数码按钮式计数器设计.doc

湘潭职业技术学院毕业设计 题目 数码按钮式计数器 学生姓名 廖 金 龙 专 业 医用电子仪器与维护指导教师 龙 小 波 班 级 医 电 05301 2007年6月8日前 言在信息高速发展爆炸的时代，大规模、自动化生产在企业里不断高速发展。很多企业单位在生产过程中，由以前笨拙的机械控制，人工控制，开始向大量使用各种智能化的产品的方面前进，以达到提高生产管理水平，节约人力物力财力，减少人为误差实现高精度、高难度的目的，最终减小生产成本，实现企业效益的提高，增加自己在同行中的竞争能力。尤其在工厂里，计算机数量越来越多，再接合传感器产品的应用，既达到了以弱电控制强电的目的，又实现了自动化生产技术，因为自动化生产，便开始进行大规模的生产。自动化控制、大规模等又多应用到计数器来节约人力财力。由于这一市场趋势，于是我在毕业设计选题时选择了制作一个最常用最简单最有代表性的数码按钮式计数器，该产品可适用于诸多行业，以满足现代工业生产、日常生活等方面的需求。现在市场上计数器的种类很多，而数码按钮式计数器以其使用方便，性能稳定，实惠等特点，占据着很大的优势。有的可以用于冶金厂和水泥厂电厂，有的可以用于工厂磨床的控制，有的可以对冲击钻进行计数等。其电路都大同小异，只有按钮大小，形状不同而已。数码按钮式计数器涉及到模拟电子技术、数字电子技术、电路板的制作等电子类专业知识，而以上专业知识均是我们在大学专业学习中，在不同阶段所学习的内容。本毕业设计是对自己所学知识的一个综合运用和检验。同时也是自己走向社会前对产品的制作工艺以及产品生产流程的了解。 目 录前言 11. 功能说明 32使用说明 43工作原理 53.1 53.2 63.3 63.4 63.5 64PCB制作 74.1 74.2 74.3 84.4 85主要芯片资料 9 6调试数据记录表及调试故障现象及其解决方法 107心得体会 128致谢 139参考文献 141功 能 说 明本计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数,从价格，制作难度，性价比，环境等多方面考虑都较以前的计数器要优秀，并且采用LED数码显示简单、直观。由于电路采用集成电路芯片和电路板PCB设计，使产品做得不但性价比高，而且小巧、美观。针对企业大规模经营生产，到处都需要计数，人工和机械计数既造成诸多的不方便又造成人力财力物力的浪费，并且容易产生人为的错误。本人便选择了一个非常简单却具有代表作性的计数器数码按钮式计数器。此计数器主要由信号处理、计数译码、数码显示、电源电路组成。辅助电路有按钮输入电路、电源开关和计数复位电路。信号处理:由于输入采用按钮的通断而输出脉冲信号,输出信号由于抖动而变成一些不规则的信号,本设计采用NE555接成施密特电路对输出信号进行整形,使之成为符合计数器CD4518使用的脉冲信号。计数：本设计采用CD4518计数，此芯片是双十进制计数芯片。可以直接引脚之间进行级连，实现一百进制的计数。译码:本设计采用SN74LS47译码驱动芯片，对计数器的输出进行译码，使之成为能适应数码管的信号。数码显示:本设计采用共阳极双显示数码管，将译码输出信号转变为人们最直观的信号数字，达到最终目的。1.2 设计原理框图电 源信号处理计数译码数码显示2使用说明 此设计为一款计数准确又操作方便的计数器使用方法步骤如下：首先，将变压器插头接入到220V交流插孔。其次，打开电源开关。再次，通过启动按钮计数，计数完可通过另一按钮进行复位。各操作注意事项如下：1、 插好插头后，若是没有看到显示“00”请将电源开关打开2、 打开电源开关，观察电源指示灯是不是亮，亮则工作正常。3、 电源开关打开，若是没有看到显示“00”，说明开机清零电路有问题。4、 启动计数按钮，就可以实现计数功能。中途若要清零，可以断开电源开关，这时数码管无显示，或按复位按钮，此时数码显示为“00”。 3工作原理电路包括电源、信号输入、计数和译码显示四大部分。