数字电路设计重力加速度测定综述.docx
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数字电路设计重力加速度测定综述
《数字逻辑电路分析与设计》课程项目
总结报告
题目（A）：
重力加速度的测定
组号：
A7
任课教师：
组长：
成员：
成员：
成员：
成员：
联系方式：
二零一四年二月十八日
目录
一、实验目的………………………………………………3
二、电路设计方案及工作原理……………………………3
三、原理图……………………………………………4
四、实际电路的测试及结果分析………………………4
五、测试中遇到的问题及解决方法………………………5
六、使用实验器材原理和使用方法………………………6
七、团队成员感悟实验目的………………………………13
八、团队分工和比例………………………………………14
一、实验目的
1.设计一个重力加速度的测量、显示装置，能够测量静止状态，电梯运行状态下的重力加速度。
2.测量时间小于10秒。
二、电路设计方案及工作原理
我们的电路设计方案是落球法测量重力加速度。
x=1/2gt2
将小球从静止释放，测量小球下落的时间和距离就能测量出重力加速度。
G=2*x/t2
工作原理：
小球从高处落下，初速度为零。
当小球下落时，计时器开始工作。
当小球落下距离H时，计时器停止工作。
在小球开始下落的位置加上一个光电门，起到复位作用。
此时，所用的计数器清零。
松开手，小球自由落下，在距小球正下方H的位置放置另外一个光电门，当小球经过时，通过计数器和非门，使所有的计数器停止工作。
实验用具：
实验用具
数量
74ls04
1
74ls160
4
74ls47
3
555
1
电阻
如图
按键
1
电容
如图
数码管
3
光电门模块
2
三、原理图
注：
图中按键A、B为光电门模块图中左上角160计数器的功能是使所有的计数器停止，中间三个160计数器记录时间，左下角555产生1KHz的矩形脉冲信号
四、实际电路的测试及结果分析
原理：
自由落体法测重力加速度
所用公式：
x=gt^2/2
参数：
x为下落距离，即两光电门相距距离，我们设定为50cm。
t为下落时间，即数码管显示的时间
g为待求的重力加速度
测试步骤：
开始时，将小球靠近上方的光电门，并遮挡住光电门，这时电路复位，数码管清零，接着释放小球，让其做自由落体运动，下落过程中经过下面的光电门，电路停止工作，同时数码管停止计数并显示下落所用时间，记录时间。
由于是初速度为0的自由落体，采用公式：
x=gt^2/2可计算出重力加速度g。
测试数据：
时间次数
1
2
3
4
5
时间t（s）
0.30
0.28
0.29
0.31
0.30
重力加速度g（m/s^2）
11.1
12.7
11.9
10.4
11.1
下落距离x=50cm，公式x=gt^2/2.
结果误差分析：
重力加速度的理论值为g=9.8m/s^2，我们测得数据和理论值相比较，绝对误差在0.6（m/s^2）~2.9（m/s^2）之间，相对误差在6.1%~29.5%之间。
误差产生原因：
1.空气阻力。
2.555电路由于电阻不精产生的震荡误差。
3.计时器开始计数时，小球已有一定速度。
4.小球本身具有一定体积，通过上下两个光电门时小球测量位置不同，导致误差。
五、测试中遇到的问题及解决方法
问题一：
计数不准确
问题描述：
我们组本来设想用单摆测重力加速度，测量小球通过20次光电门的时间，即十个周期。
但由于光电门计数时脉冲有毛刺，产生抖动，导致计数器计数不准确。
无法得到具有一般规律的数据。
解决方法：
测量重力加速度原理改为自由落体法，计数器只记一次脉冲信号，当小球遮挡光电门时产生一个高电平脉冲，使得电路开始计时。
这样避免由于多次计数不准导致的问题。
问题二：
数码管亮度不均
问题描述：
中间数码管有时无法显示，只有用力按这个数码管才能亮。
除此之外，最左边数码管有一段亮度与其他段相比较低。
问题分析：
关于亮度一致性的问题是一个行业内的常见问题。
有二个大的因素影响到亮度一致性。
一是使用原材料芯片的选取，一是使用数码管时采取的控制方式。
①原材料--芯片的VF和亮度和波长是一个正态分布，即使筛选过芯片，VF和亮度和波长已在一个很小的范围了，生产出来的产品还是在一个范围内,结果就是亮度不一致。
②要保证数码管亮度一样，在控制方式选取上也有差别
解决方法：
中间的数码管经过补焊，已经可以正常显示，而另一个数码管的一段显示亮度不够，经过测试发现是数码管工艺问题。
由于数码管上已焊引脚过多，不好拆了重焊，因未解决这个问题。
六、使用实验器材原理和使用方法
.74LS160十进制同步计数器（异步清除）
简要说明：
160为可预置的十进制同步计数器，共有54/74160和54/74LS160两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：
160的清除端是异步的。
当清除端/MR为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能。
160的预置是同步的。
当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0－Q3与数据输入端P0－P3一致。
