1、沈陽航空航天大學課 程 設 計（說明書）實驗室人數統計電路的設計班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 沈陽航空航天大學課 程 設 計 任 務 書課 程 名 稱 數字邏輯課程設計 課程設計題目 實驗室人數統計電路的設計 課程設計的內容及要求：一、設計說明設計一個利用光線的通斷來統計實驗室人數的電路。設計兩路光控電路，一路放置在門外，另一路設置在門里，當有人通過門口時（無論是進入或是走出房間），都會先觸發一個光控電路，再觸發另一個光控電路。要求根據光控電路產生觸發的先后順序，判斷人員是進入還是離開實驗室，當有人進入時令計數器進行加計數，當有人離開實驗室時進行減計數。其電路原理框圖如圖1所

2、示。它由光電控制電路，脈沖整形電路，控制邏輯電路，計數器電路，譯碼顯示電路等組成。光電電路I數碼顯示聲、光報警電路脈沖整形光電電路II脈沖整形控制邏輯電路加減法可逆計數器顯示譯碼手動復位圖1 實驗室人數統計電路原理框圖二、技術指標計數器的最大計數容量為99，并用數碼管顯示。三、設計要求1在選擇器件時，應考慮成本。2有手動復位（清零）功能。3要求計數器每計一個數，發光二極管指示燈閃爍一次（或蜂鳴器響一次）。4可選元件：(1)紅外發光二極管和光電三極管(對管); (2)集成譯碼顯示電路74LS47或其它；(3)可逆計數器74LS190或者74LS192；(4)LED數碼管；(5)555定時器；(6

3、)發光二極管等。四、實驗要求1根據技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路。2進行實驗數據處理和分析。五、推薦參考資料1.謝自美. 電子線路設計·實驗·測試. M武漢：華中理工大學出版社，2000年2.閻石. 數字電子技術基礎. M北京：高等教育出版社，2006年3. 付家才. 電子實驗與實踐. M北京：高等教育出版社，2004年六、按照要求撰寫課程設計報告成績評定表：序號評定項目評分成績1設計方案正確，具有可行性，創新性（15分）2設計結果可信（例如：系統分析、仿真結果）（15分）3態度認真，遵守紀律（15分）4設計報告的規范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分）5答辯（

4、30分）總分最終評定成績（以優、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字： 2015 年 6 月 25 日一、概述本次課設的任務是實驗室人數統計電路的設計，要求我們運用理論課上學到的知識來完成人數統計的電路設計，讓使用者可以通過這個電路了解實驗室內的總人數和人員進出的變化情況，然后根據這些數據做出反應。對任何知識的掌握程度都取決于對其認識的程度，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，只有自己動手設計電路才能較好的理解基礎知識和基本技能。在查閱資料之后，本次實驗設計首先用紅外線感應電路感應實驗人員的進出，有人進入或離開時依次觸發兩個光電電路，繼而根據光電電路顯示的人員進出的情況用控制邏輯電路發出脈沖，使

5、用加減計數器實現加減計數功能，即有人進入時令計數器進行加計數，當有人離開實驗室時進行減計數，同時伴隨著人數加減的數碼管顯示還有燈光或者蜂鳴報警電路提示，最后把總人數結果通過數碼管反映。現代人類社會已經進入信息時代， 因而信息技術對社會發展， 科學進步將起到決定性作用。為了達到節省人力資源的目的，避免人工的繁瑣計算，使用數字邏輯電路是一個極其方便的方法用以記錄出的人數和入的人數以及總人數。這次課程設計是一個對我們實踐能力的檢驗，同時也是一個機會，讓我們深入了解人數計數器的組成和如何讓計數報警的功能實現，人數計數器在超市、商場、酒店、實驗室等大多數人類活動場所都能用到，所有它對于當今社會具有重大的

6、意義。二、方案論證方案一：方案一原理框圖如圖1所示。光電電路I數碼顯示聲、光報警電路脈沖整形光電電路II脈沖整形控制邏輯電路加減法可逆計數器顯示譯碼手動復位圖1方案一原理框圖實驗室人數統計電路由模擬光電感應電路、控制邏輯電路、計數譯碼顯示電路、和聲光報警電路四部分組成。現實中用紅外線感應器感應人進出，由紅外感應器產生信號跳變，但是由于在實驗條件下無法真正實現人進人出的效果，所以用開關模擬光電感應電路代替紅外線感應器，根據開關高低電平變化模擬出有人進出的效果，連接雙D觸發器將脈沖發送給聲、光報警電路進行提醒和計數譯碼電路進行加減、譯碼，最后由數碼管顯示人數。方案二： 方案二原理框圖如圖2所示。光

