光控计数器的设计仿真与制作文档格式.docx

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1.1电路设计要求

设计一个利用光线的通断来统计进入房间人数的电路，用2个数码管显示计数值。

①设计两路光控电路，一路放置在门外，一路放置在门里。

当有人进入或走出房间时，将

先后触发两路光控电路产生脉冲信号。

（仿真时可用2个开关模拟光控开关）

②设计一个加减控制电路，根据光控电路产生脉冲的先后顺序，判断人员是进入房间还是离开房间，从而控制可逆计数器实现加法或减法的操作。

要求有人进入时，加法计数；

有人离

开时，减法计数。

1.2电路设计

整个电路由光控电路，脉冲触发控制电路，可逆计数电路，译码电路，显示部分构成，各部分电路及连接如下面框图：

图1.1电路组成框图

1.3电路整体原理简述

首先由光控电路将接收的光信号转换为电信号触发脉冲，在光线强的时候，输入低电平，在光线较暗的时候，输入高电平，在低电平砖高电平时，会产生上升沿信号，可以作为D触发器的触发信号，一个开关分别控制前一个D触发器的脉冲和D触发器的清零端，来区分up和down的触发信号，从而控制译码加减计数电路的输入信号，再由显示译码器在显示管上显示数目的增加或减少，从而实现自动加减计数的功能。

1.4方案选择

1.4.1单片机方案

51单片机运用广泛，在控制领域十分常见，而且成本低廉。

本设计要求中，可采用一块51单片机作为核心。

利用光电三极管接收红外发光二极管射来的红外光先当有物体通过两者之间时，红外线被挡住，启动中断。

利用AT8951单片机来制作一个计数器。

用单片机的接口连接一个共阴数码管，作为计数器的显示。

电路连接如下图所示。

图1.2单片机方案

不过该方案需要单片机，还有了解一定的单片机的知识，以及需要单片机编程。

1.4.2数字电路方案

设计两路光控电路，一路放置在门外，一路放置在门里。

当有人进入或走出房间时，将先后触发两路光控电路产生脉冲信号。

设计一个加减控制电路，根据光控电路产生脉冲的先后顺序，判断人员是进入房间还是离开房间，从而控制可逆计数器实现加法或减法的操作。

有人离开时，减法计数。

用两片190或两片192设计实现100进制的可逆计数器，并用数码管显示计数结果。

要求当加法计数至99时，+1，计数器回到00；

当减法计数至00时，-1，计数器回到99。

数字电路方案更为贴近数字电路的学习和巩固，而且此方案不需使用单片机，简单方便。

综上所述，选择第二种数字电路方案。

2.单元电路设计

2.1光控电路

2.1.1电路图及说明

光控电路图如下

图2.1.1光控电路图

光控电路部分就是模拟了开关S1、S2的通断。

通过过零比较器的两个输入端电压的不同来决定输出端1脚的值。

此次设计是利用接地输出，2脚为正输入端，3脚为负输入端。

当2脚电压大于3脚时，输出电压翻转，即低电平，相当于开关初始断开状态，当3脚电压大于2脚电压，同理分析，相当于开关闭合。

R2可用来调节光控开关的灵敏度。

2.1.2LM311的介绍

过零比较器LM311主要是完成电压比较，决定输出电压的作用。

引脚图如下

图2.1.2LM311引脚图

引脚功能如下

若2、3脚分别接VA、VB，输出如下

图2.1.3LM311输出举例

2.2触发脉冲控制电路

2.2.1电路图及说明

图2.2.1触发脉冲控制电路

触发脉冲电路由四个D触发器组成和逻辑门（一个与非门和两个非门）组成。

上面的两个D触发器与下面的两个D触发器地位分别对应相等。

上面部分左边的D触发器为D1，右边的为D2。

开始D1的CLK接低电平，非门U7、U8输出为高电平，因此U10输出为高电平，连到置数端R，因此现在可以触发D1，D1的D端接VCC始终为1，当闭合S1时，D1变为1，即D2的R端为1，可以置数，此处的D1的功能相当于保存S1的触发信号，当S2闭合时，D2的时钟输入端接收到上升沿触发信号，触发有效，Q2变为高电平，则up变为低电平，此时，up的低电平通过与非门和一个非门，反馈到D1的R端，D1和D2都被清零，恢复到高电位，此时up也恢复高电位，有上升沿产生，计数器74ls192加数计数。

对下面两个D触发器的分析与上面相同。

因为无论是加数还是减数计数，左边的D触发器都会被触发，要想实现在计数之后恢复到初始状态，则需反馈清零，考虑到加数减数计数都要清零，故使用与非门连接up和down同时反馈到左边两个D触发器的R端。

