实验题目：简易电梯控制电路的设计

1. 课程简要信息

课程名称：数字电路课程设计
课程学时：16学时
项目学时：课内 8 学时，课外 8 学时
适用专业：电子信息工程、通信工程、自动化
学生年级：二年级、第一学期

2. 实验内容与任务（限500 字，可与“实验过程及要求”合并）

基本功能：

(1)用一位数码显示管显示电梯行进楼层位置（共九层楼）;

(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。

提高功能：

(1)用另外一个数码管显示乘客要去的目标楼层 ；

(2)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 $\ M =$ 实时楼层时，系统停机信号，使电机停止运行并开门。

3. 实验过程及要求（限300字）

(1)根据任务要求，教师整体讲解实验任务及要求，学生查阅文献资料，分析电路功能实现需求，设计系统原理框图；

(2)学生选择合适器件，给出合适方案，完成电路设计，并进行仿真软件测试；

(3)用面包板搭建电路，测试单元模块功以及整体电路功能；

(4)功能演示，交流讨论，作品分析点评；

(5)撰写实验报告。

4. 相关知识及背景（限150字）

电梯控制电路作为与实际生活联系紧密的数字电路案例，它涵盖了组合逻辑电路、触发器电路、编码译码电路及时序逻辑电路的相关知识和设计方法，通过软件仿真及实物搭建能充分加深学生对于电路设计、故障排除、功能调试等方面的动手动脑能力。教师提出 1-2个问题，用“错误引导法”和“辩证法”引导学生去思考，问题的答案没有统一标准，学生思考的过程就是能力提升的过程。

本实验共计 16 学时，课上 8 学时、课外 8 学时，安排 3 次实验课：

(1)任务布置(2 学时)

教师要进行实验器件的准备，完成实验预约，布置实验的安排，说明实验的目的和要求，提出课前思考题；

学生要通过“盲盒法”的方式学生选择部分实验元件，进而确定自己的电路设计方案。复习编码、比较、计数、寄存、译码等相关芯片功能；指导学生通过查阅文献资料，了解通过不同芯片实现逻辑功能的方法；完成规范的文献综述报告。

(2)要点强调(4 学时)

教师要介绍方案的设计思路，简要介绍组合逻辑电路和时序电路的设计方法、数码管显示原理，电路布局的规范性等；罗列出数字电路中常见故障，分类和归纳给出 “观察法”、“排除法”、“比较法”等常规解决办法；布置验收思考题。

学生可以提出预习过程中的产生的问题。

(3)成果展示(2 学时)

教师要对学生作品进行验收，对于优秀的作品进行可行性分析，解答思考题。

学生进行成果展示，进行经验分享。

5. 实验原理及方案

(1)系统结构

本设计为一部共有九层楼的电梯控制电路，电梯可以显示目标楼层和当前楼层，当按下目标楼层的按键后，电梯启动，此时，首先呼叫电梯的楼层具有优先权，其他楼层呼叫暂时不被相应。共有两个数码显示管，一个数码管显示目标楼层，另一个数码管从当前楼层启动，以每层 2s 的速度运行，到达目标楼层后停止。同时，电梯运行指示灯可以显示上行、下行和等待三种功能；并且配备步进电机正反转的模拟功能，在电梯上行或下行时伴有指示灯的流水闪烁。

(2) 实现方案$\textcircled{1}$ 楼层输入电路

使用 10 线-4 线优先编码器 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。由于编码器的优先性，所以两个楼层同时按下只响应高楼层不响应低楼层，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，电路如图 5.1。

图 5.1 楼层输入电路

$\textcircled{2}$ 脉冲电路

利用 555 定时器组成多谐振荡器输出固定频率的矩形脉冲。具体的电路如图 5.2。

图 5.2 555 多谐振荡器

$\textcircled{3}$ 分频电路

采用同步十六进制 74LS161 同与非门连接 QA 和 QC 引脚到 LOAD 置数端，实现置数控制，如图5.3。

图 5.3 分频电路

$\textcircled{4}$ 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A>B则上行指示灯亮并且电机模拟上行，若 $\mathrm { A = B }$ 则停止指示灯亮并且电机停止，若A<B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。具体电路如图5.4。

图 5.4 楼层比较电路

$\textcircled{5}$ 楼层显示电路

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 74LS48 译码器显示实时楼层。如图 5.5.

