数字计步器分析

广东药科大学课程设计报告书课程设计名称：模数电、高频综合课程设计课程设计题目：数字计步器学院：医药信息工程专业班级：电子信息工程142016年6月27日目录前言------------------------------------------------------------P3第一章：设计内容及要求------------------------------------------P31.1基本要求-----------------------------------------------------P31.2参考原理框图-------------------------------------------------P31.3主要参考元器件-----------------------------------------------P3第二章：系统组成及原理------------------------------------------P42.1系统组成-----------------------------------------------------P42.2系统原理分析-------------------------------------------------P4第三章：电路模块及去抖动分---------------------------------------P53.1进位模块-----------------------------------------------------P53.2清零模块-----------------------------------------------------P63.3系统显示模块-------------------------------------------------P63.4电路去抖动---------------------------------------------------P7第四章：仿真，制板、组装与结果分析-------------------------------P84.1仿真---------------------------------------------------------P84.2制板---------------------------------------------------------P94.3组装焊-------------------------------------------------------P94.4结果分-------------------------------------------------------P10总结与心得体会--------------------------------------------------P11附录Ⅰ：电路元件清单--------------------------------------------P12附录Ⅱ：电路仿真图、原理图及PCB布线图（无积分电路）------------P13附录Ⅲ：器件介绍------------------------------------------------P141.74LS390计数器---------------------------------------------P142.CD4511译码器----------------------------------------------P153.七段共阴极数码管-------------------------------------------P17前言本课程设计的内容是设计数字计步器，要求采用4位数字显示步数，水银开关作传感器，主人走一步时，开关闭合一次，从而产生脉冲信号使计数器实现累计，达到计步的目的。同时该计步器还应具备清零功能。该电路分输入电路、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电路和一个置零电路组成；计数电路由两块74LS390（十进制计数器）芯片和一块74LS08（与门）芯片链接而成；译码电路则是通过四片CD4511译码器、电阻和四个共阴极数码管链接而成。电路可以实现0-9999的计数显示。：设计内容及要求1基本要求采用4位数字显示步数，传感器采用水银开关，主人走一步时，开关闭合一次。1.2参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。数码管显示数字数码管显示数字数码管显示数字数码管显示数字数码管显示数字数码管显示数字数码管显示数字数码管显示数字个位计数器十位计数器百位计数器千位计数器↑ ↑ ↑ ↑个位计数器十位计数器百位计数器千位计数器CP脉冲信号↑CP脉冲信号1.3主要参考元器件74LS390，CD4511，74LS08，BS202共阴极数码管。第二章：系统组成及原理2.1系统组成四个逻辑元件74LS390依次链接构成计步器的主要部分（计数模块），逻辑开关为输入信号，四个译码元件CD4511的输出端分别链接到四个BS202数码管显示管显示所计步数。系统框图：2.2系统原理分析电源接通后，开关每次开合都会产生一个脉冲信号，信号输入计数芯片74LS390.先是在个位计数器上进行计数，并且通过CD4511译码器译码后在BS202数码管上进行显示。当个位计数器由9进位到10时便会触发十位计数器进位，相应数码管显示“1”，当个位计数器再次触发进位信号时，十位计数器相应数码管显示“2”，......