毕业设计（论文）-步数计数器的设计.doc

酒 泉 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计（论 文）2013 级 13电气自动化技术 专业题 目： 步数计数器的设计 毕业时间： 二一五年六月 学生姓名： 指导教师： 班 级： 13电气班 2015年 6月3日酒泉职业技术学院 13 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表姓名潘竟梁班级13电气自动化班专业电气自动化指导教师第一次指导意见年 月 日指导教师第二次指导意见年 月 日指导教师第三次指导意见年 月 日指导教师评语及评分 成绩： 签字（盖章） 年 月 日答辩小组评价意见及评分成绩： 签字（盖章） 年 月 日教学系毕业实践环节指导小组意见签字（盖章） 年 月 日学院毕业实践环节指导委员会审核意见签字（盖章） 年 月 日中文摘要随着社会的不断进步发展,健康问题越来越受到人们的关注，人们的生活在日新月异进步的同时，越来越注重自己的健康。然而跑步是一种锻炼身体极其好的方式，备受广大大军的青睐。但是如何知道每一次锻炼到底跑了多少?消耗了多少热量？锻炼了多久？本着此项原则，我们的跑步计步器应运而生了。我设计的步数计数器，大方面有三部分组成：一、计步部分；二、消耗热量部分；三、时间记录部分。计步部分，用数字芯片74160计数器相连接进行，最大可计算到9999步，然后由显示器显示。计算消耗卡路里部分，同样采用74161计数器制成14步计数器，每走14步清零进一位，实现每跑14步消耗1卡路里，通过显示器显示消耗卡路里数。还有时钟计时部分，显示出锻炼时间，最大值为10小时，用555多谐振荡器产生100hz的信号，再通过分频器产生1Hz信号，然后输入计时部分，记录时间。目录毕业设计任务书（1）掌握步数计数器的构成、原理与设计方法；错误!未定义书签。（1）计步值的设定，当达到设定时，发出庆祝声音；错误!未定义书签。任务书 毕业论文成绩评定表错误!未定义书签。中文摘要错误!未定义书签。1 设计任务描述11.1 设计题目：步数计数器的设计11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12 设计思路13 设计方框图34 各部分电路设计及参数计算44.1秒信号产生电路设计及其参数计算44.1.1 秒信号产生电路整体设计44.2计时电路设计64.2.1六十进制计数器电路64.3记步数电路设计74.3.1记步数电路整体设计74.4卡路里消耗显示电路84.4.1卡路里消耗电路整体设计84.4.2十四进制计数器电路94.4.3卡路里消耗显示电路94.5发挥部分每走1000步发出提示104.5.1每走1000步发出提示的电设计104.5.2 单稳态触发器的设计和参数计算105 工作过程分析115.1计时电路工作过程分析115.1.1秒信号产生工作过程分析115.1.2计时工作过程分析错误!未定义书签。5.2计步电路工作过程分析错误!未定义书签。5.3卡路里消耗显示工作过程分析错误!未定义书签。6 元器件清单127 主要元器件介绍错误!未定义书签。7.1计数器74161N127.2计数器 74HC160157.1.1引脚图157.1.2 功能介绍157.3LM555CN错误!未定义书签。7.3.1 引脚图错误!未定义书签。7.3.2 功能表错误!未定义书签。7.3.3 功能介绍错误!未定义书签。7.3.4 各引脚的功能错误!未定义书签。小 结16参考文献19附 录 A1 实际接线图20 201 设计任务描述1.1 设计题目：步数计数器的设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的（1）掌握步数计数器的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2.2 基本要求（1）步数计数器中的传感器将人每走（跑）一步的振动以脉冲形式发出，将此脉冲整形作为基准计步脉冲；（2）可以记录走（跑）的步数，最大值为9999。（3）假设每走14步可以消耗1卡的热量，所消耗卡路里的计数译码显示；（4）记录本次健身的时间（可以分钟为单位）。