自动计数器课程设计课设报告.doc

自动计数器课程设计自动计数器课程设计 学生姓名： 班级： 指导老师指导老师： 摘要：摘要：自动计数器在日常生活中屡见不鲜，它是根据不同的情况设定的，能够 通过技术功能实现一些相应的程序，如通过自动计数器来实现自动打开和关闭 各种电器设备的电源。广泛用于路灯，广告灯，电饭煲等领域。 自动计数器给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了自动计数器 的功能。诸如自动定时报警器、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自 动启闭电路，定时开关烤箱、甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些，都是 以自动计数器为基础的。由于它的功能强劲，用途广泛，方便利用，所以在这个 电子科技发展的时代，它是一个很好的电子产品。如在洗衣机的定时控制以及路 灯等一些人们不能再现场控制的操控。都可以利用自动计数器来完成这样的功 用。可见此系统所能带来的方便和经济效益是相当远大的。因此，研究自动计数 器及扩大其应用，有着非常现实的意义。 本次课设设计是检验理论学习水平、实践动手能力及理论结合实际的能力，要求 具有一定的分析处理问题能力和自学能力的一个比较重要得实践课程。通过这 样的过程，使我们的论文及实践水平有一次较为全面的检查，同时也使我们硬件 方面的能力有所提高，对以后的学习有这非常重要的意义。 关键词：电器设备；自动计数器；电源 指导老师签名： 1 目录目录 自动计数器课程设计自动计数器课程设计0 0 目录目录1 1 1.1. 设计任务及方案设计任务及方案3 3 1.1 设计任务 3 1.2 设计方案.3 2.2.电路原理电路原理4 4 2.1 元器件的设计与参数 4 2.2 各个元器件的电路原理 5 2.2.1NE5555 2.2.2CD4518.7 2.2.3CD4511.8 2.3 电路整体原理 9 3 3 软件简介软件简介1010 3.1 PROTEL99 简介10 32 PROTEUS简介 10 4 4PROTEUSPROTEUS 的仿真的仿真 1414 4.1 元器件搜索 .14 4.2 元器件代号 .15 4.3 元件的放置 .15 4.4 连线 .15 4.5 元器件赋值 .16 4.6 实验调试 .17 5 5 实物焊接实物焊接1919 6 6 调试及测试结果与分析调试及测试结果与分析2020 6.1 原理设计过程中的问题 .20 2 6.2 调试过程中的问题 .20 6.3 测试结果与分析 .20 6.4 调试注意事项 .21 6.5 查找故障的方法 .21 7 7 课程设计心得体会课程设计心得体会 2222 8 8 致谢致谢 2323 9 9 参考文献参考文献 2424 1010 附录一附录一 2525 1111 附录二附录二 2626 1212 附录三附录三2727 3 1.1. 设计任务及设计任务及方案方案 1.11.1 设计任务设计任务 设计并制作一个自动计数器，NE555 构成时钟信号发生器，CD4518 为二十 进制加计数器，CD4511 为译码驱动器，调节 R17 课调节 555 的震荡频率，C1 为 充放电电容，电容越大，充点时间越长，振荡频率越低。 图 1.1 原理框图 1 1. .2 2 设设计计方方案案 介绍了一种新型的自动计数器设计方法，以 NE555 构成计数脉冲信号发生 器，CD4518 为二/十进制加法计数器，CD4511 为译码驱动器，与按键、数码管 等较少的辅助硬件电路相结合，实现对 LED 数码管进行控制。本系统具有体积 小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。 本计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数，并且采用数码 显示，简单直观，可适用于诸多行业，以满足现代生产、生活等方面的需求。 随着生产技术的不断改善和提高，在现代化生产的许多场合都可以看到计数器 的使用。本计数器具有低廉的造价以及控制简单等特点。通过对计数脉冲的转 换可使本计数器应用更为广泛。 2.2.电路原理电路原理 2.12.1 元器件的设计与参数元器件的设计与参数 本小组设计的电路原理图所涉及的元器件有： 电压为+5V 的直流稳压电源；最大电阻为 100K 的滑动变阻器 R17 一个；有极性 电容 C1 一个；无极性电容 C2 和 C3; 开关 SW 一个；电阻 R1R16 总共 16 个； 脉冲发生器 自动计数器 译码显示模块 控制电路 报警电路 4 芯片有：NE555,CD4518,CD4511;以及 7 段数码显示器两个。 各个元器件的设计的元器件的参数如下 元器件参数 元器件参数 R110KC110u R210KC20.01u R3R161KC30.1u R17100KVCC+5V 表 2.1 2.22.2 各个元器件的电路原理各个元器件的电路原理 2 2. .2 2. .1 1 N NE E5 55 55 5 图 2.1 NE555 结构图 5 图 2.2 NE555 原理图 由上图可知 555 定时器由 3 个阻值为 5k 的电阻组成的分压器、两个电压比较 器 C1 和 C2、基本 RS 触发器、放电三极管 TD 和缓冲反相器 G4 组成。