单摆实验自动计时器.docx
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单摆实验自动计时器
郑州轻院轻工职业学院
专科毕业设计（论文）
题目单摆实验自动计时器
____________________
学生姓名李家重
专业班级电子信息（3）班
学号059
系别机电工程系
指导教师（职称）王晓旭（助讲）
完成时刻2020年4月5日
单摆实验自动计时器
摘要
单摆实验是中学物理教学中的一个重要实验，在现行教材的实验中，一样利用手工计时的方式测试其振动周期，该方式有较大的计时误差，给实验结果带来较大误差。
本设计的数字时钟计时器是一种用数字电路技术实现分秒计时的装置。
本装置的两个光敏二极管与单摆小球的平稳位置处于一条水平线上，通过光敏管对小球通过平稳位置的刹时进行计时。
当小球通过设定周期数的最后一个平稳位置时刹时计时停止。
这种方式能够幸免人工启动和关闭计时与单摆不同步而引发的计时误差。
每一次实验设定的摆动周期数最多为9，最大计时，分辨率为。
关键词振动周期/时钟计时器/平稳位置/光敏二极管
SIMPLEPENDULUMEXPERIMENTSELF-TIMER
ABSTRACT
Simplependulumexperimentmiddleschoolphysicsteachingisanimportantexperiment,underthecurrentteachingexperiment,generallyusedmanualtimingmethodtotestitsvibrationcycle,themethodhasalargertimingerror,totheexperimentalresultsleadtoabiggererror.Thedesignofthedigitalclocktimerisakindofdigitalcircuittechnologywithminuteandsecondtimingdevice.Thisdevicewithtwophotosensitivediodesballpendulumequilibriumpositionatthelevelofalinethroughthephotodiodethroughtheequilibriumpositionoftheballthemomenttotime.Whentheballthroughthesetnumberofcyclesanequilibriumpositionofthelastinstantwhenthetimetostop.
Thismethodavoidsmanualstartupandshutdowntimeisnotsynchronizedwiththependulumcausedbytimingerrors.Eachexperimentswingsetnumberofcyclesupto9,maximumtime,aresolutionof.
KEYWORDSvibrationcycle/ClockTimer/equilibriumposition/photodiode
1单摆实验自动计时器原理............................1
2自动计时器元器件分析..............................2
元器件在本设计上的作用........................2
．1操纵电路功能分析.........................2
a复位开关S分析...............................3
b小球通过平稳点时电路分析.....................3
.2时基电路功能分析..........................3
.3编码电路功能分析..........................6
.4计时电路功能分析.........................11
3电源电路分析......................................15
终止语...............................................16
致谢..................................................17
