肥皂自动装箱系统.docx
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肥皂自动装箱系统
1设计任务描述
1.1设计题目:
肥皂自动装箱系统
1.2设计要求
1.2.1设计目的
(1)掌握肥皂自动装箱系统的构成、原理与设计方法;
(2)熟悉集成电路的使用方法。
1.2.2基本要求
(1)对通过计数传感器的肥皂数目进行计数显示,可停机存储,可手动清零;
(2)每12块装满一打,显示包装好的打数,每16打显示回零;
(3)每16打一箱,并显示包装好的箱数,同时发出报警信号。
1.2.3发挥部分
(1)系统暂停10分钟后重新启动;
(2)记录重新启动的次数。
2设计思路
根据此次课程设计的要求,我设计的肥皂自动装箱系统基本电路主要由七个部分组成,其中传感器和由LM555构成的施密特触发器组成了标准的方波脉冲信号发生电路,由多个计数器和数码管的组合构成了主电路即计数电路,单稳态触发器和多谐振荡器搭配连同蜂音箱组成报警电路,计时电路则由多谐振荡产生器与计数器的组合而成,以及暂停电路、手动回零电路和记录重新启动次数的计数器。
(1)信号发生电路的设计:
采用传感器作为信号发生器,由集成电路LM555定时器组成的施密特触发器作为整形电路,两者共同组成了基本的方波输入信号发生电路。
(2)计数电路的构成与设计:
主计数电路一共由13个74LS160计数器以及数码管组成,其中包括五组计数装置,分别是12进制计数器、16进制计数器和三个1000进制计数器,其作用是记录通过肥皂的个数、总个数、打数、总打数以及总箱数。
当脉冲经过时,记录个数和总个数的计数器会同步计数,当12进制计数器计满12回零时,其进位输出端会产生脉冲给16进制计数器和记录总打数的计数器,当16进制计数器计满16回零时,其进位输出端也会产生一个脉冲给下一组记录总箱数的计数器,使之开始计数。
(3)报警电路的设计:
根据电路的设计,当肥皂装满一箱时,输出端产生脉冲启动报警装置,单稳态触发器和多谐振荡器均由LM555构成,单稳态触发器具有定时、延时功能,多谐振荡器控制产生脉冲的频率和强弱,用一个电容来过滤直流波,最后通过蜂音箱发出报警信号。
(4)手动清零电路的设计:
将13个计数器的置零端统一用导线连接起来,用同一个开关控制其开合,开启状态电路正常工作,当开关闭合时所有计数器同时回零。
(5)暂停电路的设计:
暂停电路是用来让处于工作状态的系统暂时的脱离工作状态,采用两个三极管串联起到自动开关的作用,控制电路的暂停和运行。
(6)计时电路的设计:
由于系统工作过程中需要10分钟短暂停,故此要用到计时器,用一个多谐振荡器产生1HZ的脉冲传给一个600进制的计数器,600秒后,计数器输出端产生信号激活电路继续运行。
(7)重启次数的记录:
当系统短暂停结束后,会产生一个单脉冲,用一个计数器将其记录,并用数码管显示,就完成了对重新启动次数的记录。
3设计方框图
4各部分电路设计及参数计算
4.1信号产生及处理电路的设计
4.1.1电路设计
图4.1.1信号产生及处理电路
4.1.2功能分析
用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
输入的信号只要幅度大于VT+,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。
当传输线上的电容较大时,波形的上升沿将明显变坏;当传输线较长,而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象;当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时,信号上将出现附加的噪声。
无论出现上述的那一种情况,都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。
只要施密特触发器的VT+和VT-设置得合适,均能受到满意的整形效果。
4.2计数电路的设计
4.2.1电路设计
图4.2.1计数电路
4.2.1功能分析
计数电路部分主要由三种进制的计数器组成,分别是12进制、16进制和1000进制。
