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沈阳航空航天大学课程设计（说明书）实验室人数统计电路的设计班级学号学生姓名指导教师沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称数字逻辑课程设计课程设计题目实验室人数统计电路的设计课程设计的内容及要求：一、设计说明设计一个利用光线的通断来统计实验室人数的电路。设计两路光控电路，一路放置在门外，另一路设置在门里，当有人通过门口时（无论是进入或是走出房间），都会先触发一个光控电路，再触发另一个光控电路。要求根据光控电路产生触发的先后顺序，判断人员是进入还是离开实验室，当有人进入时令计数器进行加计数，当有人离开实验室时进行减计数。其电路原理框图如图1所示。它由光电控制电路，脉冲整形电路，控制逻辑电路，计数器电路，译码显示电路等组成。图1实验室人数统计电路原理框图二、技术指标计数器的最大计数容量为99，并用数码管显示。三、设计要求1．在选择器件时，应考虑成本。2．有手动复位（清零）功能。3．要求计数器每计一个数，发光二极管指示灯闪烁一次（或蜂鸣器响一次）。光电电路I数码显示声、光报警电路脉冲整形光电电路II脉冲整形控制逻辑电路加减法可逆计数器显示译码手动复位4．可选元件：(1)红外发光二极管和光电三极管(对管);(2)集成译码显示电路74LS47或其它；(3)可逆计数器74LS190或者74LS192；(4)LED数码管；(5)555定时器；(6)发光二极管等。四、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。2．进行实验数据处理和分析。五、推荐参考资料1.谢自美.电子线路设计·实验·测试.[M]武汉：华中理工大学出版社，2000年2.阎石.数字电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2006年3.付家才.电子实验与实践.[M]北京：高等教育出版社，2004年六、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表：序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：2015年6月25日一、概述本次课设的任务是实验室人数统计电路的设计，要求我们运用理论课上学到的知识来完成人数统计的电路设计，让使用者可以通过这个电路了解实验室内的总人数和人员进出的变化情况，然后根据这些数据做出反应。对任何知识的掌握程度都取决于对其认识的程度，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，只有自己动手设计电路才能较好的理解基础知识和基本技能。在查阅资料之后，本次实验设计首先用红外线感应电路感应实验人员的进出，有人进入或离开时依次触发两个光电电路，继而根据光电电路显示的人员进出的情况用控制逻辑电路发出脉冲，使用加减计数器实现加减计数功能，即有人进入时令计数器进行加计数，当有人离开实验室时进行减计数，同时伴随着人数加减的数码管显示还有灯光或者蜂鸣报警电路提示，最后把总人数结果通过数码管反映。现代人类社会已经进入信息时代，因而信息技术对社会发展，科学进步将起到决定性作用。为了达到节省人力资源的目的，避免人工的繁琐计算，使用数字逻辑电路是一个极其方便的方法用以记录出的人数和入的人数以及总人数。这次课程设计是一个对我们实践能力的检验，同时也是一个机会，让我们深入了解人数计数器的组成和如何让计数报警的功能实现，人数计数器在超市、商场、酒店、实验室等大多数人类活动场所都能用到，所有它对于当今社会具有重大的意义。二、方案论证方案一：方案一原理框图如图1所示。图1方案一原理框图实验室人数统计电路由模拟光电感应电路、控制逻辑电路、计数译码显示电路、和声光报警电路四部分组成。现实中用红外线感应器感应人进出，由红外感应器产生信号跳变，但是由于在实验条件下无法真正实现人进人出的效果，所以用开关模拟光电感应电路代替红外线感应器，根据开关高低电平变化模拟出有人进出的效果，连接双D触发器将脉冲光电电路I数码显示声、光报警电路脉冲整形光电电路II脉冲整形控制逻辑电路加减法可逆计数器显示译码手动复位发送给声、光报警电路进行提醒和计数译码电路进行加减、译码，最后由数码管显示人数。方案二：方案二原理框图如图2所示。图2方案二原理框图由单片机、红外发射器、红外接收器、显示译码电路、声光报警电路组成，在门里门外各放一组红外感应器，当有人进出时红外感应器产生信号跳变反映到单片机上，单片机进行计数然后通过蜂鸣器或二级管实现声光报警功能，通过数码管显示人数。本实验采用方案一。由于我们还没有学习过单片机，对其各种功能和性能参数并不了解，所以方案二并不可行。方案一的器件我们相对熟悉，而且价格相对低廉，电路连接比较容易，实验效果也证明它正确可行，所以在这个实验里选用方案一进行电路设计。三、电路设计1.光电传感器电路的设计光电传感器电路的设计如图3所示。图3光电传感器电路的设计U14013BP_5V1Q~1Q1CLK1RST1D1SETVSS2SET2D2RST2CLK~2Q2QVDDVSS0VLED1LED2GNDGNDVCC5VU10U11PHOTO_TRANSISTOR_RATEDR3330ΩR520kΩVCC5VVCC5VR4330ΩR620kΩU8U9PHOTO_TRANSISTOR_RATED光电电路I声、光报警电路脉冲整形光电电路II脉冲整形单片机显示译码实际情况中应该用红外线感应器来感应人进出实验室的情况,光控电路用于将光信号转换为系统所需的电信号,双D触发器的两个输入端各需要一个红外线发射器与红外线接收器。当人没有经过红外线感应器时，红外线发射管LED-RED-RATED将红外线发射给接收管PHOTO-TRANSISTO-RATED,接收管导通，集电极为低电平；当有人经过后，红外线发射管发射的红外线被遮挡，接收管接收不到红外线，所以接收管不导通，集电极为高电平，并且将高电平信号发送给双D触发器，双D触发器将脉冲发送给声、光报警电路进行提醒和计数译码电路进行加减和译码。