电子系统课程设计.docx
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电子系统课程设计
一、课程设计目的
加强实践,提高动手能力,将所学的理论知识与实际联系起来,掌握电子应用系统的开发过程。
(1)掌握医用滴液速度计的工作原理;
(2)熟悉电子应用系统设计过程和硬件实现的方法;
(3)熟悉数字电路中相关器件的用法功能;
(4)要求能用相关器件检测液滴,并对其进行计数和定时,从而实现速度的计算和显示。
二、课程设计正文
2.1总体论述
2.1.1具体设计任务;
熟悉CD4098双单稳态触发器、CD4013、MC14518二/十进制同步加计数器、CD4012与非门、CD40103、CD4520、CD4001、4040、4553、4线-7段锁存译码器/驱动器CC4511以及数码管LED的原理及其应用;掌握三极管的使用方法;设计外部硬件电路;对硬件电路进行调试。
2.1.2输入要求;
NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过MC14518芯片分频,分别产生10Hz和1000Hz的脉冲,按键按下后产生上升沿以触发4013芯片工作。
2.1.3输出要求;
能够实时显示滴速,定时时间一到4553立即锁存。
2.1.4性能指标;
系统具有较高的稳定性,测试应具有较高的精确度,能达到0.001s。
2.1.5实际电路所能完成的功能:
实际电路能够测试液滴的滴速(单位:
滴/分钟),并且每两滴即可测试出滴速,滴三滴数码管显示值就会刷新一次。
本电路具有实时性好的优点,但滴速有上限,即滴速不能超过100滴/分钟,若超过了就不能正确显示。
系统稳定性较好但按键有一定的抖动。
2.1.6理论电路所能完成的功能。
理论电路能够测试液滴的滴速(单位:
滴/分钟),并不是每过一分钟数码管的值才刷新一次,而是滴了三滴数码管显示值就会刷新一次,两滴即可测试出滴速。
本电路具有实时性好的优点,但滴速有上限,即滴速不能超过100滴/分钟,若超过了就不能正确显示。
CD4040计数周期600ms。
假设已知滴速为v滴/分钟(每滴的间隔为60/v秒),通过分析电路经过600/(60/(0.1*v))运算结果正好就是v,所以此电路显示的就是每分钟的滴速v。
2.2方案选型
2.2.1电路的总体方案
根据设计要求,选择电路的总体方案如下,本系统分三个模块分别是:
时钟输入模块、运算模块和动态显示模块。
医用滴速计总体电路图如图1所示:
图1医用滴速计总体电路图
本系统是测试液滴的滴速,即每60秒滴下的滴数,而通过两滴即可测试出液滴的滴速,第三滴滴下显示刷新,为了调试方便,暂以按键代替传感器检测液滴。
上电后,通过对电容充电使CD4013复位完成系统初始化设置,系统检测是否有上升沿,若没有检测到上升沿回到初始化状态,当按键按下后产生上升沿以触发4013-1芯片工作,4013-1芯片Q端输出为高电平与MC14518芯片分频产生10Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门1打开门2关闭cd4520计数并为40103提供预置数。
当按键第二次按下后4013-1Q端输出电平翻转,Q非端输出电平由低变高,并且与通过MC14518芯片分频产生1000Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门2打开门1关闭时,cd4098-1的暂稳态上升沿让cd4040的R端翻转为0,允许计数,并在数码管上显示滴速,且让cd4553锁定锁存器,当按键第三次按下后4013-1Q端输出电平翻转,Q端输出电平由低变高开始第二次测速。
否则显示第一次的滴速。
系统工作流程图如图2所示:
图2系统工作流程图
2.2.2各单元电路方案及集成电路
2.2.2.1时钟输入模块
NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过MC14518芯片分频,分别产生10Hz和1000Hz的脉冲,按键按下后产生上升沿以触发4013芯片工作。
4013输出分别与10Hz和1000Hz的脉冲共同作用通过4001产生上升沿以触发运算电路模块工作,输入及时钟模块电路如图4所示:
图3输入及时钟模块
2.2.2.2运算模块
运算模块是系统的核心部分,其模块电路如图4所示
图4运算模块
2.2.2.3显示模块
本系统中显示模块采用动态显示,其模块电路如图5所示:
图5显示模块
2.3.3主要芯片介绍
2.3.3.1CD4013
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出,此器件可用作移位寄存器,且通过将Q输出连接到数据输入,可用作寄存器和触发器。
在时钟上升沿触发时,加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关,而分别由置位或复位线上的高电平完成。
真值表引脚图如下:
表1CD4013真值表
CL(Note1)
D
R
S
Q
Q
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
x
0
0
Q
Q
x
x
1
0
0
1
x
x
0
1
1
0
x
x
1
1
1
1
图6CD4013引脚图
2.3.3.2CD4518
CD4518是二、十进制(8421编码)同步加计数器,内含两个单元的加计数器,其功能表如真值表所示。