电路图如下:2.1电源部分电源部分由220V交流市电经变压器T1降压、桥式整流、电容滤波、7805稳压后为整个电路提供+5V稳定工作电压。2.2信号输入部分此电路的信号输入部分由信号输入、信号整形等电路组成。信号输入由7805输出5V电压通过计数按钮再分两路，一路经过一个电组接地，另一路到NE555的信号输入端2脚。NE555的4脚和8脚接在一起，2脚和6脚接在一起，1脚接地，5脚接0.01uf的小电容再接地，3脚输出，2脚输入构成施密特整形电路，能将由按钮产生的脉冲电平整成高低电平以供计数器使用。由于按一次按钮经过NE555能产生多个脉冲，所以增加了一个电容构成积分电路，以增加灵敏度。从而产生一对一的脉冲信号。可以根据自己的需要选择适合自己电路的电容。综上所述，当按下一次按钮时，便能在NE555上输出一个计数脉冲信号。2.3 计数部分采用CD4518组成8421码同步十进制计数器，对NE555 3脚输出的脉冲信号下降沿进行计数。为满足下降沿技术的要求，须将CD4518的CP端节地。计数脉冲信号接EN输入端。因CD4518内含两个相同的计数器。可将第一级的Q4接第二级的EN端，构成两级串行计数，实现0-99的计数，CD4518的第7、15脚为清零的端CR，通过电阻R12 接地为零电平，与电容C4一起实现开机清零作用，在参考单片机的复位电路后，我在接入电源5V的16脚和清零15脚并了一个电阻和开头关实现了按键清零。2.4译码显示部分译码电路采用两块74LS47，此芯片为输出低电平有效的译码驱动芯片，输出为可供共阳极数码管使用的低电平信号。数码管采用的是一片两位的红色的高亮度数码管。分别组成BCD七段译码器，驱动数码显示器。电阻36为1K的限流电阻。2.5元器件的选择译码电路采用两块74LS47分别组成BCD7段译码器，驱动LED数码显示器，电阻R13 到R26 为限流电阻。稳压块选用7805，可以三端稳压,NE555为信号整形主要元件；IC3为CD4518；IC4 ，IC5为74LS47；数码显示器采用共阳极HS-202，电阻全部采用1/4W金属模电阻。2.6调试安装安装时根据不同的按钮要选择不同积分电容以改变计数器的灵敏度，本计数器可实现0-99的计数显示，若要增加计数位数，可直接对计数显示部分进行扩展。4PCB制作4.1 PCB图在绘画原理图是注意相交线的接点设置问题，是否设置为自动放置接点。在元件封装应注意在元件封装库中更改二极管的引脚。我们还必须根据元件的实际外行及引脚距离来设计和绘画它的封装。正确配对的封装在我们插放元件时，元件才能对位。如：可调电容在原理图中只画出了2个引脚，但它的实物引脚却是3个，这样我们在原理图中给它标注封装时，必须根据它的引脚尺寸画出它的封装。要注意的还有，开关、集成块、电源插座、射频发射/接收模块及电解电容。4.2 PCB板中设计对于电子产品来说，电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路。本设计根据包装的要求，PCB板的大小尺寸为100mm75mm，布局时数码管位于电路板的左上方，电源指示灯位于电路板的左下方，电源开关位于右上方，按钮都置于右测。没有什么大功率，工作时高温的无件。电路板设计的合理性与产品的生产及产品的质量密切相关，要设计出一个实用的产品，还必须遵守以下设计原则和抗干扰设计。4.3 电路板的选用及走线注意的问题选用环氧树脂板, 环氧树脂与铜箔有极好的粘合力, 铜箔的附着强度与工作温度高,可以在260度的焊锡熔中不起泡。也可使用覆铜聚四氟乙烯玻璃布层压板。不同的材料有不同的特点，由调试中可能多次更换元件，所以要考虑到铜箔的粘合力。线路板的好环直接影响着放大器的性能，不好的线路板，会使信号产生歧变，产生本底噪音生尖峰脉冲干扰等，为了尽避免上述影响，线路板在线出尽量做到：4.3.1、接照信号的传输路径由小到大的顺序在电路板上合路的布置各元器的位置，尽量缩短各元器件之间的距离，以减少外部干扰的引入和不必要的干扰。