图 5.5 楼层显示电路

$\textcircled{6}$ 电梯运行状态指示电路

指示灯采用发光二极管，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 $1 0 0 { } 0 1 0 { } 0 0 1 { } 1 0 0$ 时，电机正转；当环形信号输出为左移 $0 0 1 { \ - } > 0 1 0 { \ - } > 1 0 0 { - } > 0 0 1$ 时，电机反转。0和 1用发光二极管指示。如图 5.6。

图 5.6 电梯运行状态指示电路

6. 实验报告要求

(1)实验需求分析，简要论证方案

介绍简易电梯控制电路基本功能及扩展功能，论述方案形成过程，画出总体原理框图。

(2)整体电路及单元模块电路

划分整体电路为若干单元模块电路，说明各单元模块电路的设计思路和方法，如有不同实现方式可进行比较，明确全部单元模块级联后的整体电路的工作逻辑和电路结构。

(3)电路参数选择

列出电路中的芯片型号、电阻、电容等器件参数。

(4)设计仿真分析

对单元模块电路软件仿真结果进行记录，并对结果进行简要分析。

(5)硬件电路搭建，现象处理分析

报告中应体现电路实现过程中的搭建顺序，记录搭建过程中遇到的困难及出现的故障，并总结故障排除方法。

(6)实验结果总结

对本次实验的收获、体会、心得，可以提出对于本次实验的讲授、操作、总结过程的更好建议以及对今后实验的要求。

7. 考核要求与方法（限300字）

考核方式采用分阶段多元化形式，总成绩由文献综述、实习效果、实验报告三部分成绩构成。

(1)文献综述 $( 2 0 % )$ ：

文献综述中应保证文献数量充足、质量高，与设计内容紧密相关，查阅电路功能实现方式，文献综述报告格式规范、图表清晰；

(2)实习效果 $( 5 0 % )$ )

仿真结果 $( 2 0 % )$ ：仿真软件的使用及仿真结果是否正确；

电路搭建 $( 3 0 % )$ ：电路整体布局情况，连线美观度，整体电路功能实现情况。

(3)实验报告 $( 3 0 % )$ )：报告结构是否完整，格式、电路图是否规范，电路设计方案可行性分析是否全面，实验结果总结是否完整。

8. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

(1)本案例从问题导向、成果导向、能力导向和创新驱动四个方面出发，意在培养学生自主能力、分析能力、纠错能力和设计能力。

(2)案例设计采用“盲盒法”，学生在实验过程中能按照自主意识完成课程目标；通过贯通式思考题的方式，让学生在思考中起步，在思考中收获。

(2)教学过程中通过“观察法”、“排除法”、“比较法”、“辩证法”等多种方法，引导学生对于故障判断、电路优化等过程掌握多种方法，完成的不仅是电路作品，更是学会了实验方法。

附录：

教学大纲

数字电路课程设计课程教学大纲

一、课程基本信息

二、课程性质及目标

1、课程性质

数字电路课程设计是电路分析、模拟电子技术、数字电子技术之后的一门理论与实践相结合的综合设计性课程，不仅要求学生获得电子技术方面的理论知识以及掌握理论设计方法，还要培养学生理论联系实际的能力。目的在于提高和增强学生对电子技术知识的综合分析与应用能力，启发学生对电路的设计能力、创新思想，培养学生们勒于思考、独立工作、分析问题的能力，为学习后续的专业课程（微机原理、单片机等）打下坚实基础。

