课程设计光控计数器.docx

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课程设计光控计数器

课程设计

------------光控计数器

学校：

淮北师范大学信息学院

专业：

电子信息科学与技术

姓名：

学号：

时间：

2010-6-19

指导老师：

一章设计要求

本设计主要是利用光线的通断来统计进入实验室人数。

要求设计两路光控电路，一路放置在门外，另一路设置在门里，当有人通过门口时（无论是进入或走出房间），都会先触发一个光控电路，再触发另一个光控电路，要求根据光控电路产生触发脉冲的先后顺序，判断来人是进入还是离开实验，当有人进入实验室时令计数器进行加计数，当有人离开实验室时进行减计数；要求计数器的最大计数容量为99人，并用数码管显示数字。

第二章系统组成及工作原理

2.1系统组成

整个系统由五个部分组成：

光控电路、触发脉冲、加减计数、显示译码和数码显示，其工作原理框图如下：

2.2工作原理

首先由光控电路将接收的光信号转换为电信号，经施密特触发器整形触发脉冲，输出计数脉冲信号。

再通过计数器和译码器，在LED数码显示管上显示数目的增加或减少，实现自动计数的功能。

第三章电路设计

3.1元器件介绍

3.1.1施密特触发器

经光电部分出来的波形是不规则的，需要经过施密特触发器进行整形。

在此课题中选用的施密特触发器是555定时器。

3.1.2555定时器

555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。

它使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，广泛用于信号的产生、变换、控制和检测。

在此课题中主要是用555定时器构成多谐振荡器，产生双D触发器所需要的时钟脉冲。

其引脚图如图一。

图一

3.1.3双D触发器

本课题中选用的是74LS74双D触发器，用于和其它芯片一起构成时序逻辑电路。

由于74LS74是上升边沿触发的边沿D触发器，电路结构是维特—阻塞型的，所以又称维特—阻塞触发器。

它要求控制端D的信号应超前CP脉冲上升边沿2Tpd1时间建立，并要求在CP脉冲触发边沿到来后继续维持1Tpd1时间（此处的Tpd1是TTL门的平均传输延迟时间）。

其中一个D触发器引脚结构如图二。

图二

3.1.4与非门

本课题中选用了两个74LS00芯片和一个74LS20芯片，与双D触发器一起构成时序控制电路。

其中与74LS00芯片引脚如图三，74LS00芯片结构及引脚图如图四，74LS20芯片中为两个四脚合一与非门，与74LS20类似。

图三

图四

3.1.5加/减计数器

因为本课题中需要对人数统计进行加和减的运算，所以选用了74LS192可逆计数器。

其引脚图如图五。

图五

3.1.6译码器

译码器用以连接计数器和显示部分。

本课题选用了CD4511芯片作为译码器。

其引脚图如右图。

3.1.7数码管　　

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管（共阴极）。

其引脚图如图六。

图六

3.2单元电路设计

3.2.1光电转换电路

光电转换电路用于将光信号转换为系统所需的电信号。

由于需要进行数目的加和减的运算，此部分需要两个相同的光控电路。

每个电路的组成为：

一个发射管，一个接收管以及一个三极管，同时还有一个20欧姆，一个20K欧姆和5.1K欧姆的电阻。

接通电源后，接收管接收到发射管射来的红外光线。

当有人通过两个二极管间时，三极管电流增大，内阻减小，集电极输出低电平，送至施密特触发器。

电路图如图3.2.1：

图3.2.1

3.2.2时钟脉冲产生电路

对于双D触发器所需要的1000Hz的脉冲，由于在本课题中电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用了555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为触发器和计数器的CP脉冲.振荡器的频率计算公式为:

f=1.43/（（R1+2*R2）*C）,通过计算选定参数确定了R1取430欧姆,R2取500欧姆,电容取1uF.这样得到了比较稳定的脉冲。

其电路图如图3.2.2所示：

图3.2.2

3.2.3整形电路

此整形电路由555施密特触发器完成，对光电转换电路输出的脉冲信号进行整形，如上图。

3.2.4时序控制电路

时序控制电路在本课题中主要用于判断计数的增加或是减少，在此选用了一个D触发器、两个74LS00芯片和一个74LS20芯片来实现。

设计思路如下：

设初始状态为0，由光控电路部分产生的两列脉冲分别为A，B，设置计数器为增加状态时，如图：

如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表和卡诺图如下：

ABQ（t）Q（t+1）Z

00001

01001

10011

11001

00101

01101

10111

11110

ABQ

00

01

1

10

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

因此，得Q（t+1）=AB′+AQ

=（（AB′）′（AQ）′）′

ABQ

00

01

11

10

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

Z=B′+Q（t）′+A′=（ABQ（t））′

同理：

设置计数器为减少状态时，

如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表和卡诺图如下：

ABQ（t）Q（t+1）Z

00001

01011

10001

11001

00101

01111

10101

11110

ABQ

00

01

11

10

0

0

1

0

0

1

0

1

1

0

得：

Q（t+1）=BA′+BQ

=（（BA′）′（BQ）′）′

ABQ

00

01

11

10

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

Z=B′+Q（t）′+A′=（ABQ（t））′

因此可得此部分时序逻辑图，如图3.2.4：

图3.2.4

3.2.5计数和译码和显示部分

计数和译码由两个个计数器、两个译码器和两个数码管来完成，用于接收计数脉冲信号并将其转化成单独的信号输出并显示。

在本课题中选用了74LS192加减计数器、CD4511译码器和共阴极LED数码显示管，其电路图如图3.2.5：

图3.2.5

3.3电路总图

此光控计数器电路总图见附录二。

第四章安装与调试

在电路板上连接线路。

为了更有效的检测电路连接的正确性，我们采取了边连接边测试的方法。

总共测试了三个部分：

◆时钟脉冲部分：

首先进行测试的是时钟脉冲部分。

连接好线路后，连接电源，将555定时器的脉冲输出接口接入示波器，却未得到任何波形。

经检查，发现是芯片的位置错了。

重新安置芯片后，示波器得到如下波形：

◆计数显示部分：

其次测试了计数显示部分。

同样的，连接电源，信号发生源调至输出适当频率的脉冲信号，并将其输出接口触碰加减计数器的up/down两脚，数码管稳定而有序地进行数的加减。

◆光电转换部分：

最后测试了光电转换部分。

将数字万用表的负极端接地，正极端接在三极管的集电极，用硬纸片隔断发射管和接收管，集电极由原来的高电平变为低电平。

在测试了以上三个部分以后，对总的电路进行测试，数码管却没有数字显示，经过多方检查才发现是由于数码管坏了。

这是插板过程中经常遇到的问题，不加以纠正将使电路无法工作，而且这个问题很难检查出来，也只能利用万用表检查。

在解决了这个的问题后，整个电路终于正常工作，实现了光控计数的功能。

第五章结论

本次课程设计总的来说比较成功，但在设计及操作过程中也有一些问题，现将发现问题及解决方法总结如下：

1）在检测电路板的过程中，出现本该相通的地方却未通的状况，后经检验发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至。

2）在检测CD4511驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。

用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。

其次是由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好，其解决方法为把CD4511的芯片拔出，根据面包板的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入电路板中，此后发现能正常显示，本次实验中还发现一块坏的LED数码管和两块坏的CD4511，经更换后均能正常显示。

第六章心得体会

两周的电子实习，印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有一个好的设计。

设计思路是最重要的，只要设计思路是成功的，那设计已经成功了一半。

其次还要有耐心，要有坚持的毅力。

在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计和检测上，如CP脉冲的供给通断，计数器的进位连接等。

，经过仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。

在整个过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。

此外，团队精神和老师的指导对本次课题的完成也是相当重要，在此对我的合作伙伴和指导老师表示感谢。

总体来说，这次实习受益匪浅。

在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了设计思维，增加了实际操作能力。

在体会到了设计电路的艰辛的同时，更体会到成功的喜悦和快乐心得体会。

参考文献

1.阎石数字电子技术基础（第五版）高等教育出版社2006

2.谢佳奎电子线路（线性部分）第四版高等教育出版社1999

3.谢自美电子线路设计·实验·测试（第三版）华中科技大学出版社2006

4.门宏怎样识别和选用集成电路人民邮电出版社2007

5.中国集成电路大全.国防工业出版社

附录

附录一：

元器件清单

面包板1块

脉冲开关（用于计数器复位）1个

发光二极管2个

发射二极管2个

接收二极管2个

三极管（9013）2个

74LS041片

74LS742片

74LS002片

74LS201片

74LS1922片

CD45112片

NE555P3个

共阴数码管2个

电阻：

5.1K欧姆2个

20欧姆2个

20K欧姆2个

500欧姆1个

430欧姆1个

100欧姆2个

电容：

1µF1个

0.01µF1个

附录二：

电路总图

附录三：

电路修改

在这次课程设计中，在原有的基础之上我连接完电路图，但发现不能实现理论上的光控计数，之后我做了几方面的改进：

1、光电转换电路

错误：

此部分的三极管的基极与高电平之间没有接电阻，无论发射管与接收管之间有没有物体挡住光线，输入整形电路的信号始终是高电平，没有脉冲生成。

改进：

在三极管的基极与高电平之间加一个5.1K欧姆的电阻，这样就组成一个放大器。

当有物体挡住红外光线时，整形电路输出端由原来的低电平变为高电平，物体离开红外线后，整形电路输出端有高电平变为低电平，形成一个脉冲。

2、整形电路

错误：

把光电转换电路形成的脉冲输入74LS04反相器，用74LS04反相器的效果不好。

改进：

整形电路用555定时器组成的斯密特触发器代替74LS04反相器。

3、时序控制电路

错误：

在计算公式时出错了

Q（t+1）=AB′+AQ=（（AB′）′（AQ））′

Q（t+1）=BA′+BQ=（（BA′）′（BQ））′

改进：

正确计算

Q（t+1）=AB′+AQ=（（AB′）′（AQ）′）′

Q（t+1）=BA′+BQ=（（BA′）′（BQ）′）′

所以原电路图中吧74LS08与门换成74LS00与非门。

4、计数和译码显示电路

错误：

原课程设计给74LS192加减计数器的是正脉冲，发现不能同时实现加减计数。

改进：

经过实验发现当给74LS192加减计数器负脉冲时，能同时实现加减计数。

所以把原来时序控制电路输出Z=ABQ（t）改为Z=B′+Q（t）′+A′=（ABQ（t））′

5、计数和译码显示电路

错误：

原课程设计是把第一个74LS194加减计数器的输出进位端12脚接到第二个74LS194加减计数器的输出借位端13脚，这是低级错误。

改进：

把第一个74LS194加减计数器的输出进位端12脚和借位端13脚分别接到第二个74LS194加减计数器的加数计数端5脚和减数计数端4脚。

附录四：

电路拓展部分