1、 - 1 -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 -2.设计思路 根据
2、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
3、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 -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 -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、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 - 5 -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
5、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- 6 -R1430 R2500 C110mFC2100uF13U6LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2VCC5VVCC12254.4.1 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
6、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(
7、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- 7 -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
8、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。R21k R31k R42.4k C110mFC210mFC31uFC422mFC510uFU27BUZZER200 Hz 545305049484440U26LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2U28LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI252454647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
9、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。 - 8 -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。
10、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。- 9 -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 74HC161 1定时器 LM555CN 2与门 74LS21 1或门 7
11、432 3非门 74S05 2与非门 7410 2LED 1蜂鸣器 1电阻 1k 2电阻 2.4k 1电阻 500 1电阻 430 1电容 1uf 1电容 10mf 2电容 10uf 2电容 22mf 1电容 100uf 1译码显示 DXD-HEX-DIG 9- 10 -7.主要原器件介绍7.1 计数器 74ls2907.1.1 74ls290 管脚图7.1.2 74LS90 功能表输 入 输 出 清 0 置 9 时 钟 R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 QD QC QB QA 功 能 1 10 0 0 0 0 0 清 0 1 1 1 0 0 1 置 9 1 QA
12、 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 0 01 1 不 变 保 持- 11 -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 S
13、92 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- 12 -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
14、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- 1
15、3 -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，- 14 -2007.92 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.2006.13 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 1- 15 -A2 逻辑接线图附录 2- 16 -A2 实际接线图