1.2.3 发挥部分(1)每走一千步发出响声(2)每走一千步闪灯提示(3)背光设计（4）暂停记时间设计2 设计思路根据此次课程设计的要求,我设计的步数计数器由四个部分组成，其中振荡器和分频器组成较准确的秒信号发生器，由不同进制的计数器和显示器组成计时和计步部分。秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“秒”“分”“时”的十进制数字显示出来。 “分”“秒”显示分别由六十进制计数器和显示器构成，“时”显示由二十四进制计数器和显示器构成。用555定时器连接组成多谐振荡发生器，然后将经过调理过变成的方波信号输入到计数器的时钟脉冲端，输入到十进制的计数器的时钟脉冲端，便形成了计卡路里步数功能，可以显示0-9999步。记录卡路里消耗部分是要实现每十四步可以消耗1卡的热量，脉冲输入到计数器的时钟脉冲端，用一个十六进制的芯片74161N来实现十四进制，输出的脉冲再输入给显示器，卡路里显示可以从0-999步。发挥部分我选择了提示灯和蜂鸣喇叭，当启动跑步计数器时提示灯绿灯亮起，并伴有提示音嘟嘟声，之后每走1000步发出响声，这部分我是用计步器的各个数位通过或门连接来控制输出信号，另一端与多谐振荡器连接，当计数器是零或整千数时输出1以此带动多谐振荡器产生脉冲带动喇叭发出声响。（1）记录时间部分：首先由555定时器连接组成多谐震荡发生器发出一个100Hz的脉冲，先经过第一个十进制74160N计数器组成的分频器将其变成10Hz的脉冲，然后再连接一个相同的十分频计数器，将脉冲分为1Hz。最后此脉冲通过两组由两个74160N所组成六十进制的计数器电路和一个十进制的计数器电路，这样把计数器连接显示器上就能显示从0到9小时59分59秒，经过计数这些时间足够用（3）卡路里显示部分：脉冲的另一端接一个由74161N组成的十四进制计数器进行进制转换，从而实现每跑25步就消耗一卡路里这一预置数，而74161N是十六进制的芯片，它只有到达15往0变化时才能进位，我这里需要的是0-13，十四进制的，我是用一个与非门和一个与门来解决这一问题的，当每一次14出现时就清零，把每一次清零的动作作为一个脉冲输入给下一个芯片，就不用它的进位端了，由74161N输出的脉冲输入74160N的CLK端，并与显示器相连，再连接两个74160N计数器，即上一个74160N计数器RCO输出“1”做为下一个计数器的CLK输入，每当RCO输出“1”时，CLK有一个脉冲输入，计一个数，并传给显示器把步数显示出来。最大计数值为9999步。（4）发挥部分：开启电路时提示灯绿灯亮起，提示音响发出嘟嘟音，计步器显示0000当计步器到0001时，即跑第一步时，提示灯和提示音同时停止，之后每走一千步计数发出响声进行提示，这部分我是用计步器的各个数位通过或门连接来控制输出信号，另一端与多谐振荡器连接，当计数器是零或整千数时输出1以此带动多谐振荡器产生脉冲带动喇叭和灯泡进行工作。3 设计方框图脉冲步数计步器十四进制计数器卡路里计步器显示器显示器门电路多谐振荡器响铃秒信号的产生分频器计数器译码器LED4 各部分电路设计及参数计算4.1秒信号产生电路设计及其参数计算4.1.1 秒信号产生电路整体设计秒脉冲产生的参数计算 秒脉冲脉冲产生电路是由555定时器组成的多谐振荡器，产生频率为100Hz的脉冲。然后将此脉冲通过两次分频变成1HZ的时间脉冲，这样周期就是1s，就与实际的时间一致，从而对跑步计步器的工作时间加以记录。电容器的充电电阻是+，放电电阻是。接通电源后，电容被充电，它两端电压上升到时，OUT，即3角为低电平，同时放电三极管T导通，这时候放电管通过电容和放电，当两端电压下降到时，OUT（3脚）翻转为高电平。电容器放电所需时间，即放电时间：tpL=ln20.7 式（4.1）当放电结束时，放电管T截止，将通过,向电容器充电，电容两端的电压由上升为所需的时间，即充电时间：=(+)ln20.7(+) 式（4.2）当两端电压上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为:f= 式（4.3）在本课程设计中，通过相关的计算，取=4.3K， =5K， =10uF，所以由此得到产生课程设计中所需要的近100 Hz的计时脉冲。 