4.3.2、在供电线路中，大电流通过的路径应尽量设计得实一些，以降低电源内阻，使电流能顺利通过。4.3.3、在供电线路中，应尽量避免大电流的印刷电路式导线交布置在小电流通路的中间附近，以免造成对小电流的干扰。4.3.4、走线时，应尽量走大于90度直角的线以防止产生尖峰脉冲造成干扰。4.3.5、在设计电线时，尽量使星型供电方式，而且地的低尽量离滤波电的地端近。，4.3.6、大功率元件与小功率元件尽量分开布线。4.4硬件制作与调试4.4.1、制作时应将各电位器的外壳接地。4.4.2、所有元件都装好之后，应检查看是否有虚焊，错焊，开路等。4.4.3、用万用表测量各关键点与地之间的阻值，各引脚的对应点与地之间的阻值应相同或非常接近。4.4.4、用万用表测量电源电压，看其是否在安全范围内，正负电压误差不得超过正负2V。4.4.5、电源正常后，看是否有冒烟，跳火，IC温升过高等，如无以上现象则可放心的工作5主 要 芯 片 资 料CD4518 从该元件PDF产品性能介绍中，查出数字电路的引脚功能。一般引脚功能分两大类，其一是输入与输出功能；其二是控制功能（包括被控和对外控制）。原理图中CD4518，该IC是一种双十进进制同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为17和915。该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚6脚；11脚14脚）。此外还必须掌握其控制功能，否则无法工作。即集成块的使用条件， CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端Cr也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。计数时，输出是二/十进制的BCD码，所以输入端的记数脉冲到第十个时，电路自动复位0000状态。另外，该CD4518无进位功能的引脚，电路在第十个脉冲作用下，会自动复位，同时，第6脚或第14脚将输出下降沿的脉冲，利用该脉冲和EN端功能，就可作为计数的电路进位脉冲和进位功能端供多位数显用，电路的CD4518中，因设定EN端为时钟（计数）输入，所以CP端1脚接地（低电平）。清零端Cr15脚通过R1接地为零电平，电容C1是开机置Cr“1”电平清零用的。开机之后，C1不再起作用，由此可见，该IC的连接均符合表2的要求。只要从2脚输入计数脉冲，CD4518就输出BCD码。在74LS47中，LD（锁存控制）端3脚，BI/RBO（消隐）端4脚、RBI端5脚均接电源正端（高电平，这些条件均符合74LS47真值表要求。74LS47 是一个七段译码器,对CD4518输出的数码进行译码,他输出低电平时对应的数码管发光,由于数码管是共阳极的,他的功能有许多,BCD-锁存,7段译码器,驱动器等功能,其功耗小，耐高压，耐高温，在特殊环境下也能工作。NE555 是一个多功能芯片，一般称为定时器。它结合外围电路能实现多种功能。此设计为了实现整形的功能，将它结成了施密特电路。此外它还能产生振荡脉冲等。6调试数据记录表及调试故障现象及其解决方法主要参数如下：环境参数：适应温度译码器SN74LS470-70摄氏度。计数器 CD451855-125摄氏度。 适应频率整形器 NE555 0.05-5GHz。 稳压管 7805 0-80摄氏度。 芯片输入、输出电压：SN74LS47VIH=2V,VIL=3.4V,VOL=3.5V,VIL=4.95V,VOL=5V,VO=4.95V.芯片拉灌电流：SN74LS47II=0.1MA,IO=250UA. CD4518 II=0.5MA,IO0.7MA. 芯片电源电压范围: VCC SN74LS474.75-5.25V. CD4518 5-20V. NE555 5-15V.