数字记步器课程设计方案

数字记步器报告 共 25 页 第 页 1 数字记步器课程设计方案 第 1章 记步器的概述 记步器的特点及应用 随着电子时代的到来，各个科学门类在电子技术带领下让我们的生活更加舒适和方便。 随着社可或缺的核心地位。 而各种电子产品中，譬如，时钟、心率表、运动腕表、手表、全自动电子血压计、温度湿度计、气预报计等等，都运用了计数器的功能。记步器中也用到了计数器。 记步器的特点是它可以将人走完一段路程所走的步数完整的记录下来，把记步器应用于健身器材上，它就可以定量记录每天运动的多少。记步器可以显示步数、以用于计算运动时消耗的热量 。 计 任务和具体要求 数字记步器 1、基本要求：采用 4 位数字显示步数，传感器采用水银开关，主人走一步的时候，开关闭合一次 2、参考原理：本系统的原理和计数器相同、但是要注意开关的抖动以及信号的整形问题。 主要参考元器件 747474 统组成 数字记步器报告 共 25 页 第 页 2 系统由 4 片 74数芯片， 4 片 74码芯片， 4 个数码管以及其他组件构成，计数采用十进制，实现从 0 到 9999 的计数功能，其中还包括清零和暂停的功能。 电路的结构大致可分为 4 部分：输入部分，计数部分，译码部分 ，显示部分。系统框图如图 1 图 1计步器系统框图 译码器 译码器 译码器 数码管显示 数字 数码管 显示 数字 数码管显示 数字 冲信号 数码管显示 数字 译码器 个位计数器 十位计数器 百位计数器 千位计数器 数字记步器报告 共 25 页 第 页 3 第 2 章 设计方案与选择 案一 其工作原理： 74下降沿触发的计数器，当开关 合时瞬间会产生一个下降沿脉冲，计数器开始工作。输出端将数以二进制的形式输入到译码器的输入端 ,译码器将数译码后输入到数码管使其显示计数器所计的数。由于74一个双十计数芯片，下一级的计数器的脉冲输入端 信号是由上一级的 74输出端 与后的输出提供的。当第一级计数计到 9 以前， 与的结果都是低电平，下一级的 始终为低电平。当计数到 9 时，二进制 1001， 与的结果由低电平变为高电平，但 74下降沿触发的故下级计数器此时不计数 ,当此级再来一个脉冲时 ,由于芯片计数性质，此级计数器由 9 变为 0,二进制对应0000，此刻下级的 由高电平变为低电平 ,对于 74言接收到一个下降沿 ,下一级的计数器开始计数 ,此时数码管显示的数为 0010，依次类推，可以实现从 0000 到 9999 的计数。 74 高电平有效，当 关打到地端实现清零。 . 案二 其工作原理： 其工作原理与方案 1 相同，只是该电路所使用地芯片是 的，而且所使用的计数器是单十进制的 ,所使用的数码管驱动器 用来驱动共阴数码管的，故使用的数码管是共阴的。 未按下开关 ，第一片 管脚 15 的 冲输入端始终为高电平， 下降沿触发的计数器所以未按下开关时计数器不计数，数码管显示为零。当下 开关 对于 言有一个下降沿的脉冲 ,计数器工作并通过它的数字记步器报告 共 25 页 第 页 4 输出端将数以二进制的形式输入到译码器的输入端 ,译码器将数译码后输入到数码管的管脚使其显示计数器所计的数。由于下一级的计数器的脉冲输入端 信号是由此级的 输出端 与后的输出提供的。当此级计数计到 9 以前， 与的结果都是低电平故下级的 始终为低电平当计数到 9 时 与的结果由低电平变为高电平但 当此级再来一个脉冲时 ,此级计数器由 9 变为 0,此刻下级的 由高电平变为低电平 ,对于 言来了个下降 沿 ,下级的计数器计数 ,此时数码管显示的数为 10 依次类推重复计数。可以从 0 计数到 9999 如此重复。将 清零端 接后接到单刀双置开关的一个管脚开关的另两个角一个接电源一个接地。 