数字电子技术课程设计说明书

.....学校代码：10128学校代码：10128学号：201311204018数字电子技术课程设计说明书题目：生产线自动装箱计数监控器逻辑电路设计与实验学生__潘垒坚学院：电力学院班级：自动化13-1指导王艳荣2015年7月日摘要自动化系统不仅已成为了工业和社会生活的一个组成部分,而且是经济发展平的重要标志。工业生产中常常需要自动统计产品的数量并实现对生产线的整体控制,本次设计的生产线自动装箱计数监控器采用光电传感器与计数器相结合的方法实现对物件的数目统计。设计中采用光电传感器将光信号转化为电信号产生正弦脉冲,通过放大滤波整形电路将信号整形为矩形脉冲。将该脉冲通过"罐、箱"计数器实现对罐和箱的计数,最终在数码显示管上显示所计数目。设计还可以通过一系列控制电路实现在箱子未满时持续加入饮料罐,在箱子已满时设备停止工作直到下一空箱到来后设备再次启动并重新加入饮料罐,同时整体电路也可以手动启动、停止和清零控制。本设计经Multisim和实测验证均可达到预期要求。关键词：光电传感器；自动统计；计数监控器；滤波整形；控制电路目录一、设计任务概述11.1设计题目11.2设计目的11.3设计内容和要求11.3.1设计内容11.3.2设计要求1二、设计方案论证及方框图22.1题目要求简析22.2方案设计与论证22.2.1方案一22.2.2方案二22.2.3方案选择22.3电路分块32.4电路结构方框图3三、电路组成及工作原理43.1信息采集电路43.1.1信号产生43.1.2信号放大43.1.3信号整形53.2计数显示电路53.2.1罐计数显示电路63.2.2箱计数显示电路63.2.3计数显示总电路73.3状态控制电路73.4总电路原理图8四、电路元器件选择与实际测试94.1放大、整形部分测试9放大部分测量9整形部分测量104.2计数显示部分测试12装罐24计数显示部分12装箱18计数显示部分144.3工作状态控制部分测试15总结17致谢18参考文献19设计所需仪器设备及元器件清单20附件21.....一、设计任务概述1.1设计题目生产线自动装箱计数监控器逻辑电路设计与实验1.2设计目的〔1掌握基本时序逻辑电路的分析和设计方法,培养学习专业知识能力。〔2掌握基本逻辑故障识别与诊断基本方法,培养分析问题、解决问题能力。〔3掌握学习总结报告和设计说明书的基本书写方法,培养技术交流能力。1.3设计内容和要求1.3.1设计内容设计一个生产线自动装箱计数监控器逻辑电路,实现自动装箱计件控制。对罐装饮料装箱,每箱24个。计数器对装箱饮料罐进行计数,未满24个运送设备继续工作。当装满24个时,停止饮料运送设备运行,直到下一个空箱到来时,再启动运送饮料设备工作,进行饮料运送、装箱。在监控器上加显示电路,显示计数过程。可实现手动启动、停止、清零控制。1.3.2设计要求<1>查找资料,比较实现逻辑功能的几种设计方法<要求2种以上,主要根据器件选型不同来进行对比分析>,理解原理,比较它们的优缺点,完成框架设计。从设计任务逻辑抽象、设计方案选择、选収器件材料、设计制作、测试分析等方面归纳阐述并总结成文,列出选用器件清单；列出参考文献目录清单。确定电路设计方案,绘制原理框图或流程图,简述所选电路设计方案的工作原理或设计思路；根据设计要求,进行逻辑抽象、变量赋值,列出真值表。<3>选择小规模/中规模/可编程逻辑器件,绘制完整实验电路原理图或接线图,说明主要元件在电路中的作用,说明整体电路工作原理或工作流程。<4>搭建Multisim仿真电路,完成所设计逻辑电路的仿真测试。<5>安装、调试实测电路,完成电路性能指标测试,记录并分析实验测试结果。<6>得出结论<是否针对设计任务完成电路设计,通过什么方式验证设计的正确性,设计电路的性能如何,还可以在哪些方面做进一步改进等>。<7>写出设计说明和实验报告,分析说明实验过程中出现故障的原因及排除方法。<8>创意设计或自主扩展设计。