应速度测试器的框架图。
如图2-1所示。
图2-1人体反应速度测试器计框架图
2.2电路的器件选择
本电路主要由3种共4只CMOS数字集成电路构成。
一个是四输入端或非门电路4001，两个反相器4069，每个芯片内含有6个独立的反相器，具有较大的电流驱动能力，可以直接驱动发光二极管。
还有双4位静态移位寄存器4015。
它的内部含有2组独立的4位串入一并出移位寄存器，在本电路中将两组级联使用。
每组寄存器都有时钟端CLK，一个清零端RST，和串行数据输入端D。
每位寄存器单元的输出端都引出，因此既可以做串行输出，又可以做并行输出。
加在D端上的数据在时钟上升沿的作用下向右移位。
当在清零端RST上加“1”时，则寄存器内全部为零。
在本电路中将两组寄存器级联使用。
2.3电路器件介绍
4015的内部含有2组独立的四位串入——并出移位寄存器，在本电路中将两组级联使用。
每组寄存器都有时钟端CLK，一个清零端RST,和串行数据输入端D。
每位寄存器单元的输出端都引出，因此既可以串行输出，又可以做并行输出。
加在D端上数据在时钟上升沿的作用下向右移位。
当在清零端RST上加“1”时，则寄存器内部全部为零。
4015引脚图如图2-2所示，其真值表见表1
表14015真值表
图2-24015引脚图
2.4电路的工作过程
电源开关K1闭合后，电源指示灯LED10点亮，之后延迟数秒，测试信号灯LED1点亮，减法计数器电路在时钟脉冲的作用下开始递减，由LED2～LED9组成的测试显示发光管依次熄灭，在这过程中，当被测试人按下停止按钮K2时，则时钟脉冲停振，减法计数器处于保持状态，LED2一LED9的熄灭个数将记录为被测试者的反应时间。
3人体反应速度测试器的硬件电路设计
3.1人体反应速度测试器电路原理
根据人体反应速度测试器的设计要求、工作原理，以及对电路的器件选择画出合理的电路原理图，使其可以正常工作。
电路原理图如图3-1所示：
图3-1人体反应速度测试器电路原理图
在该电路中，与非门U2E、U2F等组成多谐振荡器，输出周期约为50ms的时钟脉冲。
IC2组成8位右移寄存器，IC1B组成的开机延迟电路的输出信号作为其串行输人数据。
刚开机时，由于IC1B输出为“1”，在时钟脉冲作用下，IC2的8位寄存单元迅速全为“1”；3s～4s后，ICB1输出变为“0”，测试信号灯LED1亮，同时，IC2的8位寄存单元将在时钟脉冲作用下从左至右依次变为“0”，直至测试者按下停止按钮J1，将IC1C、IC1D组成的RS触发器置“0”，使U2E、U2F停振，IC2处于保持状态，其结果通过驱动电路U1C～U1F、U2A～U2D驱动发光二极管显示。
IC1A的作用是使停止按钮S1只有在测试信号灯LED1亮后才起作用，提前按下无效。
3.2人体反应速度测试器工作原理
（1）开机延时电路原理
如图3-1所示，按下开关k1,电源接通，指示灯LED10点亮，显示电路接通。
由于电容两端电压不能突变，所以C1上电压仍为0，或非门IC1B输出1，指示灯LED1不亮。
但VCC会通过R1对C1充电，使得C1上电压升高，当C1上电压升到大于CMOS门的阈值电压时，或非门IC1B输出发生翻转，由高变低，经两级反相门时间延迟后，使发光二极管LED1点亮，表示测试开始。
（2）减法电路原理
CD4015为一个4位串入并出的移位寄存器，为实现8位数串入并出，可将两片CD4015级联，即第1片的第4位输出接第2片的串行输入。
电源接通时，或非门IC1B输出1，该高电平信号串行输入，在时钟作用下，使输出依次变为1。
当测试开始，或非门IC1B输出0，该低电平又从移位寄存器串行输入端输入，使移位寄存器输出依次变成0。
（3）驱动显示电路原理
移位寄存器的8位输出分别经8个CD4069构成的反相器驱动LED2～LED9共8只发光二极管发光。
电源接通时，移位寄存器输出1，反相后为0，对应二极管导通，LED2～LED9被依次点亮。
当测试开始，移位寄存器输出变为0，反相后为1，控制对应发光二极管截止，LED2～LED9依次熄灭。
（4）停止控制电路原理
该部分电路最主要的是由2个或非门IC1C、IC1D构成的RS触发器，输入为高电平有效。
当R=1，S=0时，触发器置0；当R=0，S=1时，触发器置1；当R=1，S=1时，触发器状态保持不变。