2、课程目标

（1）加深对所学理论知识的理解，并能将其熟练应用，做到理论与实际相结合；学会电路故障分析及排除方法，提高综合运用电子技术知识的能力，培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力。

（2）培养学生查阅参考文献、独立思考、设计、钻研电子技术相关问题的能力，培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念。

（3）掌握电子技术工程规范以及科研设计可行性分析方法，培养工程项目设计报告撰写能力。

三、课程目标对毕业要求的支撑

1.加深对所学理论知识的理解，并能将其熟练应用，做到理论与实际相结合；学会电路故障分析及排除方法，提高综合运用电子技术知识的能力，培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力（3.2能够洞悉或预测在电子仪器和信息系统设计、制造、装配过程中可能出现的安全、健康、法律、文化及环境等问题，结合工艺过程，对提出的设计方案进行可行性研究）。

2.培养学生查阅参考文献独立思考、设计钻研电子技术相关问题的能力，培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念（4.1能够针对电子仪器和信息系统复杂工程问题，基于科学原理和方法，设计与电子信息科学与技术专业相关的控制、测试、检测等实验方案，比较和选择合理的研究路线开展科学研究）。

3.掌握电子技术工程规范以及科研设计可行性分析方法，培养工程项目设计报告撰写能力（5.3能够运用现代控制、检测仪器、先进测试方法与技术，解决电子仪器和信息系统复杂工程问题，并能够理解其使用条件和局限性）。

四、实习内容、基本要求与学时分配

参考设计题目

数字电路课程设计逻辑功能用数字集成芯片实现，不能使用单片机。

1、数字电子钟逻辑电路设计

（1）功能说明：用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟。

（2）设计要求：

$\textcircled{1}$ 由晶振电路产生1Hz标准秒信号
$\textcircled{2}$ 秒、分为00-59六十进制计数器
$\textcircled{5}$ 时为00-23二十四进制计数器
$\textcircled{4}$ 周显示从1-日七进制计数器
$\textcircled{5}$ 可手动校时，能分别进行秒、分、时的校时，只要将开关置于手动位置，可分别对秒、分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。
$\textcircled{6}$ 整点报时。整点报时电路要求在每个整点前鸣叫五次低音（500Hz），整点时再鸣叫-次高音（1000Hz）。 $^ \circ$

2、数字温度计

（1）功能说明：设计一个测试温度范围为0-100C的数字温度计。数字温度计应有温度传感器、放大电路、模数转换、译码显示等部分组成。

（2）设计要求：

$\textcircled{1}$ 查阅资料选择温度传感器$\textcircled{2}$ 设计温度测里电路（确定温度与电压之间的转换关系） $\boldsymbol \theta$ $\textcircled{3}$ 设计温度显示电路（显示的数字应反映被测里的温度）④完成数字温度计测试电路，读数范围0-100℃，读数稳定。

3、汽车尾灯控制电路

（1）功能说明：设计构成一个控制汽车六个尾灯的电路。用六个指示灯模拟汽车尾灯（左右两侧各3个）；用两个拨动开关作为转弯控制源，一个控制左转弯，一个控制右转弯，如果两个开关同时接通，表示紧急状态，6个尾灯进入闪烁状态。右转弯时右边的三个灯周期性亮、灭，一个周期1秒，左边等全灭，左转弯时类似；进入闪烁状态时，6个尾灯大约以1Hz的频率一致地闪烁。另用一个开关模拟刹车，若刹车时，转弯开关未合上（或者两个开关都合上），所有

（2）设计要求：

①设置转弯信号状态技术电路
②设置时钟发生电路（f=1Hz）
③设置控制电路。
④设置逻辑开关。

4、交通灯控制逻辑电路设计

设计要求：

（1）工作流程

南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG，东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。