对于54/74160，CP由低至高跳变或跳变前，当如果计数控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。
160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0－Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
对于54/74160，只有当CP为高电平时，CEP、才允许由高至低电平的跳变，54/74LS160CET而的CEP、CET跳变与CP无关。
160有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
对于54/74LS160，CP出现前，在即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。
74LS160管脚图
引出端符号：
TC进位输出端、
CEP计数控制端、
Q0－Q3输出端、
CET计数控制端、
CP时钟输入端（上升沿有效）、
MR异步清除输入端（低电平有效）、
PE同步并行置入控制端（低电平有效）。
极限值：
电源电压------------------------------------------------7V
输入电压
54/74LS160---------------------------------------7V
CEP与CET间电压
54/74160-----------------------------------------5.5V
工作环境温度
74ls04------------------------------------0～70℃
贮存温度--------------------------------------－65～150℃
.74LS04六反向器
极限值
电源电压………………………………………….7V
输入电压
54/74LS04……………………………………7V
工作环境温度
74XXX………………………………….0~70℃
存储温度……………………………-65~150℃
.74LS47七段显示、译码驱动器
工作电压5V。
常用的BCD对七段显示器译码器/驱动器之IC包装计有TTL之7446、7447、7448、7449与CMOS之4511等等。
其中7446、7447必须使用共阳极七段显示器，7448、7449、4511等则使用共阴极七段显示器。
在正常操作时，当输入DCBA=0010则输出abcdefg=0010010。
故使显示器显示"2"，当输入DCBA=0110时，输出abcdeg=1100000，显示器显示"6＂。
在7447中尚有LT、RBI与BI/RBO之控制脚，其功能分述如下:
该电路是由与非门、输入缓冲器和7个与或非门组成的BCD-7段译码器/驱动器。
通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。
7个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个与或非译码门。
剩下的与非门和3个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）端及动态灭灯输入（RBI）端。
该电路接受4位二进制编码—十进制数（BCD）输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。
输出结构设计成能承受7段显示所需要的相当高的电压。
驱动显示器各段所需的高达24mA的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。
BCD输入计数9以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一信号。
该电路有自动前、后沿灭零控制（RBI和RBO）。
试灯（LT）可在端处在高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI），它用来控制灯的亮度或禁止输出。
该电路在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或直接驱动白炽灯指示器。
7447之输出系为驱动器设计，其逻辑0之吸入电流高达40mA，故在使用必须加入330Ω左右电阻加以限流，以免过大电流流经LED而烧毁显示器，如图3 所示。
图1DM7447ADM5447A引脚功能图
表1DM7447ADM5447A真值表
H=高电平L=低电平×=不定
注：
1、当需要0到15的输出功能时，灭灯输入（BI）必须为开路或保持在高逻辑电平，
若不要灭掉十进制零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或处于高逻辑电平。
2、当低逻辑电平直接加到灭灯输入（BI）时，不管其它任何输入端的电平如何，所
有段的输出端都关死。
3、当动态灭灯输入（RBI）和 输入端A、B、C、D都处于低电平而试灯输入（LT）为
高时，则所有段的输出端进入关闭且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。
4、当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或保持在高电平，且将低电平加到试