依此类推。百位和千位计数器工作原理同十位一样。这样就实现了从0000~9999的计数与显示。74LS390是下降沿触发的计数器，当水银开关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。第三章：电路模块及去抖动分析电路可分为：进位模块、计数清零模块和系统显示三大模块。３.１进位模块74LS390的MR端底电平有效，电源接通，当MR端接低电平时，电路实现计数功能，CP端输入一个脉冲时，个位实现计数功能。当个位计数达到9时，CP端再输入一个脉冲，这时个位上的计数器产生进位信号，十位加一，个位清零，依次类推。进位模块原理图３.２清零模块当MR端接高电平时，电路实现清零功能，四位显示都为零。计数清零模块原理图3.3系统显示模块四个译码元件CD4511的输出端分别链接到四个BS202数码管显示管显示所计步数。由于BS202为共阴极数码管，需在数码管每根接线端前接上电阻作保护作用。系统显示模块原理图3.4电路去抖动由于做出来的实物作品中，用水银开关的闭合来代替CP脉冲的产生，所以在水银开关在闭合和断开瞬间都存在严重的抖动，造成计数器计数不准确。改进方案：在水银开关处使用积分电路，它的作用是防止开关的抖动造成计数不准，而电容可以用来滤波，对信号进行整形。第四章：仿真，制板、组装与结果分析4.1仿真Proteus软件仿真：按照设计方案，查找好元器件，排版布局，连线，进行仿真。实物仿真：清点好元器件，在面包板上进行实物仿真4.2制板在实物仿真通过后，按照单面板的制作流程：原理图-->PCB布线-->硫酸纸打印-->曝光-->显影-->刻蚀-->转孔，进行电路板制作。4.3组装焊接根据先低后高，先难后易，先贴片后插装的原则进行锡焊。4.4结果分析板子焊好之后，基本功能是可以实现了，但水银开关的抖动十分严重，轻轻一动就经已进行了几次到十几次的计数。这是因为在一开始时我们没有仔细看好题目要求，做好防抖动处理。之后是根据网上的方案，在水银开关处加上一个积分电路。先是在软件上进行仿真，但又由于软件上只是用一个普通的单闸开关代替掉水银开关，脉冲产生得十分理想，所以并不能仿真出实际的去抖动效果来。于是，在实物板子上进行焊接修改测试后，发现去抖效果并不理想，甚至更抖动更厉害了。最后还是把积分电路去掉，保持原样。总结与心得体会通过本次课程设计的实训、学习与讨论，我们学习了电子作品设计与制作的基本思路与方法，再一次学习巩固了PCB制板技术，提升了自身动手能力。通过动手实践、网上找资料、与老师同学交流分析，使之前学习的理论知识更熟用于心。刚拿到题目时觉得做起来会挺简单的，然后在用软件仿真时也很快就通过了，但随着时间的推移，联系实际操作，才逐渐发现一些细节方面的问题。例如：用理想的脉冲信号代替水银开关而忽略掉去抖动问题；数码管忘记加限流电阻等。这使我懂得了在思考解决问题时不能只注意到那些容易发现的“大问题”，更要细心、有耐心的去发现那些不怎么起眼的小问题，因为许多事情的失败往往就是由于忽略细节而造成的。在制板过程中，因为自己的粗心，显影过度，造成一块板的浪费，这使得我在以后的制作中更加小心谨慎。由于本次制作的是单面板，而电路连线个别地方有点复杂，这不得不使用跳线，由于是第一次接触跳线，刚开始时那跳线是又长又弯，还跨元件。后来询问老师得知要把跳线当作一个元器件来对待，经过长时间的修改，最终是达到了要求。附录Ⅰ：电路元件清单序号位号名称规格数量元件名封装1Power2P接线端子GX128/KF1282P1Header1x2HEADER1*2(自制)2DS1,DS2,DS3,DS4共阴红色数码管1位4DpyBlue-CCLEDDIP-10/C15.243U4a,U4b,U4c,U4d显示译码器CD45114CD4511BE(自制)DIP-164S1六引脚自锁开关SW-DPDT7.8*8.8mm1SW-DPDTSW-DPDT5S2立式4脚轻触开关6*6*10mm1SW2(自制)SW2(自制)6S3水银开关17U1,U2数字计数器74LS390274LS390DIP-168U3逻辑与门74LS08174LS08DIP-149DIP14IC插座DIP14110DIP16IC插座DIP16611R1-28电阻RES0.430RESRES0.412感光板15X10cm113电池底座4位1附录Ⅱ：电路仿真图、原理图及PCB布线图（无积分电路）仿真图原理图PCB布线图：0.6的线宽，0.5的线间距，红色为跳线附录Ⅲ：器件介绍1.74LS390计数器说明：其中2号和14号管脚为清零管脚。当两者接高电平时，实现清零功能；当两者接低电平时，实现计数功能。2.CD4511译码器管脚图功能表CD4511引脚功能：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。3.七段共阴极数码管其中3和8号管脚为共阴极端古今名言敏而好学，不耻下问——孔子业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随——韩愈兴于《诗》，立于礼，成于乐——孔子己所不欲，勿施于人——孔子读书破万卷，下笔如有神——杜甫读书有三到，谓心到，眼到，口到——朱熹立身以立学为先，立学以读书为本——欧阳修读万卷书，行万里路——刘彝黑发不知勤学早，白首方悔读书迟——颜真卿书卷多情似故人，晨昏忧乐每相亲——于谦书犹药也，善读之可以医愚——刘向莫等闲，白了少年头，空悲切——岳飞发奋识遍天下字，立志读尽人间书——苏轼鸟欲