想一想白己的设计作品具有哪些方面的市场竞争力,是否可以通过进一步拓展和深化,开展项目开发,参加创新性设计,怎样才能销售出去等。二、设计方案论证及方框图2.1题目要求简析本设计中整体控制信号与装罐计数器记录情况有如下关系〔见表1操作控制罐计数器显示数目设备当前状态清零0罐计数器清零,设备停止启动1~24设备正常运行暂停保持当前数值设备暂停停止0罐计数器清零,设备停止表1设计要求简析扩展功能：〔1实现对已装箱数的记录；〔2实现对装罐整体电路的手动暂停控制；2.2方案设计与论证通过光电元件产生脉冲信号,再通过放大电路、滤波整形电路产生矩形脉冲信号,用该信号触发罐计数器计数,当计数脉冲输入24个脉冲信号时,产生进位信号至箱计数器,同时罐计数电路暂停工作。当罐计数电路接收到下一空箱到位脉冲信号后,罐计数器清零并重新开始计数。2.2.1方案一信号源选用光敏电阻组成的传感器,将光信号转换成电信号。当有饮料罐通过时,LED灯的灯光被遮挡,光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,相应电压信号为低电平,通过放大电路放大信号,再经过滤波整形电路产生脉冲信号,触发罐计数器计数,并在七段数码显示管上显示数值。当罐计数器计数达24时产生进位信号至箱计数器,罐计数电路暂停工作。同时通过控制电路实现对整体电路的启动、清零和停止控制。2.2.2方案二采用压力传感器采集信号,将压力信号转换为电信号。当有饮料罐到来时,压力传感器感受压力,阻值发生变化。产生电信号并经过放大、整形电路处理后将脉冲信号传给计数器,并在七段数码显示管上显示数值。2.2.3方案选择方案一在使用放大、滤波整形电路后脉冲信号比较稳定且有效,再传递给计数显示电路和控制电路后,可以较容易实现设计要求。而方案二在理想条件下可以实现,但是在实际设计过程中由于单个饮料罐对传感器压力变化并不明显,信号产生有困难,所以不容易实现。故我们采用方案一进行设计。2.3电路分块〔1信息采集电路：对光敏传感器输出电压进行放大、滤波整形处理。〔2计数显示电路：信息采集电路将脉冲信号传递到罐计数器并通过数码显示管显示具体数目,罐计数器计数达24时将进位信号传递到箱计数器,同时箱计数显示器数目。〔3状态控制电路：罐计数器工作开始、暂停、停止和清零控制电路。2.4电路结构方框图〔见图1图1电路结构方框图三、电路组成及工作原理3.1信息采集电路信息采集电路部分用于对电路信号的产生、放大和整形,此处将信号产生、放大和整形电路设置为模块子电路以方便调试和控制。3.1.1信号产生该部分由光敏电阻及提供光源的发光二极管组成〔见图2。每当有一个饮料罐通过传感器挡住光时,传感器就开始工作。无罐经过时光不断照到光敏电阻,光敏电阻阻值很小相当与短路；当有一个饮料罐经过挡住光时,光敏电阻阻值升至无限大,此过程产生一个信号脉冲。图2光敏传感器电路3.1.2信号放大该部分由运算放大器构成的同向放大器组成〔见图3。由于虚断,Vi=V-即反向输入端没有电流输入输出。通过R1和R2的电流相等,设此电流为I,由欧姆定律得：I=Vout/<R1+R2>。Vi等于R2上的分压即：Vi=I*R2。综上可得Vout=Vi*<R1+R2>/R2。图3放大电路3.1.3信号整形该部分由555定时器构成的施密特触发器组成对波形进行整形〔见图4。555定时器是一种集模拟,数字于一体的中规模的集成电路,可用于信号的产生和信号的变换,只需要外接电阻,电容,就可以实现施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器等脉冲产生与变换电路。图4整形电路3.2计数显示电路这是此次课程设计的核心电路,利用计数器,显示器来完成计数功能。计数器是常用的时序电路之一,它不仅可用于对脉冲进行计数,还可以用于分频,定时,产生节拍脉冲以及其它时序信号。计数器可分为同步计数器和异步计数器,还可分为加计数器和减计数器和可逆计数器。设计罐计数器时用置数法获得二十四进制计数器,即用两片74LS160N芯片可以实现二十四进制的计数。