清零端 电平有效。当将开关接地端接通时清零端 效当接电源端接通时清零端 效将计数器清零数码管显示为零从而实现了清零功能。 案三 其工作原理： 当 74片的 接高电平时，电路实现计数功能， 接收到一个脉冲，个位计数器开始工作计数 1 当个位计数达到 9 再接收到第十个 冲，个位计数器产生进位信号，十位计数器显示 1，个位计数器清零，以此类推，实现 0000数。当 接低电平时，由芯片性质实现计数清零，四个数码管都显示零。 案比较 前两个方案的原理是相同的，但由于方案一所使用的计数器是双十进制的，一片 74当于两个单十进制的计数器，也就是说一片 74当于两片 经济角度来讲，方案一更实惠些， 数字记步器报告 共 25 页 第 页 5 而且由于少用了两片芯片使得电路板不会显得那么拥挤，导线更容易布置，使得电路板整体看上去 更美观，所以方案一更好些。 而 74清除端是异步的 ，异步计数器中容易出现的计数尖峰从而影响实验结果。 而且提供的主要器件当中没有 74 有74 终上所述用方案一来完成实验是最好的。 第 3 章 工作原理详解 作原理 未按下开关 ，第一片 74管脚 15 的 冲输入端始终为高电平， 74下降沿触发的计数器所以未按下开关时计数器不计数，数码管显示为零。当按下开关 对于 74言有一个下降沿的脉冲 ,计数器工作并通过它的输出端将数以二进制的形式输入到译码器的输入端 ,译码器将数译码后输入到数码管的管脚使其显示计数器所计的数。由于下一级的计数器的脉冲输入端 信号是由此级的 74输出端 与后的输出提供的。当此级计数计到 9 以前， 始终为低电平当计数到 9 时 4当此级再来一个脉冲时 ,此级计数器由 9变为 0,此刻下级的由高电平变为低电平 ,对于 74言来了个下降沿 ,下级的计数器计数 ,此时数码管显示的数为 10 依次类推重复计数。可以从 0 计数到9999 如此重复。将 74清零端 接后接到单刀双置开关的一个管脚开关的另两个角一个接电源一个接地。 74清零端 电平有效。当将开关接地端接通时清零端 在开关 用了积分电路，它的作用是防止开关的抖动造成计数器计数字记步器报告 共 25 页 第 页 6 数不准确而且电容可以用来滤波对信号进行整形。 当开关 开时电路处于低电平状态 ,当开关 下来时电路处于高电平 ,从而能实现目的 当打下开关时系统将处于工作状态即进行数值累加 4390 是下降沿触发的计数器 ,所以要使电路工作就必须输入下降沿脉冲即由电压瞬时由高电平变为的电平来提供有效沿 ,如图 使电路有一定的时间常数 ,在闭合开关时 ,不至于同时产生几个脉冲而影响电路计数 . 1 输入部分 输入部分可分为两个部分：输入信号和清零电路。其中的输入信号可由脉冲信号提供也可由 下降沿触发 。由于这个数字记步器的 传感器是采用水银开关，主人走一步的时候，开关闭合一次，用 下降沿触发才可使其模拟 主人走一步的时候，开关闭合一次，即完成暂停功能 。 记数脉冲电路 50 o h e y = S p a c 7 u 记数脉冲电路 数字记步器报告 共 25 页 第 页 7 在开关 用了积分电路，它的作用是防止开关的抖动造成计数器计数不准确而且电容可以用来滤波对信号进行整形。 当开关 开时电路处于低电平状态 ,当开关 下来时电路处于高电平 ,从而能实现目的 状态 ,当打下开关时系统将处于工作状态即进行数值累加 4390 是下降沿触发的计数器 ,所以要使电路工作就必须输入下降沿脉冲即由电压瞬时由高电平变为的电平来提供有效沿 ,如图 使电路有一定的时间常数 ,在闭合开关时 ,不至于同时产生几个脉冲而影响电路计数 . 