数字计步器实验报告无错版.doc

数字电路 课程设计任务书20 12 20 13 学年 第 1学期第 19 周 20周 题目数字记步器 内容及要求基本要求采用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，开关闭合一次提高要求参考原理、框图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74LS390，74LS48，74LS08进度安排1. 仿真、画PCB线路板图、领元器件：2天；2. 制作、焊接：2天3调试：3天4. 验收：1天5. 提交报告：2012-2013学年第一学期37周学生姓名：100421 24 10042129指导时间：第23周指导地点：综合 楼 508 室任务下达20 13年 1 月 5 日任务完成20 13年 1 月 18 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师张小林系（部）主任付崇芳注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、 课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。课程设计说明书课程设计名称： 数字电路课程设计 课程设计题目： 数字计步器 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 100421 学号： 24 姓名： * 评分： 教师： 20 12 年 1 月 18 日 摘要 本课程设计是设计数字计步器，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，同时还应具备清零的功能。为了实现对移动步数的累计，在人体移动时水平位置发生变化从而触动水银开关使电路实现间断性的接触，从而产生脉冲信号使计数电路实现累计，达到记录人体移动步数的目的。 在设计该电路时，由于要实现对移动步数的累计故要用计数器来计数。为了清楚的知道自己任何时候走了多少步采用了LED数码管来显示数据并用BCD七段译码器来驱动数码管。故该电路由输入电路，计数电路，译码电路三部分构成。其中，输入电路由一个脉冲计数产生电路和一个置零电路组成；记数电路由两块74LS390和一块74LS08连接而成；译码电路是通过四片74LS247和电阻以及LED管。 通过此次试验，更进一步了解什么是电子技术，知道如何设计电路来实现某些具体的功能。此次试验为以后的学习奠定坚实的基础。 关键字：记步器，译码，数码管。 目 录前 言 3第1章 设计内容及要求 4第2章 系统组成及工作原理 5 2.1系统组成 5 2.2系统原理 5第 3 章 设计方案与原理 6 方案一6 方案二6 3.1 方案比较，选择7第 4 章 方案比较，选择及单元电路 8 4.1单元电路分析8第 5 章 组装，调试与结果分析10 5.1 组装10 5.2 调试与结果分析10 总结12 心得体会13 参考文献14 附录15 附录 16 附录III 18 前 言 开设本次电子课设，就是为了锻炼我们对记数器知识的了解和应用，以及培养我们对实际问题的解决能力，以利于我们今后的学习和工作。为了实现数字进位记步，我们选用按扭开关来模拟人走路，同时加上大电阻和大电容，以保护电路，不被烧坏，同时消除电路中的干扰，这点非常重要。同时该电阻和电容构成的积分电路解决了开关的抖动问题从而就解决了信号的输入问题，使得信号的累加和进位更加准确。用74LS390就可以实现0-99的进位为实现0-9999的进位可用两片74LS390再加上四片74LS247译码器和四个LED数码管就可以很好的将74LS390输出的数字显示出来。 本次设计型实验让我们初步的了解了电子技术的意义，让我们初步的了解到如何将平时所学到的知识运用到现实生活中也就是让我们体会到生活中的许多科技产品就是用我们所学的简单知识通过综合制造出来的。此次实验在一定程度上锻炼了同学们的实际动手能力和解决实际问题的能力，为我们今后的学习和工作作了铺垫。在繁忙的当代社会，人们在忙碌的工作之余，也越来越注重自己的健康，跑步称为了一种既方便又有效的锻炼方式。而作为本次试验内容的“数字计步器”，它运用于生活中时可以自动地计算行走的步数。当人们希望知道一天里行走了多少步，或者再乘以步幅来推算行走距离时可以使用它。步数是一步两步来计算的，对于数字计数器来说当然具有这种功能。 试验中在检测步数时因考虑携带的不方便及实验室水银开关的诸多不便，本实验采用脉冲信号来代替脚的每次行走所引起的震动。本设计中数字计步器就是按照这个方法达到进位计数的功能，和计数器的类似。数字计步器在日常生活中主要运用在医疗健身等电子产品中，如数字跑步器、计步器等诸多相关电子设备。该设计可以合理运用到大范围的产品设计中，提高现代电子产品水平，更好的服务于社会，有着很广大的发展前景和用途。 第1章 设计内容及要求1. 采用4位数字显示步数，传感器则是采用水银开关，随着主人每走一步的时候，开关就闭合一次。 2. 参考原理：本系统的原理和计数器是相同的，但是要特别注意开关的抖动以及信号的整形问题。 主要参考元器件74LS390，74LS48，74LS08 第2章 系统组成及工作原理 2.1系统组成 通过四个74ls390级联以此达到数字计数功能，计数按十进制，采用四位制。每个74ls390的输出端连接74ls48实现译码功能。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：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CP脉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 图1-1 计步器系统框图 2.2系统原理 当cr端接高电平是，电路实现计数功能，cp端输入一个脉冲时，个位实现实现计数。