同理设计出十八进制的箱计数器。当罐计数到24时,通过与非门产生一个进位信号,传递至脉冲输入端并加与门使脉冲信号暂时截止,同时为箱计数器提供一个脉冲信号,箱计数器递加一。此处设计将计数显示电路设置为模块子电路以方便调试和控制。3.2.1罐计数显示电路罐计数显示电路由两片74LS160N和七段数码显示管两部分构成,并将该部分做成一个子电路〔见图5。图524进制罐计数显示电路3.2.2箱计数显示电路箱技术显示电路组成和原理与罐计数显示电路类似〔见图6。图618进制箱计数显示电路3.2.3计数显示总电路〔见图7图6计数显示总电路3.3状态控制电路本次设计我用了多个门电路作为控制电路的一部分,如：非门,与门,与非等。在这里我以与非门作模板。与非门电路其作用是将被测信号与作为标准的信号做与非计算,得出需要被计数器进行计数测量的信号脉冲。具体的工作过程由下图可以具体了解〔见图7。图7与非门图8与非门真值表与非门是与门和非门的结合,先进行与运算,再进行非运算。与运算输入要求有两个,如果输入都用0和1表示的话,那么与运算的结果就是这两个数的乘积。如输入1和1〔两端都有信号,则输出为0；输入1和0,则输出为1；输入0和0,则输出为1。其真值表如图8所示。3.4总电路原理图〔见图9图9总电路原理图四、电路元器件选择与实际测量4.1放大、整形部分测量放大部分测量放大部分我们选用的是NE5532AI四运算放大器。NE5532AI内部电路见图10,管脚排列见图11。图10NE5532AI内部电路图11NE5532AI管脚排列仿真结果分析：通过仿真,我们可以成功地将50mV左右的电压放100倍,放大到4-5V,以至于输出信号可以满足我们的要求,继而方便下一步骤的实验〔见图12。图12放大电路仿真结果整形部分测量整形部分我们选用的是LM555CM555定时器。LM555CM内部电路见图13,管脚排列见图14。图13LM555CM内部电路图14LM555CN管脚排列它的各个引脚功能如下：GND脚：外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。TRI脚：低触发端OUT脚：输出端VoDIS脚：是直接清零端。当端接低电平,则时基电路不工作,此时不论、TH处于何电平,时基电路输出为"0",该端不用时应接高电平。CON脚：VC为控制电压端。若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01μF电容接地,以防引入干扰。THR脚：TH高触发端RST脚：放电端。该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。VCC脚：外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。一般用5V。输入输出阀值输入<Vcc>Vcc<Vcc触发输入<Vcc>Vcc>Vcc复位0111输出010不变放电管T导通截止导通不变表2555定时器的功能表仿真结果分析：通过仿真,我们可以成功地将正弦波脉冲整形成矩形波脉冲,以至于可以满足我们的要求,继而方便进行下一步的实验〔见图15。图15整形电路仿真结果4.2计数显示部分测试装罐24计数显示部分装罐24计数显示部分我们选用的是74LS160N十进制计数器。74LS160N内部电路图,管脚排列及功能表见图16、图17和图18。图1674LS160N内部电路图1774LS160N管脚排列图1874LS160N功能表实验结果分析：把2片74LS160N接成24进制计数器后,在CLK端接入已整形好的矩形脉冲,在数码显示管上可以显示1到24数字〔见图19。图1924进制罐计数器实测装箱18计数显示部分装箱18计数显示部分我们选用的也是两片74LS160N十进制计数器。在CLK端接入已整形好的矩形脉冲,在数码显示管上可以显示1到18数字〔见图20。