其中12进制计数器和16进制计数器均是由两个74LS160十进制计数器和与非门组成,1000进制计数器则是由3个74LS160十进制计数器组成。
当信号发生器产生的脉冲通过整形后进入计数器时钟脉冲输入端时,计数开始。
随着脉冲不断输入计数不断进行,当12进制计数器计满12后,其进位输出端会产生单脉冲给16进制计数器的时钟脉冲输入端,使之开始计数,当计满16时,其进位输出端同样会产生单脉冲给下一组计数器。
这样就实现了12块肥皂一打,16打肥皂一箱的功能。
整个计数电路统一用到了DCD_HEX型号的四输入7段译码显示器以及74LS160十进制计数器。
其中译码显示器为共阴极输入,高电平有效,当输入8421BCD码在0000到1001之间时均为高电平有效,故可显示相应数字;当输入为1010到1111六个状态时,输出均为低电平,显示器无显示。
而74LS160是集成十进制同步加法计数器,其主要功能有:
异步清零功能、同步并行置数功能、同步加法计数功能和保持功能。
4.3暂停计时电路的设计
4.3.1电路设计
上接信号发生器
4.3.2功能分析
(1)计时电路
图4.3.2(a)计时电路
计时器是由三个74LS160十进制计数器和与非门组成的600进制计数器,将输入频率设定为1HZ,就构成了一个周期为600秒的计时器,即10分钟计时器。
当600秒结束后,其进位输出端会产生一个脉冲传给起始计数器的时钟脉冲输入端,从而激活使之重新启动,同时该脉冲还会传给下一计数器,记录下重新启动的次数。
(1)暂停电路及秒脉冲产生电路
图4.3.2(b)暂停及秒脉冲产生电路
当人为给电路一个高频脉冲通过PNP型三极管时,由于第一个三极管N>P,故该三极管截止使电路断开,又因为第二个三极管P>N,故该三极管导通,脉冲可以通过使下方的多谐振荡器启动,所以即实现了暂停。
调节多谐振荡器的RC关系来控制其输出频率的大小为1HZ,秒脉冲产生信号就形成了。
4.3.3参数计算
Tw=RC*ln3
R=10k
C=100uf
4.4CMOS非门放大电路的设计
4.4.1电路设计
图4.4.1CMOS非门放大电路
4.4.2功能分析
CMOS放大电路能对任意大于0.5V的正弦波和脉冲信号进行测量和放大。
CMOS非门电路的传输特征,具有线性放大作用,可以作为小信号的模拟放大器使用。
只需使静态时的输入电压等于阈值电压的一半,
上图为负反馈的小信号放大电路,电阻R跨接在非门的输入端与输出端之间,整体构成放大电路,根据电阻阻值的不同能够调节放大倍数,使小信号扩大以达到预期目的,如上所述COMS非门具有线性放大功能。
4.5报警电路的设计
4.5.1电路设计
接计数器的进位输出端
图4.5报警电路
4.5.2功能分析
此电路由单稳态触发电路、多谐振荡电路、和蜂音箱所组成,当肥皂装满一箱时进位
输出端会传给单稳态触发电路一个脉冲,由555定时器所组成的单稳态触发器将此脉冲进行延时处理,将信号传输到由555定时器所组成的多谐振荡器的复位端,从而控制蜂音箱的响铃时间。
再在输出端加上一个电容,过滤掉干扰信号波,使得蜂音箱可以正常发声。
当给此电路输入一个脉冲时,单稳态触发电路的输出端由低电平变为高电平,当输出为高电平时,多谐振荡电路正常工作,输出一定频率的脉冲,使得蜂鸣器在一定的脉宽时间内开始响铃。
(1)单稳态电路
图4.5.2(a)单稳态电路
由LM555集成的单稳态触发器,定时元件由R和C组成,决定着输出脉冲的宽度,TRI
端(2脚)作为触发脉冲输入端,2脚必须是负脉冲,从3脚输出的是正脉冲暂态信号。
没有触发信号时,即TRI为高电频,电路工作在稳定状态,即Q=0,OUT为低电平,VT饱和导通。
当TRI下降沿到来时,电路被触发,立即由稳态翻转到暂稳态,即Q=1,OUT为高电平,VT截止。
在暂稳态期间,开始对定时电容C充电,充电回路是VccRC地,时间常数为t1=RC。
在电容上电压DIS(Uc)上升到2/3Vcc以前,电路将保持暂稳态不变。
随着C充电过程的进行,Uc逐渐升高,当DIS(Uc)上升到2/3Vcc时,比较器A1输出0,立即将基本RS触发器复位到0状态,即Q=0、OUT输出低电平,VT饱和导通,暂稳态结束。
