药片瓶装生产线简易控制系统设计

课程名称：数字电子技术

实验题目：药片瓶装生产线简易控制系统设计

课程简要信息

课程名称：数字电子技术 课程学时：48 适用专业：电类 学生年级：2

实验内容与任务（限500字）

课题功能描述：

从键盘输入每个瓶子将装入的药片数。当每个瓶子的药片正好装满时，以下两个事件同时发生：（1）停止药片装入；（2）传送机将装满药片的瓶子移走，下一个空瓶进入装药位置。一旦空瓶进入合适位置，传送机立即发出控制信号，开始第2瓶药片的装入。

设计任务：

考虑到系统整个电路的简单性，每瓶装入的药片数及瓶数限制在10以内。

（1）通过键盘设置每瓶将装入的药片数（5-9）并显示；

（2）1位数码管显示当前实装药瓶数（最大值为9）；

（3）2位数码管显示当前已装的总药片数（最大值为81）；

（4）完成理论设计、PROTEUS软件仿真和实际电路安装调试。

实验过程及要求（限300字）

实验分为两个阶段：首先进行PROTEUS软件仿真，然后安装实际电路完成上述设计任务。

实验过程中具体要求和注意事项如下：

（1）选用中、小规模数字集成电路实现；

（2）药片装入操作使用数字脉冲信号模拟，装入1片药片即产生1个脉冲；

（3）传送机操作时间设为2-5秒，用某种电路模拟传送机的工作过程；

（4）画出PROTEUS软件仿真电路，功能演示正确，实际电路按照设计要求正常工作；

（5）撰写实验报告。

相关知识及背景（限150字）

这是一个数字系统应用的典型工程案例，需要运用数字电子技术中的逻辑门、编码器、显示译码器、数码管、比较器、计数器、单稳态触发器等相关知识与技术方法。涉及到了数字电路中大部分数字集成电路器件的应用，涵盖了数字电子技术的主要内容。

需要注意的是，这个系统只是一个用于学习和实践的简化案例，它并不是解决上述设计任务的最根本或最有效的方法。设计此课题的目的，是通过对这一课题的学习和实践，让学生感受到学以致用的价值，提高学生的学习兴趣。

教学目标与目的（限100字）

（1）学会如何将一个实际问题进行逻辑抽象和简化成为一个数字系统；

（2）学会如何根据不同功能需要选择合适的数字集成电路；

（3）初步掌握数字系统的综合设计方法；

（4）掌握PROTEUS软件仿真技术，提高数字电路的软件仿真能力；

（5）学会在电路板上安装较复杂的数字电路，初步掌握数字电路的基本调试方法。

教学设计与引导

本实验是一个综合设计性实验项目，需要经历相关理论知识学习、技术方案论证、系统设计、计算机仿真、电路安装调试等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）电路的理论设计。这是整个实验中的难点。学生可能不知道如何下手，老师在这一环节需要重点引导。可采取的方法为：将整个系统划分为多个功能模块进行理论设计，逐一对每个模块的理论设计思路进行介绍。

功能模块一：设置的每瓶装入药片数（5-9）显示模块；

功能模块二：比较模块。即当前每瓶实际所装药片数与设置的每瓶装入药片数进行比较，当两者相等时表示该瓶药片装满，停止装药；

功能模块三：已装瓶数显示模块；

功能模块四：已装总药片数显示模块；

功能模块五：模拟传送机工作过程及药片检测传感器的电路模块。

（2）电路的软件仿真。进行理论设计时，采取边讲解、边设计、边仿真的方法，将模块电路的设计方案立即在仿真软件中实现，其教学效果较好。对设计的单元电路和模块电路分别进行功能仿真，然后进行整体电路的连接，学生易于理解和接受。

（3）电路的安装与调试。整个控制电路所使用的集成电路较多，相互的连线较多且复杂。学生安装前必须对电路面包板进行布局，安排好各个集成块的位置；导线走向为水平或垂直方向，不要交叉连接；不要从集成块上方布线，否则调试时无法更换集成块。电路安装完成后，即可通电调试。一般情况下电路不会全部正常，会出现各种故障。在这种情况下，老师应向学生介绍先分块调试、后整体调试的方法。引导学生如何根据故障现象进行故障定位，即将故障确定在哪个模块电路以及哪个单元电路，然后排除故障。