每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN,可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。
由表可知,若用EN信号下降沿触发,触发信号由EN端输入,CLK端置“0”;若用CLK信号上升沿触发,触发信号由CLK端输入,EN端置“1”。
RESET端是清零端,RESET端置“1”时,计数器各段输出端Q1~Q4均为“0”,只有RESET端置“0”时,CD4518才开始计数。
CD4518采用并行进位方式,只要输入一个时钟脉冲,计数单元Q1翻转一次;当Q1为1,Q4为0时,每输入一个时钟脉冲,计数单元Q2翻转一次;当Q1=Q2=1时,每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次;当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时,每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。
这样从初始状态(“0”态)开始计数,每输入10个时钟脉冲,计数单元便自动恢复到“0”态。
若将第一个加计数器的输出端Q4A作为第二个加计数器的输入端ENB的时钟脉冲信号,便可组成两位8421编码计数器,依次下去可以进行多位串行计数。
其真值表引脚图如下:
表2CD4518真值表
图7 CD4518引脚图
2.3电路工作原理
系统上电后,电容C2相当于短路,CD4013的复位端为高电平复位。
充电完毕,C2相当于断路,CD4013开始工作。
4013-1芯片的CLK端为高电平,按键按下后产生上升沿以触发4013-1芯片工作,且Q端输出高电平与NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过CD4518芯片分频产生10Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门1打开门2关闭,计算器1(CD4520)开始计脉冲数,并将此数预置到计算器2(CD40103)中。
当按键第二次按下后CD4013-1输出电平翻转,Q端输出电平由高变低,Q非端输出电平由低变高,并且与NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过CD4518芯片分频产生1000Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门2打开门1关闭时,CD4098-1的暂稳态上升沿让CD4040的R端翻转为0,允许计数,且让cd4553锁定锁存器,此时暂稳态的高电平让cd4553的计数器部分清零。
在CD4040计数未到600ms时CD4520的R复位输入端为0无效,仍然保持第一个时间段的计数值,总为CD40103提供预置数据。
CD4040和CD40103共用同一个时钟源。
在600个ms脉冲内CD40103总在从开始的预置数减到零,每减到零时CO就出现一个负脉冲,CD4553就加1,CO共产生600/(60/v/0.1)次负脉冲。
到600ms时CD4013-2的输出翻转会让CD4040的R端翻转为1,让CD4040一直复位且CD4553的计数值进入其内部锁存器部分并显示。
这样600ms以后CD40103的CO就会保持低电平,不会有脉冲变化了。
CO产生600/(60/v/0.1)次负脉冲,数码管就会显示滴速。
从而两滴即可测得滴速,且当第三滴滴下时显示刷新即开始新的一次的测速。
并且两滴间隔越长,精度就越高
2.4器件清单
表3 器件清单
电阻1k
1个
4013
2个
电阻10k
1个
4001
2个
电阻100
7个
4511
1个
电阻3k
3个
共阴数码管
3个
开关
1个
4098
1个
电容
3个
4040
1个
40103
1个
4012
1个
4520
1个
4553
1个
4518
2个
PNP
3个
三、课程设计总结
经过两个周的电子系统设计,完成了数字滴速记的设计和调试,从早期的系统需求分析到原理框图和电路图的绘制,到计算机仿真,为便于焊接调试,采取了PCB板的绘制,最后对照PCB图进行焊接,由于用万用版进行搭建电路,难免会有焊错的地方,由于有图纸进行对照很容易发现错误之处,还有计算机仿真作为理论结果的参考,大大加快了电路搭建的速度和质量。
通过本次课程设计学到了很多东西也遇到了较多问题。
(1)在焊接CD4511显示部分的时候,我们通过仿真正确,在焊接完成后发现乱码现象,肯定是段码对应不对,对照从网上下载到的手册和老师给的资料检查没有错误,最后对照仿真图,发现两者引脚不一致,然后抱着试试看的心态,按照仿真图的引脚顺序焊接了一遍,最后正确的数据出来了。
(2)由于连续焊接3个小时以上,难免有错误,导致电路最最关键的计算部分出错,所有计数器完全不工作,我们最后采取分块解决的策略,一块电路一点点检查和排错,并借助先进的数字示波器和逻辑分析仪进行观察瞬时变化的数据。
(3)在做仿真时遇到CD4553的OVF引脚不知如何是好的问题,手头的资料又没有介绍词引脚的处理,我们就采取了仿真的方式接地和接VCC,加快了电路调试的速度,比起焊接实验的速度快多了。
课程设计
评语
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成绩
指导教师
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