灯输入（LT）时，所有段的输出端都得打开。
*BI/RBO是用作灭灯输入（BI）与/或动态灭灯输出（RBO）的线与逻辑。
图2 七段显示器对74LS47之应用电路图
.共阳七段数码管介绍
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
这里主要介绍最常用的发光二极管七段显示器（也叫七段数码管）。
它的每一个字段是一个发光二极管。
示意图如图4.16所示。
图（A）为七个显示字段的示意图，图（B）为七段数码管可以显示的16种字符。
当某些发光二极管因为有驱动电流而发光时，因为发光的字段不同，可以组成不同的数字，如图4.16（B）所示。
当输入代码小于9时，译码器的输出应该使七段显示器显示0～910种数字；当输入代码大于9时，译码器的输出应该使七段显示器显示一定的图形，这些图形应该与有效的数字有较大的区别，不至于引起混淆。
当输入代码为15时，七段数码管所有的LED都不亮，这时为灭零状态。
（A）（B）
图4.17七段LED显示器内部连接图
图4.1174LS147管脚排列图
为了使用方便，通常将各发光二极管的阳极或阴极连接在一起，这样七段LED显示器就有两种连接方式，如果将各发光二极管的阳极连接在一起成为公共电极，则称为共阳极接法如图4.17（A）所示；如果将各发光二极管的阴极连接在一起成为公共电极，则称为共阴极接法如图4.17（B）所示。
有的七段LED显示器，不但有A~F七个输出端，还有其它字符如小数点。
这样的数码管实际上输出是八段。
所以使用数码管之前要看清是几段输出，是共阴极还是共阳极的。
例如译码器用输出高电平驱动显示器时，应该选用共阴极的数码管；译码器用输出低电平驱动显示器时，应该选用共阳极的数码管。
Ⅴ.光电门模块参数说明
1当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2～30cm，检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。
2、传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。
其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。
3、传感器模块输出端口OUT可直接与单片机IO口连接即可，也可以直接驱动一个5V继电器；连接方式：
VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO
4、比较器采用LM393，工作稳定；
5、可采用3-5V直流电源对模块进行供电。
当电源接通时，红色电源指示灯点亮；
6、具有3mm的螺丝孔，便于固定、安装；
7、电路板尺寸：
3.2CM*1.4CM
8、每个模块在发货已经将阈值比较电压通过电位器调节好，非特殊情况，请勿随意调节电位器。
模块接口说明
1VCC外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）
2GND外接GND
3OUT小板数字量输出接口（0和1）
七、成员感悟
马敬川：
在此次项目试验中我认为大学生创新性实验项目实施强调自主性、探索性、实践性和协作性,遵循“兴趣驱动、自主试验、重在过程”的原则。
注重创新性实验项目的实施过程讲究长远效益,强调项目实施过程中在创新思维和创新实践方面的收获,重点培养学生的创新意识和创新能力,不急功近利,不为成果而设计,重在实施过程中得到的锻炼和培养。
赵思成：
在此次项目试验中我认为研究方面，最深的体会就是要善于勤于思考，主动动手动脑。
创新实验不是基础课上的实验那样，只要按着老师讲的步骤做就行了。
做的课题对于我们来说，可能是一个没有接触过的新领域，没有人会具体告诉我们每一步该怎么做。
需要自己去找文献、查资料，去独立思考。
其中会遇到很多困难，这个时候除了寻找帮助，最重要的还是自己思考。
陶键：
在此次项目试验中我认为本项目系统设计的各个模块逐一设计，虽然每一个设计过程都遇到不同程度的困难，在我们的团结协作下都得到解决，这个项目锻炼了项目组人员的动手能力、创新意识以及解决问题的能力，当然，由于投入的时间有限和课题组人员能力的限制，本课题还存在很多不足之处。
李超然：
在此次项目试验中我认为在创新方面，首先要确定创新的方向和目标。
方向和目标是贯穿整个实验的核心，只有明确方向，围绕这个方向努力下去，才可能有结果。
创新点可以从很多方面确定，不一定是很高深很前沿的东西。
只要不是照搬别人已经做过的东西，在自己力所能及的范围内就好。
当然，能做出更大的成就最好。
有时思维可能会出现“停滞不前”的现象，好像只能思考到这个程度了。
这时要用发散思维多方位的考虑，作出大胆的猜测。
但要始终围绕创新点，不能偏离主题，也不能随意猜测，而要有根据有目的地做出假想，再一步步实践去论证自己的猜测。
其实，每一个伟大的成就都是这样“平凡”地一步步得出来的。
张慧：
在此次项目试验中我认为，我们不仅学到了实验本身所带来的动手能力以及实践能力的提高,而且学到了认真仔细、坚持不懈,善于思考总结的可贵精神,并对“大学生创新性实验计划”有了更深入的体会。
八、工作分配及百分比
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