数电课设简易顺序控制器B.docx
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数电课设简易顺序控制器B
等级:
课程设计
课程名称
数字电子技术
课题名称
简易顺序控制电路
专业
自动化
班级
学号
姓名
指导老师
程春红
2017年3月6日
报告撰写要求（此页不打印）
课程设计报告是体现课程设计成果的载体，具体要求如下：
1、课程设计报告的基本格式
（1）说明书统一使用word文档打印，A4纸张，页边距设置为：
上2cm，下2cm，左2.54cm，右2cm。
（2）正文采用宋体小四，行间距20磅；1级标题采用黑体小三，2级标题采用黑体四号，3级标题采用黑体小四；1和2级标题上下间距为0.5行。
（3）图表需统一编号，图标标题采用黑体五号；图标题在图片下方，表格标题在表格上方。
（4）装订顺序为：
封面、任务书、报告正文、评分表。
2、课程设计报告的撰写要求
（1）设计报告正文内容为6-10页为宜，主要内容为自己的设计思路、设计步骤、关键性步骤的记录、重要结果的记录以及自己本次课程设计的总结。
报告撰写要求思路清晰、结构合理、层次清晰，报告简洁但又要能体现设计过程。
（2）报告中图表要求清晰、规范，图表的尺寸大小适当。
（3）课程设计报告内容（仅供参考）：
一、课程设计的任务要求：
本次课程设计的任务要求，对照任务书中的任务要求。
二、设计方案：
对任务进行分析，提出任务的可行实现思路，包括系统框图，各子模块之间的协同工作方式（800字）。
三、单元电路（子模块，子程序）分析：
绘制各子模块电路图，详细分析其工作原理，包括信号的流向，电路工作条件，数据处理，程序流程图，有限状态机工作原理，预期结果，必要时有子模块的仿真结果分析。
报告中必须有6-8个主要子模块分析，每个子模块分析不少于200字。
不得拷贝元件说明书。
（2000字）
四、系统仿真/测试：
对采用FPGA开发板的同学，必须设计系统的测试方案，编写测试程序，打印仿真波形，分析仿真结果（600字））
五、电路安装调试：
电路的安装，调试步骤，调试过程中遇到的问题是什么？
是如何解决的？
调试结果（包括运行数据，图片）（800字）
六、元件清单：
所用元件列表，或所用FPGA资源
七、总结：
整个课程设计过程中，你觉得学习到了什么，课程设计过程中自己做的不足的地方有哪些？
对自己的学习有何启示？
希望课程设计过程或者指导老师如何改进？
……（500字）
电气信息学院
课程设计任务书
课题名称
简易顺序控制电路
姓名
黄建龙
专业
自动化
班级
1591
学号
21
指导老师
程春红
课程设计时间
2017年3月6日-2017年3月17日
一、任务及要求
课程设计任务可采用数字电路实验台，试验箱、单片机或FPGA开发板（由指导老师安排）完成。
具体要求如下：
（老师布置任务）
任务：
设计并制作一个简易顺序控制器，使执行机构按一定的程序工作，要求如下：
1.执行机构的加工程序步骤为十步，第一步和第二步各20秒，第三步至第七步各为40秒，第八步和第九步各为30秒，第十步为10秒，按顺序依次动作；2.用显示器显示顺序控制器的各步加工时间（用倒计时方式）及步骤；3.用发光二极管显示控制器的各道工序；4.用显示器显示加工步数；5.功能扩展，如：
在顺序控制器中增加循环功能，在第二至第三步加工中要循环.