清零电路： 清零电路我们采用的是用单刀双掷开关来控制 74V V e y = 清零电路 将 74清零端 接后接到单刀双置开关的一个管脚开关的另两个角一个接电源一个接地。 74清零端 电平有效。当将开关接地端接通时清零端 效当接电源端接通时清零端 效将计数器清零数码管显示为零从而实现了清零功能。 2 计数部分 数字记步器报告 共 25 页 第 页 8 74双十进制计数器，它相当于两个十进制计数器。 当 74 和 短接， 为输出， 为脉冲的输入端时该计数器实现的是 8421 码计数如果将 和 短接，为输出 为脉冲的输入端实现的是 计数。我们采用的是 计数故将 和 短接。 当按下开关 对于 74言有一个下降沿的脉冲 ,计数器工作并数字记步器报告 共 25 页 第 页 9 通过它的输出端将数以二进制的形式输入到译码器的输入端 ,译码器将数译码后输入到数码管的管脚使其显示计数器所计的数。由于下一级的计数器的脉冲输入端 信号是由此级的 74输出端 与后的输出提供的。当此级计数计到 9 以前， 与的结果都是低电平故下级的 始终为 低电平当计数到 9 时 与的结果由低电平变为高电平但 74下降沿触发的故下级计数器此时不计数 ,当此级再来一个脉冲时 ,此级计数器由 9 变为 0,此刻下级的 由高电平变为低电平 ,对于 74言来了个下降沿 ,下级的计数器计数 ,此时数码管显示的数为 10 依次类推重复计数。可以从 0 计数到 9999 如此重复。 3 译码部分 由于计数器输出的是二进制码，无法用数码管直接输出，要想正常的输出就必须使用七段译码器来驱动数码管。 74用来驱动共阳数码管的。 数字记步器报告 共 25 页 第 页 10 这是一 个 74两个 74码器的连接图。 74码器会将计数器输出的 8421译成对应于数码管的 7 个字段信号，驱动数码管，显示出相应 的十进制数码。 4 显示部分 数字记步器报告 共 25 页 第 页 11 数码管是一种以发光二极管为基本单元的半导体发光器件。在我们日常生活中，比如电子秤、电子数码钟等的显示都是利用数码管实现，数码管现今已得到广泛的应用。 它是段式数码显示器件，它有 7 个字段，每段为一个半导体发光二极管。发光二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。当外 加反向电压时，发光二极管截止；当外加 正向电压且数值足够大时，发光二极管导通，发光二极管能发出 清晰的光线。选择不同字段发光，可显示出不同的字形，例如当 b， c 段亮时，显示 1. 半导体七段显示器分为共阴极接法和共阳极接法两种。对于共阴极接法 ，若需某字段亮，则需使该字段为高电平；同理，对于共阳极接法，若需某字段亮，则需使该字段为低电平。 这里我们使用共阳极数码管。 数字记步器报告 共 25 页 第 页 12 发光二极管正向工作电压一般为 3V，驱动电流需要几毫安至十几毫安。在实际应用中，应在每个二 极管支路串接限流电阻， 以防电流过大而损坏二极管。 本次试验我们采用的是 100 欧姆。 第 4 章 调试与排故 调试 调试过程是非常重要的，做好这个过程中不仅能确保实验成功，还能学到好的东西。 在开始接电路前要先把原理弄明白，把电路划分成几个部分再开始接电路，当然实验所要用的导线要事先检查一遍，确保都是好的，不要到时电路因为导线出不来，那就郁闷死了。 由于电路比较复杂，线也比较多。诺一开始就把整个电路都接起来，一不小心接错了的话或者电路本身，器件本身有问题的话，就很难找出错误。既然电路本身分为四个部分，我们可以一个一个部分来。这样的话在出现问题时就容易解决得多。 首先我 们接的是输入部分和计数部分，把输出端接在试验箱本身自带的四位数码管上，分别闭合两个开关，看其是否能完成从 0 到 9999 的计数和清零功能不。 