数字电子健身计步器设计

1.设计任务描述1.1设计题目 ：健身计步器1.2设计要求 1.2.1 设计目的（1）掌握健身计步器的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2.2 基本要求（1） 健身计步器中的传感器将人每走（跑）一步的振动以脉冲形式发出，将此脉冲整形作为基准计步脉冲；(2) 可以记录走（跑）步数，最大值为9999；(3) 假设每走14步可以消耗1卡的热量，所消耗卡路里的计数译码显示；(4) 记录本次健身时间。（可以分钟为单位）1.2.3 发挥部分（1）计步值的预置，当达到预置值时，发出庆祝的声音；（2）每走一千步发出提示音；（3）其他。 2.设计思路 根据题目要求，我将健身计步器设计分为两部分，第一部分是计数部分，将震动由传感器变为的脉冲信号整形后输入计数器通过译码器译码最后经显示器分别显示出卡路里和及跑（走）的步数。然后在卡路里电路部分通过门电路设计一个预置数，当达到预置数时与其连接的发光二极管会有发光提示；计步电路中的千步发出提示音则用一个555定时器组成单稳态触发器和一个555定时器组成的多谐振荡器和百步进位控制蜂鸣器从而在每1000步时发出响声。第二部分是计时部分，首先由555多谐振荡器发出一个1000Hz的脉冲，经过三个74LS90计数器组成的1000分频器将其变成1Hz的脉冲，这时以秒为单位计时，考虑到应用健身器时一般不以秒算，则再经过两个74LS90计数器组成的60分频器后形成了以分为计时单位。其余部分就是计数器加译码显示相同于计数部分的连接方法。我设定的跑步时间不超过90分钟。 3.设计方框图震动脉冲每一步十进制计数器译码器每一步每一步每一步每一步每一步十进制计数器步数显示六十分频器555多谐振荡十四进制计数器1000步提示音译码器能量显示444步二极管发光十进制计数器（4个）每一步译码器时间显示4.各部分电路设计及参数计算4.1 译码驱动及显示电路图4.1.1译码驱动及显示电路译码器将十进制代码转换成对应输出的信号给显示器，显示数字。4.2计数电路图4.2.1 计数电路 图4.1所示电路由四片74LS90组成，可实现最大记步9999步。其他计数单元还有第一部分的卡路里计数和第二部分的分钟计数，连接方法都是相同的。各计数单元都是由十进制计数器74LS90连接而成，其输出为四位8421BCD码形式。4.3 分频电路 4.3.1 1000分频电路4.3.2 六十分频电路 由于之前多谐振荡器产生f=1000HZ的脉冲，要使它变为分脉冲，则要经过两次分频，第一次使用由74LS90连接的三级十分频电路，十分频计数器逢十进一，用第一级的进位脉冲作为第二级的时钟脉冲信号，第二级的进位信号作为第三级的时钟脉冲信号。这样从第三级的进位脉冲输出的就是1Hz的时钟计时脉冲，下一级由六十分频器由两片74LS90组成，第一片实现六分频，第二片实现十分频，用第一级的进位脉冲作为第二级的脉冲信号，这样就得到了分脉冲。4.4多谐振荡电路4.4.1 多谐振荡器用555定时器构成的多谐振荡器，产生计时部分的时钟脉冲。如电路图所示，由555时基、定时电阻、定时电容构成多谐振荡器电路，接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到23Vcc时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降 。当Vc下降到13Vcc时，Vo翻转为高电平。电容C放电所需的时间为tpl=R2Cln2=0.7R2C 当电容放点结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2想电容C充电，Vc由13Vcc上升到23Vcc所需的时间为tpH=(R1+R2)ln2=0.7(R1+R2)C当Vc上升到23Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图，其振荡频率为 t=1( tpl+tpH)=1.43( R1+2R2)C设定电容为100uF，计算得到R1=430欧 R2=500欧。4.5 发挥部分 图4.5.1 实现预置数发光电路在卡路里电路部分设计一个预值444。如图4.5.1电路所示，原理为当预设值达到444卡时，个、十、百位输出依次为0010、0010、0010、0010，将个、十、百位计数器的QA与QB位的输出分别用或门将其连接，然后再接一个与非门，只有当其输出均为0时，经过门电路的输出才为1，然后将个、十、百计数器为QC1输出部分用与非门和非门连接，只有当其输出全部为1时，经过门的连接，其输出才为1，最后将二者的输出用与门连接，经发光二极管接地。当达到预设的卡数时二极管发光，发出提示。图4.5.2 实现每走1000步发出提示音电路每走1000步发出一次提示音，而每走（跑）1000步由百位的QD输出就会将脉冲传入千位的CP，即是百位向千位进位的时候，这时用与非门控制输出脉冲通过单稳态触发器控制多谐振荡器最后控制蜂鸣器，发出响声。 5.