实验原理及方案

控制电路的模块框图如图1所示。

功能模块一：将键盘输入的每瓶装入药片数（5-9）在数码管上进行显示。该模块由键盘输入电路、十进制到8421BCD的编码器、显示译码器和1位数码管组成。

功能模块二：比较模块。药片检测传感器工作时，每装入1片药片即产生1个脉冲，计数器1依据该脉冲信号对每瓶装入的当前药片数（B）进行计数。同时当前药片数（B）与键盘输入的每瓶药片数（A）进行比较，当B小于A时，继续装入药片，当B等于A时表示该瓶药片装满，比较模块发出信号控制装药设备停止装药，传送机开始工作，并将计数器1清零。该模块由计数器1和集成比较器构成。计数器1和比较器共同构成一个可预置的A进制加计数器。

功能模块三：将当前已装瓶数进行显示。由计数器2、显示译码器和1位数码管组成。计数器2以比较器输出信号作为计数脉冲，对当前已装药片瓶数进行计数。

功能模块四：已装总药片数显示模块。由计数器3、显示译码器和2位数码管组成，计数器3构成一个2位十进制计数器，可将总药片数进行累加，可计数显示的最大值为99。

功能模块五：模拟药片检测传感器及传送机工作过程的电路模块。实验过程中，药片检测传感器可使用脉冲信号源进行替代，装入1片药片即产生1个脉冲。

传送机的工作过程可由一个单稳态电路来模拟，如图2所示。当每个瓶子的药片正好装满时，比较器产生的输出信号作为单稳态电路的触发信号，使其输出暂稳态为0的脉冲信号，一方面，它控制脉冲信号源停止产生脉冲，用于模拟停止装入药片的操作；另一方面，暂稳态的开始和结束（即输出信号的下降沿和上升沿）时刻分别表示传送机工作的开始和结束时刻，暂稳态结束的上升沿作为下一瓶药片装入的启动信号。

图1 控制电路的模块框图

图2 传送机的工作过程示意图

教学实施进程

介绍课题设计任务的内容与要求，使用PROTEUS仿真软件现场演示该电路的运行效果，让学生对该系统有一个感性认识，并以此提高学生对该课题的兴趣。

整个电路在时间安排上分为两个阶段分别实施：

（1）组合逻辑电路部分（4学时）：包括编码器、显示译码器、数码管、比较器等单元电路；

（2）时序逻辑电路部分（4学时）：包括计数器1、计数器2和计数器3 以及单稳态电路。并连接两部分电路进行整体调试。

上述每一阶段中都包含理论设计、软件仿真和实际电路安装测试。

实验报告要求

实验报告主要包括如下内容：

1. 实验任务及要求

2. 问题分析与方案选择

3. 单元电路设计

4. 集成电路及元器件选择

5. 原理图绘制及软件仿真

6. 电路安装与调试过程中的故障分析及解决办法

7. 实验结果及总结

考核要求与方法（限300字）

1. 理论设计：电路方案的确定，电路模块设计思路及单元电路的设计原理；

2. 软件仿真：仿真电路功能的实现情况，以单元电路为考核对象；

3. 电路安装：元器件选择合理性，电路布局是否合理，导线连接是否整齐；

4. 电路调试：是否实现了实验规定的所有功能；

5. 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力；

6. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

首先，该实验涉及的实际问题是学生感兴趣的一个工厂控制装配线课题，使学生能够感受到数字系统在实际工作中的应用；

其次，该实验需要用到组合逻辑电路、时序逻辑电路、数字显示和时钟等知识，涵盖了数字电子技术的主要内容；

第三，实验结果可视，让学生产生浓厚兴趣，实验完成后增强成就感；

第四，该实验可以分解若干个不同模块和单元电路，便于循序渐进地组织实验教学；

第五，该实验项目扩展性强。从实现的技术手段看，在采用中、小规模集成电路器件完成后，可以改用可编程器件来实现；从电路原理上看，容易将电路进行扩展，如：使每瓶装入的药片数在100以内、瓶数在10以内。

参赛选手信息表