工业脉搏·智慧跃动-基于74LS193的双向计数器设计

实验题目：工业脉搏**·**智慧跃动--基于74LS193的双向计数器设计

课程简要信息

课程名称：数字电子技术基础实验

课程学时：16学时

项目学时：课内线上2+线下2学时+课外1学时

适用专业：电气工程及其自动化、自动化

学生年级：大学二年级上

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容：利用74LS193、NE555、数码管以及门电路等设计一个双向十进制计数器电路。

一、线上·基础筑基（2学时）

模块1：场景初探·虚实融通

1)观看某公司的设计的移动式皮带输送机装车卸车发运专用智能计数器视频以自动生产线包裹自动计数器视频，观察传送带正/反转时计数器工作状态

2)分组研讨：比较机械式与电子式计数器可靠性差异，并思考工程问题：如何实现±5000件货物的精准双向计数？

**3)课程思政融入：**严谨求实、工匠精神

模块2：功能认知·启智润心

1. 通过视频回顾74LS193的基本知识

2. 通过Multisim仿真验证74LS193的核心功能

3）异步预置数功能实现（虚拟DIP开关输入BCD码）

4）异步清零(CLR)特性测试

5）利用74LS193实现加法计数减法计数仿真

6）绘制进位(CO)/借位(BO)信号时序图

二、线下·工程实践（2学时）

任务1：电路拓扑建构

1）基于数字电路实验箱，设计双向十进制计数器计数显示电路，计数脉冲可以选择NE555构成的多谐振荡器实现，自行选择元件参数设计脉冲的周期；

2）利用一片74LS193设计双向十进制计数器，方法不指定，分组讨论汇总实现方法；

3）用译码显示电路译码并用数码管显示计数结果；

4）用示波器、万用表等进行电路故障检测和排查；

5）学生展示、互评，完成实验报告、视频录制和交流心得体会；

**任务2：工业场景迁移—**模拟自动化产线场景

1)传送带正向运行：红外传感器触发加法计数（工件入库）

2)传送带反向运行：光电开关触发减法计数（瑕疵品剔除）

三、扩展实验—故障诊断挑战 （线下1课时）

1）预设2种典型故障（时钟信号反接/预置数失效）

2）可选择使用示波器或者万用表进行信号溯源，绘制故障树分析图

3）分组竞赛修复系统并提交诊断报告

4）撰写《工业4.0时代计数器技术演进》微论文

实验过程及要求（限300字）

一、前导任务布置与实现

1）了解数字系统中脉冲信号产生的办法，了解不同计数芯片的功能，尽可能多的提出计数的解决方案；

2）查阅资料，给出计数显示译码电路解决方案；

3）教师根据学生的方案提供元器件；

4）学生可以提前进行方案设计并完成部分电路制作；

二、课堂任务实施与解决

1）小组讨论交流各自方案可行性，针对预习中遇到的问题讨论交流，课上教师协助学生解决问题；

2）利用数字电路实验箱完成74LS193的功能验证，计数电路的搭建，实现的脉冲产生、计数、显示功能；分组利用洞洞板搭建并焊接，电路外形风格可以自由发挥，在完成指定功能的基础上，尽可能布局布线合理美观，运行稳定可靠；

3）学生展示和互评；

4）根据给定的电路，学生分组进行故障检测与排查；

三、课后任务拓展与提升

1）在课上实验的基础上，考虑实际电路的运行需要，继续完善电路的功能；

2）有兴趣有余力的学生可以设计交通灯倒计时电路（2位数字显示）；

3）给自己的作品设计一个工作应用背景或故事情境，能够生动展现作品的电路功能，可视频可论文、形式不限，题材不限；

4）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

本项目是运用数字电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，适用于客流量统计或者装车卸车统计等应用场景，它能够将数字电路中的典型知识点融会贯通，本项目融合了组合逻辑电路模块的译码显示电路、时序逻辑电路模块中的计数器电路、脉冲信号产生与整形模块中的脉冲产生电路，设计种综合考虑了项目设计流程、实验原理验证、可行性分析、实际应用、实践实施过程中问题的解决等，拟培养学生的实践能力和创新思维能力。

实验环境条件

1. 电气实验室设备：数字电子技术试验箱、示波器、万用表等。

2. 虚拟实验仿真平台：推荐使用Multisim。

3. 学习通平台：为学生提供预习任务、教学视频、下发实验任务书、分组讨论和评价等。

教学目标与目的（限150字）

1）知识目标：熟悉计数芯片（74LS193）芯片的管脚功能，掌握74LS193的工作原理和应用，会用 NE555设计脉冲产生电路，会用七段 LED 数码显示管，会用译码器；