脉冲产生电路是由555定时器组成的多谐振荡器，产生频率为100Hz的脉冲。然后将此脉冲信号从OUT端口输入到分频计数器的CLK端口。多谐振荡器工作原理简单，稳定性好，并且由于555内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。电容器C的充电电阻是(R1+R2)，放电电阻是R2 。接通电源后，电容C被充电，C两端电压上升到2VCC/3时，是OUT为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R3和T放电，C两端电压下降到VCC/3时，OUT翻转为高电平。电容器C放电所需时间为 tpL=R2Cln20.7R2C 当放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，电容C两端的电压由VCC/3上升道2VCC/3所需的时间为tpH=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C 当C两端电压上升到2VCC/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为f=1/(tpL+tpH)1.43/(R1+2R2)C我所设计的电路中，取R1 =288.6K，R2 =577.2K，C=10nF，R=100，由此得到产生频率近100 Hz的脉冲。4.2计时电路设计4.2.1六十进制计数器电路 首先进入右边的芯片，进行的是0-9秒的计数，再进入左边的芯片中，进行0-5的计数，这样就实现了0-59秒的计数部分，在左边的290中，本身是十进制的芯片，等到达6也就是110时，清零，同时用一个与门把每一次清零的动作作为一个脉冲输入给下一个环节。此环节使用了两个74160N计数器来分频，使其进行60分频。芯片74160N采用的是反馈清零法，其有异步清零的作用，在计数功能中，所以有不管它的输出处于那一状态，只要在异步清零输入端加一低电平电压，是清零端为0，芯片就会立即从任何状态回到0000状态。自第一级的进位端RCO向下一级的信号输入端CP发出信号，使下一级的芯片能够计数启动。将计数使能端CET和CEP接入高电平，当置数端LOAD和清零端CLR都输入高电平时出于计数状态，在与非门的另一端与下一级（卡路里计量计数器的信号进入端CP）相连，使其达到清零时进位的作用。4.3记步数电路设计4.3.1记步数电路整体设计上图所示位步数计数器的计步部分，每当脉冲上升沿到来的时候，计步部分的计数器从零开始计数，这部分电路是由四个74160N十进制组成的，当虚拟器提供的脉冲的下降沿到来的时后，计步器开始计步，因为7160N这个芯片本身就是十进制的，不用再用门电路来控制，少了一部分门电路的延时的部分，我设计的这个计数部分是按照人们的看东西的习惯，从左至右读数，所以从左至右为千位、百位、十位、个位，最多可以纪录跑的9999步。当第一级计数器的第十个CP脉冲上升沿到达时，RCO由“0”变为“1”，RCO与下一级的CLK端口相连，这样便自动启动下一级，便完成了由1到10的计数，依次这样，便能够实现计步功能。4.4卡路里消耗显示电路4.4.1卡路里消耗电路整体设计上图所示是计算体能消耗的一个换算电路，人每走14步消耗1卡路里的能量，所以在接受到的脉冲做14分频电路，这样一来再计数，就是健身者的卡路里的消耗量；首先经过处理的方波信号输入到十四进制的的时钟信号端，作为计数器的计数控制脉冲。每十四个方波向九百九十九进制的计数器发射一个上升沿，从而实现的74LS160计数器的进位功能和循环功能。74160N共有四输入端和四输出端，通过进位端及非门与其它计数器相连，就可以实现串连功能。设计中共使用了3片计数器，组成了0999的计数功能，再通过七段显示译码器的译码输出，就可以直观的显示出来。