电梯楼层显示控制器课程设计报告

目录一、前言…………………………………………………………….2二、总体方案设计……………………………………………….....3三、单元模块设计……………………………………………….....4四、系统接线调试…………………………………..….….….…10五、实践过程中遇到的问题………………………………….…..14六、实践总结及心得体会………………………….....................16七、元件清单及参考文献……………………………..................17附件、电路原理图1一、前言电子技术综合设计是综合应用模拟电子技术、数字电子技术、电子设计自动化（EDA）技术进行电子系统的综合设计。而这次的电子技术课程设计正是我们利用已学过的数电模电知识，设计八层电梯显示控制器，在实践中重温自己学过的知识。也使自己掌握各种芯片的使用方法，提高自己利用图书资源和网络资源的能力。电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯；高层住宅需要有住宅梯；百货大楼和宾馆需要有客梯，自动扶梯等。在现代社会，电梯已像汽车、轮船一样，成为人类不可缺少的交通运输工具。该课题是电梯楼层显示控制器的设计，采用实验室常见集成芯片（74LS161、74LS190、74LS194等芯片），进行中规模集成电路设计。2二、总体方案设计2.1设计目标基本功能：1）用一位数码显示管显示电梯行进楼层位置（八层楼1-8）；2）电梯停车时，能响应每层楼电梯按钮的呼唤；电梯行进时不响应不记忆呼唤；3）能控制电梯行进（假定行进一层楼所需时间2S），给出电梯停止、上行、下行指示。附加功能：1）用数码管显示乘客要去的目标楼层；2）电梯超重等报警电路，一旦报警电梯紧急制动不行进；3）步进电机正反转模拟电路。当目标楼层实时楼层时，系统能输出使电机正转的时序信号，使电梯上升；当目标楼层实时楼层时，系统能输出使电机反转的时序信号，使电梯下降；当目标楼层=实时楼层时，系统停机信号，使电机停止运行并开门。2.2整体设计流程图多谐振荡电路分频电路移位电路寄存电路楼层编码电路比较电路计数电路显示电路显示电路单限比较电路3三、单元模块设计3.1楼层输入电路使用二-十进制编码器74LS147实现对电梯楼层输入的编码。初始状态为高电平，当开关按下时为低电平。1楼对应I1直到8楼对应I8，I9无效接高电平。例如按下一楼对应编码为1110。由于二-十进制编码器的优先性，所以两个楼层同时按下只响应高楼层不响应低楼层，具体的电路如图3-1：图3-13.2楼层保存电路利用74LS160十进制计数器预置数和保持功能实现对楼层的保存，由于74LS147的输出是反码，所以在74LS147和74LS160之间需要添加反相器。例如按下一楼时保存0001，具体电路如图3-2：4图3-23.3多谐振荡电路利用555定时器组成多谐振荡器，多谐振蛋器在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。利用555定时器产生频率为128Hz的矩形脉冲波，R2采用可变电阻器，方便频率的调节。具体的电路如图3-3：图3-353.4分频电路采用两片同步十六进制74LS161异步级联组成256进制的计数器，由于74LS161是下降沿触发的，所以在低位片的输出端CO端需要加反相器。具体的电路如图3-4：图3-43.5楼层比较电路使用4位数据比较器74LS85反复比较乘客输入的目标楼层号（记为A）与电梯实时楼层号（记为B）的大小。若AB则上行指示灯亮并且电机模拟上行，若A=B则停止指示灯亮并且电机停止，若AB则下行指示灯亮并且电机模拟下行。当电梯在运行时，楼层呼叫无效，该功能是利用模拟传输门TG门实现的。具体电路如图3-5：6图3-53.6楼层变化计数电路使用同步十进制加减法计数器74LS190实现电梯上下行的计数，加减法的判断是通过74LS190的输出反馈到74LS85比较器实现的。