双位共阳极数码管引脚接法：译码器数码管 左：1316、 1215、 113、 102、 91、 1518、 1417、 4点、 电源14 右：1311、 1210、 118、 106、 95、 1512、 147、 9点、 电源13故障现象：接通电源后，芯片NE555急剧发热，7805也很烫手。故障分析：迅速断开开关后，检查其他芯片并未发热。怀疑是NE555接反，但DIP封装缺口处的确是朝上，不过1脚的焊盘在8脚的位置上，细看PCB芯片NE555应该放置到底层了。故障检修：更换后，电路正常工作故障现象：接好电源后，数码管无显示。故障分析：根据现象分析，可能是电源+5V断开的原因。故障检修：首先检查7805的输入输出脚的电压均正常，各铜线并无断裂，再查7805输出脚与CD4518和74LS47的电源脚之间是断开的。而译码和数显上的是导通的。将7805的输出脚与CD4518连上时，显示正常。故障现象：开始计数后,个位正常，但十位在计“2”、“4”、“5”、“6”、“9”时右下侧应出现在右上侧。故障分析：计数还是逐个的计，这说明第二个数码管的E2和F2是接错，应该交换。用万用表直接从数码管的引脚上测验发现果然。故障检修：切断错误处，再连线，正常运行。可见经验不可靠。还得从实际出发。故障现象：显示正常后，启动计数按钮，并不计数。故障分析：可能是脉冲信号并没有接到使能端的2脚，或者没有产生脉冲信号故障检修：启动计数按钮，用万用表测得NE555的3脚输出维持高电平，怀疑NE555已经烧坏，更换后开始计数工作。故障现象：白天计数不正常，有时二个二个一计，有时三个三个的一计，甚至跳跃。故障分析：可能是太过灵敏或反应时间太短，可能是由于按钮启动后有抖动现象，经NE555整形后，按一次按钮会出现多个脉冲，可能是电容C4太小充放电时间太短所致。故障检修：更换一个大的电容后，计数是逐个逐个的计了。故障现象：开机正常，可启动计数按钮不进行计数。故障分析：可能是计数器芯片出了问题，用万用表测量CD4518的2脚，有计数脉冲输入。3、4、5、6脚却维持低电平。故障检修： 更换此芯片，恢复正常工作。故障现象：开机不正常，不出现“00”。故障分析：可能是计数译码部分出了问题。用万用表测量计数器输出正常，可译码器输出维持全部为低电平。故障检修：更换译码芯片，恢复正常工作。以上错误是我在制作数码按钮式计数器过程中，所遇到的一些小错误。更正如上。 7心 得 体 会从四月十六选定课题到六月八号成品完成，将近二个多月来围绕毕业设计而进行的一系列工作活动犹历历在目，从开始的选题到后来的成品调试中间的点点滴滴现在想来、很是值得。成品完成是在八号的晚上十一点五十多了。当时的那股高兴劲，无法用言语表达。那天我踏踏实实睡了个好觉。记得当初选项这个题目的时候，是因为数码按钮式计数器可能会比其他计数器简单，又可以熟悉和运用所学的模拟电子和数字电子，可以学以致用。成功后会觉得有所成就感。选定题目时候，开始收集资料首先从模电和数电上以及相关书籍。查询相关部分的资料，为运用和设计做好准备。大致清楚我要怎么构思后，我开始构图，我接合书上的一些芯片资料绘制了一张草图，再到网络上搜索相关的资料。后面的计数显示部分又在 上找到相关的，于是完善此图。从网络上下载，相关芯片资料，从成本效果等分析后选用现在的这个原理图。利用相关知识对明显错误进行修改，交给龙老师请他帮我分析研究一下电路，并针对只有电源清零该如何设计一个手动按键清零。龙老师看过电路后让我们参考单片机的复位方式。于是我就设计了现在的复位按钮，看到自己小小的创意的成功很是开心。利用Protel 99SE制图我一直小心谨慎的处理着。进展很是顺利进行，所学的制图知识全用到了。感觉充实。在后来的几个错误的查找中，我又有所获：电脑固然准确，但也有相应的错误，不可全信，在修改一具网络后这种感觉更是加深了许多。很多的时候，自己应该相信自己的实力与智慧。敢于怀疑。电路腐蚀与焊接是个细心的活，须小心对待。调试更能学好用好知识，注意每一个细节很重要。从选项题到成品收获很多。得到最深刻的是须谨慎对待每一个环节，任何一处的错误都可能使整个失败。细节决定成败。通过本次毕业设计，让