健身计步器的设计.doc

1、 中 文 摘 要我们这次课程设计的题目是“健身计步器的设计”。随着人口的日益增长，更多的住房和各式各样的娱乐、消费场所被建造。但这同时也占据了我们的锻炼场所，健身器的普及正是解决这一问题的良好方法。更好的健身器能使我们准确的掌握锻炼身体的情况。为了使人们更直观的了解自身的锻炼情况，所以应老师要求我们设计了一个能显示跑步步数，跑步时间，跑步消耗卡路里的跑步机。在这次的设计中，电路主要由计步、卡路里消耗计数、时间记录、报警四部分组成。计步部分，用数字芯片74LS160N计数器相连接进行，最大可计算到9999步，然后由显示器显示。计算消耗卡路里部分，采用74LS160N计数器和与非门连接成二十五进制

2、计数器，每走25步清零进一位，实现每跑25步消耗1卡路里，通过显示器显示消耗卡路里数。还有时钟计时部分，用信号发生器产生1s为周期的脉冲信号，采用74LS160N连接成六进制和十进制电路显示出锻炼时间，最大值为99分钟。报警部分我采用了74LS85N比较器，到1000步时信号灯亮，喇叭发出提示音。关键词 跑步，计数器，数字目录课程设计任务书I数字电子课程设计成绩评定表III中 文 摘 要IV1 设计任务描述11.1 设计题目：健身计步器的设计11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12 设计思路23 设计方框图34 各部分电路设计及参数计算44.1

3、信号产生电路及参数计算44.1.1 计步信号的产生44.1.2 计时脉冲的产生及其参数计算54.2 计数部分电路设计及其参数计算64.2.1 计步电路64.2.2 热量计量电路84.2.3 计时电路及其参数计算94.3 发挥部分95 工作过程分析115.1 计步电路工作过程分析115.2卡路里计量电路115.3 计时电路过程分析126 元器件清单147 主要元器件介绍157.1 计数器74LS160157.2 LM555CN16小 结18致 谢19参考文献20附 录 A1 逻辑电路图21211 设计任务描述1.1 设计题目：健身计步器的设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的（1）掌握健身计步

4、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）的步数，最大值为9999。（3）假设每走25步可以消耗1卡的热量，所消耗卡路里的计数译码显示；（4）记录本次健身的时间（可以分钟为单位）。1.2.3 发挥部分每走1000步发出提示音；2 设计思路在这次的数字电子课程设计中，我把跑步计步器分成了四大部分。其中，计步部分和热量计数部分以及计时部分使用了74LS160N进行计数，提示部分使用了比较器74LS85N进行设计。使其实现每1000步提示一次的效果。

5、下面详细介绍一下：（1）首先是脉冲信号的产生，我选用了函数信号发生器产生脉冲信号，由于产生的脉冲信号不是很稳定，所以我使用了555施密特触发器对脉冲信号整形，把不规则的输入信号整形成矩形脉冲，使其稳定的输入信号；（2）稳定的脉冲过来之后就要对脉冲进行计数了，由于这次计步器的设计计步数为9999步，由于都是十进制的计数器，所以我选择了自己相对比较熟悉的74LS160N计数器，然后用显示器把数据显示出来；并且在最后连接一个比较器74LS85N对数据进行比较，当到达1000步时提示灯亮、发出提示音；（3）在设计中，由于每跑25步计为一卡路里，所以我选择了十进制的74LS160N计数器，把它和与非门组

6、合在一起组成25进制的计数器，最后把数据显示出来；（4）对于计时部分，我采用了555多谐振荡器，使其发出频率为100HZ的信号，时间计数电路由秒个位和秒十位,分个位和分十位计数器电路组成,其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器，都是通过74LS160N来实现。另外，为了使人们更好的了解自己锻炼身体的情况，我还设计了提示装置，对于报警装置我选用了灯泡和扬声器。每当跑到一千步的时候灯光就会闪起，同时提示音也会响起。3 设计方框图信号发生器555触发器整形10进制计数器计步14进制计数器计卡路里显示器显示比较器比较数据显示器显示提示灯提示音555多谐振荡器计数器显示器显示4