同时通过7447数字显示译码器显示实时楼层。具体的电路图如图3-6：图3-63.7楼层数码显示电路数码显示电路包括：乘客目标楼层显示电路和电梯实时楼层显示电路。它们的电路结构是一样的。使用7段数码显示译码器7447和共阳七段数码管，显示乘客输入的楼层以及电梯实时的楼层。例如乘客按下1号楼的按钮，则目标楼层数码显示电路显示1；电梯现在运行到了3楼，则实时楼层数码显示电路显示3。具体的电路如图3-7：7图3-73.8电梯上下行指示及电机脉冲分配电路指示灯采用发光二极管，在楼层比较电路部分已经解释了上下行及停止的只是原理。电机正反转模拟是采用移位寄存器74LS194实现当环形信号输出为右移100-010-001-100时，电机正转；当环形信号输出为左移001-010-100-001时，电机反转。0和1用发光二极管指示，0为发光二极管不亮，1为发光二极管亮。具体的电路如图3-8：图3-883.9超重报警电路该部分采用单限比较器，用可变电阻器模拟拉力传感器输出电压的变化，一旦超重，指示灯将闪烁、蜂鸣器报警、同时电梯将停止，直到恢复正常荷载内才运行。具体的电路如图3-9：图3-99四、系统接线调试4.1仿真过程1）电梯初始状态：2）电梯上行状态：4）电梯停止状态：105）电梯下行状态：6）电梯报警状态：4.2实物接线图1）电梯下行状态（左上角的显示数码管为乘客的目标楼层，右上角的数码显示管为电梯实时楼层）112）电梯停止状态（电梯上下行指示灯为中上方的绿黄绿三个指示灯，分别表示上行、停止、下行）3）电梯报警状态（左上角的红色发光二极管为报警指示灯，中下方的三个红色发光二极管为电机模拟正反转）1213五、实践过程中遇到的问题1）最初的问题是该用什么芯片实现电梯的显示控制功能，在通过对相关资料的查询后，逐渐有了一些思路，但随之而来的问题是该用什么软件画图，电工软件很多，例如ORCAD、Protel2006等等，最后我们还是用了学习过的multisim电工仿真软件。在设计画图的过程中也遇到了很多问题，仿真软件的仿真不稳定，时好时坏，后来通过查询资料才知道仿真出错不是电路错误而是仿真时间步长过长导致数据不收敛溢出。画图也遇到了问题，有些元件在multisim元件库中没有找到，例如8X8点阵屏。2）在编码器的选择上也遇到了问题，我们最初选择二-十进制优先编码器74LS147对8个楼层进行编码，但由于74LS147编码输出为反码，所以还需要添加四个反相器来求反。如果采用74LS148将可以减少反相器数目，但是接线比较混乱，还需要引入一个或门。其接线如下图5-2，综合考虑我们最后还是采用了74LS147。图5-23）楼层数据的寄存也困扰了我们很久，我们在仿真上采用锁存器74116，但是由于74116不是脉冲触发，而楼层开关按下时同步的没有延时，所以无法完成寄存，最终我们采用了一块比较熟悉的十进制计数器74LS160来完成预置数和寄存功能。4）电梯初始状态要求显示为1楼，通过不断的尝试，我们利用的电容充放电14延时来实现。其仿真图如图5-4-1，但在实际的接线中采用电容延时很不稳定并且影响超重报警功能的实现，所以最终采用添加一个复位开关来实现，如图5-4-2。电梯楼层改变计数器74LS190的输出置1也出现了问题，我们最初采用对74LS190进行预置数，但由于比较器74LS85的比较又将实时数码管置0，在实物接线上多次试验发现还是不对74LS190进行预置数，而是等CP上升沿到来进行加法计数然后置1，这种方法的不足就是可能最长需要等待一个周期即2秒才能完成实时数码管的置1。图5-4-1图5-4-25）在时钟脉冲的的产生上我们也遇到问题，我们最初的仿真是首先由555定时器连接成多谐振荡器产生频率为100Hz的矩形脉冲波，然后再通过由两片74LS161异步级联为200进制的计数器，从而产生频率为0.5Hz的矩形脉冲波。