当R=0，S=0时，触发器状态不定，应避免这种输入出现。
在本电路中，按下停止按键S1前，电源VCC通过R13对C2充电，使C2上电压为高电平。
该高电平使IC1A（或非门）输出0。
同理IC1C输入为1，反相后输出为0，IC1D的两个输入均为0，控制由IC1D和IC1D构成的RS触发器输出1，与之相连的二极管IN4148截止。
多谐振荡器正常工作，为移位寄存器提供时钟脉冲。
电路工作过程中，即使IC1C的输入变为0，但双稳态电路IC1D输出端仍能保证输出1。
按下S1后，电容C2放电，使D2（或非门）一输入端信号为0（另一输入接D1输出端，也为0），则IC1A输出1，控制RS触发器IC1D输出0。
该低电平使二极管IN4148导通，多谐振荡器因接低而导致停振。
移位寄存器没有时钟信号触发，状态保持不变。
LED2～LED9停止熄灭，保留当时的状态。
4组装调试
4.1组装与调试过程
4.1.1组装所需器件
根据原理图列出组装所需器件如表2所示：
表2组装所需原器件
元器件标号
参数
元器件标号
参数
R1、R115、R16
1MΩ
IC1
CD4015
R2～R11
470Ω
IC2
CD4001
R13、R14
10kΩ
IC3、IC4
CD4049
R17
200kΩ
k1
波段开关
C1、C5
4.7μF
K2
微动开关
C2、C3、C4
0.1μF
电池盒
1个
LED1～LED10
3mm、红色
印板
1块
D2
1N4148
4.1.2焊接所需器件
焊接过程所需烙铁、焊锡、镊子、剪线钳、松香、吸锡器等。
4.2组装与调试注意事项
（1）正确识别和安装所用元器件。
注意集成芯片的安装方向，色环电阻的阻值识别，发光二极管的正负极的判定，半导体二极管的正负极的判定，电解电容的正负极的辨别等。
（2）在万用板或事先做好的印制板上安装和焊接元器件，注意不要虚焊和漏焊。
（3）全面检查完毕后，通电测试，观察测试结果是否与电路设计要求一致。
焊接好的实物图如图4-1、4-2所示：
图4-1正面实物图
图4-2反面实物图
心得
在本次数字逻辑课设过程中，我与我的小组成员顺利地完成了本次课程设计，从中我也是受益匪浅，这次能够成功地完成人体反应速度测试器的设计，是大家一起努力的结果。
在老师的指导下，我们互相学习、互相帮助、一起合作，才有了这次圆满的完成了作品，这次设计加深了我们相互之间的交流，增进了大家相互之间的感情。
让我意识到了团结合作和虚心请教的精神，不论是在我们的学习中还是生活中，都发挥着很重要的作用。
同时，这也加深了我们对数字电路应用的理解，锻炼了我们的动手能力，为以后更加深入的学习本专业的知识打下了良好的基础。
通过这次课程设计，我更加扎实的掌握了振荡电路，检测电路方面的知识，在设计的过程中也遇到了不少的问题，不过经过一遍遍的思考以及和同学们的讨论都一一得到了解决。
在本次课设过程中也认识到了自己的不足，对于许多知识都没有很好的掌握，而且模电中的一些知识也忘了不少。
所以在制作过程中也是我再次学习、温习的过程。
制作时需要焊接，这也锻炼我的焊接技术。
虽然平时自己也有焊些东西，但是一开始焊接时还是感觉有些生疏的，在将一个一个器件焊到PCB板上时，我也感觉到了自己正在一点一点的掌握焊接方法。
所以越焊越得心应手。
我又学习了使用Multisim软件仿真电路。
一开始不太会用，自己就开始慢慢摸索，后来做的多了慢慢就会了，虽然开始比较糟糕，但后来还是迎头赶上了。
利用这个软件，我们设计电路的时候可以先在电脑上做一个仿真演习，要是设计出了问题我们就可以先改进，不至于不必要的烧坏元器件，大大的减少了资源的浪费。
所以课设过程也不是非常顺利的，其中也出现了许许多多的问题，但是后来，在我们的不懈努力下，我们还是克服了这些困难，学会了许多新的知识，复习了以前的旧知识。
参考文献
[1]欧阳星明.数字逻辑[M].北京：
清华大学出版社，2009.1
[2]赵辉.电路与电子模拟[M].北京:
清华大学出版社,2009.7
[3]谢自美主编.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：
华中科技大学出版社，2006.8
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