当个位计数达到9时，cp在输入一个脉冲，这时个位上的计数器产生进位信号，十位加一，个位清零，以此类推。当cr端接低电平时，电路实现清零功能，四位显示显示都为零。 第 3 章 设计方案与原理 方案一工作原理：当74LS160芯片的CLR端接高电平时，电路实现计数功能，CP端接收到一个脉冲，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CP脉冲，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0000-9999计数。当CLR端接低电平时，由芯片性质实现计数清零，四个数码管都显示零。 方案二工作原理：74LS390是下降沿触发的计数器，当开关J2开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74LS390是一个双十计数芯片，下一级的计数器的脉冲输入端INA的信号是由上一级的74LS390的输出端QA和QD相与后的输出提供的。当第一级计数计到9以前，QA和QD相与的结果都是低电平，下一级的INA端始终为低电平。当计数到9时，二进制1001，QA和QD相与的结果由低电平变为高电平，但74LS390是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INA端由高电平变为低电平,对于74LS390而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。74LS390的CLR端高电平有效，当J1开关打到地端实现清零。在开关J1处用了积分电路，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K1打开时电路处于低电平状态,当开关K1打下来时电路处于高电平,从而能实现目的.记数脉冲产生电路用于控制计数状态,当打下开关时系统将处于工作状态即进行数值累加.由于工作电路计数芯片74390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3.2.图中电阻和电容的组合是为了防止干扰,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。 图3.1 记数脉冲电路清零电路我们采用的是用单刀双掷开关来控制74LS390的清零端如 图3.3 清零3.1 方案比较，选择方案一与方案二相比较，设计原理大致相同，都是计数芯片接收到脉冲信号开始计数，通过译码显示电路显示在数码管上，只是芯片选择不同。方案一采用4个74LS160计数芯片，4个74LS247译码芯片以及4个共阴数码管共12个主要元器件，而方案二使用了2片74LS390，4个74LS247译码芯片，1个74LS08以及4个共阳数码管共11个主要元器件。方案二所用元器件符合设计要求，从经济方面考虑选择方案二较好，所以实验用的是方案二。也就是相当于实验一的译码部分和实验二的计数部分。因为计数芯片接收到脉冲信号开始计数，通过译码显示电路显示在数码管上，所以两种计数功能一样。 第 4 章 方案比较，选择及单元电路4.1 单元电路分析如图4-1所示，设计采用一个常开按钮开关，当开关打开时第一级计数芯片INA端接地为低电平，按钮开关闭合时INA端接收到高电平，按钮松开的瞬间回到低电平产生一个下降沿触发信号，计数芯片接收到信号转换成二进制输出给译码器。图4-2所示电路实现计步器的清零功能，采用一个单刀双掷开关，当74LS390的清零端与电源相连接时进行计数，将开关打到另一边接地则会使74LS390清零。74LS390是双十进制计数器，它相当于两个十进制计数器。一片完整的74LS390是由U5A和U5B构成的. 图4-3所示是整个电路设计的关键，由于74LS390是双十计数芯片，使其下一级计数器的脉冲输入端INA的信号由上一级的输出端QA和QD通过74LS08相与后输出提供，上一级（如个位计数器）计数到9时，QA,QD相与为1，下一级（如十位计数器）INA端接收到高电平，当上一级再接收到一个信号时，QD,QC,QB,QA输出为0000，QA,QD相与为0，下一级INA端接收到低电平由高电平变成低电平，下降沿触发使此级计数器（十位计数器）工作计数1，实现进位。其它进位原理相同。 第 5 章 组装，调试与结果分析5.1 组装 按照选定的设计方案，领来元器件后开始组装。 根据先难后易，先低后高，先贴片后插装的原则进行锡焊，按照设计电路图合理焊好元器件。使用电烙铁进行焊接时应注意以下几点：1. 电烙铁使用前要上锡。具体方法是：将电烙铁烧热，待刚刚能焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀的涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的涂上一层锡。2. 焊接时间不宜过长，否则容易损坏元器件和电路板。3. 电烙铁吃不上锡时可能是铁头部分氧化，可以用锉刀磨一下。4. 避免虚焊。5.2 调试与结果分析 在课程设计中调试时一个非常重要的环节，它可以让设计者认真检查自己的设计思路以及提高判断错误的能力。由于线路非常多，所以每一步骤都要反复调试，否则出一点小毛病则难以排查，本课设主要从以下几个方面加以调试。 （1） 当接入第一个逻辑元件74LS390时，将其单个连接成一个计数部件，看其是否在数码管上正常进位显示。