然后用译码器 74然在此之前要先用万用表找出数码管每个引脚代表的含义是什么。 最后把译码器和数码管接上去，看电路是否正常工作并且是否能完成数字记步器报告 共 25 页 第 页 13 实验要求。 排故 在任何课程设计中不可能一动手就成功完成，不出现丝毫差错，那是不太可能的。排故就是将你在实验过程中遇到的问题一 一解决。 在本设计中设计 小组也遇到了一些故障。 1. 在调试过程中把熟人部分和计数部分接好后，并将输出端接在四位数码管上后一切都正常，可接上译码器和阳极数码管后，数码管上不但显示数字，根本就不亮。 后来发现把阳极数码管的公共端接在地上了 ，这是阴极数码管的用法。 2. 在把阳极数码管的公共端接在 +5V 上后发现数码管是亮了，也会显示数字，但有些数字显示的很奇怪，它该亮的不亮不该亮的亮了，显示怪数字。而且有些段从来没亮过。我们按下清零键后没有清零作用，变成了暂停功能。 检查了好几遍线是没接错。但我们发现数码管越来越热。因为一开始我们只查 了阳极数码管的用法，不知道它只能工作在 几毫安至十几毫安。在实际应用中，应在每个二 极管支路串接限流电阻， 以防电流过大而损坏二极管。我们把译码部分和显示部分拆下来后，又接了一个小电路来测试数码管是否能正常工作。测试后发现果然有些段不亮了，应该是烧坏了。 把电阻接上后果然显示了正常的数字。 数字记步器报告 共 25 页 第 页 14 第 5 章 实验总结与体会 实验总结 这次实验设计耗时长，受到的指导也很多。从开始自己查阅资料，熟悉器件，了解原理，设计电路。到请教同学和老师在实验室不停地连接不停的改 进，寻求帮助，再到最终实验成功。学到的东西有很多，很高兴也很庆幸 。 在本次课程设计我们完成的是数字记步器。 记步器要实现的功能是当开关 不断的开关时形成下降沿脉冲，通过 74脉冲输入端 入到计数器 74 90 ，由于 74数器计的数通过其输出端输入到 4计数器的输出端 与后的输出作为高位的脉冲，利用 9 时才相与为高电平其它 时候都为低电平和 74 90 是下降沿触发的可以实现进位，这样就完成了从 0000 到9999 的计数功能 。将其清零端短接后用开关 控制就是现了清零功能。 早说过数字记步器可相当于跑步机。可用于人们锻炼身体。如果将记数字记步器报告 共 25 页 第 页 15 步器安装在人们的鞋子里，每当人们跑一步就触发一次开关使得计数器计数从而可用来记录人们所跑的步数。随着科学的发展就可以通过这些数据来判断和评价一个人的身体健康情况。 而且本实验用了积分电路，还用了 电阻和电容。不但解决了 由于常开按钮开关会抖动，导致开关按了一次但记步器不一定将这一次记录下来的 问题，还 了防止干扰 ,使电路有一定的时间常数 ,在闭合开关时 ,不至于同时产生几个脉冲而影响电路计数 . 该电路可对信号进行整形滤波。从而完善了电路，使电路的可靠性得到提高。 通过以上分析可知，我们所设计的电路是正确的是符合课题要求的。 心得体会 这次课程设计是一次综合性的设计性实验，它不但让我意识到我们在课堂上学的知识是那么的浅薄，想要让自身得到提高还要靠自己不断努力。还让我深刻的了解了到底什么是脉数，脉数学了以后有什么用。 平常很少有机会去自己设计电路，现在学校给了我们一个这样的平台。让我们自身提到了不少提 高。 通过这次基础课程设计 ,让我知道在设计电路时考虑的远比课堂上所学的要多。实际中总有很多限制因素是必须要考虑的。设计思路决定产品的成本，性能等相关问题，因此一个良好的设计思路，是电路的核心。 而且在开始设计电路前把实验所要用的器件的功能和使用方法了解清楚是成功的基础。 这次课程设计虽然只是学校给我们作业，但我们不能小看他。以后我们工作后做的项目都是通过这个引申过来的。