4.4.2十四进制计数器电路这个分频是利用74163N来实现的，用一片74161N来实现每十四步转化为一卡的热量，而74161N是十六进制的芯片，它只有到达15往0变化时才能进位，我这里需要的是0-13，十四进制的，我是用两个与门来解决这一问题的，当每一次13出现时就清零，把每一次清零的动作作为一个脉冲输入给下一个芯片，就不用它的进位端了，接下来就是0-999卡的计数部分，我是用三个74160N来进行的，这部分所用的脉冲是和步数计数部分共用一个脉冲，是同时进行的。4.4.3卡路里消耗显示电路它的原理与前面计数器是相同的。每当脉冲上升沿到来的时候，计步部分的计数器从零开始计数，这部分电路是由四个74160N十进制组成的，当第一级计数器的第十个CP脉冲上升沿到达时，RCO由“0”变为“1”，RCO与下一级的CLK端口相连，这样便自动启动下一级，便完成了由1到10的计数，依次这样，便能够实现记步功能。4.5发挥部分每走1000步发出提示4.5.1每走1000步发出提示的电设计4.5.2 单稳态触发器的设计和参数计算上图左侧的555是一个单稳态触发器，它采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。其工作原理如下：1、稳态（触发前）：Vi为高电平时，TRI=1，输出OUT为低电平，放电管T导通，定时电容器C上的电压（6、7脚电压）DIS= THR = 0 ，555定时器工作在“保持”态。2、触发：在Vi端输入低电平信号，555定时器的TRI=0端为低电平，电路被“低触发”，Q端输出高电平信号，同时，放电管T截止，定时电容器C经R（图中405K电阻）充电，VC逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中，如果Vi恢复为高电平（TRI=1），但VC充电尚未达到VCC时（THR=0），555定时器工作在保持状态，VO为高电平，T截止，电容器继续充电。3、恢复稳态：经过一定时间后，电容器充电至VC略大于VCC ，因VTHRVCC使555定时器“高触发”，VO跳转为低电平，放电管T导通，电容器经T放电，VC迅速降为0V，这时，TRI=1，THR=0，555定时器恢复“保持”态。4、高电平脉冲的脉宽TW：当VO输出高电平时，放电管T截止，电容器开始充电，在电容器上的电压VCC这段时间，VO一直是高电平。因此，脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC=VCC的这段暂稳态时间。5、电容C1两端电压从零电平上升到2VCC/3的时间，即为输出电压OUT的脉宽tWtW=R1C1ln31.1R1C1在电路中我设计的是让铃响1秒钟，电容取值为几百皮法到几百微法，所以我选择的电容C1为十微法，根据公式可得R1=91k。5 工作过程分析5.1计时电路工作过程分析5.1.1计时工作过程分析用两个74160N级联组成六十进制计数器，第一个74160N作为个位计数，第二个作为十位计数，用三引脚与非门将QA QB QC 连接到CLR端口，即计数到“6”时，自动清零，并作为下一级六十进制的输入脉冲信号。将1Hz的脉冲输入到第一个74160N的CLK端口，便完成了秒计时。我设计的是用2片74160N和与门构成，向高位输送脉冲。当第一级计数器74160N计数到10时，自第一级的进位端RCO向下一级的信号输入端CP发出信号，使下一级的芯片能够计数启动。这样便完成了计时部分计数6 元器件清单元器件清单序号名称规格数量1与非门7400N42或门74F86D165555定时器 LM555CN36计数器74161N17计数器74160N148灯头probe-dig-green139蜂鸣器BUZZER 200 Hz 110显示器DCD-HEX1211电阻5112电阻4.3113电容1.0nf214电容1uf115函数信号发生器XFG317 主要元器件介绍7.1计数器74161N(1)74161引脚图图7.2 74161引脚图74161N为二进制同步计数器，具有同步预置数、异步清零以及保持等功能。图7.3 74161表7.2 74161功能表输 入输 出CETCEPCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q30000010D0D1D2D3D0D1D2D31111计 数110保 持110保 持注：QCC= CTrQ0Q1Q2Q3 功能介绍从功能表的第一行可知，当0（低电平），则不管其他输入端（包括CP端）状态如何，四个数据输出端QA、QB、QC、QD全部清零。