若数码管上显示的数字出现异常，可以依次对出入输出的线路逐次排查，直到显示的数字正常即可进入下一个元件的连接。 （2） 第一个元件成功接入后，逐次接入下一个74LS390，并依次不断调试，确保各个输出输入线路无故障，4位数字显示进位正常、暂停、复位都无异常，则本设计基本上就可以完成了。 （3） 主干计数部分调试好了，现在只要接入逻辑开关，当然秒脉冲信号也可以试用，不过要经常插拔不方便，用个逻辑开关来控制，接入后能达到暂停、保持计数就完成了。结果分析： 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。在本设计中设计小组也遇到了一些故障此次实验时好像做计步器实验的同学都碰到这样一个问题，仿真出来时可以的，接好电路后计步器却只计到8，形成9进制，无法计数到9。但仿真却是可以的。经过查询资料，我们和同学老师们共同努力下终于解决问题。原因是74LS08N的1脚连的是QB，经改正，将1脚连到QA，同时去掉74LS08N3脚连到的开关，使3脚连到74LS390的15脚。这关系到74LS390的特性，当74LS390的3脚和4脚相连时就会是10进制，在数码管从0到9后悔自动回0，不需要再将74LS08N的3脚连开关来清零。只要细心排查故障，就能确保设计成功。经过设计小组的一系列仔细排查，反复试验检验本设计，总算成功完成了。 总结 为期两周的课程设计过程中，借助于图书馆，互联网等信息平台，收集到了一些相关资料，在与同组人共同分析问题解决问题，经过不断的修改和验证，最终成功地完成了本次课程设计实验。在本次课程设计中，除了动手能力的显著提高外，还获得了其他一些感触。在上学期的理论知识的学习中，自以为掌握的很牢固，在试验前也都信心满满，但是真拿到题目时却有点不知从何下手。主要原因是对题目理解的不够深入，后来从某些资料中才解决这个疑惑。记步器要实现的功能是当开关K1被不断的开关时形成下降沿脉冲，通过74LS390的脉冲输入端INA输入到计数器74 LS 390 ，由于74LS390是下降沿触发的计数器所以当它的有效沿到来时计数器就开始计数。计数器计的数通过其输出端输入到BCD七段译码器74LS247中使其驱动 LED数码管显示计数器所计的数。将计数器的输出端QA和QD相与后的输出作为高位的脉冲，利用QA和QD在9时才相与为高电平其它时候都为低电平和74 LS 390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K2来控制就是现了清零功能 心得体会 这次经历让我学会了设计以理解为先的方法。 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。本次实验让我再次运用了仿真软件Multisim的使用。知道怎么设计电路的设计思路（通过资料），排查电路故障和调试的能力都得到了一个很好的提升。实验虽然不难，但只要在实验过程中出一点点错，实验就会出问题，这时就考验了排故障的能力。所以在实验时要小心，要细心。 数字计步器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。本次电子课程设计有机地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，还反映出我们实际动手能力，更主要的是它激起我们的创新思维，为今后的进一步学习创下良好条件，为以后的就业也打下根基，在试验中不能因为动手机会较少而一味追求动手能力的提高，应该在知识已经完备的情况下将动手能力与理论知识并重，才能将试验做的更好。同时也让我们意识到自己的水平，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。 参考文献1. 白中英 数字逻辑与数字系统（第四版 立体化教材）.北京 科学出版社 2008年 2. 赵珂 彭嵩 脉冲与数字电路实验指导书.2010年 3. 李维 数字电路课程设计及实验.大连理工大学出版社.2008年 4. 赵淑范、王宪伟.电子技术实验与课程设计.清华大学出版社.2006年 5. 何希才 电子电路.北京 北京航空航天大学出版社 2003年6. 李大友. 数字电路逻辑设计.清华大学出版社, 1997 7. 毕满清. 电子技术实验与课程设计.机械工业出版社, 2000 8. 汤山俊夫 数字电路设计与制作 科学出版社 2005 9. 张亚君 陈龙 ，数字电路与逻辑设计试验教程 机械工业出版社 200810. 时序逻辑电路 清华大学出版 （数电课件）/view/54915f284b73f242336c5fe9.html 附录 元件清单元件清单：74LS390双十进制计数器2个74LS247BCD七段15V输出译码器4个74LS08二输入端四与门1个LED数码管共阳数码管4个电阻10028个电阻11个电容1.0F1个电容0.1F5个插槽14脚2个插槽16脚6个插槽20脚2个电压源5V1台 附录 记步器电路原理总图与仿真图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) 数字记步器仿真图PCB板： 附录III 器件介绍 计数器 图 2.2 74LS390的管脚图表2 1 74LS390真值表 QnQn00000001000100100010001100110100010001010101011001100111011110001000100110010000表2-2 74LS390功能表CountOutputQDQCQBQA00000100012001030011401005010160110701118100091001当74LS390的QA端和INB端短接，QA作为输出，INA作为脉