电子系统课程设计

医用滴速计河北工程大学1一、课程设计目的加强实践，提高动手能力，将所学的理论知识与实际联系起来，掌握电子应用系统的开发过程。（1）掌握医用滴液速度计的工作原理；（2）熟悉电子应用系统设计过程和硬件实现的方法；（3）熟悉数字电路中相关器件的用法功能；（4）要求能用相关器件检测液滴，并对其进行计数和定时，从而实现速度的计算和显示。二、课程设计正文2.1总体论述2.1.1具体设计任务；熟悉CD4098双单稳态触发器、CD4013、MC14518二/十进制同步加计数器、CD4012与非门、CD40103、CD4520、CD4001、4040、4553、4线-7段锁存译码器/驱动器CC4511以及数码管LED的原理及其应用；掌握三极管的使用方法；设计外部硬件电路；对硬件电路进行调试。2.1.2输入要求；NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过MC14518芯片分频，分别产生10Hz和1000Hz的脉冲，按键按下后产生上升沿以触发4013芯片工作。2.1.3输出要求；能够实时显示滴速，定时时间一到4553立即锁存。2.1.4性能指标；系统具有较高的稳定性，测试应具有较高的精确度，能达到0.001s。2.1.5实际电路所能完成的功能：医用滴速计河北工程大学2实际电路能够测试液滴的滴速（单位：滴/分钟），并且每两滴即可测试出滴速，滴三滴数码管显示值就会刷新一次。本电路具有实时性好的优点，但滴速有上限，即滴速不能超过100滴/分钟，若超过了就不能正确显示。系统稳定性较好但按键有一定的抖动。2.1.6理论电路所能完成的功能。理论电路能够测试液滴的滴速（单位：滴/分钟），并不是每过一分钟数码管的值才刷新一次，而是滴了三滴数码管显示值就会刷新一次，两滴即可测试出滴速。本电路具有实时性好的优点，但滴速有上限，即滴速不能超过100滴/分钟，若超过了就不能正确显示。CD4040计数周期600ms。假设已知滴速为v滴/分钟(每滴的间隔为60/v秒)，通过分析电路经过600/(60/(0.1*v))运算结果正好就是v，所以此电路显示的就是每分钟的滴速v。2.2方案选型2.2.1电路的总体方案根据设计要求，选择电路的总体方案如下，本系统分三个模块分别是：时钟输入模块、运算模块和动态显示模块。医用滴速计总体电路图如图1所示：图1医用滴速计总体电路图本系统是测试液滴的滴速，即每60秒滴下的滴数，而通过两滴即可测试出液滴的滴医用滴速计河北工程大学3速，第三滴滴下显示刷新，为了调试方便，暂以按键代替传感器检测液滴。上电后，通过对电容充电使CD4013复位完成系统初始化设置，系统检测是否有上升沿，若没有检测到上升沿回到初始化状态，当按键按下后产生上升沿以触发4013-1芯片工作，4013-1芯片Q端输出为高电平与MC14518芯片分频产生10Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门1打开门2关闭cd4520计数并为40103提供预置数。当按键第二次按下后4013-1Q端输出电平翻转，Q非端输出电平由低变高，并且与通过MC14518芯片分频产生1000Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门2打开门1关闭时，cd4098-1的暂稳态上升沿让cd4040的R端翻转为0，允许计数，并在数码管上显示滴速，且让cd4553锁定锁存器，当按键第三次按下后4013-1Q端输出电平翻转，Q端输出电平由低变高开始第二次测速。否则显示第一次的滴速。系统工作流程图如图2所示：医用滴速计河北工程大学4图2系统工作流程图2.2.2各单元电路方案及集成电路2.2.2.1时钟输入模块NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过MC14518芯片分频，分别产生10Hz和1000Hz的脉冲，按键按下后产生上升沿以触发4013芯片工作。4013输出分别与10Hz和1000Hz的脉冲共同作用通过4001产生上升沿以触发运算电路模块工作，输入及时钟模块电路如图4所示：开始初始状态上升沿触发输入计数器1计数上升沿2次触发否是计数器2减计数计数器3定时器开启计数器4加计数计数器3定时截止否是显示最终计数结果医用滴速计河北工程大学5图3输入及时钟模块2.2.2.2运算模块运算模块是系统的核心部分，其模块电路如图4所示医用滴速计河北工程大学6图4运算模块2.2.2.3显示模块本系统中显示模块采用动态显示，其模块电路如图5所示：医用滴速计河北工程大学7图5显示模块医用滴速计河北工程大学82.3.3主要芯片介绍2.3.3.1CD4013CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作寄存器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。