虚线边沿 标注的数字为管脚号。其中，1 脚为接地端；2 脚为低电平触发端，由此输入低 电平触发脉冲；6 脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4 脚为复位端， 输入负脉冲（或使其电压低于 0.7V）可使 555 定时器直接复位；5 脚为电压控 制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经 0.01uF 的电容 接地，以防止引入干扰；7 脚为放电端，555 定时器输出低电平时，放电晶体管 TD 导通，外接电容元件通过 TD 放电；3 脚为输出端，输出高电压约低于电源电 压 1V3V，输出电流可达 200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示 灯等；8 脚为电源端，可在 5V18V 范围内使用。 555 定时器工作时过程分析如下： 6 5 脚经 0.01uF 电容接地，比较器 C1 和 C2 的比较电压为： UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。 当 VI12/3VCC，VI21/3VCC 时，比较器 C1 输出低电平，比较器 C2 输出高电 平，基本 RS 触发器置 0，G3 输出高电平，放电三极管 TD 导通，定时器输出低 电平。 当 VI12/3VCC，VI21/3VCC 时，比较器 C1 输出高电平，比较器 C2 输出高电 平，基本 RS 触发器保持原状态不变，555 定时器输出状态保持不来。 当 VI12/3VCC，VI21/3VCC 时，比较器 C1 输出低电平，比较器 C2 输出低电 平，基本 RS 触发器两端都被置 1，G3 输出低电平，放电三极管 TD 截止，定时 器输出高电平。 当 VI12/3VCC，VI21/3VCC 时，比较器 C1 输出高电平，比较器 C2 输出低电 平，基本 RS 触发器置 1，G3 输出低电平，放电三极管 TD 截止，定时器输出高 电平。 7 2.2.2CD45182.2.2CD4518 图 2.3 CD4518 管脚图 计数器，由两个相同的同步 4 级计数器组成。 CD4518 引脚功能 (管脚功能 )如下： 1CP、2CP：时钟输入端。 1CR、2CR：清除端。 1EN、2EN：计数允许控制端。 1Q01Q3：计数器输出端。 2Q02Q3：计数器输出端。 Vdd：正电源。 Vss：地 CD4518 是一个同步加计数器，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 CD4518 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） 。 8 CD4518 控制功能： 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 端为高电平（ 1）,若用时钟下降沿 触发,信号由 EN 输入 ,此时 CP 端为低电平（ 0）,同时复位端 Cr 也保 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.否 则没办法工作。 将数片 CD4518 串行级联时，尽管每片CD4518 属并行计数，但就整体而 言已变成串行计数 2.2.3CD45112.2.3CD4511 图 2.4 CD4511 管脚图 其电路原理如下： CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显 示器的 BCD 码七段码译码器 的特点：具有 BCD 转换、消隐和锁存 控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接 驱动 LED 显示其中 a b c d 为 BCD 码输入， a 为最低位。 LT 为灯 测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示 数码 “8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI 为消隐 功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1 端应加高电 平。另外 CD4511 有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数 9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE 是锁存控制端，高电平时锁存， 低电平时传输数据。ag 是 7 段输出，可驱动共阴LED 数码管。