参考文献..............................................18
（附录）1...........................................19
（附录）2...........................................20
1单摆实验自动计时器原理
单摆实验是中学物理教学中的一个重要实验，在现行教材的实验中，一样利用手工计时的方式，测试其振动周期，因为手动操纵秒表的开始与终止，因此有较大的计时误差，给实验结果带来较大误差。
本设计的数字时钟计时器是一种用数字电路技术实现分、秒计时的装置。
本装置的两个光敏二极管与单摆小球的平稳位置处于一条水平线上，通过光敏二极管对小球通过平稳位置的刹时进行计时。
当小球通过设定周期数的最后一个平稳位置时瞬计时。
这种方式能够幸免人工启动和关闭计时与单摆不同步而引发的计时误差。
每一次实验设定的摆动周期数最多为9，最大计时为，分辨率为。
电路图见附录。
VD1,VT1别离为红外线发射与接收管，别离固定于摆球平稳点的内外侧，三点处于一条线上，用于检测小球通过平稳点与否。
若是把红外管固定于其他地址，那么到最后小球的摆动幅度愈来愈小，可能到不了那个地址。
只有最低点小球每次必过。
IC1，IC2为时基电路，IC1与X形成30720HZ振荡，经内部29分频后从
脚输出60Hz信号，再通过IC2的内部的六个循环输出10Hz基准时钟。
本设计要求分辨率为，正好10Hz能够知足要求。
小球每通过平稳点1次，红外光被遮挡1次，VT1输出一个正脉冲，经IC6的e反相后送IC3,由于摆动1个周期小球要通过平稳点2次，因此用IC4连接成的双稳固触发器把IC6的e的输出除以2后，保证了每摆动1个周期IC4只送出1个计数脉冲。
IC5为十进制数-BCD编码器，用于设置所计不时刻内的摆动周期数，本设计所用IC5的“3”～“9”编码输入端，即周期数设置为3～9个周期，对应按键为S1～S7，若是要计时5个周期，那么按一下S3，因为IC5编码的为反码，因此“5”为—0—1—0—1。
IC6为6反相器，因此—0—1—0—1通过IC6的a～d反相为0101，加至IC7的P4～P1端。
IC5编码的同时VT2饱和，经IC6的f反相输出一负脉冲至IC7的——PE，IC7预置数据P4P3P2P1=0101，该数据对应于IC5的编码数。
IC7对预设的单摆周期数进行减计数，IC9～IC11对摆动时刻计时。
其中IC10的P点位为常亮，相当于小数点“.”。
实验前，先让小球离开平稳点，到图中P1或P2点，然后按一下复位开关S，现在IC3的b门输出“1”，IC2,IC4,IC9～IC11均复位，IC3的c门关闭，计时，计数器均不工作。
然后再松开小球，小球开始摆动，当小球第一次通过平稳点时VT1上的红外线被阻断一次，IC6的e输出一负脉冲，使双稳态电路IC3翻转为IC3的a=1，IC3的c门送入IC11
脚而开始计时，同时IC4送出摆动后期脉冲到IC7进行计数，计数结果经IC8译码，驱动数码管显示递减周期数。
减计数至全“0”时，IC7的
脚输出负脉冲加至IC3的b门，双稳态电路再次翻转为IC3的a=0，IC3的c门关闭，计时停止。
现在，用显示的时刻除以周期数5，就取得了单摆的周期了。
2自动计时器元器件分析
元器件在本设计中的作用分析
2．1．1操纵电路分析
4011功能分析
4011功能引脚图
a复位开关S分析
当开关S接通后，输入与非门b的信号为低电平，b输出为高电平1，由电路可知，高电平1送入4017的R，即4017的状态复位。
高电平1又送入4013的R。
在小球释放之前，VT1接收到来自VD1发射的红外线，现在VT1输出低电
平，通过IC6的e的反相输出为高电平1，高电平1输入到4013的CP，现在4013
状态复位。
两个高电平1送入与非门a，那么输出为0，因此c门关闭，数码管可不能显示时刻。
b小球通过平稳点时电路转变分析
在小球通过平稳点o的刹时，VT1接收不到VD1的红外光线了，就输出一个高电平，高电平通过IC6的e输出为低电平0，现在与非门a输出一个高电平1，c门打开，从4017的3脚输出的10Hz信号就通过c门送入IC11的4026，驱动数码管显示时刻，即开始计时。
.2时基电路功能分析
4060引脚功能图
4017引脚功能图
4060与4017组成的为时基电路
4060为14级二进制串行计数器。
内部由14个T型触发器级联而成。