真值表引脚图如下：表1CD4013真值表CL(Note1)DRSQQ0000110010x00QQxx1001xx0110xx1111图6CD4013引脚图医用滴速计河北工程大学92.3.3.2CD4518CD4518是二、十进制（8421编码）同步加计数器，内含两个单元的加计数器，其功能表如真值表所示。每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。由表可知，若用EN信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”；若用CLK信号上升沿触发，触发信号由CLK端输入，EN端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各段输出端Q1～Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次；当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次；当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。若将第一个加计数器的输出端Q4A作为第二个加计数器的输入端ENB的时钟脉冲信号，便可组成两位8421编码计数器，依次下去可以进行多位串行计数。其真值表引脚图如下：表2CD4518真值表医用滴速计河北工程大学10图7CD4518引脚图2.3电路工作原理系统上电后，电容C2相当于短路，CD4013的复位端为高电平复位。充电完毕，C2相当于断路，CD4013开始工作。4013-1芯片的CLK端为高电平，按键按下后产生上升沿以触发4013-1芯片工作，且Q端输出高电平与NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过CD4518芯片分频产生10Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门1打开门2关闭，计算器1（CD4520）开始计脉冲数，并将此数预置到计算器2（CD40103）中。当按键第二次按下后CD4013-1输出电平翻转，Q端输出电平由高变低,Q非端输出电平由低变高，并且与NE555及外围电路产生10000Hz脉冲并通过CD4518芯片分频产生1000Hz脉冲共同经过4001产生上升沿以使门2打开门1关闭时，CD4098-1的暂稳态上升沿让CD4040的R端翻转为0，允许计数，且让cd4553锁定锁存器，此时暂稳态的高电平让cd4553的计数器部分清零。在CD4040计数未到600ms时CD4520的R复位输入端为0无效，仍然保持第一个时间段的计数值，总为CD40103提供预置数据。CD4040和CD40103共用同一个时钟源。在600个ms脉冲内CD40103总在从开始的预置数减到零，每减到零时CO就出现一个负脉冲，CD4553就加1，CO共产生600/(60/v/0.1)次负脉冲。到600ms时CD4013-2的输出翻转会让CD4040的R端翻转为1，让CD4040一直复位且CD4553的计数值进入其内部锁存器部分并显示。这样600ms以后CD40103的CO就会保持低电平，不会有脉冲变化了。CO产医用滴速计河北工程大学11生600/(60/v/0.1)次负脉冲，数码管就会显示滴速。从而两滴即可测得滴速，且当第三滴滴下时显示刷新即开始新的一次的测速。并且两滴间隔越长，精度就越高2.4器件清单表3器件清单电阻1k1个40132个电阻10k1个40012个电阻1007个45111个电阻3k3个共阴数码管3个开关1个40981个电容3个40401个401031个40121个45201个45531个45182个PNP3个三、课程设计总结经过两个周的电子系统设计，完成了数字滴速记的设计和调试，从早期的系统需求分析到原理框图和电路图的绘制，到计算机仿真，为便于焊接调试，采取了PCB板的绘制，最后对照PCB图进行焊接，由于用万用版进行搭建电路，难免会有焊错的地方，由于有图纸进行对照很容易发现错误之处，还有计算机仿真作为理论结果的参考，大大加快了电路搭建的速度和质量。通过本次课程设计学到了很多东西也遇到了较多问题。（1）在焊接CD4511显示部分的时候，我们通过仿真正确，在焊接完成后发现乱码现象，肯定是段码对应不对，对照从网上下载到的手册和老师给的资料检查没有错误，最后对照仿真图，发现两者引脚不一致，然后抱着试试看的心态，按照仿真图的引脚顺序焊接了一遍，最后正确的数据出来了。（2）由于连续焊接3个小时以上，难免有错误，导致电路最最关键的计算部分出错，所有计数器完全不工作，我们最后采取分块解决的策略，一块电路一点点检查和排错，并借助先进的数字示波器和逻辑分析仪进行观察瞬时变化的数据。医用滴速计河北工程大学12（3）在做仿真时遇到CD4553的OVF引脚不知如何是好的问题，手头的资料又没有介绍词引脚的处理，我们就采取了仿真的方式接地和接VCC，加快了电路调试的速度，比起焊接实验的速度快多了。课程设计评语课程设计成绩指导教师（签字）年月日注：此表必须在同一页面。