要求：
1.设计思路清晰，给出整体设计框图，画出整机原理图；2.给出具体设计思路，设计各单元电路、电路器件；3.总电路设计；4.进行软件仿真和实验调试，验证设计结果；5.编写设计说明书；6.所有图纸和说明书用计算机打印
二、进度安排
第一周：
周一：
布置任务，查找资料；
周二～周三：
设计系统方案，仿真；
周四～周日：
领元器件，电路安装，或程序调试；
第二周：
周一～周二：
电路安装，调试，运行或程序调试，下载运行；
周三：
结果验收；
周四：
收元器件，整理实验室，撰写报告，答辩；
周五：
资料整理。
三、参考资料
第1章设计总体思路和框图3
1.1设计总体思路7
1.2框图原理介绍8
第2章单元电路介绍8
2.1总循环模块设计8
2.2计数器模块设计9
2.3预置数模块设计10
2.4倒计时模块设计11
2.5二极管显示模块12
2.6秒脉冲模块13
第3章总电路设计14
第4章安装、调试15
4.1安装步骤15
4.2调试步骤15
4.3调试电路图16
第5章故障分析与电路改进16
第6章元件清单………………………………………
第7章总结与设计调试体会17
参考文献21
第1章设计总体思路和框图
1.1设计总体思路
课题任务是做一个简易顺序控制器，主体部分分10个步骤，分别用数码管显示各个步骤的倒计时并用一个数码管显示步骤数，扩展部分是用一个数码管显示总循环次数。
第一步和第二步各20秒，第三步至第七步各为40秒，第八步和第九步各为30秒，第十步为10秒，按顺序依次动作。
打开电源开关时步骤数显示为一，计时数码管显示为二十，当第一个秒脉冲进来时个位开始倒计时到0时向十位借位，由数码管显示，以此完成第一步骤的20秒倒计时；当十位和个位同时为0时向计时器模块进位，并向倒计时模块置数，同时计数器模块的数码管显示步骤数，以此来完成前一步骤进入下一步骤的过渡；当计数器从1加到10时并检测到11时再次置数为1，以此来完成一个大循环；当计数器检测到11时向总循环模块进位并由数码管显示，以此来实现大循环次数显示功能；其中由138译码器控制步骤数的二极管的亮灭。
以上是大体的设计思路。
从总体上说，我们重要是要设计倒计时电路，要实现2个20秒，5个40秒，2个30秒，1个10秒的倒计时。
至于这些电路的逻辑状态怎么样的才能有序的变化，这将需要一个逻辑电路来控制了。
很明显，我们要做的是以下三大模块：
第一是计数模块，第二个是倒计时控制计数模块，第三个是组合逻辑控制置数模块。
首先整个电路里数据的传输实现必须有脉冲的触发，本课题中我们选用了555定时器接成的多谐振荡器实现秒脉冲，频率约为1Hz，其次就是1到10的计数功能了，在这一部分我采用了2位74LS192十进制计数器进行了1至10的计数，利用74LS192置数功能和组合逻辑的功能应用，把十进制计数器置成01至10形式。
课题要求实现十步计数时间上各不相同，第一步20秒，第二步20秒，第三步到第七步40秒，第八步到第九步30秒，第十步10秒，按顺序依次动作，并且这些不同秒数的控制是以倒计时的形式实现，我们采用两位十进制同步可逆双时钟BCD计数器74LS192来控制，74LS192是一个可以通过使能端实现加法或减法功能，在此设计中，我需要它的减法功能，从一个我给定的数自动减到0，控制01至10计数时间，由于我需要对倒计时控制计数模块给定10个不同的数，就需要3——8线译码器74LS138作为其译码及数据分配部分实现数据的传输及接收，首先数据的接收，当然是从01至10计数模块传输过来，每一秒都传输过来一个信号，这时译码器就接收到此信号并把它转换成倒计时的秒数传输给倒计时模块，此时倒计时开始，至倒计时结束时计数器开始跳变，当计数器跳变瞬间，组合逻辑模块马上是那个接收次信号进行转换与编译，把数据传给倒计时模块，进入下一次循环，这样一直循环下去
1.2框图原理介绍
图片1
如图2所示，01至10的计数需要2个十进制的计数器74LS160集成芯片来接收信号并把接收的信号转换倒计时所需时间数据。
根据上面的框图，可分四步完成所需电路。
第一步，设计倒计时单元电路；
第二步，设步骤计数单元电路；
第三步，设计产生预置数的组合逻辑单元电路；
第四步，设计发光二极管显示单元电路。
根据步骤，第一步，需要两个十进制同步加/减计数器实现计倒计时功能；在第二步，需要2个十进制同步计数器实现步骤的控制；在第三步，需要一个译码器与若干逻辑元件来产生预置数；第四步，需要10个发光二极管（插接用面包板已提供）来显示加工步数。
第2章
单元电路介绍
2.1总循环模块设计
利用计数器模块输出11时的脉冲给总循环计数器模块的74LS192加计数器时钟输入端UP来实现循环加次数，如图2。
图2
2.2计数器模块设计
利用倒计时模块的十位和个位同时借位时的脉冲给计数器模块74LS192的UP；并同时检测输出为6时再次将1置数以实现循环，最后由数码管显示步骤数，如图3。
我们需要显示1至10，所以用两个74ls192芯片即可。
通过两位十进制同步可逆双时钟BCD计数器74LS192的置数功能，在输入端初始置成0001，然后将其8个输出端中的QA经过与非门后，接到74LS192的置数端LOAD。
这样就将74LS160制成了11进制计数器，从而实现了步骤自加和循环。
74LS192的CLK是由两个74LS192的借位端BO同时借位时通过或门给出的信号。
如表一：
表一
步骤数
管脚
D3
D2
D1
D0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
1
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
10
1
0
1
0
步骤计数单元电路设计图如图3:
图3
2.3预置数模块设计
通过74LS192置入工序所步骤数，分别将输出通过74LS138和其它逻辑元件处理后送入两个74LS192的输入端,完成10个步骤的不同置数。
不过在这里，当74LS192送来步骤数时，组合逻辑产生的是下一步的工序时间的数字。
利用计数器模块初始置入的数据经74LS138译码器译码输出。
其中与或非逻辑电路由课题的参数设置列出的真值表逻辑转换而来，如表2。
表2
步骤数
输入
十位（高四位）
个位（低四位）
Step
A
B
C
D
D7
C6
B5
A4
D3
C2
B1
A0
一（20S）
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
二（20S）
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
三（40S）
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
四（40S）
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
五（40S）
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
六（40S）
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
七（40S）
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
八（30S）
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
九（30S）
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
十（10S）
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
经过逻辑转换器得到最小项依次为如下,最后电路图如图4。
C6:
A＇B＇CD＇
B5:
A＇BC＇D＇
A4:
ABC＇D＇
图4
2.4倒计时模块设计
通过两片十进制减法器74192来实现，两个数码显示管显示工序倒计时，当低位减为零时，再给高位192一个脉冲，高位实现减一。
当高位和低位都减到0时，给置位信号，将译码后的信号给192，再重新减。
且同时当两片74192都减为零时，显示工序步骤的LED加1，一直加到10，再循环.
