数字电子技术课程设计说明书

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 学生姓名：潘垒坚 学 院：电力学院 班 级：自动化13-1 指导教师：王艳荣

2015年7月 日

学校代码：10128

学 号：

201311204018

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...................................... 错误！未定义书签。

1.1设计题目 (1)

1.2设计目的 (2)

1.3设计内容和要求 (2)

1.3.1设计内容 (2)

1.3.2设计要求 (2)

二、设计方案论证及方框图 (2)

2.1题目要求简析 (2)

2.2方案设计与论证 (2)

2.2.1方案一 (2)

2.2.2方案二 (2)

2.2.3方案选择 (2)

2.3电路分块 (3)

2.4电路结构方框图 (3)

三、电路组成及工作原理 (4)

3.1信息采集电路...................................... 错误！未定义书签。

3.1.1信号产生 (4)

3.1.2信号放大 (4)

3.1.3信号整形 (5)

3.2计数显示电路 (5)

3.2.1罐计数显示电路 (6)

3.2.2箱计数显示电路 (6)

3.2.3计数显示总电路 (7)

3.3状态控制电路 (7)

3.4总电路原理图 (9)

四、电路元器件选择与实际测试 (9)

4.1放大、整形部分测试 (9)

4.1.1放大部分测量 (9)

4.1.2整形部分测量 (10)

4.2计数显示部分测试 (12)

4.2.1装罐24计数显示部分 (12)

4.2.2装箱18计数显示部分 (14)

4.3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。

(2)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5 24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6 18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

4.1.1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10 NE5532AI内部电路

图11 NE5532AI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

4.1.2整形部分测量

整形部分我们选用的是LM555CM 555定时器。LM555CM内部电路见图13，管脚排列见图14。

图13 LM555CM内部电路

图14 LM555CN 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：T L 低触发端 OUT 脚：输出端Vo

DIS 脚：D R 是直接清零端。当D R 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论T L 、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

? <32Vcc >32Vcc <3

2Vcc

触发输入

?

<3

1Vcc

>3

1Vcc

>3

1Vcc

复位 0 1 1 1

输出 0 1 0 不变 放电管T 导通 截止 导通 不变

表2 555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

4.2.1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16 74LS160N内部电路

图17 74LS160N管脚排列

图18 74LS160N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19 24进制罐计数器实测

4.2.2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20 18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22 74LS00P管脚排列图23 74LS04P管脚排列图24 74LS08P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。