（1）功能说明：数字频率计用于测量正弦信号、矩形信号等波形的频率，其概念是单位时间里的脉冲个数，如果用一个定时时间T控制一个闸门电路，时间T内闸门打开，让被测信号通过而进入计数译码，可得到被测信号的频率$\scriptstyle { \mathrm { f } } _ { \mathbb { X } } = { \ ? }$ ，若 $\tau { = } 1$ 秒，则 $t x = 5$

（2）设计要求：

$\textcircled{1}$ 被测信号的频率范围为1Hz-999KHz，分成三个频段，即 $1 \mathbb { H } z - 9 9 9 \mathbb { H } z ,$ 1KHz-100KHz，100KHz-999KHz$\textcircled{2}$ 具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度$\textcircled{3}$ 用3位数码管显示测量数据，测里误差小于10%。

6、电子密码锁设计

（1）功能说明：要求用电子器件（不能用单片机）制作密码锁控制电路，在输入正确的代码时，输出信号启动，用红、绿LED知识关锁、开锁状态。

（2）设计要求：$\textcircled{1}$ 自制稳压电源$\textcircled{2}$ 密码锁控制器中存储一个4位代码，当开锁按钮的输入代码等于存储代码时启动开锁控制电路，用红、绿LED知识关锁、开锁状态。$\textcircled{3}$ 从第一个按钮触动后的5秒内若未能将锁打开，则电路自动复位并由扬声器发出持续10-20秒的报警信号，用红、绿LED知识关锁、开锁状态。

7、智力竞赛快手抢答器逻辑电路设计

（1）功能说明：智力竞赛分为若干组，各组对主持人提出的问题，分必答和抢答两种。必答有时间限制，到时要告警，回答问题正确与否，由主持人判别加分还是减分，成绩评定结果要用电子装置显示。抢答时，要判定哪组优先，并予以指示和鸣叫。

智力竞赛抢答器至少应包括以下几个部分。

计分、显示部分；判别选组控制部分；定时电路和音响部分。

（2）设计要求

用TTL或CMOS集成电路设计智力竞赛抢答器逻辑控制电路，具体要求如
下：$\textcircled{1}$ 抢答组数为4组，输入抢答信号的控制电路应由无抖动开关来实现。$\textcircled{2}$ 判别选组电路。能迅速、准确地判出抢答者，同时能排除其它组的干扰
信号，闭锁其它各路输入使其它组再按开关时失去作用，并能对抢中者有光、
声显示和鸣叫指示。$\textcircled{3}$ 计数、显示电路。每组有三位十进制计分显示电路，能进行加/减计分。$\textcircled{4}$ 定时及音响。

必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单音调“嘟”声，并熄灭指示灯。 $\boldsymbol \theta$

抢答时，当抢答开始后，指示灯应闪亮。当有某组抢答时，指示灯灭，最先抢答一组的灯亮，并发出音响。也可以驱动组别数字显示（用数码管显示）。回答问题的时间应可调整，分别为10三、20s、50s、60或稍长些。

⑤主持人应有复位按钮。抢答和必答定时应有手动控制。

8、电容数字测量仪设计要求：

$\textcircled{1}$ 要求能测试的电容容里在 $1 0 0 _ { P } F$ 至100uF范围内。
$\textcircled{2}$ 至少设计制作两个以上的测里量程。
$\textcircled{3}$ 用三位数码管显示测量结果。

