药片计数器的设计 电子课程设计文档格式.docx
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脉宽变电平
方波发生器
放大
光电转换
整形
计数
译码
显示
标准量控制
数值比较
图1总电路框图
上图为药片计数器的电路框图1。
主电路部分由计数器电路和数值比较器电路组成。
计数原理在光电转化电路中，放光器件的输出光强与其工作电流成正比，发光侧与接收光侧的距离越大时，要求输出光强也越强，即要求工作电流越大，同时增强光线强度可以减小技术误差和接收光器件的技术要求。
在无药片挡光时，整形后输出和调制光是同频率的脉冲信号，挡光时输出一个高电平，即有没有瓶子挡光，整形输出信号的脉冲是不一样的。
把不同的脉宽变换为不同的电平，形成触发沿，作为计数脉冲，可实现对药片的自动计数。
经脉宽变电平电路，把脉宽变为电容上电压，并以此作为控制信号。
药片不挡光时，信号脉冲窄，电容上电压小，使脉宽变电平电路输出为1，档光后脉冲变宽，电容上电压能达到某阀值电压使脉宽变电平输出为0.从而药片挡光一次，能形成一个计数脉冲沿，而使计数器计数加1，当计数器计数A与标准量B比较，当A小于B时，计数器继续计数；
当计数值A等于B时：
启动电机带动皮带使下一药瓶准备，计数器自动清零并开始下一次计数。
在标准量控制电路部分，可以直接用二进制置数，但考虑到实际生产中用二进制置数不方便，容易造成错误而造成重大损失。
因此在这部分用按键锁存显示电路来实现试设计更为直观化，也更容易被厂家采用。
三、选择器件
3.174LS160同步可预置数4位十进制加法计数器2片
74LS160为可预置的十进制同步计数器，逻辑符号如左图2，表1为管角功能，表2为真值表。
清零端是异步的，当清零端/MR为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能。
74LS160的预置是同步的。
当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0－Q3与数据输入端P0－P3一致。
其计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0－Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当CEP、CET跳变与CP无关。
并具有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
图2
表1：
管角功能
~PE
ParallelEnable（ActiveLOW）Input并行启用（低电平）输入
P0~P3
ParallelInputs并行输入
CEP
CountEnableParallelInput计数启用并行输入
CET
CountEnableTrickleInput计数启用涓流输入
CP
Clock（ActiveHIGHGoingEdge）Input时钟输入
~MR
MasterReset（ActiveLOW）Input主复位（低电平）输入
~SR
SynchronousReset（ActiveLOW）Input同步复位（低电平）输入
Q0~Q3
ParallelOutputs并行输出
TC
TerminalCountOutput终端计数输出
表2：
选择4开关方式真值表
*SR
PE
工作模式
L
X
RESET（Clear）清零
H
LOAD（PnQn）置数
COUNT（Increment）计数
NOCHANGE（Hold）保持（不变）
3.274LS147十进制数—BCD优先编码器2片
表3：
十进制数—BCD优先编码器74LS147的真值表
Inputs
Outputs
123456789
DCBA
HHHHHHHHH
XXXXXXXXL
XXXXXXXLH
XXXXXXLHH
XXXXXLHHH
XXXXLHHHH
XXXLHHHHH
XXLHHHHHH
XLHHHHHHH
LHHHHHHHH
HHHH
LHHL
LHHH
HLLL
HLLH
HLHL
HLHH
HHLL
HHLH
HHHL
十进制数—BCD优先编码器74LS147的逻辑图如下：
图4
3.374LS75四D锁存器4片
图5
四D锁存器是有D触发器集成的。
D触发器又由6个与非门组成，其结构如图5，其中B和A构成基本RS触发器。
电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。
如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。
而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。
这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。
工作原理:
SD和RD接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。
当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q非为0，即触发器置1；
当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。
设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。
工作过程如下：
1.CP=0时，与非门H和G封锁，其输出1，触发器的状态不变。
同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D非，Q6=Q5非=D。
2.当CP由0变1时触发器翻转。
这时H和G打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。
Q3=Q5非=D，Q4=Q6非=D非。
由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=Q3=D。
3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。
这是因为H和G打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经H输出至F输入的反馈线将F封锁，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；
该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。
Q4为0时，将F和E封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
H输出端至F反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；
Q4输出至G输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。
因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。