简易框图如图5所示：
图5
模块电路图如图6所示：
图6
2.5二极管显示模块
该模块利用74138的译码功能，其输入端与上面的计数器74ls192输出端QA、QB、QC相连，控制整个顺序控制器的步骤计数。
发光二极管对应与74138的6个输出端相连，使顺序控制器每运行一步就有对应的一个二极管发光。
其中译码器真值表如表3，电路图如图7。
表3
输入
输出
A3
A2
A1
A0
Y'0
Y'1
Y'2
Y'3
Y'4
Y'5
Y'6
Y'7
Y'8
Y'9
Y'10
0
0
0
1
-
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
-
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
-
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
-
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
-
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
0
-
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
-
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
-
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
-
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
0
-
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
图7
2.6秒脉冲模块
利用555定时器接成多谐振荡器，震荡频率约为1Hz。
取
S由公式
，
，
可计算出
，
。
仿真如图8，9。
图8
图9
第3章总电路设计
电路如图10：
图10
第4章安装与调试
4.1安装步骤
1.检查每根导线的好坏，好的放在一边，坏的扔了；
2.拿出所需要的元件（都是新元件，不用检测），尽量按图纸上的样子排列好，插上；
3.分类，分模块接线（接一根导线就用铅笔作上记号，以免遗漏或重复）：
a.把数码管都接好；
b.把高低电平都接好；
c.接最左边的步骤控制器；
d.接中间的组合逻辑电路；
e.接倒计时单元电路；
f.接发光二极管显示单元电路。
4.接反馈线；
5.接清零开关部分的导线；
6.接上秒脉冲；
7.检查有无遗漏，按紧各导线；
8.安装完毕。
我是根据我的设计思路来接线,分步安装调试检查电路.因为这样不仅比较简单,而且便于在安装完后检查调试电路，容易找出问题在哪。
首先我们要检测各个芯片及导线，确认所有元器件都是完好的、芯片无引脚掉落并且正常工作这是最基础最重要的一步。
首先,把需要的各芯片安到面板上，合理布局芯片。
合理的布局会为以后的接线带来很大的方便。
我先接步骤计数器这个单元，按照设计图把74LS192接好，先按照74LS192管脚图和总的电路原理图将74LS192接线安装好，稳定各个管脚，接好与非门。
接入脉冲，测试一下74LS192芯片是否能正常循环计数。
接着我们开始安装倒计时部分。
两片74LS192有高低位的区别，低位的借位信号直接送给高位片的脉冲信号输入端，两片芯片的置数信号由两片芯片的借位信号通过或门来提供。
而两片192的输入端是由译码器的输出端通过组合逻辑电路来完成，组合逻辑电路后面再接。
我们先手动置入一个数，看能否循环递减。
成功后再做后面的步骤。
然后接线预置数逻辑，将步骤计数器74ls192的输出分别接入138译码器的输入，输出则根据自己数据的真值表，通过与非门后接入对应的2片192的输入端，完成预置数。
三大部分都连接完成后，然后把74ls192的输出端通过138后，输出接到LED低电平显示灯上，测试成功后我们将其与已接好的电路连接起来。
4.2调试步骤
1.通电观察：
打开电源，观察电路——无异常现象
2.清零开关打到工作端，观察每步执行情况——出现问题，检查电路后未发现接线错误，记录调试现象。
4.3调试电路图
图11
第5章故障分析与电路改进
以下是我安装调试中遇到的几个重大的故障；
1.数码管亮度不够
（1）数码管没有接电源
2.数码管显示不全
（1）接线接触不良
（2）芯片损坏（重接了3次,检查了半天才发现）
（3）接线错误
