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1、郑州科技学院数字电子技术课程设计题 目 光控计数器的设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 信息工程学院 指导教师 完成时间 2013年11月29日 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求13 设计方案14 设计原理及功能说明24.1 工作原理24.2 功能说明25 单元电路的设计65.1 光控电路部分65.2 脉冲整形部分65.3 加减信号产生部分75.4 计数及数码管显示部分86 硬件的调试97 总结9参考文献10附录1：原理图12附录2：元器件清单13附录3：实物图141 课程设计的目的(1) 熟悉逻辑门电路、集成芯片和555定时器等器件的内部结构和功能，合理运用其内部
2、及其功能，完成相应的设计工作。 (2) 学会使用电路仿真软件如：Mutisim。 (3) 能够对电子电路、印刷电路板、电子元器件等一些相关与电子和焊接等方面的知识有进一步的认识，并独立对其进行测试与检查。(4) 这次试验对焊接技术、排错调试、以及相关设备的使用等方面的得到了比较全面的锻炼和提高。并进一步巩固了在课堂上学习的理论知识。2 课程设计的任务与要求基本功能：(1) 使用逻辑门电路、集成芯片及555定时器等器件完成光控计数器的设计；(2) 使用光敏元件采集信息，通过调整进行计数；(3) 采用2位数码管进行计数，计数范围在0-99，可进行复位。扩展功能：对进出加以区分，进入时计数器进行加，
3、出去时计数器进行减。3 设计方案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，其系统整体框图如下：图3-1 系统整体框图4 设计原理及功能说明4.1 工作原理首先由光控电路将接收的光信号转换为电信号，经由555定时器组成的施密特触发器整形和555定时器组成的单稳态触发器触发脉冲，输出计数脉冲信号。再通过计数器和译码器，在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。4.2 功能说明光电转换电路：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，同时还有一个3
4、70欧姆和一个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，内阻减小，集电极输出低电平，送至施密特触发器。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。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、三个74LS00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4-1所示。图4
5、-1 增加状态时序逻辑分析图如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表如表4-1所示： 表4-1 增加状态时序控制电路真值表 A B Q（t） Q（t+1） Z 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 01 0 1 1 01 1 1 1 1 得卡诺图如图4-2所示：AB Q0001111001111 图4-2 增加状态时序控制电路卡诺图因此，得 Q（t+1）=AB+AQ (4-1) =（AB）（AQ） (4-2)Z=ABQ（t） (4-3)同理：设置计数器为减少状态时，其时序逻辑分析图如图4-3所示。图4-3 减少状态时序逻
6、辑分析图如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表如表4-2：表4-2 减少状态时序控制电路真值表A B Q（t） Q（t+1） Z0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 00 0 1 0 00 1 1 1 01 0 1 0 01 1 1 1 1得卡诺图如图4-4所示：AB Q0001111001111 图4-4 减少状态时序控制电路卡诺图所以： Q（t+1）= BA+BQ (4-4) =（BA）（BQ） (4-5) Z=ABQ（t） (4-6) 计数和译码和显示部分：计数和译码由两个计数器、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
7、输出并显示。在本课题中选用了74LS192加减计数器、74LS47和共阳极LED数码显示管。5 单元电路的设计5.1 光控电路部分如图5-1，采用两个开关模拟两个光电管对，平时保持高电平，当有人通过，遮住光路时，输出低电平。在实际电路中，对于红外发光二级管，正极接一个510欧姆的限流电阻后接电源，负极接地；对于红外接收管，负极直接接电源，正极接一个3K欧姆的电阻后接地。脉冲信号从电阻上引出。图5-1 光控电路部分电路图5.2 脉冲整形部分用555芯片构成单稳触发器，每次触发产生一个1s左右的方波脉冲（仿真时为10ms）。目的是将实际中可能不重合的脉冲信号变为重合的信号，同时，由于此触发器不具有
8、重触发的功能，所以此电路还兼有消抖的功能。脉冲整形部分电路图如图5-2所示。图5-2 脉冲整形部分电路图5.3 加减信号产生部分此部分由一个D触发器和一个由两个与非门构成的基本RS触发器及三个与非门构成。（如图5-3）图5-3 加减信号产生部分电路图A、B分别为经整形后的脉冲信号。与非门C的输出作为计数器74LS192的减计数信号；与非门D的输出作为计数器74LS192的加计数信号。5.4 计数及数码管显示部分计数及数码管显示部分电路图如5-4所示。计数部分由两片74LS192异步级联而成。从低位的QA、QB端和高位的QB端经与门引出异步清零信号，实现计数到28时+1回到00。实际中，与门由一
9、个四输入与非门74LS20和一个二输入与非门74LS00构成，仿真中直接使用与门。从高位的QD端经与非门引出异步置数信号，实现计数到00时-1回到99。开关的作用是手动清零功能，可以用一个复位开关实现（实际中是需要时用导线直接接电源），仿真中用一个单刀双掷开关实现，并与异步清零信号经过或门接到74LS192的清零端。显示部分由两个共阳数码管和与其相配的译码器74LS47构成，限流电阻为300欧。 图5-4 计数及数码管显示部分电路图6 硬件的调试在实际电路搭建中，出现的问题主要有三个。其一，低位的74LS192的地线未接，导致计数产生混乱。其二，加计数时会在基本RS触发器的B信号的输入端产生了
10、一个毛刺，产生的原因未知，解决方法是加一个较大的吸收电容，电容为1uF，小电容不能吸收干净。其三，由于是两片计数器是异步级联，所以在计数到20后-1会产生一个瞬间的29信号，此信号会是计数器清零，解决方法是在清零信号端加一个大电容（10uF），吸收这个瞬间的清零信号。7 总结两周的数电课程设计，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。在整个过程中，我深刻的体会
11、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，这次课程设计受益匪浅。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）M. 高等教育出版社,20062 谢佳奎. 电子线路（线性部分）（第四版）M. 高等教育出版社,19993 谢自美. 电子线路设计实验测试 （第三版）M. 华中科技大学出版社,20064 门宏. 怎样识别和选用集成电路M. 人民邮电出版社,20075 中国集成电路大全M. 国防工业出版社.1990附录1：原理图附录2：元器件清单编号名称数量1红外线发射二极管22红外线接收二极管2374LS1922474LS741555526共阳数码管2774LS472874LS002所用元件清单如表所示，另有电容、电阻、导线若干。附录3：实物图14