2）能力目标：通过这个项目的设计和制作，将数字电路的相关知识点融会贯通；

3）素质目标：通过数字电路模块综合小项目的设计和制作，实现计数器完整功能设计和实现，引导学生对项目设计流程和实现方法进行体验，从实施过程中提升学生的创新实践能力。

教学设计与实施进程

1. 学情分析

学院人才定位：特色鲜明的应用型人才，立足本省面向电类行业，培养具有良好的人文科学与职业素养，较强的工程实践能力，德才兼备，新工科创新型人才。针对本专业的学情分析如图1所示，主要从学生基础分析、实验技能掌握情况、学习态度与参与度以及存在的共性问题展开。。

图1 学生学情分析

2. 教学设计

在教学过程的实施阶段采用“以学生为中心”而设计的BOPPPS教学模型，如图2所示，力求使教学过程成为闭环教学，切实提升学生的学习效果，同时反哺优化教学设计过程。

图2 BOPPPS教学模型

具体实施时可细化为三段式管理和八步法教学，如图3所示。三段式管理分别为课前、课堂和课后管理。 教学组织采用八步法，课前布置项目任务，要求学生根据任务完 成八个过程，具体为：①线上学、②网上查、③线下做、④问题引、⑤教师讲、⑥学生秀、⑦师生评、⑧课后改。

图3三段式管理和八步法教学

三、教学实施

一）课前预习环节设计

1）线上学，通过学习通学习计数器相关知识，了解数字系统中脉冲信号产生的办法。

2）网上查阅非门和与非门芯片的引脚图，了解不同计数芯片的功能，尽可能多的提出加减计数的解决方案；

二）课堂教学环节设计

1）小组讨论交流各自方案可行性，针对预习中遇到的问题讨论交流（例如开关抖动问题、计数结果跳变问题，用LED灯指示正常改用数码管显示则不正常问题等），课上教师协助学生解决问题；

2. 用数字电路实验箱搭建电路完成双向计数器设计（显示用LED灯和七段数码管两种方法），并展示讲解。

3. 设计脉冲产生电路，用面包板分组搭建基本的脉冲产生、计数、显示功能；尽可能布局布线理美观，运行稳定可靠；

4. 学生作品展示，师生互评。

三）课后

1）在课上实验的基础上，考虑实际电路的运行需要，继续完善电路的功能（例如电路运行指示、暂停计数、继续计数、脉冲信号频率可调等）；

2）有兴趣有余力的学生可以设计交通灯倒计时电路（2位数字显示）；

3）给自己的作品设计一个工作应用背景或故事情境，能够生动展现作品的电路功能，可视频可论文、形式不限，题材不限；

4）请总结在完成制作过程中遇到的问题及解决办法，期间你最大的收获是什么。

实验原理及方案

1. 实验原理

实验的基本原理如图4所示，包括脉冲信号产生电路、计数电路、和显示译码电路等。

图4 实验原理系统框图

1）脉冲产生电路

多谐振荡器电路是一种占空比可调的矩形波产生电路。这种电路不需要外加触发信号，便能连续地、周期地自行产生矩形脉冲。脉冲信号产生电路原理图如图5所示，电容的电压和输出电压波形如图6所示，采用NE555和R、C等构成多谐振荡器实现脉冲信号的产生。

图5 由555构成的脉冲产生电路 图6 输出uo波形图

其中，tw1≈ 0.7(R1 + R2)C，tw2≈ 0.7R2C，振荡频率f如式1所示，通过设定 R1、R2、C的参数可以改变脉冲信号的频率。

式1

2. 计数电路

74LS193外引线功能端排列图和功能表如图7所示。

图7 74LS19374LS193外引线功能端排列图和功能表

74LS193是四位二进制可逆计数器，由功能表可知，它可实现加法计数也可实现减法计数，可用异步清零端和异步预置端来实现任意模计数器，实验中采用由简到繁逐层递进的方式，首先采用异步预置、加法计数M=10，态度表和连接图如图8、图9所示，此处方法多样，引导学生自主设计，发散思维。如果不用进位输出端，也可利用与门或者清零端来实现。

1010

图8 异步预置、加法计数M=10

采用异步预置、减法计数M=10。如果不用借位输出端可借助于与非门电路。

0

1

0

1

图9 异步预置、减法计数M=10

3. 显示电路

7段数码管引脚图如图 10 所示，八段数码管拥有7个发光二极管（三横四纵）用以显示十进制 0-9 的数字，也可以显示英文字母。本实验采用共阳极数码管，abcdefg 接低电平数码管点亮。