当暂稳态结束后,定时电容C将饱和导通的晶体三极管T放电,时间常数为t2=RcesC(Rces是VT的饱和导通电阻,很小),经过3t2~5t2后,C放电完毕,DIS(Uc)=0,恢复过程结束。
恢复过程结束后,电路返回到稳定状态,单稳态触发器又可以接收新的输入触发信号。
4.5.3参数计算
Tw=RC*ln3
R=10k
C=100uf
5工作过程分析
本次我设计的是肥皂自动装箱系统,为了实现记录在生产线上通过固定位置的肥皂数目并显示出来,分别显示出通过肥皂的总个数、总打数以及总箱数,并且可以停机存储和手动清零。
当肥皂装满一箱后会自动发出警报提醒工作人员注意,如若临时有事还可以短时间暂停,并能自动重新启动和记录重新启动次数,显示直观,操作简便。
本系统的设计电路主要由六部分组成,分别是:
对通过肥皂的信号产生及处理部分、对肥皂的计数和显示部分、装满一箱后的报警部分、工作过程中使显示器自动清零部分、暂停10分钟并自动重启部分和对系统自动重新启动次数的显示部分。
其中对通过肥皂的显示部分显现出了通过肥皂的个数、打数以及箱数,真正做到了明了简洁,使工作人员一目了然,所有数据都可以在第一时间了解,以便工作人员的操作控制。
本次设计要求实现对12块肥皂装一打和16打肥皂装一箱的显示,本系统通过对两个十进制的计数器和与门以及与非门的巧妙运用构造出了12进制计数器和16进制计数器。
并能够在装满12块和16打后能够准确进位使下一组计数器准确开始工作。
干路当脉冲通过多组计数器后信号会减弱,这时应用一个放大器就实现了对脉冲电流信号的放大,以便让之后的计数器更好的发挥作用。
当肥皂装满一箱时,系统中的报警电路会自动报警,提醒工作人员及时将肥皂运送出去。
报警部分由有延时作用的单稳态电路和能产生振荡波信号的多谐振荡电路组成,附加电容来过滤干扰信号,最终将信号送入蜂音箱产生警报。
整个系统具有可控回零电路,每个计数器的置零端同时被干路的总开关控制,关闭开关所有计数器自然回零。
我认为本次设计的亮点在于对短暂停部分电路的实现,合理的运用了三极管的正向导通和反向截止的特性设置出了可控开关用来切断和连接与主电路的联系。
当开关断开时,脉冲会进入多谐振荡产生电路,根据多谐振荡器的RC关系调整电路产生秒脉冲,并用计数器设定好所需暂停时间即可,当暂停时间结束系统自动发出脉冲激活电路继续工作,同时该脉冲会通过计数器记录下重新启动的次数。
本系统在现今社会应用是相当广泛的,无论的包装、运送任何物品,都离不开这种系统的,我相信像肥皂装箱系统这样的设计对社会是很有帮助的,无论置身各个领域,它都能够发挥同等重要的作用。
6元器件清单
序号
元件名称
规格及用途
数量
1
计数器
74LS160
17个
2
数码管
DCD_HEX
14个
4
定时器
LM555CM
4个
5
函数信号发生器
XFG
1个
6
蜂音箱
BUZZER
1个
7
三极管
2N1711
2个
8
电阻
300k
2个
9
电阻
10k
3个
10
电阻
1k
1个
11
开关
SPDT
1个
12
与非门
NC7S00
2个
13
与门
NC7SZ08
1个
14
非门
4009BCP
2个
15
非门
4009BCL
1个
16
单脉冲信号发生器
XCP
1个
17
电容
100uf
3个
18
电容
10nf
4个
7主要元器件介绍
7.1计数器74LS160
7.1.1引脚图
图7.1.1
7.1.2功能表
清零
CLR
预置
LOAD
使能
ENP ENT
时钟
CLK
预置数输入
ABCD
输出
QAQBQCQD
0
1
1
1
1
0
1
1
1
01
0
11
上升沿
上升沿
ABCD
0000
ABCD
保持
保持
计数
7.1.3功能介绍
74LS160是十进制同步加法计数器,CLK是输入计数脉冲,也就是加到各个触发器的时钟信号端的时钟脉冲;CLR是清零端;LOAD是置数控制端;ENP和ENT是两个计数器工作状态控制端;A、B、C、D是并行输入数据端;RCO是进位信号输出端;QA、QB、QC、QD是计数器状态输出端。
74LS160具有下列功能:
(1)异步清零功能:
当CLR=0时,计数器清零。
在CLR=0时,其他输入信号都不起作用。
(2)同步并行置数功能:
当CLR=1、LOAD=0时,在CLK的上升沿,并行输入数据A、B、C、D,进入计数器,进位输出RCO=ENT*Q3nQ0n。
(3)同步加法计数功能:
当CLR=LOAD=1时,若ENT=ENP=1,则计数器对CLK信号按照8421编码进行加法计数。
(4)保持功能:
当CLR=LOAD=1,若ENT*ENP=0,则计数器将保持原来状态不变。
需要说明的是,当ENP=0、ENT=1时,进位输出RCO也保持不变(RCO=Q3nQ0n);而当ENT=0时,不管ENP状态如何,进位输出RCO=0。
7.2译码显示器
7.2.1引脚图
图7.2.1(a)图7.2.1(b)
7.2.2功能表
图7.2.2译码显示器功能表
7.2.3功能介绍
DCD_HEX为四输入七段译码显示器,它集一般的译码器、限流电阻、显示器于一体,有高电平信号输入时即可直接显示,用以驱动共阴极显示器,接线清晰,经济实用。
当输入为1010到1111六个状态时,输出均为低电平,显示器无显示。
该集成译码显示器内部设有三个辅助控制端LE,BL,LT,以增强器件的功能。
(1)灯测试输出LT:
当LT=0时,无论其它端是什么状态,各段输出abcdefg均为1,显示出的数字为8。
(2)灭灯输出BL:
当BL=0时,并且LT=1时,无论其它段输入是高电平还是低电平,所有各段输出abcdefg均为0,所以此时没有数字显示。
(3)锁存使能输入LE:
当BL=LT=1时,当LE=0锁存器不工作,译码器的输出随着所输入8421BCD码的变化而变化;当LE由0跳到1时,锁存器被锁住,此时输出只取决于锁存器的本身内容,不再随着输入的变化而变化。
7.3LM555定时器
7.3.1引脚图
图7.3.1LM555定时器
7.3.2功能表
输入
输出
阈值输入THR
触发输入TRI
复位RST
输出OUT
放电管T
0
0
导通
<
Vcc
<
Vcc
1
1
截止
>
Vcc
>
Vcc
1
0
导通
<
Vcc
>
Vcc
1
不变
不变
7.3.3功能介绍
1脚:
GND外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。
2脚:
TRI低触发端。
3脚:
OUT输出端Vo。
4脚:
RST是直接清零端。
当RST端接低电平,则时基电路不工作,此时不论TRI、THR处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平。
5脚:
CON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。
6脚:
THR高触发端。
7脚:
DIS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。
8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。
8脚:
VCC为接电源端。
此外,555定时器电路还可以组成施密特触发器,单稳态触发器和多谐振荡器。
小结
为期一周的数字电子课程设计如流星划过天际一般转瞬即逝了,这一周可以说是相当的累,但收获知识后的喜悦和完成任务后的成就感早已完全的掩盖住了我那最后一丝丝困意,我还是很欣慰的,因为毕竟我的辛苦、我的付出和我的重重努力并没有付之东流,我得到了知识,我收获了经验。
对于数字电子我们都很熟悉,因为我们就生活在这个数字的时代,无论是生活学习还是工作,数字电路无处不在。
我才发现,人们的生活已经无法再离开电子了,数字电子的优越性和重要性越发的显现出来,所以我们要学会利用它来为我们服务。
经过这一周的学习,我对书本上的知识有了更近一步的了解,我知道了所学的知识在实际中是如何去应用的。
在我们接到各自的设计题目之后,经过指导老师的细心讲解,我们对所设计的电路有了初步的了解。
再通过网络的查询和图书管的有关资料查找和阅读,我们有了各自的初步的设计方案,在这一周我几乎奔走于图书馆的电子阅览室和教学楼之间,一边查资料,一边做设计,由于经常遇到自己难以解决的问题,所以有时不得不去请教老师的帮助,通过老师的耐心讲解,我渐渐入门了,很多问题也迎刃而解,做设计的熟练程度有了明显的提高,最后通过我所在小组众多智慧人士的参悟,终于在第一时间完美的完成了此次课程设计。