而仿真情况下无法用红外线感应器来实现实验目的，所以用两个开关代替。2.人进人出控制电路的设计人进人出控制电路的设计如图4所示。图4人进人出控制电路的设计因为仿真软件multism没有红外感应器，所以用开关模拟光电感应。开关模拟光电感应电路中S1是代表门外的开关，S2是代表门内的开关，初始都置于低电平，有人进入，S1先变成高电平，然后S2变成高电平，人经过后S1，S2再依次变成低电平；有人离开就正好相反，S2变成高电平，然后S1变高电平，人离开之后，S2，S1再依次变成低电平。VCC5VVCC5VU14013BP_5V1Q~1Q1CLK1RST1D1SETVSS2SET2D2RST2CLK~2Q2QVDDVSS0VVCC5VLED1LED2GNDGNDS1Key=SpaceS2Key=Space从S1、S2电平的变化可以得知人员是进是出。人员进出实验室的时序逻辑图如图5所示。图（a）为人员进门时的时序逻辑图，图（b）为人员出门时的时序逻辑图。S1S2S1S2Q2Q1Q2Q1（a）人员进门时序逻辑图（b）人员出门时序逻辑图图5人员进出实验室的时序逻辑图4013BP_5V双D触发器是集成触发器芯片，内部有两个独立的D触发器。每个D触发器都有一个置位端（SET),复位端（RST),时钟端（CLOCK),数据输入端（D),两个输出端Q和~Q端。当RST为1、SET为0时，无论D和CLK（时钟信号）为哪种状态，输出Q一定为0，因此RST可称为复位端。当SET为1、RST为0时，输出Q一定为1，因此SET称为置位端。当RST、SET均为0时，在ClK端有脉冲上升沿触发，即Q=D。接线时，两个触发器的置位端（SET)均接地，输入端（D)都接高电平，时钟端1CLK和复位端2RST接开关S1，时钟端2CLK和复位端1RST接开关S2，输出端Q1、Q2分别接LED1、LED2两个二极管，~Q1端接的UP端，~Q2接U2的DOWN端。LED1接双D触发器的Q1端，LED2接双D触发器的Q2端。当有人进入室内时，S1变为高电平，连接的1CLK和2RST也变成高电平，随后S2变为高电平，连接的2CLK和1RST也变成高电平，然后S1、S2依次变为低电平。因为双D触发器的两个触发器的置位端（SET)均接地，所以在时钟上升沿触发，将加在D1输入端的高电平传送到Q1输出端，由Q1传给LED1，二极管LED1亮，同时~Q1端把高电平传给加减计数器的UP端，~Q2输出低电平给加减计数器的DOWN端，实现计数器加一。当有人从室内离开时，S2变为高电平，连接的2CLK和1RST也变成高电平，因为双D触发器的两个触发器的置位端（SET)均接地，所以在时钟上升沿触发，将加在D2输入端的高电平传送到Q2输出端，由Q2传给发光二极管LED1，二极管LED1亮，同时~Q2端把高电平传给加减计数器的down端，~Q1输出低电平给加减计数器的UP端，实现计数器减一。3.计数译码显示电路的设计计数译码显示电路的设计如图6所示。图6计数译码显示电路的设计图计数器74LS192N是十进制可预置同步可逆BCD码计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数功能，在本实验中作为加减计数器使用。使用两个74LS192N计数器U2、U3分别计算个位和十位，74192N上升沿触发，由UP，DOWN两管脚控制加减计数，UP端为增计数脉冲输入，DOWN端为减计数脉冲输入，有异步置数端LOAD和异步复位端CLR，借位输出端BO’和进位输出端CO’分别输出高电平表示加进位和减进位。接线时，异步置数端LOAD为加载，低电平有效，在本电路中接高电平。两个异步复U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U374LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U474LS48NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U574LS48NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U7ABCDEFGCKVCC5VGNDGNDS3Key=SpaceU6ABCDEFGCKVCC5VVCC5VVCC5VR2680ΩVCC5VR1680ΩVCC5V位端CLR接单刀双掷开关S3，当开关S3接高电平时，计数器实现清零，其他操作被禁止。BO为借位输出端接着十位的DOWN，用于发出退位信号，CO为进位输出端接着十位的UP，用于发出进位信号，实现两位数的加减运算。译码器74LS48N芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，用在数字电路的显示系统中，由于74LS48N输出高电平有效所以选用共阴极数码管。接线时，U4的输入端ABCD接U2的输出端QAQBQCQD，LT’，RBI’，BI/RBO低电平有效接高电平。U5的输入端ABCD接U3的输出端QAQBQCQD，LT’，RBI’，BI/RBO接高电平，U4、U5输出端分别接代表个位、十位的数码管，另外用两排阻值为680欧的电阻排接高电平连接U4、U5为晶体管提供电流，从而实现两位数字的计数结果显示。四、性能的测试电路整体测试图如图7所示。图7电路整体测试图用开关S1、S2模拟光电感应，S1代表人经过门外，S2代表人经过门内，开关S1、S2开始都置于低电平，有人进入，S1先变成高电平，然后S2变成高电平，人经过后S1，S2再依次变成低电平；有人离开就正好相反，S2变成高电平，然后S1变高电平，人离开VCC5VVCC5VU14013BP_5V1Q~1Q1CLK1RST1D1SETVSS2SET2D2RST2CLK~2Q2QVDDVSS0VU274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U374LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB