基于智能车大赛计时器的设计毕业论文.doc

沈阳航空航天大学课 程 设 计（说明书）智能车大赛计时器的设计班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 沈阳航空航天大学课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 数字逻辑课程设计 课程设计题目 智能车大赛计时器的设计 课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个智能车大赛计时器电路，技术指标如下： 利用555定时器设计脉冲发生电路，计时器可以同时显示2组赛车的计时时间，分钟和秒，最小单位是0.01秒； 2组赛车的时间同时显示，赛车到达终点后对应的时钟停止计时，其它继续； 计时系统要求具有手动复位及智能车抵达终点声音提示功能； 二、设计要求1在选择器件时，应考虑成本。2根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。2进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1. 童诗白，华成英主编模拟电子技术基础m北京：高等教育出版社，2006年五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表：序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 2015 年 1 月 16日1、 概述众所周知，在比赛中赛车的计时部分是必不可少的，它体现了比赛的公平竞争性。这次课程设计的内容是智能车大赛计时器，要求可以同时显示2组智能车的计时时间，最小单位精确到0.01秒；2组赛车时间互不干涉，到达终点会有声音提示，并且可以实现2组赛车同时清零的功能。考虑到2组赛车到达终点时计时器互不影响，本方案设计2个的电路实现，最后利用逻辑关系，将两组电路结合起来，实现2组计时器同时清零。当计时器开始运行时，信号发生器输出频率为1000hz的方波，将此方波输入10进制计数器（74ls160），计数器把方波的脉冲信号转换成2进制输入进入译码器（74ls47）进行译码，译码器把传入的二进制代码转化成对应的10进制数通过数码管表示出来，实现计时功能。然后运用74ls160的r端置零实现2组计时器同时置零。每一组用一个换路开关模拟小车到达终点时的情景，当智能车到达终点时，对应的计时器时间停止，蜂鸣器开始鸣响，未到终点的智能车对应计时器继续计时，直到终点为止。本次采用的信号发生器是用555定时器组成的多谐振荡器，根据本学期所学的数字电子技术这么课程可知，555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，由于555定时器使用灵活、方便，因此利用555定时器组成的多谐振荡器，输出脉冲信号。二、方案论证智能车大赛计时器主要有以下三个方面的要求：首先要同时开始计数，有递增计数功能；其次可以随时开始和暂停还可以清零；最后停止计时时要有报警和提示功能。本方案设计的智能车大赛计时器原理框图如图1所示：智能车到达终点开关置零开关报 警 装 置 脉冲计数电路总开关时间显示器图1 智能车大赛计时器电路的原理框图 在本方案中，电路的每一部分都分别具有有各自的功能。（1）总开关连接着直流电源vcc与时间显示器（译码器74ls47的附加控制端），开关打开时时间显示器不显示时间，开关闭合时译码器工作，数码管显示时间；（2）置零开关连接着计数器74ls160的置零端，将2组计时器的置零端同电源相连，以便实现置零功能；（3）脉冲用555定时器构成多谐振荡器电路，而计数电路是由多个十进制计数器74ls160构成，运用置数法实现十进制和六进制；（4）时间显示器由多个八段数码管构成，用来显示智能车到达终点所经历的时间。 可行性研究：本次设计运用的仪器和芯片较少，电路的原理简明扼要，结构简单易懂，需要用到的各个仪器和芯片也较为常见，同时各个仪器件之间的选择较为准确，将其连成实物图价格成本也较低。但是通过multisim仿真软件可以看出，电路执行功能时并不是完全等时间的，由此可见555信号脉冲发射的秒脉冲信号具有一定的不稳定性，这样就会影响数据的准确性。三、电路设计1.脉冲信号产生电路 本次采用的信号发生器是用555定时器组成的多谐振荡器，组成信号产生电路，接通电源后，输出假定是高电平，则t截止，电容c充电。充电回路是vccr1r2c地，按指数规律上升，当上升到2vcc/3时，输出翻转为低电平。vo是低电平，t导通，c放电，放电回路为cr2t地，按指数规律下降，当下降到vcc/3时，输出翻转为高电平，放电管t截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡。555定时器构成的多谐振荡器如图2所示：输出脉冲信号图2 555定时器构成的多谐振荡器电路的振荡周期t：t=(r1+2r2)cln2根据公式可以计算出电阻电容值。 本次课设需要的周期是0.01s，计算出较为稳定的电阻电容值为：r1=100, r2=20, c1=100f,c2=0.01f。2. 译码显示电路 译码显示电路是智能车大赛计时器设计电路的主要部分，它可以将智能车大赛计时具体操作更加明白的显示出来。译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出的高、低电平信号。译码为编码的逆过程，它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来，实现译码的逻辑电路就是译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74ls47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用。在本电路中，计数器74ls160会将周期为0.01s的脉冲信号传送译码器74ls47，经74sl47译码于八段数码管（数码管接共阳端）显示正确的时间，译码显示电路电路图如图3所示：图3 译码显示电路 3. 报警电路当智能车到达终点时，对应计时器停止计时，对应蜂鸣器报警，表示该组智能车已经完成了比赛，另一组智能车不受影响，继续前进；这个电路主要由换路开关控制，当开关连接在脉冲信号与计时器两端时，计时器计时，不报警；当开关连接电源与蜂鸣器时，计时停止，蜂鸣器报警，表示该组智能车到达终点。如图4所示：555脉冲信号输出端计时器脉冲信号输入端图4 报警电路4.清零电路清零电路是由一个单刀单掷开关连接电源vcc与每一个计时器74ls160的清零端,74ls160十进制计数器只有当rd 端接高电位的时候才可以正常计数，当rd 端接低电位时计数器置零，即八段数码管显示为0，实现清零功能。如图5所示:图5 清零电路将以上几种电路适当的组合器来，便可以构成需要的智能车大赛计时器了。需要解决的是，74ls160本是十进制计数器，把它如何转化为六进制的问题，还有进位问题。我的设计是利用置数法解决六进制问题，计数器74ls160开始正常计数，当计数器计到6时，用一个与非门接到74ls160的置数端，置入0000，便实现了从0000到0101六进制的计数功能；至于进位问题，我用的是异步时钟控制进位信号，当计数器正常计数到9（或者59）时，输出用与非门连接下一位的时钟信号clk端，由于74ls160是在时钟脉冲的上升沿才开始作用，因此在计数器记到9（或者59）时，时钟信号输入为低电平，不工作；等待计数器计数到下一位，时钟信号输入为高电平才开始工作，实现进位功能。具体如图6所示：脉冲信号图6 组合电路5. 进制的验证由于555定时器构成的多谐振荡器输出的脉冲信号在仿真中显示较慢，因此考虑加入控制部分使本次课设设计的计时器进制问题很明显的显现出来，通过对图6的改进，在加入几个单刀双掷开关的情况下，使脉冲信号可以分别直接输入分钟部分和秒钟部分，实现进制快速的验证，证明课设的准确性，如图7所示：脉冲信号图7 进制验证电路4、 性能测试1.软件仿真部分（1）脉冲信号发生电路的仿真 在本部分仿真过程中，要求周期t=0.01s，因此在555定时器构成的多谐振荡器脉冲信号输出端接一个示波器来观察波形。如图8所示：图8 脉冲信号波形图通过观察波形可知，该图的幅度值为5v，脉冲信号的周期t=0.01s，频率f=1/t=100hz满足题设所需要求。（2）计时器的计时仿真将开关调制初始的闭合状态，开始仿真测试。仿真开始，脉冲信号输入计时器的clk端，计时器从零开始正常计数，表明已经有智能车从起点开始出发，两组赛车同时计时，如图9所示：图9 计时器的仿真 由测试结果可知，在开关闭合的情况下，两组计时器实现同时计时的功能。