图2018进制箱计数器实测我们把装罐计数器的进位接到了装箱计数器的EP,ET端。使得罐计数器可以满24向箱计数器提供一个脉冲信号〔见图21。图21罐、箱计数器整体电路实测4.3工作状态控制部分测量工作状态控制电路通过非门,非门和与门与实现,这里用到了74LS00P,74LS04P和74LS08P芯片,芯片管脚排列图见图22、图23和图24。图2274LS00P管脚排列图2374LS04P管脚排列图2474LS08P管脚排列控制部分芯片连接如图25所示：图25控制部分芯片根据仿真图连接实物电路,实测结果如图26所示：图26实物整体电路实测结果分析：我们将开关S1和脉冲信号与S2和清零信号分别通过与门连接,到S1和S2在高低电平间切换时可以控制信号通过和暂时截止失效。S1和S2都接高电平,电路正常工作,罐计数器从1到24计数。计数达24后,向箱计数器提供进位信号,并暂停显示数目。当S1接低电平时,控制端提供清零信号,罐计数器清零；当S1接高点平时,罐计数电路重新开始工作。当S2接低电平时,控制端可以使脉冲暂时失效,罐计数器无脉冲接收,显示数目暂停时S2断开瞬间的数值。综上所述,该生产线自动装箱计数监控器逻辑电路可以实现所有信号处理、计数显示及工作状态控制等功能。总结经过一周的紧张设计,我们根据设计需求完成了相应的任务。首先我们成功的做到了当箱子未满24个时设备继续工作并计数,当箱子装满24个时,停止饮料运送设备运行,直到下一个空箱到来,再启动运送饮料设备工作,进行饮料运送、装箱。其中,拓展功能中我们可以手动控制设备暂停运行、计数,然后继续运行、计数。而且可以实现手动启动,停止、清零控制我们也能实现。但在实际设计时我们遇到了许多问题。首先,由于我们所学放大电路知识有限,致使在放大电路的设计过程中存在问题,导致我们的实际设计并不十分顺利。我们先是设计了一个用三级管做的电流放大器,仿真测试正常,但考虑到实际情况采集到的信号达不到三级管的开启电压,所以此方案实际不可行。接着我们又设计了正相运算放大器解决了这个问题。在第一次提交审查之后,我们又在原来的基础上加入了手动暂停、继续模块,实现了在设备运行期间的暂停与继续运行,提升了设计的功能。本次课程设计中,我们使用555定时器连接施密特触发器的时候忘记了施密特触发器是反相输出,遇到了高低电平的输入输出和实际理想状态不相符的小问题,经过我们的反复推敲,查阅资料,最后我们找出了问题所在,并在原电路中加入了相反器后解决了问题,同时也深化了所学知识。我们还在最后加入了统计总的饮料罐数的功能。其次,某些实验器件的老化给我们也带来了不必要的干扰,这是我们无法解决的问题。虽然计数控制是比较简单易行的一个设计,但是完整的一个实验过程也让我了解了一个信息处理系统的设计过程,明白了各个环节的重要性,学会了如何去设计一个合理的、适合实际需求,也掌握了一些芯片的特点和用法,受益匪浅。同时,在课程设计中遇到问题时,老师们悉心指导、同学们的热心帮助,这些对我的进步十分重要,在这里向老师们、同学们致谢。致谢为期一周的数字电子课程设计结束了,我们根据任务书做出的生产线自动装箱计数器是在我们的指导教师悉心指导下进行的。王艳荣老师在数字电子课程设计有丰富的实践经验,从第一天开始悉心指导我们并给我们提出了许多宝贵的意见和问题,让我们在思考中真正的学到知识,了解、深化课程设计的全过程。王老师严谨的工作态度和锐意创新的精神,使我们受益匪浅,在此特别向王老师表示深深的感谢和由衷的敬意。从设计开始之前的排斥、反感到设计开始后的热爱、觉得时间不够用,我们深化了所学的电子技术理论知识,把理论课上的知识运用到实际操作当中,查漏补缺。最主要的是培养了综合运用所学知识能力的,并了解了一般小型电子产品的设计思想和基本设计步骤,同时增强了独立分析问题和解决问题的能力。通过这周的课程设计让我充分感受到团队合作的重要性。在学到新知识的同时,我也学会了如何与同学合作、沟通、交流。在课程设计期间,我们遇到了许多难题,每次遇到难题我们总是先各自思考,然后一起讨论