7、各部分电路设计及参数计算4.1 信号产生电路及参数计算4.1.1 计步信号的产生图4.1 计步信号产生电路将555定时器按照上面的图纸进行连接，构成施密特触发器，从而现整形。其原理如下：当输入信号自阈值输入端6管脚输入并超过时，触发器复位，555的输出端3管脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自触发输入端2脚输入并低于时，触发器置位，555的输出端3管脚输出高电平，同时充电，开关管截止。复位端4管脚，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接。控制输入端5管脚，平时输出作为比较器的参考电平，当5管脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加

8、电压时，通常接一个的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。4.1.2 计时脉冲的产生及其参数计算4.2 计时脉冲产生电路秒脉冲产生的参数计算秒脉冲脉冲产生电路是由555定时器组成的多谐振荡器，产生频率为100Hz的脉冲。然后将此脉冲通过两次分频变成1HZ的时间脉冲，这样周期就是1s，就与实际的时间一致，从而对跑步计步器的工作时间加以记录。电容器的充电电阻是+，放电电阻是。接通电源后，电容被充电，它两端电压上升到时，OUT，即3角为低电平，同时放电三极管T导通，这时候放电管通过电容和放电，当两端电压下降到时，OUT（3脚）翻转为高电平。电容器放电所需时间，即放电时间：t

9、pL=ln20.7 式（4.1）当放电结束时，放电管T截止，将通过,向电容器充电，电容两端的电压由上升为所需的时间，即充电时间：=(+)ln20.7(+) 式（4.2）当两端电压上升到时，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。其振荡频率为:f= 式（4.3）在本课程设计中，通过相关的计算，取=3.3K， =5.5K， =10uF，所以由此得到产生课程设计中所需要的近100 Hz的计时脉冲。4.2 计数部分电路设计及其参数计算4.2.1 计步电路4.3 计步电路（1）下面对计步部分的工作进行分析：首先使能端，预置端联入高电平，然后CLK从信号端接受信号，

10、计数器74LS160N开始工作，四个输入端A,B,C,D不输入信号（或者接地），计数器将从二进制数0000开始计数，即从十进制0，开始计数。但是由于74LS160N为十进制的计数器，从二进制00001001，我从教科书上了解到，74LS160N为异步清零，即一旦异步置零端CLK=0,输出=0000，其工作过程不受所接受的脉冲影响，CLK为的逻辑与非结果。再看本次的设计图，既然是异步清零，我需要的还是十进制，采用如下的接法：当时，逻辑与非门输出CLK=0,即开始清零。在第一次达到11时，即输出为1010时候，立即回到0000，因此只会在极短的时间内出现1010，可以忽略的。从而达到记录十进制计数

11、的要求。74LS160N接成十进制的状态图图4.4 74LS160N构成十进制状态图在未到达11时候，=1，当达到11时候，=0，出现一个下降沿，开始触发第二片74LS161N工作，以后的三个74LS161N也是同样的工作原理。（2）显示电路显示的电路，用的是DCD-HEX显示器来显示，接法为：将按DCBA的顺序与显示器的四个端从左至右连接，接通电路后，即可显示。4.5 显示电路4.2.2 热量计量电路4.6 热量计量电路（1） 参数的计算根据设计要求，计步部分共需要记录9999的步数，而每25步消耗一卡路里的能量，这样9999步大约可以消耗400卡路里的能量，所以我在设计的时候设计了最大显示

12、为9999的计数器，同计步部分的设计一样，用74LS160N，共需要三片用来记录9999，一个作为25进制。（2） 25进制的接法为：QCQA接与非门当QCQA没有到达11时候，与非门输出1,且一直为高电平；当QCQA到达11时候，与非门输出0，出现低电平，下降沿，第二片74LS160N开始工作，记录第一个数001。以此往复循环直到400卡路里之后清零，下一片74LS160N开始计数，直到到达卡路里显示电路的极限400卡路里。4.2.3 计时电路及其参数计算4.7 计时电路对于时间记录的要求，我的设计中需要的是六十进制的计数器，即低位记录09计数，高位记录05，两者组个共同组成0-59六十进制