但两片74LS161异步级联为200进制计数器需要引入一个8线输入与非门电路，并且将8线输入与非门的输出端Y反馈到置数端，但在实际接线中，可能由于反馈的电压不足无法将两片74LS161同时置数，所以最终我们采用首先由555定时器连接成多谐振荡器产生频率为128Hz的矩形脉冲波，然后再通过由两片74LS161异步级联为256进制的计数器，从而产生频率为0.5Hz的矩形脉冲波。这样将可以少一个8线输入与非门，置数端只需接高电平1即可。6）附加功能一直存在一个问题，至今未懂解决，在电梯超重报警时，如果电梯原来状态时上行，一旦超重报警，电梯可以立即停止直到恢复正常荷载从原位置继续上升到目标楼层。但对于原来状态时下行时，原本设计的功能是电梯可以立即停止直到恢复正常荷载从原位置继续下降到目标楼层，但在实际试验运行中发现，电梯可以完成立即停止操作，但是恢复到正常荷载时无法从原来位置逐层下降到目标楼层，而是瞬间跳到目标楼层，有时甚至乱码。15六、实践总结及心得体会对于这次电子技术课程设计，应该学到了一些东西，了解了电子设备设计生产过程，在第一节的理论课上，老师就讲解了这些知识，电子产品的设计采用顶真设计、模块设计。首先需要知道这个产品的要实现的功能是什么，然后这些功能需要什么电路来实现，例如设计一个温度检测装置，它的原理总框图应该是铂热电阻采集电路、滤波电路、信号放大电路、显示电路。在总功能的前提下，设计各个模块的单元电路，分块设计，分块接线，分块调试，然后整体调试组装，这样将有利于问题的最快发现和解决，在最坏的结果下也不至于拆整个电路，这个设计思想对我们以后的工作学习都可以运用，就像我们平时做事需要分步进行，有条理，而不是一哄上，主次不分，导致效率低下。在电路的设计过程中，也了解了一些常用的电路绘图软件，例如ORCAD、Protel2006、Protel99SE、AutoCADElectrical、multisim等等，现在已经学会multisim的一些常规操作。这也让我认识了一个新的领域，原来以为AutoCAD只能画画机械制图之类的二维图，现在知道了还有电工版CAD；以前做实验时总觉得multisim没什么用，一堆东西看不懂，但真正自己设计然后再去上面仿真，这时才真正感觉到multisim的强大之处。但仿真毕竟还是仿真，跟实际还是有差距的，我们最初的电路在仿真上可以很好的运行，但到了实物接线就出问题了，不出结果或者结果错误，这很有借鉴意义，对于工科，我们必须去实践，不能纸上谈兵，仿真之类的都是理想状态，这世界有很多偶然性是人们所不可预测的。在实物接线中，讲究规范，实际上随意接线很快就可以接完，但能出结果的概率很小，就算去规范接线，有时还是会接错的，但接错不是问题，采用仪器一检测就能发现其中问题，如果随意布线，问题都难以找出，工程上的这些规定都有其合理性，所以我们应该耐得住性子，耐心接线，质量和效率的最大优化。这对于我们日常生活同样有启示，无规矩不成方圆，做任何事都有规矩，规矩可能人们自己为了提高效率促进公平而设置的，自然规律应该也算规矩，科学就是去发现自然规律，认识自然规律，然后遵守它利用它。这次的电子课程设计已经结束，我们得到了一次很好的动手实践机会，学到了一些新知识，也温习运用了学过的知识。在此同时也感谢老师们的辛勤指导和帮助，给我们的方案提出了很多改进意见，帮助我们顺利完成课程设计。16七、元件清单及参考文献元件清单：序号元件名称数量1电源（±VCC、GND）各1个274LS1471块374LS1601块474LS1901块574LS851块674LS1612块774482块874LS1941块95551块10电阻（10Ω）18个11电阻（100Ω）1个12电阻（1kΩ）2个13电阻（2kΩ）1个14电阻（10kΩ）8个15电阻（300kΩ）1个16可变电阻（20Ω）1个17可变电阻（1MΩ）1个18电容（10nF）2个19电容（30μF1个20开关10个21CC40161个22OP07123LED灯724蜂鸣器1个25数码管2个2674LS0422774LS302个287