另 外， CD4511 显示数 “6”时， a 段消隐；显示数 “9”时， d 段消隐， 所以显示 6、9 这两个数时，字形不太美观 ，若要多位计数，只需将 9 计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓 共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应 接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源 电压 5V 使用 300 的 限流电阻 2.32.3 电路整体原理电路整体原理 由电路原理图可知：当电源电压为+5V 时，电阻 R1 和 R17 分压。通过 芯片 NE555 时转换成时钟脉冲信号，我们可以通过改变滑动变阻器 R17的电阻，从而改变时钟脉冲信号的振荡频率。时钟脉冲信号输入到 CD4518 的使能端 EN，这时我们用时钟下降沿触发，而CP 为低电平接 地，我们可以改变开关SW 的闭合状态来达到对电容C3 充放电的控制， 从而控制 CD4518 的复位端 R 的电平，当时钟脉冲信号为高电平且复位端 R 保持为低电平（ 0）时，芯片 CD4518 开始计数。 CD4518 的输出端接 CD4511 的输入，这里我们两个CD4511 的级联来实现两位计数器的计数 功能。通过 CD4511 的译码驱动使8 路数字显示器显示各个数字。 通过对电路图的原理分析可知。从理论上可以实现对两位自动计数器 的设计要求。 3 3 软件简介软件简介 3.13.1 Protel99Protel99 简介简介 Protel 99 采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。Protel 99 是 在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制 板设计系统。所有 Protel99 设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并 显示在唯一的综合设计编辑窗口。 Protel 99 软件沿袭了 Protel 以前版本方便易学的特点，内部界面与 Protel 98 大体相同，新增加了一些功能模块。Protel 公司引进了德国 10 INCASES 公司的先进技术，在 Protel99 中集成了信号完整性工具，精确的模型 和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除 盲目性。Protel99 容易使用的特性就是新的“这是什么” 帮助。按下任何对 话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。现在可以很快地看到 特性的功 能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问 3 32 2 ProteusProteus 简介简介 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。 它运行于 Windows 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电 路。该软件的特点是： 1.实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路 仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、 SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑 分析仪、信号发生器等。 2.支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列、 ARM7 系列以及各种外围芯片。 3.提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功 能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中， 也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 Keil C51 uVision2 等软件。 4.具有强大的原理图绘制功能。 5.PCB 设计以及自动布线。 特点：支持 ARM7，PIC ，AVR，HC11 以及 8051 系列的微处理器 CPU 模型，更多 模型正在开发中，更新信息请参见网页； 交互外设模型有 LCD 显示、RS232 终端、通用键盘、开关、按钮、LED 等； 强大的调试功能，如访问寄存器与内存，设置断点和单步运行模式； 支持如 IAR、Keil 和 Hitech 等开发工具的源码 C 和汇编的调试； 一键“make”特性：一个键完成编译与仿真操作； 内置超过 6000 标准 SPICE 模型，完全兼容制造商提供的 SPICE 模型； DLL 界面为应用提供特定的模式； 基于工业标准的 SPICE3F5 混合模型电路仿真器 14 种虚拟仪器：示波器、逻辑分析仪、信号发生器、规程分析仪等； 11 高级仿真包含强大的基于图形的分析功能：模拟、数字和混合瞬时图形；频率； 转换；噪声；失真；付立叶；交流、直流和音频曲线； 模拟信号发生器包括直流、正旋、脉冲、分段线性、音频、指数、单频 FM；数 字信号发生器包括尖脉冲、脉冲、时钟和码流； 集成 PROTEUS PCB 设计形成完整的电子设计系统。 