图10 7段数码管引脚图

数码管在使用中需要和译码器配套使用，驱动共阳极数码管可用74LS47，其管脚排布图如图11所示。

图11 74LS47管脚排布图

二、实现方案

1）脉冲产生电路设计

由NE555构成的脉冲产生电路multisim仿真如图12所示。

图12 NE555构成的脉冲产生电路multisim仿真图

2）74LS193计数器设计与仿真

a. 加法计数仿真

部分同学设计的M=10加法计数器以及仿真如图13所示。

图13 M=10加法计数器仿真

b. 减法计数仿真

部分同学设计的M=10减法计数器以及仿真如图14所示。

图14 M=10减法计数器仿真

3）译码显示电路设计

二进制代码

图15 计数器显示电路仿真

4）**工业场景迁移—**模拟自动化生产线场景

模拟自动化生产线，用开关来控制方向，即加法计数还是减法计数，模拟传送带正向运行时，红外传感器触发加法计数（工件入库），传送带反向运行：光电开关触发减法计数（瑕疵品剔除），仿真电路如图16所示。

图16 双向计数器仿真

5）扩展实验—故障诊断挑战

1）预设2种典型故障（不计数、预置数失效）

2）学生借助于AI，分组使用示波器或万用表等进行信号溯源，绘制故障树分析图

3）分组竞赛修复系统并提交诊断报告（学有余力）

实验报告要求

一、预习内容
1）学习学习通课前发放资料。
2）在虚拟仿真平台Multisim上，搭建仿真电路，并用虚拟仪器得到相应的曲线，保留实验内容的电路截图、现象截图、仿真数据记录、并对测量结果计算分析。

二、实验内容

1）555定时器设计脉冲产生电路；

2）验证74LS193的逻辑功能（独自设计验证电路）；

3）利用74LS193设计M=10的计数器，可选用反馈清零法或反馈预置法设计满足上述要求的电路；

4）在实验箱上进行功能验证；

5）利用显示译码器和数码管显示；

6）对于给定电路检测与排查故障。

三、实验总结及体会

1）总结实验中遇到的问题及解决方案；

2）总结实验操作过程中的注意事项；

3）实验手册的课后思考题；

4）结合实验现象，**工业场景迁移—**模拟自动化产线场景，正向运行：红外传感器触发加法计数（工件入库），反向运行：光电开关触发减法计数（瑕疵品剔除），引发学生思考。

5）记录实验中获得的工程实践经验；

6）实验的心得体会。

考核要求与方法（限300字）

为促进学生全面发展，构建了全过程、多维度评价体系，实现做种评，评中改的闭环反馈。

最终成绩包括平时成绩与报告成绩，平时成绩包含了师生互评与生生互评相结合，线上仿真成绩和实操成绩相结合，小组自评与小组互评相结合、阶段考核与展示等多种考核方式，根据各阶段考核得出学生综合考评，反馈教学效果，及时调整教学策略。

平时成绩(70%)

1）课堂表现(20%)

课堂表现+学生汇报+抢答汇报

2）线上成绩(20%)：学习通平台（课前预习+观看视频+线上仿真实验+论坛讨论等）

3）小组评价(25%)：小组自评+小组互评+小组讨论+课外作业（科研资料查阅）

4）实操成绩(35%)：实验操作

电路搭建、测试、结果分析、仪器仪表正确使用；自主设计、展示，完成后联系教师进行打分。

报告成绩(30%)

实验报告成绩：实验课结束后一周内提交实验报告，报告格式规范、内容清晰、过程分析正确、结论科学严谨。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

一、项目特色或创新

1）虚实衔接：采用"仿真验证→实物调试→场景迁移"三阶递进模式，通过线上线下相结合的方式，充分利用优质而丰富的在线资源，实现了课堂里的因材施教。

2）依托案例，设置任务，层次递进，吸收再应用，实现了高阶的学习目标。

3）自然的融入课程思政，将知识学习与课程思政有机融合，润物无声，使得学生的价值观得到升华。

二、实验教学成效

团队教师围绕本实验课程取得的教学成果有：获得省级教学创新比赛三等奖1项、省级信息化交流比赛二等奖2项、课程设计获赛区三等奖1项、教改论文1篇，为教学改革提供了理论和实践基础。同时，本实验课程的教学有力支撑了学生参加电子设计竞赛、蓝桥杯大赛、全国大学生智能车等。学生获2023年电子设计大赛省级一等奖1项、三等奖1项；2024年蓝桥杯大赛国奖2项，省级二等奖 18 项；2024年全国大学生智能车竞赛获省奖10余项。

部分教师获奖证书和学生竞赛获奖证书如图所示。

附录：支撑材料