7、電電路I聲、光報警電路脈沖整形光電電路II脈沖整形單片機顯示譯碼圖2方案二原理框圖由單片機、紅外發射器、紅外接收器、顯示譯碼電路、聲光報警電路組成，在門里門外各放一組紅外感應器，當有人進出時紅外感應器產生信號跳變反映到單片機上，單片機進行計數然后通過蜂鳴器或二級管實現聲光報警功能，通過數碼管顯示人數。本實驗采用方案一。由于我們還沒有學習過單片機，對其各種功能和性能參數并不了解，所以方案二并不可行。方案一的器件我們相對熟悉，而且價格相對低廉，電路連接比較容易，實驗效果也證明它正確可行，所以在這個實驗里選用方案一進行電路設計。三、電路設計1.光電傳感器電路的設計光電傳感器電路的設計如圖3所示。圖3

8、光電傳感器電路的設計實際情況中應該用紅外線感應器來感應人進出實驗室的情況, 光控電路用于將光信號轉換為系統所需的電信號,雙D觸發器的兩個輸入端各需要一個紅外線發射器與紅外線接收器。當人沒有經過紅外線感應器時，紅外線發射管LED-RED-RATED將紅外線發射給接收管PHOTO-TRANSISTO-RATED,接收管導通，集電極為低電平；當有人經過后，紅外線發射管發射的紅外線被遮擋，接收管接收不到紅外線，所以接收管不導通，集電極為高電平，并且將高電平信號發送給雙D觸發器，雙D觸發器將脈沖發送給聲、光報警電路進行提醒和計數譯碼電路進行加減和譯碼。而仿真情況下無法用紅外線感應器來實現實驗目的，所以用

9、兩個開關代替。2.人進人出控制電路的設計人進人出控制電路的設計如圖4所示。圖4人進人出控制電路的設計因為仿真軟件multism沒有紅外感應器，所以用開關模擬光電感應。開關模擬光電感應電路中S1是代表門外的開關，S2是代表門內的開關，初始都置于低電平，有人進入，S1先變成高電平，然后S2變成高電平，人經過后S1，S2再依次變成低電平；有人離開就正好相反，S2變成高電平，然后S1變高電平，人離開之后，S2，S1再依次變成低電平。從S1、S2電平的變化可以得知人員是進是出。人員進出實驗室的時序邏輯圖如圖5所示。圖（a）為人員進門時的時序邏輯圖，圖（b）為人員出門時的時序邏輯圖。（a）人員進門時序邏輯

10、圖 （b）人員出門時序邏輯圖圖5人員進出實驗室的時序邏輯圖4013BP_5V 雙D觸發器是集成觸發器芯片，內部有兩個獨立的D觸發器。每個D觸發器都有一個置位端（SET),復位端（RST),時鐘端（CLOCK),數據輸入端（D),兩個輸出端Q和Q端。當RST為1、SET為0時，無論D和CLK（時鐘信號）為哪種狀態，輸出Q一定為0，因此RST可稱為復位端。當SET為1、RST為0時，輸出Q一定為1，因此SET稱為置位端。當RST、SET均為0時，在ClK端有脈沖上升沿觸發，即Q=D。接線時，兩個觸發器的置位端（SET)均接地，輸入端（D)都接高電平，時鐘端1CLK和復位端2RST接開關S1，時鐘端

11、2CLK和復位端1RST接開關S2，輸出端Q1 、Q2分別接LED1、LED2兩個二極管，Q1端接的UP端，Q2接U2的DOWN端。LED1接雙D觸發器的Q1端，LED2接雙D觸發器的Q2端。當有人進入室內時，S1變為高電平，連接的1CLK和2RST也變成高電平，隨后S2變為高電平，連接的2CLK和1RST也變成高電平，然后S1、S2依次變為低電平。因為雙D觸發器的兩個觸發器的置位端（SET)均接地，所以在時鐘上升沿觸發，將加在D1輸入端的高電平傳送到Q1輸出端，由Q1傳給LED1，二極管LED1亮，同時Q1端把高電平傳給加減計數器的UP端，Q2輸出低電平給加減計數器的DOWN端，實現計數器加

12、一。當有人從室內離開時，S2變為高電平，連接的2CLK和1RST也變成高電平， 因為雙D觸發器的兩個觸發器的置位端（SET)均接地，所以在時鐘上升沿觸發，將加在D2輸入端的高電平傳送到Q2輸出端，由Q2傳給發光二極管LED1，二極管LED1亮，同時Q2端把高電平傳給加減計數器的down端，Q1輸出低電平給加減計數器的UP端，實現計數器減一。3.計數譯碼顯示電路的設計計數譯碼顯示電路的設計如圖6所示。圖6計數譯碼顯示電路的設計圖計數器74LS192N是十進制可預置同步可逆BCD碼計數器 ，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數功能，在本實驗中作為加減計數器使用。使用兩個74LS192N計數器U2、U