Proteus ISIS 编辑环境： 图 3.1 Proteus 编辑界面 图形编辑窗口 编辑窗口用于放置元器件，进行连线，绘制原理图。 预览窗口 预览窗口中，有两个框，蓝框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显 示的区域。当从对象选择器中选中一个新的对象时，预览窗口可以预览选中的 对象。在预览窗口上单击，Proteus ISIS 将会以单击位置为中心刷新编辑窗口。 12 对象选择器窗口：通过对象选择按钮，从元件库中选择对象，并置入对象选择 器窗口，供今后绘图时使用。显示对象的类型包括：设备，终端，管脚，图形 符号，标注和图形。 状态信息条：状态条显示当前电路图编辑状态,这些状态显示方便用户的操作。 工具栏：Proteus ISIS 主窗口左端的绘图工具栏与标准工具栏的作用相似，包 含添加全部元器件的快捷图标按钮，与菜单中的元器件添加命令完全对应。通 过选取主窗口的菜单项 View/Toolbars 可以隐藏/显示相应的工具栏。 Proteus ISIS 主窗口左端的绘图工具栏与标准工具栏的作用相似，包含添加全 部元器件的快捷图标按钮，与菜单中的元器件添加命令完全对应。通过选取主 窗口的菜单项 View/Toolbars 可以隐藏/显示相应的工具栏。 PROTEUS 系统中有符号库和约 30 个元器件库，每个库又有许多模型，合 计约 8000 个。另外有关系统支持的库信息，请查看安装路径下最新的 LIBRARY.PDF 文件。 元件列表（The Object Selector）： 用于挑选元件（components）、终端接口（terminals）、信号发生器 （generators）、仿真图表（graph）等。举例，当你选择“元件 （components）”，单击“P”按钮会打开挑选元件对话框，选择了一个元件后 （按了“OK”），该元件会在元件列表中显示，以后要用到该元件时，只需在 元件列表中选择即可 在原器件库中找出 CAPACITOR POL 有极性电容 ， CAP 电容，DIODE 二极 管，ELECTRO 电解电容，LED 发光二极管，RES1.2 电阻，SW-SPST ? 单刀单掷 开关，SPEAKER 扬声器，NPN 三极管 13 4 4ProteusProteus 的仿真的仿真 4.14.1 元器件搜索元器件搜索 打开 Proteus 的集成环境，点击文件，新建设计，根据元件明细表中的元件， 点击 P，版面出现如下图所示， 图 4.1 元件搜索界面 在 keywords 中输入所找的元件名单，然后点击右下角的 OK，元件就被添加了。 14 我们找到元器件以后，元器件在 Proteus 软件的代号就显示在界面左侧的元器 件名单代号列表上了。 4.24.2 元器件代号元器件代号 本小组设计的两位自动计数器所需的元器件的代号为 1.电阻 R1R16 代号为 10WATT1K; 2.滑动变阻器 R17 代号为 POT-HG; 3.有极性电容 C1 的代号为 CAP-ELEC; 4.无极性电容 C2和 C3 的代号为 AUDI01U; 5.开关 SW 的代号为 BUTTON； 6.芯片的代号分别为 NE555,4518,4511; 7.7 段数码显示器的代号为 7SEG-COM-ANODE。 8+5V 电源要点击左侧图标 inter-sheet-Terminal 的 POWER 4.34.3 元件的放置元件的放置 在元器件代号列表里点击所需元件的代号，就可以选定所需元件，鼠标移 动到元件的放置地点，然后点击鼠标右键，即可以将元件放置好。 依次放置好元件，要确保元件的摆放美观。 4.44.4 连线连线 在需要连接的元件接线处，点击左键，移动鼠标，可看到导线的出现，再 在导线的另一端在另一个元件的端点处点击，从而连接了电路。如下图所示。 15 图 4.2 仿真电路图 4.54.5 元器件赋值元器件赋值 连好所有的线以后,要对元器件进行赋值。 鼠标右键单击所需赋值的元器件的图标，可以选定该元器件，使图标红亮，再 单击鼠标左键出现对元器件属性的设置。例如要设置 R17 为 10K ,如下图 16 图 4.3 元件赋值界面 其他元器件的赋值方法与 R1 类似，仿照上述方法对其他元器件进行赋值 4.64.6 实验调试实验调试 在 Proteus 环境版面中点击左下角，如图所示 点击，系统开始运行，如有出错，则系统将报错，点击报错处，查找出错 原因，予以改正，直到可以顺利的运行。例如，我们对芯片 NE555 进行检查，可以在左侧代号列表框里找到代号为 ANALOGUE 并选定，在界面上拉 出下列图框： 图 4.4 波形显示界面图 17 在列表里选定 Voltage porbe.将探头放在要测试的地方（NE555 的输出端 Q） 并右击鼠标，出现 U1(Q)的图标，在菜单栏里选定 Graph 的 Add Trace 选项。 出现如下图框 图 4.5 波形显示选择图框 将 Name 写为 VCC，将 Probe P1 选为 U1（Q）,点击 OK，并选定 Simulate Graph,在 运行整个电路，则出现如下图 图 4.6 波形显示图 说明该芯片正常。 