五、参考资料

[1]李维.数字电路课程设计及实验大连：大连理工大学出版社.2008年[2]丁志杰，赵宏图，梁森数字电路与系统设计.北京：电子工业出版社.2014年

[3]康华光.电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006年

六、考核内容与成绩评定

1、考核方式与内容：

（1）实习效果：器件布局、连线质量、功能实现、指标完成

（2）文献综述：查阅资料相关性、技术先进性，文献总结完整性，综述报告格式规范性

（3）设计报告：报告格式、图表规范性、报告完整性

2、考核比例与标准：

本课程设计以百分制计分，按照以下分数段折算为等级成绩提交。

90-100:优；80-89：良；70-79：中；60-69：及格；60分以下：不及格

（1）实习效果考核标准

（2）文献综述考核标准

（3）设计报告考核标准

3、成绩考核具体内容与课程目标评价方式表

教学现场

实验电路

实验报告

学生实习报告

2018~2019学年第二学期

实习类别数电课程设计
学 院电子信息工程学院
专 业 自动化
学 号
姓名

让学生如深对电子我路理论知识的掌握，使学生能把学的知识系统地.高效地贯穿到实践中来，避免理论与实践的脱离，同时提高学生白动手能力、并在实践中不断完善理里论基石出，有助培养学生的综合能力。学习数字电路各中白的优先确码器，存器多谐振荡器、译码器、数据显示管的宗合应用、熟悉抢管器的工作原理，解数字系统设计，调试及敬障排除方法

进度安排及主要内容

第9固！以实验室为单位，对在本实验空进行辨程沒计白班级统一开展改计说明和任安排

第10圈：每位同学根据给定题目范围，确定好自己的课程设计题园，以班级为单位流计后提交给实验室老师，题自不雨更改，。

第9-16周！学生利用课下时间完成课程设计题且设计，在分利用课余时间查阅资粉第12，4周：周三下牛、各实验室安排一下午时间对学性进台答题和指导第18、所周：在实验室由行电子线调试.

第18、阿周：测试验收

TTL或CMOS集成电路设计缩力竞赛抢答器，罗辑控制电路具体要求如下

抢管组数为千组，输入抢管信号的控制电各应由无科动关实现②判别选组电路、能匹速，准确地判出抢答者，同时能排除其它组白干扰信号锁其他各足各入使其它组再按开关时失去作用，并能对抢中着有光、声显示和鸣叫指示

③计数、显示电足各，每组有三位十进制计分显示电路、能出行加/减分、

④定时及音响

必管时、后动定时灯亮，以示开始，当时间到要爱出单调都”声并熄灯抢着时，当抢管开始时，指示灯应内亮，当有某组抢着时、指示灯灭，最比抢卷组灯为出响也可以胞动组别数字显示用数码管显示回答间题时间可调整分别为Ds.20s.5Ds：605或稍长些..

⑤持人应有复位搜钮，抢答和必爸定时应有手动控制

成绩：

指导教师评语（从学生出勤、学习态度、纪律、实习效果、实习报告数据和图样完整性、系统性书定工整等方面给出定性和定量的评价）：（

指导教师签字：

设计原理

U抢管电

一是出逸于按建洗后，并碳定74LSI7S日S个车输出（31.Q2.Q5.Q4分别表示12、3.4选手经74LS32或门厉连接到74LS4]ABC钩立端完成编过程，同时石器显示电路74LS47让数码管显示医手编号，二是要通电抢管选于输出电平信号使随后选手按丑操作无效，业小选于雨写，二是要

当主持人控制开关处于“清除时、D触发器白消零立端为低电平健口触发器被渠制滑零，入白抢答信写无效，当主持人将开关拔到开始”时后器发器被犯，状态为扇电平、四个（非立端经过与门U9B为高电平、再和555脉冲房男店易器位号经过与门UBA仍为高电平，再送到D用虫&器的脉中端，当波人抢答时和都为电平、Q非&非Q非Q4非都为高电平、与门UB，出为高电Q2Q3古波脉中倍号相与仍为脉中信号，医到确触发器脉冲端，当一有人高、和端为高电平，法信呂在时钟*的月永冲信男的上什治毛到来时君入D后编通过74LS32和T4LS47.显示右数中同时非到出为B后仍为低电平经与门UA使器4LS5非车四个本廓立白6车入同时原持输出立白电平倍号不变、当选手回管完单、持人控制关S，是抢卷电路复位，以便进存下一轮抢管