3.LED灯显示错误
（1）二极管正负极弄反
（2）导线接触不良
4.无法置数
（1）芯片损坏（我所遇到）
（2）置数逻辑电路接线错误
（3）导线接触不良
第6章元件清单
元件清单如下表：
名称
型号
个数
十进制同步加/减计数器
74LS192
5
3线-8线译码器
74LS13
4
双四输入正与非门
74LS00
1
三3输入正与非门
74LS10
1
四2输入正与门
74LS08
1
四2输入正或门
74LS32
1
六反向器
74LS04
2
芯片手册：
1.74LS192，管脚图如图12，功能表如图13。
图12
图13
2.74LS138，管脚图如图14，功能表如图15。
图14
图15
第7章总结与设计调试体会
为期两个星期的课程设计，我感觉学到了不少的东西。
由于以前学的都是理论知识，动手实践操作的很少。
而我们这次的设计就是要求我们要理论与实践相结合，并且更加注重实践。
这对我来说是学习，更是挑战。
因为我知道，这不仅能巩固以前学的知识，更能提高我的动手能力。
刚看到老师给我们这组的课题时，我觉得无从下手，脑子一片空白。
幸好有老师的指导，她通过简单的例子介绍了一下大体思路，使我从中得到了启发，有了点眉目，然后我从图书馆借了几本相关的资料，逐渐搞清楚了各部分的关联，然后慢慢的一部分一部分的设计。
准备动手画电路图时对于Multisim这个软件并不太熟悉，找元件、高低电平怎么接、二极管和七段显示器该用多大的电子等等都要XX查一下，这样进度虽然很慢，但慢慢的地也熟悉了，用起来感觉更加老练了。
我在电脑上画原理图的过程并不是很顺利，我第一次画出我的原理图时，发现仿真结果完全不正确。
这让我感到非常疑惑，因为我是按照思路一步一步画的，一个单元不成功，后面也就做不下去了，这让我很苦恼。
后来我开始检查我的图是否对芯片的功能有理解错误。
在没有结果下，我查阅了大量资料，终于找出了原因。
就这样，一个单元一个单元做，一步步的改错。
经过3昼夜，最后，完整的电路图终于完工。
仿真后不出意外的成功了，这是对我辛苦付出的最好的回报，那时的喜悦只有自己能感受。
准备接线时，我感觉很自信，我相信3、4个小时就能搞定，但是实际接线测试时我们遇到了更多问题，情况也更复杂。
一开始我们信心满满的接倒计时模块，我们很仔细的接线，但测试结果却是显示器闪烁，无数字，无倒计时。
我们很纳闷，接线应该没错，我们想会不会显示器管脚接反，反过来后还是错误。
实在没找出问题，我们决定拆了先检查各个芯片的好坏。
皇天不负有些人，检查各芯片虽然花了不少时间，但是我们检查出一个74LS32或门损坏，之前的问题顿时迎刃而解，换了一个芯片后，果然成功了。
然后再各个模块分别接线并测试。
在这其中，还找出一个显示器损坏，只要仔细观察，错误还是比较容易找出来的。
接线是一项艰巨的任务，不仅要细致、耐心、坚持，还要静下心来调试。
因为我们的心中始终有一个信念，那就是无论有多大的困难，我们也要把线接出来。
在看到计数器的6进制计数，和指示灯随步骤的进行而分步亮等结果时，我们终于松了一口气。
经过一天的努力接线找错，看到实验成果能出来尤然地感到自豪!
两个星期，说长不长，说短不短，但是我觉得我学到了许多东西，学会了用Multisim软件，了解了电路是设计，提高了自己的独立思考和动手能力，虽然有过郁闷、苦恼的时候，但最重要的是我都克服了。
我们不仅强化了理论知识，也增强了动手能力和解决实际问题的能力。
通过这次课程设计，同时也开阔了我们的眼界，加强了我们团结协作的意识，为我们以后从事相关工作增强了自信心以及经验。
参考文献
1.康华光主编.电子技术基础（数字部分），高等教育出版社。
2.阎石主编.电子技术基础（数字部分），清华大学出版社。
3.任为民主编.电子技术基础课程设计，中央广播电视大学出版社。
4.彭介华主编，电子技术课程设计指导，高等教育出版社。
5.《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编华中理工出版。
电子技术课程设计评分标准
环节
项目
评价
优
良
中
及格
不及格
实践环节（70%）
设计方案合理性与创造性
软件仿真完成情况
硬件调试完成情况
答辩情况
任务完成情况
独立工作能力
出勤情况
设计报告（30%）
设计报告内容完整、规范，图纸正确、清晰，设计步骤规范、正确，设计结果可行。
综合评价
课程设计成绩评定为：
□优□良□中□及格□不及格
指导老师签名：
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