通过本周对肥皂自动装箱系统的设计,是我了解了如何设计信号整形电路、计数电路、计时电路和报警电路等一些重要电路,对如何用十进制计数器组成其他进制计数器也有了很好的了解。
制作过程中难免会产生许多错误,但通过对系统和电路的逐步通晓,一些在电路中产生的问题和错误也能被我准确地找出其所在并及时纠正了。
课程设计结束了,在这短暂的时间里我学到的东西很多。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性,只依靠理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能了解其真谛,更好的掌握其要义,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
同时这次设计也让我拓展了许多数电方面的知识,为我以后步入社会在工作中立于不败之地奠定了坚实的基础。
致谢
紧张的数字电子课程设计已经结束了,虽然只有一周,但在这紧张的一周中我也收获颇丰。
不仅学到了课堂内的知识,还了解许多书本外的知识,所以在这里对老师安排此次课程设计为我们提供这种独立思考、自主研究性的学习机会,充分开发了我们的创新思维能力,在这里我深表感谢。
此次课程设计中的每一个环节无不凝聚着老师们的心血,老师们对数字电子课程设计有很多的实践经验,在我们面对问题时他们对我们的倾囊传授、细心指导,使我们受益匪浅,很快便懂得了此次课程设计的目的并找到了许多解决问题的新思路。
所以在此特别向黄硕老师表示深深的感谢和由衷的敬意。
在课程设计过程中,我们会遇到许多难以理解的问题,经过自己的不懈努力及查阅大量的资料,大部分可以得到了基本满意的答案,但始终有一些针对性的问题无法想通,这时老师给了我莫大的帮助,黄硕老师一语道破了我在设计过程中遗留的最大难题,在我的设计出现故障不能继续进行的时候,依旧是黄硕老师教会了怎样修改错误,使之很好的运行了出来。
最终我攻克了许多难题,并且也学到了许多新知识,使我们能够顺利的完成本次课程设计。
当然,在课程设计过程中,我的同学同样给予了我许许多多的帮助,毕竟老师不是任何时候都会出现在我身边帮助我解答每一个难题,有时我们需要自行讨论和解决,通过大家的互相启迪和提示,一个个难题依旧被我们一一征服。
所以在这里,同样要感谢我的同学们在我面临障碍之时及时出现,谢谢你们帮助我解决各种难题,我本次课程设计的完成与你们的耐心讲解和帮助同样是分不开的。
这次课程设计不仅使我开阔了视野,拓宽了思路,增长了学识,而且也为我今后的工作和学习打下了坚实的基础,正是老师百忙中不辞劳苦的帮助,才使我能够顺利完成次课程设计。
在这里,我对您由衷的表示感谢。
在大学中有一起“共患难”的同学们,对我们有深远影响的老师们,你们使我在今后的学习工作中更加的自信,更加的勇于面对即将到来的一个又一个挑战。
黄硕老师不辞辛劳的教导,和耐心细心的传授精神深深的感染了我和每一个同学。
课程设计的每次完善都离不开老师的指导。
故此真诚的感谢黄硕老师,感谢您对我们给予的莫大帮助,感谢您孜孜不倦的想我们灌输知识,让我们在知识的海洋里扬帆远航。
老师,祝您在今后的工作和生活中,处处一帆风顺,事事一片顺心。
参考文献
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国防工业出版社,2007
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人民邮电出版社,2006
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科学出版社,2005
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[5]郝波、秦宏、李川.电子技术基础——数字电子技术.西安电子科技大学.2004
[6]陈晓文.电子线路课程设计.北京:
电子工业出版社,2005
附录A1逻辑电路图
附录A2实际接线图
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