4060在电路中增加了振荡电路，振荡器外接石英晶体就能够够形成可控多谐振荡。
R=1时复位，Q4~Q14端均输出“0”；
脚为“0”时内部与门关闭，振荡停止，因此，能够通过
脚来操纵振荡与否。
脚为振荡输入；
脚为振荡反馈，操纵输入
脚R为复位端，“1”有效；Q4~Q14为输出端，分频系数以此为24，25，26……214。
本设计中咱们从
脚Q9输出，即f=30720÷29=60Hz。
4017为十进制脉冲分派计数器，由逻辑操纵电路，约翰逊计数器和译码器组成。
4017每计数1次，Q0～Q9依次输出高低电平，且每次只有1个Q端维持高电平，该高电平持续到下一个计数脉冲来到为止；Q0～Q9端的状态转变相当于把计数输入脉冲依次从Q0移到Q9，因此，它们起到了脉冲分派和计数作用。
当复位开关S闭合后，输入与非门b为低电平0，那么输出为高电平1，高电平在输入
脚即R=1，即4017状态复位。
现在Q0=1，传递到Q2=0，接着
Q3=1……Q6=1，即4017又恢复到复位状态。
因此60Hz信号从
脚输入后，从
脚Q0输出后就为60÷6=10Hz了。
编码电路功能分析
40147，4069与4013组成的为编码电路。
40147功能分析
40147引脚图
40147为10-4线BCD优先编码器，其功能是把输入端代表“0”～“9”的这10个数字编码成BCD码。
其编码输入有效电平为低电平。
编码输出为BCD反码。
由于它们有优先编码功能，只要输入端有“0”输入（若是有多个输入端为“0”那么以编号最大的输入端为准）输出端就输出与之对应的BCD码的反码。
本设计中，按下S3，IC5编码“5”为—0—1—0—1从
，
，
，
脚输出。
4069功能分析
4069引脚图
反相器4069是执行逻辑“非”（反相）功能的逻辑部件，它们的逻辑功能是：
输入端为低电平“0”，输出端必然为高电平“1”；输入端为高电平“1”，输出端必然为低电平“0”。
其逻辑关系表达式为Y=——A。
本设计中进入IC6的信号为“—0—1—0—1”那么通过IC6的反相输出为“0101”，加至IC7的P4～P1端。
因此P4P3P2P1=0101
4013功能分析
4013功能引脚图
4013组成的双稳态电路，其功能确实是一个除以2的双稳态电路
因为小球摆动一个周期内要通过平稳点O两次。
本设计要计时小球5个周期的时刻，即从IC6的e输入4013的脉冲有10个。
因此4013连接成双稳态触发器。
把IC6的e的输出除以2后，保证每摆动1个周期，IC4只送出1个计时脉冲。
具体工作原理为：
初始状态为Q=0，——Q=1，那么D=1，在第一个CP脉冲作用下，电路翻转为Q=D=1,现在——Q=0；在第二个CP脉冲到来时，电路再次翻转状态改变成Q=D=0，——Q=1。
Q端的状态如此交替转变，其功能确实是一个除以2的双稳态电路。
2．计数译码显示电路分析
40192，4511，与4026组成的为计数译码显示电路。
40192引脚功能
40192真值表
输入
输出
功能
CPu
CPd
PE
Q3
Q2
Q1
Q0
——C0
——B0
1
上升沿
1
Qn-1
Qn-1
Qn-1
Qn-1
减计数
1
上升沿
1
0000
1
下降沿
借位输出
VT2饱和导通，输出高电平1，通过IC6的f反相输出低电平0，加至40192的
脚——PE=0。
由4013的
脚输入上升沿脉冲至40192的
脚。
即CPd为沿上升沿动身，此种情形下40192实现的功能为减计数。
即从
，
，
，
脚输出都
为Qn-1。
当减计数为0000时，——B0输入一负脉冲加至IC3的b门，现在c门关闭，计时停止。
4511与4026驱动数码管显示时刻
七段半导体数码显示器
4511功能分析
4511功能引脚图
4511为BCD-7段译码，显示驱动器，有较强的驱动能力，4511每笔段最大输出电流可达25mA。
。
DCBA为BCD码输入端，输入不同的BCD码时，经内部译码，相应的笔端输出为高电平，驱动数码管显示与BCD码所对应的十进制数数字。
例如，DCBA=0011，那么笔段a，b，c，d输出为高电平，驱动数码管显示数字“3”。
假设DCBA≥1010，所有笔段输出为“0”电平，数码管不显示，为灭灯状态。
本设计中，设定周期数为5，那么4511的DCBA依次为0101，0100，0011，0010，0001，0000即数码显示器依次显示为5，4，3，2，1，0.