13、的计数器。下面对其接法及其工作状态进行分析：（1）接法将使能端ENP,ENT,预置端LOAD接逻辑一，即高电平（5v）, 引出了分别接入与非门的两个端口，与非门出来分两支，一支接下一个信号接收端CLK；另一支返回本片74161的清零端CLR。（2）工作讲解当QCQB未到达11时候，QCQB=1,即一直为高电平，不触发第二片74161工作；当QCQB未到达11时候，QCQB=0，即出现低电平，下降沿，触发第二片74161工作，开始记录第一个数，同时，第一片74161清零进入下一次00001001并同时进位的循环，从而完成计数。4.3 发挥部分（1）整体电路4.8 发挥电路（2）设计的思路虽然运动

14、有利于身体健康，但是运动要掌握一定的规律性，只有合理的运动量才能够达到运动的效果。所以每当自己运动一定的时间，消耗一定的热量之后，都是要休息的。但是如果单纯的由锻炼者主观来控制的话，很难会有坚持锻炼下去，必须有一项提示和鼓励大家运动的装置。基于此项原因，我在设计的时候特地在电路中设计了此项功能，即没跑一千步会发出提示音和闪光加以提示。（3）设计分析左起三个与门U13A,U17A,U23A,分别接计数器74LS161N的，易得输出为999步时候开始工作；当三个片子的未都到达11时候， 与门U24A输出为逻辑0；（与门的特点为：见0出0）当三个片子的同时到达11时候， 与门U24A输出为逻辑1。此

15、时的输出分成两支，一支与高电平5v做与运算，输出逻辑1，高电平，随即灯亮；另一支与信号发生器发出的方波做与运算，结果还是该方波，所以此时蜂鸣器发出响声，达到提示的目的。5 工作过程分析5.1 计步电路工作过程分析图5.1 计步电路整体电路图预置端联入高电平，然后CLK从信号端接受信号，计数器74LS160N开始工作，四个输入端A,B,C,D不输入信号（或者接地），计数器将从二进制数0000开始计数，即从十进制0，开始计数。从二进制00001001实现十进制计数。（1）当输出端达到1001时，CRO端输出高电位1，传递给下一个计数器。从而达到记录十进制计数的要求。（2）在QAQBQCQD=100

16、1，输出高电位，下一个计数器出现下降沿，开始触发第二片74LS160N工作，以后的三个74LS160N也是同样的工作原理。5.2卡路里计量电路图5.2 卡路里计量整体电路图将跑步脉冲进行分频，即将跑步脉冲变为25进制。我设计的电路是通过两个74LS160实现的。首先将跑步脉冲接入第一个74LS160计数器CLK端，当QAQBQCQD=1010时，即十进制为5时输出脉冲接入下一个74LS160实现5进位。同理将第二个计数器也设计成5进位，5*5=25.实现25进制。5.3 计时电路过程分析图5.3 计时整体电路555定时器连接组成多谐振荡器，产生频率约为100Hz的脉冲。取=3.3K， =5.5

17、K， =10uF，然后经过两个74LS160N十分频计数器，分频后得到频率为1Hz的脉冲，即产生秒脉冲，并以此来作为计时的基本脉冲。用两个74LS160N级联组成六十进制计数器，第一片74LS160N作为个位计数0-9，第二片作为十位计数0-5，当QAQC=未到达11时候，其与非即一直为高电平，不触发第二片74LS160N工作；当QAQC到达11时候其与非为0，即出现低电平，下降沿，触发第二片74LS160N工作，开始记录第一个数将1Hz的脉冲输入到第一个74LS160N的CLK端口，便完成了秒计时。分计时与秒计时原理完全相同。6 元器件清单表6.1 元件清单元器件清单序号名称规格数量1与非门

18、74LS03D42非门74LS04N13555定时器 LM555CN24计数器74LS161N145灯头probe-dig-red16蜂鸣器BUZZER 200 Hz 17显示器DCD-HEX118电阻5.519电阻3.3110电阻1111电容1.0nf212电容1uf113函数信号发生器XFG1114比较器74LS85N17 主要元器件介绍7.1 计数器74LS160（1）引脚图图7.1 74LS160引脚图（二）功能表表7.1输入输出注CR LD CTP CTT CP D3 D2 D 1 D0Q3n+1 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1CO 0 1 0 d3 d2 d1 d0 1 1 1

