基于Multisim的健身计步器设计与仿真.docx-资料库

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数字电子技术基础课程设计报告设计题目：健身计步器设计姓学班指导教师：肖洪祥名：罗峻号：3182052052321 级：电子信息类 18-3 班课程设计成绩：桂林理工大学信息科学与工程学院 2020 年 1 月 1

目录 1 引言 ............................................................. 3 2 电路方案设计 ..................................................... 4 2.1 设计原理分析 .................................................. 4 2.1.1 信号处理与波形产生部分 .................................... 4 2.1.2 计步部分 .................................................. 4 2.1.3 计卡路里部分 .............................................. 4 2.1.4 计时部分 .................................................. 4 2.2 主要元器件介绍 ................................................ 5 2.2.1 74LS161 .................................................. 5 2.2.2 多谐振荡器 ............................................... 7 3 电路设计实现与仿真 ............................................... 8 3.1 信号处理和波形产生部分 ........................................ 9 3.2 计步部分 ...................................................... 9 3.3 卡路里显示部分 ............................................... 10 3.4 计时部分 ..................................................... 10 4 结论 ............................................................ 11 参考文献 .......................................................... 12 2

1 引言随着社会的发展，人们的生活水平也不断地提高，健身慢慢成为人们生活的一部分，在很多健身项目中，显然跑步是人们实现健身最简单、有效的运动方法，健身计步器也成了计量步数、健身时间、消耗卡路里最直接的工具。健身计步器的设计要求：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。数码管显示记录走（跑）步数，最大值为 9999，并以分钟为单位记录本次健身时间。假定每走 14 步消耗 1 卡路里的热量，计算并显示走步过程中所消耗的热量。根据设计要求，健身计步器由信号处理和波形产生部分、计步部分、计卡路里部分、计时部分四部分组成。首先利用传感器将运动的震动转换成具有一定振幅的波形，经过信号处理电路将波形过滤并且放大，再经过施密特触发器进行整形，产生矩形脉冲，这时输出的波形便是具有可以用来计数的脉冲信号，将其输入四个由 74LS161 组成的十进制构成的计数显示器，在数码管中便可以显示最大为 9999 的步数。同时施密特触发器输出的波形用 74LS161 做成的十四进制的分频器进行分频然后再接入由 74LS161 组成的十进制计数器，便可以显示健身过程中所消耗的卡路里数。计时部分用 555 定时器构成的多谐振荡器产生 1KHz 的脉冲，经过三个 74LS161 组成的 1000 分频器将其变成 1Hz 的脉冲，这时以秒为单位计时，再经过由两个 74LS161 组成的 60 分频器后形成以分为单位的计时器。在本设计中，由于 Multisim 没有传感器，所以直接用矩形波发生器代替了信号处理与波形产生部分，即用一个矩形波信号代替运动一步，进行步数的计量与显示。 3

2 电路方案设计 2.1 设计原理分析 2.1.1 信号处理与波形产生部分首先利用传感器将运动震动产生的信号转换成有一定振幅的波形，首先滤波，通过滤波电路。因为产生的波形是比较小的，所以要进行放大，通过一个运算放大电路，最后利用 555 定时器构成的施密特触发器，对波形进行整形，变成矩形脉冲信号。 2.1.2 计步部分所需计到的最大步数为 9999，所以需要用到一个一万进制，利用四个 74LS161 构成四个十进制，就可以实现计不到达 9999 步。因为 74LS161 是四位二进制，构成十进制，运用异步清零的方法。 2.1.3 计卡路里部分卡路里的显示为每 14 步显示一卡路里，所以需要用到一个 74LS161 接为 14 进制，作为一个 14 进制的分频器，然后 14 步进 1，实现 14 步显示一卡路里。分频后卡路里的显示部分为十进制，本设计用三个 74LS161 组成 1000 进制，可实现最大卡路里数为 999. 2.1.4 计时部分以分钟为单位记录健身时间。首先运用 555 定时器构成的多谐振荡器产生频率为 1KHz 的矩形波脉冲，然后对其进行千分频，分频为 1Hz 的矩形波脉冲，实现计时时间为一秒，因为要以分钟为单位实现计时，所以得用一个六十分频器来实现六十进一，利用两个 74LS161 构成六十进制进行分频，分频后利用两个 74LS161 都接成十进制，达到计时最大时间为 99 分 59 秒。 4