所以我们不但要把实验要求完成，还要从经济实惠的角度考虑，用越少的芯片和导线完成越好。 本次实验让我初步学习和掌握了仿真软件 使用 查电路故障和调试的能力都得到了一个很好的提升。一个实验很复杂，但只要有一点出错，电路就不能正常工作，这时就考验了排故数字记步器报告 共 25 页 第 页 16 障的能力，比如说，个数码管中有些不能正常工作，那就应该找到相应的芯片进行逐一排查，更好的话就是在连接电路时一个接一个的进行校验，看数码管是否正常计数。 任何电路的设计都不是只存在一个电路。它是有各个小模块组成的，因而在电路的设计中就必须注意将电路模块化。本实验设计的四位数字计步器虽然很简单，但是它是那些电子计步器的精髓所在，学习它 有利于掌握它的原理。本实验分成了四 个模块： 输入部分，计数部分，译码部分，显示部分。这样有利于连接，排查故障，设计的思路会明显清晰。应该学习这种方法。 总之，本次课程设计将理论与实践相结合了，既考察了我们对理论知识的掌握情况，还提高了实际动手能力，更主要的是为以后的就业也打下根基，真可谓一举多得。同时也让我意识到自己的水平有限，想要得到提高今后应该更加努力学习理论知识，为今后的设计制作奠定基础，而且要及时吸收先进技术紧跟时代步伐。 数字记步器报告 共 25 页 第 页 17 参考文献 【 1】 王毓银 三版） 1999 【 2】 陈有卿 00 例 1999 【 3】谢自美 华中科技大学出版社 4】粱德厚 . 数字电路技术及应用 5】李忠播 ,袁宏 . 电子设计与仿真技术 2004 【 6】岳怡 . 数字电路与数字电子技术 7】彭介华 . 电子技术课程设计指导 高等教育出版社 8】赵保终 . 中国集成电路大全 数字记步器报告 共 25 页 第 页 18 附录 元件清单 元件清单 74十进制计数器 2 个 74段 15V 输出译码器 4 个 74输入端四与门 1 个 码管 共阳数码管 4 个 电阻 100 28 个 电阻 1 1 个 电容 个 电容 个 插槽 14 脚 2 个 插槽 16 脚 6 个 插槽 20 脚 2 个 电压源 5V 1 台 数字记步器报告 共 25 页 第 页 19 附录 记步器电路原理总图与仿真图 U 2 L S 3 9 0 N N L L S 3 9 0 N N L L S 3 9 0 N N L L S 3 9 0 N N L / R B L S 2 4 7 / R B L S 2 4 7 / R B L S 2 4 7 / R B L S 2 4 7 V E N _ S E G _ C O M _ C D E F V E N _ S E G _ C O M _ C D E F V E N _ S E G _ C O M _ C D E F 0S E V E N _ S E G _ C O M _ C D E F 0 o h 0 u e y = 1 L S 0 8 1 L S 0 8 1 L S 0 8 e y = 共 25 页 第 页 20 数字记步器电路原理 总图 (注： 数码管与译码器间接有 100 欧姆电阻 ) 数字记步器报告 共 25 页 第 页 21 数字记步器仿真图 附录 器件介绍 计数器 图 74管脚图 表 2 1 74值表 n 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 数字记步器报告 共 25 页 第 页 22 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 表 2 74能表 D B 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0