19、 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 d3 d2 d1 d0 计 数 保 持 保 持 0清零置数74LS160N是常用的十进制计数器，异步清零端LOAD，当它为低电平时，无论其它输入端是何状态（包括时钟信号CLK），都使片内所有的触发器状态置零，只有在LOAD接入高电平是才起作用。进位信号RCO，只有当CET=1且- =1111时，RCO才为1；当清零信号为0时，各触发器置0，当清零信号为1时，若预置为0，在下一个时钟脉冲上升沿到来后，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同。在清零和预置都为1的条件下，若使能端为1，则电路处于计数状态。直到使能端为0时，技术状态结束。此后处于禁止计

20、数的保持状态。进位信号只有在 =1001且CET=1时输出为1，其余时间均为0。7.2 LM555CN（1）555内部结构图图7.2 555结构图（2）功能表输入输出阀值输入触发输入复位输出放电管T截止导通不变不变导通（3）功能介绍555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。555定时器的电路上图所示。它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器和、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。分压器为两个电压比较器、提供参考电压。如5端悬空，

21、则比较器的参考电压加在同相端；的参考电压加在反相端。u11和u12分别为6端和2端的输入电压。当u11，u12 时，输出为低电平，输出为高电平，即输出分别为0，1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。 当u11，u12 时，输出为高电平，输出为低电平，=1，=0，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。 当u11 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。（4）各引脚功能1脚：外接电源负端或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接

22、高电平。5脚：为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只1.0nF电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源，双极型时基电路的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路的范围为3-18V。一般用5V。小 结 这次课程设计我学到了很多知识，主要提高了我对数电知识的应用。之前我对数电的知识不扎实，但通过这次课程设计巩固了我的数电知识。这次课程设计我们小组的题目是“健身计步器的设计”，要求能准确记录跑步的步数，时间，并且通过设计能计算跑步所消耗的卡路里。首先确定整体电路的思路

23、，主要包括信号产生电路，计数电路，计时电路，发挥部分。确定好整体电路后就是具体电路的设计，首先信号发生电路直接采用信号发生器，再通过施密特对信号进行整理。计数部分用74LS160实现各种进制的计数，计时部分的信号产生电路采用555产生100Hz的脉冲，经过两个10分频电路降为1Hz的秒脉冲。从而实现计时。在此之后，我还充分发挥自己的能力，把发挥部分也做了一点，每1000步就会有灯光闪起，并且夹杂着扬声器的提示音，这一设计是为了让大家更明确的了解自己锻炼身体的情况，掌握自己日常锻炼身体的节奏。让跑步真正的促进自己的身体健康。虽然在课设过程中遇到了种种困难，但我们经过上网，去图书馆查资料，一步步解

24、决问题，在这过程中提高我们对知识的运用能力。致 谢 在这次课程设计我学到了很多，对各个元件的运用有了更深刻的了解。弥补了我们在实际运用中的不足。 由衷的感谢老师对我们课设的指导，您既要上课又要指导我们课程设计。虽然您直接对我们的指导并不多，但在您的督促下，我们从网上、图书馆找到了正确的资料，使我们自己解决问题。大学不再是老师教学生学的时代，需要我们自己去发现困难，解决困难。这样更深刻的了解元件的用法，使我们更难忘记。 其次感谢本组的其他同学，在我遇到难题的时候我们一起讨论，共同研究。从而能一次一次的克服困难。使我们的课程设计能完整的结束。 在今后的学习中，我们首先要掌握原理，但更重要的是元件的应用。我们不可能把所有元件都买回来，一个一个的去研究。Multisim软件为我们提供了一个良好的条件，使我们能在虚拟的模版上去了解元件的功能。 在今后的学习中，我一定不辜负老师的期望。取得更好的成绩来回报老师。参考文献【1】康华光，邹寿彬，秦臻电子技术基础（数字部分）（第五版）高等教育出版社，2006【2】王金花，王树梅，孙卫锋电子技术人民邮电出版社，2010【3】毕满清.电子技术试验与课程设计.北京机械工业出版社，2007【4】沈小丰电子线路实验数字电路实验清华大学出版社，2007【5】茆有柏电子技术基础与技能机械工业出版社，2010附 录 A1 逻辑电路图