（3）停止和报警电路的仿真按下换路开关1，此时第一组智能车计时器停止计时，发光二极管led1亮，对应的蜂鸣器开始鸣响，表明第一组智能车已经到达终点；第二组智能车继续计时，直至到达终点，此时按下管路开关2，第二组智能车计时器停止计时，发光二极管led2亮，对应的蜂鸣器开始鸣响。如图10所示：图10 停止和报警电路的仿真 由测试结果可知，智能车到达终点后，通过开关的作用，计时器停止计时，报警正常，实现了停止和报警功能。（4）清零电路仿真 在两组智能车全部到达终点后，为了实现以后的智能车的正常计时，需要将计时器清零。按开开关空格键，此时每一个计时器74ls160的清零端全部接低电平，清零功能得以实现，如图11所示：图11 清零电路仿真 由测试结果可知，通过开关的作用，实现了两组智能车大赛计时器同时清零的功能。（5） 进制验证的仿真将脉冲信号通过单刀双掷开关，分别输入智能车大赛计时器的毫秒部分、秒钟部分和分钟部分的时钟信号clk端，如此便可以方便的实现进制的验证。如图12所示：图12 进制的验证仿真 通过测试可知，将脉冲信号直接输入计时器的毫秒部分、秒钟部分和分钟部分的时钟信号clk端，可以直观的分辨进制问题。2. 硬件部分在实物部分，本部分电路实现了两组智能车同时开始计时，暂停和报警，清零功能。然而第一组计时器只实现了秒钟部分，最小单位精确到0.1s；第二组智能车计时器只有一位数字，用来表明同第一组智能车同时计时。（1） 按照仿真电路图连接好实物部分，接通好电源，其初始状态如图13所示：图13 实物初始状态（2） 当有智能车从起点开始出动，接通计时部分，计时器开始正常计时，如图14所示：图14 计时器开始计时电路（3） 当第一组智能车到达终点时，按下开关1,使对应的计时器停止计时，第一组对应的led灯闪亮，表明第一组智能车到达终点；第二组计时器正常计时，如图15。当第二组智能车到达终点时，按下开关2，使对应的计时器停止计时，第二组对应的led灯闪亮，如图16。图15 第一组智能车停止与报警 图16 第二组智能车停止与报警（4） 在两组智能车全部到达终点后，为了不影响以后的智能车计时，需要将计时器清零，把计数器74ls160的清零端全部接地，实验清零功能。如图17所示：图17 清零电路 在硬件测试方面，通过上面一系列的测试，基本上实现了最初的目的及要求，即两组智能车同时开始计时，暂停和报警，清零功能。5、 结论 本次的数字逻辑电路的课程设计，基本完成了题设所有要求的内容，由于本学期有一定的数字电子线路的实验基础，所以对于multisim软件还是有一定程度的了解。通过本次课程设计，我已经熟练掌握了multisim软件的操作流程。这次可是的题目是智能车大赛计时器，同数电实验的数字钟类似。在仿真过程中，总是会连错线或者是少连线，全都是粗心大意的结果。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用芯片、仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。通过查询资料，也了解了各种芯片的工作原理。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学会知识，学懂知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。课程设计是一个重要的教学环节，通过课程设计使我们了解到一些实际与理论之间的差异。通过课程设计不仅可以巩固专业知识，还可以为以后的工作打下了坚实的基础。参考文献1 阎石主编.数字电子技术. m北京：高等教育出版社，2006年2 吕思忠主编.数字电路实验与课程设计. m哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008年3 郑江主编.数字电路实验. m南京：南京大学出版社.2008年4 徐惠民主编.数字电路与逻辑设计. m北京：人民邮电出版社，2009年5 李忠国主编.数字电子技能培训. m北京：人民邮电出版社.2006年6 谢自美主编.电路设计实验测试. m湖北：华中科技大学出版社，2006年7 伍时和主编.数字电子技术基础. m北京：高等教育出版社，2009年8 徐丽香主编.数字电子技术. m北京：电子工业出版社.2006年9 陈建业主编.电力电子电路的计算机仿真. m北京：清华大学出版社，2003年10 朱定华主编.数字电路与逻辑设计. m北京：清华大