4026功能分析
4026功能引脚图
4026内部包括约翰逊计数器，逻辑门电路及7段译码器等电路。
要紧引脚功能说明如下：
CPI：
始终禁止输入。
CPI=1，时钟CP被禁止，计数停止。
DEI:
显示许诺输入。
DEI=1，显示，DEI=0不显示。
DEO:
其功能和DEI相同。
“C”非门控C段输出。
“C”段与C段的功能相同。
但“C”段不受DEI的操纵。
C0：
进位输出，“1”有效。
R：
复位，，“1”有效。
4026是一个数显60秒计时器。
该电路事实上是一个60分频计数器。
在计时装置中，分秒信号都是60进制的，用4026实现60进制数字显示是超级容易的.在本设计中，10Hz信号从IC11的1脚输入IC11第一计数译码，在驱动数码管显示数字。
当计数到第10个脉冲时，IC11的5脚输出进位信号加到IC10的1脚，IC10开始计数，显示时刻。
依次信号传递到IC9，IC9开始计时。
3电源电路分析
在本设计中，需要+5V的直流稳压电源对整个电路供电。
而咱们平常生活中没有+5V的电源电压，需要从头设计一个。
在电子电路中最经常使用的确实是由LM7805组成的+5V稳压电源。
咱们就用LM7805来具体讲解一下。
如下图电路为输出电压+5V、输出电流的稳压电源。
它由电源变压器B，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C3，避免自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便地搭成的。
220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再通过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两头形成一个并非十分稳固的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的转变等缘故此发生转变）。
此直流电压通过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳固度好的直流输出电压。
本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、本钱低、性能好、工作靠得住性高、利用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为普遍的一种单片式集成稳压器件。
终止语
毕业设计，我想是我大学里、也是我学生时期中的最后一次作业了，这次作业，也是我完成最认真、投入心血最大的一次作业。
设计的顺利完成，离不开王教师的悉心指导和严格要求，谢谢王教师！
三年来，在咱们机电系列位教师孜孜不倦的教诲和无微不至的关切下，我拥有了加倍成熟的思想和加倍豁达的心胸，也学到了能够独立于社会的一技之长和永不断息的终身学习理念。
在此，向列位教师表示真挚的感激和高贵的敬意！
临行临别，我要感激我的同窗和朋友们，你们的包容和支持、欢笑和泪水带给了我一生中最灿烂，最美好，最值得收藏的三年，我将铭刻在心，怀念永久。
严谨，勤奋，求实，创新，这是指导我大学生活的校训，也将成为指导我尔后人一辈子的信条，生命不止，奋斗不息，带着在郑州轻院轻工职业学院收成的庞大财富，我必然能够在祖国大进展中奉献青春，实现自我！
愿郑州轻院轻工职业学院蓬勃进展、再谱华章！
致谢
本课题在选题及分析进程中取得王晓旭教师的悉心指导。
王教师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮忙我开拓研究思路，精心点拨。
王教师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，尽管王教师只教了咱们两年，却给以我终生受益无穷之道。
对王教师的感激之情是无法用言语表达的。
说实话，在选择以《单摆实验自动计时器》为设计课题时，我内心是没有底的。
不明白能不能顺利完成。
尽管我是学电子信息专业的，对一些电子元器件也比较熟悉，可是如何把这些元件组合在一些，依照设计意愿组成一个有效的计时器却犯难了。
好在有了王教师的帮组才得以顺利成功。
在那个地址我还要感激咱们系的一些教师，他们尽管没有直接参与我的课题研究，但对我的设计提出很多宝贵的意见和建议。
专门要感激张少峰教师。
在用Protel2004软件画图的时候取得了张教师的很多帮组。
在那个地址我要说一声：
“谢谢您，张教师！
”
在做论文期间，还取得了牛源同窗，胡晓丽同窗，李磊同窗的帮忙，咱们在一路商量问题，一路克服困难，整个进程中咱们始终维持着欢声笑语。
在那个地址我也要向他们说一声谢谢。
感激我的4205宿舍的兄弟们，从遥远的家来到那个陌生的城市里，是你们和我一起维系着彼此之间兄弟般的情感，维系着寝室那份家的融洽。
三年了，恍如就在昨天。
三年里，咱们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担忧的任何不高兴的情形。
只是尔后大伙儿就宝贵再聚在一路吃每一年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大伙儿保重。
希望去上海工作的同窗们工作顺利，躯体健康。
咱们在一路的日子，我会记一生的。
光阴匆匆如流水，转眼即是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。
离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。
从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开教师、同窗、朋友给我热情的帮忙，在那个地址请同意我真挚的谢意!
参考文献
[1]《经常使用数字集成电路原理与应用》卿太全，李萧，郭明琼编著人民邮电出版社2006年1月
[2]《通用集成电路速查手册》山东科学技术出版社2007年2月
[3]《数字电子技术》（第二版）杨志忠主编高等教育出版社2003年7月
[4]《模拟电子技术》（第二版）胡宴如主编高等教育出版社2003年7月
[5]《Protel2004电路设计》鲁捷，焦振宇，孟凡文编著清华大学出版社2007年4月
附录1
设计电路图
附录2
元器件列表
元器件
数值
元器件
数值
R1
1M
IC3
4011
R2
100K
IC4
4013
R3
22K
IC5
40147
R4
390K
IC6
4069
R5
47K
IC7
40192
R6～R13
10K
IC8
4511
R15～R29
470
IC9～IC11
4026
R31
10K
VD1
红外发射管
R32
100K
VD2，VD3
二极管
C1，C2
15P
VT1
红外接收管
IC1
4060
COMS数码管
4个
IC2
4017
升级会员 