总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。
与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。
3.474LS85集成4位数值比较器2片
数值比较器用于比较两个数大小或相等。
集成4位数值比较器是由4个一位二进制比较集成的。
对一位二进制数A和B进行比较，比较结果有三种情况：
（1）A>
B时，即A=1、B=0，这时，输出Y=A（~B）；
（2）A<
B时，即A=0、B=1、这时，输出Y=（~A）B；
（3）A=B时，即A=B=1，这时Y（A=B）=（~A）（~B）+AB。
如两个4位二进制数A＝A3A2A1A0和B＝B3B2B1B0进行比较时，则需从高位到低位逐位进行比较。
只有在高位相等时，才能进行低位的比较。
当比较到某一位数值不等时，其结果便为两个4位数的比较结果。
当比较两个4位以上8位以下的二进制数时，需要两个芯片级联扩展。
74LS85的逻辑符号图
表4：
74LS85功能表
比较输入
级联输入
输出
A3B3
A2B2
A1B1
A0B0
A>
BA<
BA=B
A3>
B3
A3=B3
A2>
B2
A2<
A2=B2
A1>
B1
A1<
A1=B1
A0>
B0
A0<
A0=B0
XXX
100
010
XX1
110
000
001
3.574LS04六组反相器1片
图8
74LS04的逻辑符号如左图8。
由六组反相器集成，输出信号Y是输入信号A的非，若输入信号A是高电平H，则输出信号Y是低电平L；
若输入信号A是低电平L，则输出Y是高电平H。
3.6DCD_HEXLED数码管4片
（a）数码管段结构（b）DCD数码管
图9
DCD数码管是带有译码器的液晶7段显示器，其结构见上图9。
3.7NE555定时器1片
555定时器内部结构如下图10（a）所示。
它由分压器、两个电压比较器、基本RS触发器、晶体管及缓冲器组成。
555定时器逻辑符号如下图10（b）所示。
1脚是接地端GND，2脚是低电平触发端（也称触发端），3脚是输出端OUT，4脚是复位端ft，，5脚是电压控制端，6脚是高电平触发端（也称阈值端），7脚是放电端，8脚是电源端VCC。
图10
555定时器功能表见表5，其中4脚RD，为复位端，当RD为低电平时，不管其他输人端的状态如何，输出Uo为低电平。
只有当RD为高电平时，输出的状态将由2脚低电平触发端和6脚高电平触发端电压的大小来决定，因此，在正常工作时，应将4脚接高电平。
当uil＜（2/3）Vcc,u2＜（1/3）Vcc时，放电晶体管VT截止，输出端仍为高电平。
当uil＞（2/3）Vcc,ui2＞（1/3）Vcc时，放电晶体管VT导通，输出端uo为低电平。
当uil＜（2/3）Vcc,ui2＞（1/3）Vcc时，电路亦保持原状态不变。
如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～Vcc之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，进而影响电路的工作状态。
表5
四、功能模块
4.1标准量编码/锁存/显示控制电路
编码/锁存/显示电路如下图11所示。
当S0~S7中某个键按下时，表明输入0~9中的某个数，在编码器74LS147的输出端有相应的编码输出。
同时由于按键的按下，由二输入和四输入组成的六输入与非门的输出为1，该信号使四D锁存器74LS75的使能端为1，锁存器将编码器的输出锁存起来。
比如J3=C按键按下时表明这一路有数据输入，这时74LS147的数据输入端2输入低电平，74LS148的输出对应编码信号DCBA=0010。
同时由于J3=C的按下，与非门输出高电平，74LS75的1C，2C引脚处于使能状态74LS148的输出信号进入D锁存器并将编码信号锁存起来，在锁存器的输出端输出~1Q~2Q~3Q~4Q=0010，并将其送入DCD数码管进行显示。
另一方面，该信号用以与计数信号低位计数值进行比较。
图11
4.2计数电路
两片74LS160具有共同的时钟CP，以第一片的进位RCO输出到第二片的ENT和ENP端，就是每当第一片计数到1001、RCO变为1时，给第二芯片计数条件，当下一个CP到来后，第二片计数加1，而当第一片计数到0000时，RCO端输出0，第二片停止计数，等待下一个RCO=1。
计数通过输出端输出信号用DCD数码管进行显示。
另一方面，输出端信号与标准量进行比较。
其电路图见图12。
图12计数/显示电路
4.3数值比较电路
使用74LS85进行级联组成8位数值比较器，先对高位进行比较，若标准量高位B’大于计数值高位A’则标准量大于计数值，计数继续；
若高位相等，P=Q端输出高电平1，则对低位进行比较。
当标准量等于计数值时，级联芯片P=Q端输出一个脉冲沿，连到计数器的清零端~CRK，从而实现计数器重新计数。
电路模块图见图13。
图13比较器级联电路
计数清零信号端
4.4脉宽变电平电路
图14脉宽变电平电路
在无药片挡光时，整形后输出和调制光是同频率的脉冲信号，挡光时输出一个高电平，即有没有瓶子挡光，整形输出信号的脉冲是不一样的。
经该脉宽变电平电路，把脉宽变为电容上电压，并以此作为控制信号。
药片不挡光时，信号脉冲窄，电容上电压小，使脉宽变电平电路输出为1，档光后脉冲变宽，电容上电压能达到某阀值电压使脉宽变电平输出为0。
从而药片挡光一次，能形成一个计数脉冲沿，而使计数器计数加1，这样的重复，形成连续的计数脉冲。
脉冲宽度Tw=1.1RC。
4.5硬件实验验证
硬件实验电路见下图15。
按如下电路图连接好电路，在硬件试验箱上验证实验设计正确。
图15硬件实验电路
五、药片计数器总体设计电路图
整形信号输入端
图16：
药片计数器总电路图
药片计数器总电路图见上图16。
由双按键/编码/锁存控制电路输入标准量，与74LS160级联组成的100进制计数器计数值在由74LS85组成的数值比较器进行比较，标准量大于计数值时计数器继续计数，当计数值等于标准量时比较电路输出一个脉冲沿经非门后输入计数器清零端，使计数器重新开始计数。
同时使开漏输出导通使电机工作带动皮带使下一药瓶开始装瓶（实际电路中做控制信号，通过电气隔离，控制强电力系统下电机）。
由脉宽变电平电路对由光电转换/放大/整形电路输出的信号进行变换，作为计数脉冲。
六、设计心得
通过这次对数字电子课程设计，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于计数器的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。
但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。
而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。
所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。
通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实操作才会有深刻理解。
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