13、3分別計算個位和十位，74192N上升沿觸發，由UP，DOWN兩管腳控制加減計數，UP端為增計數脈沖輸入，DOWN端為減計數脈沖輸入，有異步置數端LOAD和異步復位端CLR，借位輸出端BO和進位輸出端CO分別輸出高電平表示加進位和減進位。接線時，異步置數端LOAD為加載，低電平有效，在本電路中接高電平。兩個異步復位端CLR接單刀雙擲開關S3，當開關S3接高電平時，計數器實現清零，其他操作被禁止。BO為借位輸出端接著十位的DOWN，用于發出退位信號，CO為進位輸出端接著十位的UP，用于發出進位信號，實現兩位數的加減運算。譯碼器74LS48N芯片是一種常用的七段數碼管譯碼器驅動器，用在數字電路的顯

14、示系統中，由于74LS48N輸出高電平有效所以選用共陰極數碼管。接線時，U4的輸入端ABCD接U2的輸出端QAQBQCQD，LT，RBI，BI/RBO低電平有效接高電平。U5的輸入端ABCD接U3的輸出端QAQBQCQD，LT，RBI，BI/RBO接高電平，U4、U5輸出端分別接代表個位、十位的數碼管，另外用兩排阻值為680歐的電阻排接高電平連接U4、 U5為晶體管提供電流，從而實現兩位數字的計數結果顯示。四、性能的測試電路整體測試圖如圖7所示。圖7電路整體測試圖用開關S1、S2模擬光電感應，S1代表人經過門外，S2代表人經過門內，開關S1、S2開始都置于低電平，有人進入，S1先變成高電平，然

15、后S2變成高電平，人經過后S1，S2再依次變成低電平；有人離開就正好相反，S2變成高電平，然后S1變高電平，人離開之后，S2，S1再依次變成低電平。當一個周期內S1先變成高電平，就說明進來一個人所以計數器加一，當一個周期內S2先變成高電平，就說明出來一個人計數器減一。當S3開關接高電平時，數據清零。所以，此電路能實現題目要求的所有功能。電路整體性能測試表如表1所示。表1 電路整體性能測試表狀態S1(門外）S2(門里）原數現數LED1LED2進門000000滅滅100001亮滅110101滅滅000101滅滅出門000101滅滅010100亮滅110000滅滅000000滅滅電路原來的狀態是00

16、，用開關模擬有人進門的效果之后，數碼管示數加一，發光二極管LED1亮了；用開關模擬有人出門的效果之后，數碼管示數減一，發光二極管LED2亮了，測試結果符合題目要求。當有人進入時，示波器顯示的波形圖如圖8所示。圖8有人進入時示波器顯示的波形圖有人進入時示波器顯示的波形圖，上面一道線為Q1，下一道線為Q2。有人進入即先把S1變為高電平，連接的1CLK和2RST也變成高電平，因為雙D觸發器的兩個觸發器的置位端（SET)均接地，此時1SET和1CLK為0，所以在時鐘上升沿觸發狀態為Q=D，將加在D1輸入端的高電平傳送到Q1輸出端，Q1跳轉為高電平。當有人離開時,示波器顯示的波形圖如圖9所示。圖9有人離

17、開時示波器顯示的波形圖有人時示波器顯示的波形圖，上面一道線為Q1，下一道線為Q2。有人進入即先把S1變為高電平，連接的2CLK和1RST也變成高電平，因為雙D觸發器的兩個觸發器的置位端（SET)均接地，此時2SET和2CLK為 0，所以在時鐘上升沿觸發狀態為Q=D，將加在D2輸入端的高電平傳送到Q2輸出端，Q2跳轉為高電平。五、結論本次課程設計題目為“實驗室人數統計電路的設計”，要求設計一個利用光線的通斷來統計實驗室人數的電路。它要求計數器的最大計數容量為99，并用數碼管顯示結果，并根據光控電路產生觸發的先后順序，判斷人員是進入還是離開實驗室，然后由可逆計數器進行加減，計數器每計一個數，發光二

18、極管指示燈閃爍一次，計數結果由數碼管顯示。有手動復位（清零）功能，當 S3被接到高電平時數據清零，數碼管顯示為零，由仿真電路的測試結果可以看出，以上功能全部實現，所以此電路能夠進行實驗室人數統計。在連接電路的過程中，由于對一下器件不熟悉，我查閱了一些資料，例如肖景和編著的CMOS數字電路應用300例，從這本書里知道了雙D觸發器4013的功能和電路連接方式以及其他芯片的功能和引腳連接方式。所以在這段時間的課程設計中我收益頗豐，對數字電子計數的理解又更上一層樓。在這次設計過程中，暴露出自己單獨設計電路的許多問題，體會到了學以致用、完成自己勞動成果的心情，感謝老師和同學們的幫助和指正使我順利完成本次課程設計。總之，這次課程設計提高了我思考問題解決問題的能力，對以后的工作來說是一個訓練。參考文獻1 章忠全.電子技術基礎.M北京:國防