由于这一清零操作不需要时钟脉冲CP配合（即不管CP是什么状态都行），所以为异步清零端，低电平有效，也可以说该计数器具有“异步清零”功能。从功能表的第二行可知，当1且0时，时钟脉冲CP上升沿到达，四个数据输出端QA、QB、QC、QD同时分别接收并行数据输入信号a、b、c、d。由于这个置数操作必须有CP上升沿配合，并与CP上升沿同步，所以该芯片具有“同步置数”功能。从功能表的第三行可知，当1，CETCEP1时，则对计数脉冲CP实现同步十进制加计数；而从功能表的第四行又知道，当1时，只要CET和CEP中有一个为0，则不管CP状态如何（包括上升沿），计数器所有数据输出都保持原状态不变。因此，CEP和CET应该为计数控制端，当它们同时为1时，计数器执行正常同步计数功能；而当它们有一个为0时，计数器执行保持功能。另外，进位输出QCC= CETQ0Q1Q2Q3表明，进位输出端仅当计数控制端CET1且计数器状态为15时它才为1，否则为07.2计数器 74HC1607.1.1引脚图引脚图是芯片的实物，被用在实际连线图中，下图7.1就是计数器74160引脚图，如下图所示。图7.1 74hc160引脚图7.1.2 功能介绍表7.1 74160的功能表输入输出清零CLR预置LOAD使能ENP ENT时钟CLK预置数据输入D C B AQD QC QB QA进位RCOL L L L LLHL D C B AD C B A#HHL 保持#HH L 保持LHHH H 计数#74160N是常用的十进制数器计，异步清零端LOAD，当它为低电平时，无论其它输入端是何状态（包括时钟信号CLK），都进位信号RCO，只有当CET=1且- =1111时，RCO才为1；当清零使片内所有的触发器状态置零，只有在LOAD接入高电平是才起作用。信号为0时，各触发器置0，当清零信号为1时，若预置为0，在下一个时钟脉冲上升沿到来后，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同。在清零和预置都为1的条件下，若使能端为1，则电路处于计数状态。直到使能端为0时，技术状态结束。此后处于禁止计数的保持状态。进位信号只有在 =1001且CET=1时输出为1，其余时间均为0。小 结 生命在于运动，步数计数器是日常生活中常用的健身器材，对我们日常生活非常重要，它与我们学过的模电和数电息息相关，其中数字电子计数占主要部分。采用数字电路实现对计步，时,分,秒数字显示的计时装置。整个步数计数器主要由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码显示器等几部分组成步数计数器方便直观能更好的观察跑步状况，对人们的健康有利，深受人们喜爱。通过本次设计，了解了中规模集成器件组成数字电子钟的基本原理，我更直观的了解了74160N、74161N的工作状况，同时也很好的掌握了分频器、计数器、译码器显示等数字系统的实现方法。开拓了自己的思路，使自己的思想更加的活跃。在设计的过程中，融入了自己的创新想法，增加了设计的兴趣。通过这次对步数计数器的设计与制作，我了解了一些设计电路的步骤，同时也了解了关于健身计步器的设计原理与设计思想，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。能够熟练的掌握运用74160N、74161N，并对其他相关的计数器、比较器等器件由了一定的了解。在连接十四、十进制、六十进制的进位等接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。虽然设计时间很紧迫，但在设计的过程中我们还是学到不少的东西。由于有些芯片我们根本没有学过，有些器件我们似懂非懂，通过设计我们对他们有了更加详尽的了解，对一些没见过的器件也有了一定的了解。通过在图书馆、网吧查资料，我们能够更好的得到知识，并且锻炼了自己独立学习的能力。通过一个星期的努力奋斗，我学会了很多有用的知识