可见，加一的过程是由后按的开关的决定的。

后按S2，S2决定了D2即U1的触发。

将U7连到U7，就可以触发UP端。

同理，只要，先按S2，后按S1，S1决定了U2的触发，U8连到DOWN端，就可以经相似的过程产生DOWN端的触发上升沿，实现减一的过程。

除了可以实现加一和减一计数来显示室内人数，设计特别之处在于可以排除干扰情况。

如果连按两次某一个开关，即有人在门口晃悠并没有真正进入或出去。

比如只按S1，虽然使得D2清零端R2为1，可以触发，但另一个开关S2始终不按，就不会产生CLK2的触发脉冲。

因此仍然不会计数。

这种设计，能较准确的反映室内人数。

2.2.2电路组成元件

2.2.2.174LS74

74LS74为双上升沿D触发器，其逻辑图如下，即由四个D触发器构成

图2.2.274LS74引脚图

其中各个引脚功能分别为：

1CP、2CP：

时钟输入端，1D、2D：

数据输入端，1Q、2Q、/1Q、/2Q：

输出端，CLR1、CLR2：

直接复位端（低电平有效），PR1、PR2：

直接置位端（低电平有效）

功能表如下

图2.2.374LS74功能表

74LS74芯片即代替了4个D触发器。

D触发器只有一个输入，十分常见。

状态方程为Qn+1＝Dn，其输出状态的更新发生在CP脉冲的上升沿，故又称为上升沿触发的边沿触发器，触发器的状态只取决于时钟到来前D端的状态。

其中SD和RD接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。

D触发器的应用很广，可用作数字信号的寄存，移位寄存，分频和波形发生等。

有很多种型号可供各种用途的需要而选用。

D触发器的逻辑图如下

图2.2.4D触发器逻辑图

D触发器功能表如下：

图2.2.5D触发器功能表

2.2.2.274LS00

74LS00芯片为四组2输入端与非门（正逻辑），与非门的功能图如下，即输出

其中非门是将与非门的两个输入端接到同一输入，即完成了非。

图2.2.6与非门功能图

74LS74内部结构及引脚图如下

图2.2.774LS74引脚图

2.3可逆计数电路

2.3.1电路图及说明

可逆计数器电路图如下

图2.3.1计数电路图

电路由两片74LS192构成。

其中U5为低位的计数，U2为高位计数。

进位的实现：

U5的12脚TCU连到U2的5脚UP，当各位计到9后时，产生上升沿到U2的UP实现进位。

借位的实现：

U5的13脚TCD与U2的4脚DW相连，完成借位。

TCU为非同步进位输出端，TCD为非同步借位输出端。

该连法可以达到多位数计数的效果。

如图置数端PL为有效状态时即接低电平，74LS192的D0，D1，D2，D3可以通过开关的闭合或打开，接0或1来完成置数，都连到低电平则开始时室内人数为0。

Q0，Q1，Q2，Q3为输出端，U5为两位十进制数的个位，U2为十位。

2.3.274LS192

74LS192是一种常见的计数芯片，为同步十进制可逆计数器，即同时可以加计数和减计数。

其中PL为置数端，低电平有效。

CPU为加计数端，上升沿有效。

CPD为减计数端，上升沿有效。

TCU为非同步进位输出端，TCD为非同步借位输出端。

P0、P1、P2、P3为计数器输入端。

MR为清除端，高电平有效。

Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其引脚图如下：

图2.3.274LS192引脚图

它可以完成置数，清零，加减计数，和保持的功能。

其功能表如下：

图2.3.374LS192功能表

2.4译码及显示电路

2.4.1电路图及说明

图2.4.1译码及显示电路

如图，译码显示电路由两个CD4511完成译码，然后驱动右边的数码管来显示人数。

两个CD4511与两个74LS192对应相连，分别将个位和十位的数字进行译码，然后送进数码管。

其中输出为a,b,c,d,e,f,g，分别对应着七段数码管的七个二极管，即显示字形的七条边。

对应输出为1的时候，对应边会亮，即显示了某种字形。

2.4.2组成元件

2.4.2.174ls47

74ls47是一片TTLBCD—锁存/7段译码/驱动器，常与七段数码管一起使用，起到驱动作用。

即完成从输入的BCD码到对应二极管亮灭的控制作用。

J

图2.4.374LS47引脚图

其中：

A0~A3：

二进制数据输入端，/BI：

输出消隐控制端，LE：

数据锁定控制端，/LT：

灯测试端，Ya~Yg：

数据输出端，VDD：

电源正，VSS：

电源负。

74LS47功能表如下

图2.4.474LS47功能表

其中abcd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。

a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。

若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。

2.4.2.2数码管

课设中我仿真的是使用的数码管为七段共阳数码管。

由7个发光二极管组成，这7个二极管分别对应表达一个字形所要用到的七条边。

此外，还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。

共阴指的是共阴极接法，把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。

使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。

共阴极数码管引脚图及内部结构如下：

图2.4.5共阴极数码管引脚及内部结构

如下图0~9数字的段符号分别为

图2.4.60到9段符号

3.电路仿真

3.1光控开关部分