工作过程分析健身计步器的功能是记录所跑的步数、消耗的能量和经过的时间。其中时间计数单位为分，计步最大的量程为9999，并具有预置提示的作用。本次设计的健身计步器由脉冲产生模块、分频模块、计数译码显示模块、预置数提示显示模块组成。由555定时器组成的多谐振荡器产生稳定的高频脉冲信号作为时间的基准，然后通过分频器把高频信号转变成分脉冲信号。多谐振荡器频率为1000Hz，经过3片74LS90分频得到1Hz脉冲，再用2片74LS90将秒脉冲信号转变成分脉冲信号，我设定的跑步时间不会超过90分钟。另一路由震动产生的脉冲信号通过计数器与译码显示器连接后能直接读出步数和卡路里数。脉冲信号经过14倍分频器得到每走14步产生一卡的能量，再通过计数器、译码显示器将消耗的能量显示出来，在电路中由门电路设计的达到预置能量提示功能使二极管发光。每走1000步发出一次提示音，每走1000步必然会由百位的QD输出将脉冲传入千位的CP，通过与门连接后输出的脉冲，经过单稳态触发器连接多谐振荡器，条件同时满足，这时蜂鸣器发出响声。6.元器件清单器件名称器件型号（规格）器件数量计数器74LS90计数器74HC1611定时器LM555CN2与门74LS211或门74323非门74S052与非门74102LED1蜂鸣器1电阻1k2电阻2.4k1电阻5001电阻4301电容1uf1电容10mf2电容10uf2电容22mf1电容100uf1译码显示DXD-HEX-DIG9 7.主要原器件介绍7.1 计数器74ls290 74ls290管脚图7.1.2 74LS90功能表输 入 输 出 功 能 清 0 置 9 时 钟 QD QC QB QA R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 1 10 0 0 0 0 0 清 0 1 1 1 0 0 1 置 9 00 1 QA输出二进制计数 1 QDQCQB输出五进制计数 QA QDQCQBQA输出 8421BCD 码 十进制计数 QD QAQDQCQB输出 5421BCD 码 十进制计数 1 1 不 变 保 持7.1.3 功能介绍 74LS90内部包含两个独立的下降沿触发的计数器，分别为摸2计数器和摸5计数器；具有两个异步清0端和两个异步置9端。74LS90当R01U*R02=1且S91*S90=0时，无论是否有时钟输出全部清0，称为R01和R02为异步清0端，高电平有效。当S91*S92=1时，无论是否有时钟，输出置9，称S91和S92为异步置9端，高电平有效，且置9的优先级高于清0。当满足R01*R02=0且S91*S92=0时，电路才执行计数操作。小结在这个设计的过程中，我首先确定了设计的基本框架，然后依次下手，由于基础不是很好，虽然确定了基本结构，但还有很多解决不了的问题，最后通过在图书馆搜集资料和与老师同学的交流，还算是比较顺利的完成了健身计步器的设计。通过不断的查找资料，向老师同学请教，我学到了很多以前不知道的知识。使我对以前所学的知识有了更深更系统地认识与了解，对部分元器件的功能与用法能够更熟练的掌握。通过着次课程设计，我学会了怎样去查找资料，怎样学习别人的成果并将其运用，懂得了怎样选择方案。通过这次课程设计，我了解了在我设计电路中的计数器、译码器、显示器的工作原理，对分频器、555定时器组成的单稳态触发器和多谐振荡器的用法有了一定的了解。设计思路很重要，所以刚开始老师要求我们设计框架后，后面的电路成型就不那么费力了。第二天原理图就基本成型了。画好原理图后我用了老师教我们的Multisim软件在电脑上连接了电路并试验了，期间发现了不少错误，经过研究后改进了电路，最后基本成功的运行了。一星期的课设时间有些短，有些地方没有考虑周全，设计还是有很多不足的地方，不是很成熟。以后还需更熟练地掌握课本上的知识，并扩展衍生知识这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。致谢一周的课设时间结束了，感谢老师在开学之际安排了这次课设，让我明白了自己许多不足之处，以后的时间要抓紧学习。在这次设计中，我不但学到了以前不知道的东西，而且也巩固了以前在书本上学的东西，更重要的是在这次实践过程中理解了课本上的东西，我更明白了自己的知识是多么的不足。感谢黄老师在此次课程设计中给予我热情而耐心的指导，指出我设计的不足之处以及提供的资料。还有感谢我的同学，在我设计出现困难的时候，通过和他们一起讨论研究，解决了许多难题，交流各自的思想，学到了许多新知识。感谢这一周的时间里老师的指导和同学的帮助使我的设计够顺利地进行下来。 参考文献1 陈有卿，叶桂娟.555时基电路原理设计与应用.北京：电子工业出版社，2007.9 2 卿太全，李萧，郭明琼.常用数字集成电路原理与应用.北京：人民邮电出版社.2006.1 3 杨颂华，冯毛官，孙万蓉，胡力山.数字电子技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，2000.7附录1A2逻辑接线图附录2A2 实际接线图