2.2 主要元器件介绍 2.2.1 74LS161 74LS161 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的 4 位二进制同步加法计数器，其的引脚图如图 2-2-1 74LS161 的功能表如表 2-2-1 图 2-2-1 表 2-2-1 从功能表的第一行可知，当 =0(输入低电平)，则不管其他输入端(包括 CP 端) 状态如何，四个数据输出端、、、全部清零。由于这一清零操作不需 5

电平有效，也可以说该计数器具有“异步清零”功能。要时钟脉冲 CP 配合(即不管 CP 是什么状态都行)，所以为异步清零端，且低从功能表的第二行可知，当 =1 且 =0 时，时钟脉冲 CP 上升沿到达，四个数据输出端、、、同时分别接收并行数据输入信号 a、b、C、d。由于这从功能表的第三行可知，当 = =1,==1 时，则对计数脉冲 CP 从功能表的第四行又知道，当 = =1 时，只要 CTr 和 ENP 中有一个为 0，另外，进位输出 Qcc=CTr·0·1·2·3表明，进位输出端仅当计数控制端 CTr=1 则不管 CP 状态如何(包括上升沿)，计数器所有数据输出都保持原状态不变。因此，CTr 和 CTp 为计数控制端，当它们同时为 1 时，计数器执行正常同步计数功能;而当它们有一个为 0 时，计数器执行保持功能。个置数操作必须有 CP 上升沿配合，并与 CP 上升沿同步，所以称那么该芯片具有 “同步置数”功能。实现同步十进制加计数。且计数器状态为 15 时它才为 1，否则为 0 6

2.2.2 多谐振荡器 uo uc 图 2-2-2 如图 2-2-3 所示，它是由用 555 定时器构成的多谐振荡器，R1、R2、C2 是是外接 TD 截止。 R2 的连接点 P。工作原理起始状态：接通电源前电容 C2 上无电荷，所以接通电源瞬间，C2 来不及定时元件,定时器 TH(6)、 (2)端连接起来接，品体三极管集电极(7)接到 R1、充电，故=0 比较器 C 输出为 1、C2 输出为 0，基本 RS 触发器 Q=1、=0.uo=UOH、暂稳态 I：Q=1、=0、uo=UoH,TD 截止，是电路的一种暂稳状态,因为在这种状本 RS 触发器立即翻转到 0 状态,Q=0、=1、uo=UoL。饱和导通。暂稳态 II:Q=0、=1、uo=UoL,TD 饱和导通，是电路的另一种暂稳状态，因为在这种状态下，同样有一个电容 C 放电、缓慢下降的渐变过程在进行着，放电回态下，有一个电容 C 充电.u 缓慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是 Vcc→R1； R2→C→地，时间常数是τ=(R1+R2)·C。自动翻转 I：当电容 C 充电.uc 上升到 2Vcc/3 时，比较器 C1 输出跳变为 0，基路是 C→R→TD→地，时间常数是τ=R2·C(忽略 T。饱和导通电阻 Rces)。自动翻转 II:当电容 C 放电、uc 下降到 Vcc/3 时，比较器 C2 输出跳变为 0，基本 RS 触发器立即翻转到 1 状态,Q=1、Q=O、uo=UoH,TD 截止.即暂稳态 I。在暂稳态 1 路就在两个暂稳态之间来回翻转震荡，于是在输出端就产生了矩形脉冲。 ,电容 C 又充电，uc 再上升………，不难理解，接通电源之后，电 7

2.3 电路设计方案电路的总体设计方案图运动产生的震动信号处理和波形产生部分十四分频卡路里显示计步部分多谐振荡器千分频六十分频分钟计时 8

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