R3模拟光敏电阻。

当R2为定值时，改变R3的值即类似改变光照强度，即模拟有人进出挡住光线。

下图仿真为开关断开的状态，输出电压近似为0。

图3.1.1模拟开关断开

下图仿真为开关闭合的情况，即有人经过，输出电压为正。

图3.1.2模拟开关闭合

3.2整体电路

3.2.1初始状态

初始时人数为0

图3.2.1初始状态

3.2.2有人进入加一

有人进入即先按了S1，在S2闭合，数码管显示数字加一

图3.2.1加一仿真

3.2.3有人出去减一及借位

假设一直加到10

图3.2.2室内10人

此时先按S2再按S1，即有一人出，不仅减一而且借位

图3.2.3减一并借位

由仿真得可以成功借位

3.2.4排除干扰

当只按下一个开关，即人没有真正进入情况，仿真结果显示可以排除这种情况。

只按两次S1，仿真结果如下，数码管显示人数始终为0，没有变化，即没有被干扰。

图3.2.4排除干扰

3.2.5初始置数

例如置数62，则只需将置数调制62，拨动置数开关S4，即可产生置数

4.课设结果总结

本次课设的设计较好地完成了要求。

不仅能够进出人员的加一减一计数，正确完成进位与借位过程，将室内总人数显示于两个数码管上，即0到99的两位十进制数字（其中加减是通过两个开关的闭合顺序确定的，而开关模拟的光线的通断，即是否有人经过），还能够排除干扰情况。

两个开关相当于两道门，经过两道门的顺序可以看出是进入还是出去。

然而如果有人只经过其中一道门就不是真正的进出。

这种情况在仿真中可以看到被排除了。

只有两道门都经过才会进行加减数。

刚开始用的方案是用JK触发器来完成触发脉冲的控制，但是不能排除干扰，只按一个开关时仍然会进行加数或者减数。

因此改进了方案，使用了4个D触发器以及一些逻辑门才完成了干扰的排除。

5.心得体会

数字电路的设计是一个有趣的过程，在设计过程中可以提升对数电课上知识的理解，并能将所学用于解决实际问题。

此次课程设计，我学到了很多课内学不到的东西，比如学会思考解决问题的方法，出现差错时的随机应变和与人合作共同提高的意识，实在是受益非浅。

这些天的努力也让我增强了信心，相信自己只要踏实努力，以后也一定能高质量地完成项目。

调试过程是痛苦的，调试电路是需要非常强的理论作为基础，但也是最能提升能力的部分。

只有通过亲自调试电路，发现电路存在的问题，思考产生的原因，并想办法解决问题，才能加深对自己设计电路的认识。

动手实践也让我们对各个元件的功能及使用有了更深刻的了解。

能力来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

在这次课程设计的完成过程中，我深刻地体会到过程很可能相当烦琐，花很长时间设计出来的电路需要重做，花很大精力焊接的电路也实现不了想要的功能的时候，未免有点灰心，甚至想放弃，但是一旦静下心，查找原因，反复实践，成功的几率就会增加许多。

总体来说，我在摸索该中设计电路并实现功能的过程中，培养了设计思维，增加了实际操作能力。

在体会到了设计电路的艰辛的同时，更体会到成功的喜悦和快乐，获得了成就感，是一次痛并快乐着的美好体验。

6.元件清单

名称

符号

数值大小

个数

开关

SW

若干

74LS74

2

74LS192

74LS00

1

CD4511

七段共阴数码管

LM311

滑动变阻器

1KΩ

光敏电阻

1kΩ

16脚底座

6

14脚底座

5

7.参考文献

[1]刘泉主编：

《数字信号处理原理与实现》，电子工业出版社，2005. 

[2]谢自美主编：

《电子线路设计·

实验·

测试》，华中科技大学出版社，2003. 

[3]梁宗善主编：

《电子技术基础课程设计》，华中科技大学出版社，2005.

[4]孙梅生主编：

《电子技术基础课程设计》，高等教育出版社，2005.

[5]伍时和主编：

《数字电子技术基础》，清华大学出版社，2004.

[6]康华光主编：

《电子技术基础（ 

数字部分 

）》，高等教育出版社，2005. 

[7]阎石主编：

《数字电子技术基础》，高等教育出版社，1999. 

附录

整体仿真电路：

实物电路：

本科生课程设计成绩评定表

性别

男

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

1.在课设中完成的任务：

和小组成员共同完成电路的设计制作及仿真

2.针对电路原理问题

1）置数方式？

答：

这个功能是自己加的，课设没有要求，通过开关对置数端高低点位进行初始设置，将74ls192的pl端置低电平，即可进行初始置数。

2）抗干扰能力？

初始时通过开关给D触发器提供时钟信号，由于前面的D触发器是给后面的D触发器R端置1，多次触发同一个开关效果相同，故只有人在门口晃动的时候，不会产生计数。

3.课设中出现的问题

由于在设计时有反馈清理设置，多次触发同一开关效果相同，但是在实物制作时，由于曾在机械抖动，故在清零之后，产生的机械抖动会产生额外的操作，相当于在计数完成之后触发了一次开关。

下次在这种需要用到开关来做输入信号时，可以通过使用RS触发器来解决机械抖动。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日

信息工程学院课程设计评分表

评定项目

评分成绩

1．选题合理、目的明确（10分）

2．设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）

3．设计结果（例如：

硬件成果、软件程序）（20分）

4．态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）

5．设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）

6．答辩（25分）

总分