其他元件的测试和上述方法类似 在经过前面几个阶段的设计后，NE555 触摸报警器各个模块已经设计完毕， 根据总体设计时的方案框图，将各个子电路组合起来，加入信号，对电路进行 总体测试。 经测试。所设计的电路可以运行。当闭合开关 SW 一次时显示器可以计一数 18 5 5 实物焊接实物焊接 当在 Proteus 集成环境调试成功时，接下来，利用实物进行焊接，按上述的 实验原理在电路板上摆放好每个元件的位置，把每个元件焊接接起来。焊接完成 后，在实物板的电源正极和负极接入稳压器中，调节好合适的电压，并调节好滑 动变阻器的电阻，找代合适的时钟脉冲信号的振荡频率，并且通过闭合开关 SW , 观察 7 段数码显示器的计数情况，如果不能正确计数，要对实物电路进行调试， 直到能够正确计数为止，则该课程设计是成功的。 19 6 6 调试及测试结果与分析调试及测试结果与分析 6.1 1 原理设计过程中的问题原理设计过程中的问题 首先遇到的是查找资料的问题，一开始我们利用网络查找资料，但是网上的 资料不全面并非常的凌乱，往往一些资料都是要邮购的，手续非常复杂。后来 我们着手去图书馆找资料，我们发现自爱图书馆找资料有很多优势，其中资料 分类分的很清晰，找的资料书上的内容都比较全面，通过这次找的资料的经历， 我熟悉了一些与电子相关的网站，而在图书馆里也知道电子方面书籍的大概位 置，以及查找使用图书馆资料方法，并且在极大提高了我的专业知识水平，拓 宽了我的知识面。 6.2 调试过程中的问题调试过程中的问题 第一、555 芯片不能正常工作，检查出来的原因是：其中的 51K 的电阻因 为弯曲变形而断开了。解决方法：换个 51K 的电阻。 第二、在电路的检验过程中发现了有管脚虚焊了，相当于是高电平。解决方 法：对该管脚重新焊接。 调试时以个至关重要的步骤，能够一次性焊接成功理想情况极少出现。尤其 是像我们焊接水平不是很专业的，所以我们出错的的概率是相当的大的，因此 调试就显得至关重要了。在第一次通电前，应该用万用表检查正负极是否短路。 若存在短路，就按照原件的功能一个单元一个单元的排查故障，然后再检查没 个焊接点的正面和反面是否导通，以及两个焊接点之间有连线的是否导通，要 一根根的仔细排查故障，这些都是在第一次上通电前完成的，检查完成后，通 电前一定要再次确认正负极没有短路，检查完毕后在接上 5V 电源。 通电后观察现象，通常情况下海存在一些问题，主要是分模块进行检查。例 如：用万用表的电压档检测 555 的 3 端口是否是高电平的变化就可以检查到 555 是否正常工作。如果没有输出变换侧检查 555 各个端口的高低电平的变化 情况，将检查出来的电平与理论情况相比较，找出不同点，在针对理论与实际 不符的地方重点检查。以此方式，从 555 秒信号的产生开始到显示电路。 6.3 测试结果与分析测试结果与分析 使用 PROTEL 把原理图转换成电路板（PCB）。 每个元件在装上去之前必须经过测试，组装完成后检查，确认无误后上电， 20 电路自动计数。由 0 增至 99，不断循环计数。数字上升速度快慢由 NE555 振荡 频率决定，S1 为计数清零按键。调节 R17 可调节 LM555 的振荡频率。C1 为充放 电电容，电容容量愈大，充电时间愈长，则振荡频率愈低。 6.4 调试注意事项调试注意事项 1、调试之前要熟悉各种仪器的使用方法,并仔细加以检查，避免由于仪器使用 不当或出现故障而作出错误判断。 2、测试仪器和被测电路应用有良好的共地，只有使仪器和电路之间建立一个公 共的参考点，测试的结果才是准确的。 3、调试过程中，发现器件或接线有问题血药更换或修改时，应关断电源，持更 换完毕认真检查后方可重新通电。 4、调试过程中，不但要认真观察和检测，还要认真记录。包括记录观察的现象、 测量的数据、波形及相位关系，必要时在记录中应附加说明，尤其是那些和设 计部符号的现象更是记录的重点。依据记录的数据才能把实际观察的现象和理 论预计的结果加以定量比较，从中发展问题，加以改进，最终完善设计方案。 同过收集第一手资料可以帮助自己积累实际经验，切不可低估记录的重要作用。 6.5 查找故障的方法查找故障的方法 1、检查用于测量的一起是否使用得当。 2、检查安装的线路与原理是否一致，包括连线、元件的极性欲参数、集成电路 的安装位置是否正确等。 3、测量元器件接线端的电源电压。使用接插板做实验出现故障时，应检查是否 因接线端不良而导致元器件本身没有正常工作。 4、断开故障模块输出端所接的负载，可以判断故障来自模块本身还是负载。 5、检查元器件使用是否得当或已经损坏。在实验、实习中大量使用的是中规模 集成电路，由于它的接线端比较多，使用时会将接线端接错，从而造成故障。 在电路中，由于安装前经过调试，元器件损坏的可能性很小。如果怀疑某个元 器件损坏，必须对它进行单独调试，并对已损坏的元器件进行更换。 21 7 7 课程设计心得体会课程设计心得体会 本次课程设计过程，历时一个多月。我们最终在各个方面实现了对各 个部分的设计，在设计过程中，我们遇到了很多的问题，但最终在我们小组的 共同努力以及老师和同学的帮助下，把问题都解决了。 在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法 可以行得通，但实际接上电路，总是实现不