2定时电路：

4LS化2是同步进制可逆计数器，它具有双时中车廓入，托具有清除和置数等功能，LOAD为预胃数立，低电平时把病入端置成预置数，CLR为清零立，UP为加计数端、0OWN为减数立常，B0为借位输出C0为进位辨出立带，计数路白时中月脉冲、由秒月永冲电5S5提供，其脉冲频率为H8.即秒、安化一个周期、原理：由于电容（的两端电压不能突变定时器的2立电应低触发立端为低电平，车出端为高电平、电源经过过RR给电缩C充电，当电离的电压充到电源的3时，555内部M0S管导通.输出为低电平接看电磨通过R和e经通的MOS管放电、当电容的电压凡弹到低于/的电源电位时、MOS管载止电容放电停止、此时电源、通过R、R2再次向电寒充电、如此反复，形绒震荡、从而在了端得到时肿脉冲源输出

SsS产生的月永冲启号的周期计算L式：T=0.69*（e+R）*C.

3扳警电话：

由74LS|21和出峰鸣器构成的扳繁电路、但作真中沒有74C5121.因此用功能相同的MONOSTABLEVIRTUAL代替，佑真，其中A白永冲输立养由复位信写和非的5信旻和用贈首位信写与在一起来提供自，当其中一个信号为低电平时，使得A得到一个与信脉冲从而使A白端输出一个宽度为秒的高电平、那么，蜂鸣器就会下降中尺各停振虫蜂峰鸭器不响，74LS121为不可重复的单稳态角触发器，一旦被角虫饭由入暂稳态以后，再上自发脉冲不会影响电民路白工作甘程，必须在暂稳态多束以后、它才接下一个雨发月永冲而转入暂稳态，输出月永冲白演度白Rext和ext的大小决定，蜂吗器有绿色电路板白是一种无源邮器没有电板而里封闭白是有原峰鸣器，有源蜂哈器，内部带震荡黑，所以只要一备电就会4.吊外、为3加大鸟器的着量用一个三极管区动它管境成共集电极车出形式电压跟随，增大电流

4日控制电

人按制开关从“清陈位置拨到“开始”位置时，74LS5印车输出仪1.U1B输为！借位信号为1.使U0A有出为1.则时钟信SCP能够多加到74Ls（92白日据中端，宾时电路各进行递减计时，同时，在定的时间到时，则74LS12借位信号为1.UA和C10A白出为1.使74L51S而和74LS192.外于正常工作状态，从实现功能当接制用关按到开始时，抢管电路各和定时电路进入正常抢着工作状态白要求当快手在定时时间内搜t安动抢卷建时，41=0.UB车输出为d.封锁CP信写，UP输世为心、定时路修止倒计时处于保持工作状态，同时UA白的输出为0，使74LS7S鼓有地健（108输出为a给74ls（21一个下降B，使74s12外于工作试态，给峰器一个一秒自高电率、实现功能当多赛送手被动抢答气建时，扬声器反声抢卷器电路和定时电路停止作白6要求，当定时时间到时，则474LS192自S借位信号为0.UDB车输出为O.有给了74L5（21-个下降恣使74LS121处于工作米气、绝峰吗路-个一秒白高电平同时UgA输份也为0.]进741S（75锁存禁止快手抢答，③）时0A插时为0，封锁CP信号使定时电路保持状态不变、从实现当没定的抢答时间到、无人抢管时，扬声器发声同时把管电路和定时电路停止工作的要求。

7、如减合数电路

如减分计数电路分为三部合、三个计数器，三个泽码器显丽分别对应个位十位百位对位、S控制置数，时被拉上技电阻拉到高电平当按下开关日时、预置数立常为电平、生交效文后，立即换置ABCO数据S控围减计数脉中S3为加计数民建，S4为零民建，产生的BCD码经过74LS48评础驱动数码管显示对应十世制数，下面两个位和个位原理相同，且用串行代借位方式，将低位白进位和借位信号分别送给高位的加减计数月脉冲输入立常实现串行进位和借位