课程设计——反应测试器的设计与开发解析

电子技术课程设计报告设计课题：反应测试器的设计与开发
专业班级：电气工程及其自动化
学生姓名：陈旭亮
指导教师：于爱华、张震宇、郑玉珍、瞿晓设计时间：2013/7/3——2013/7/11
自动化与电气工程学院
反应测试器的设计与开发
一、设计任务与要求：
设计任务：设计一个反应能力测试电路，当被测对象看到第一个LED点亮后，即迅速按下按键，用LED发光二极管指示人的反应速度的快慢。

除了LED显示，还可以增加蜂鸣器电路，按键过程中可以让它鸣叫，
也可以超时后鸣叫。

设计内容：
1、数字电路部分设计：用555芯片和CD4017芯片，设计一个反应能力测
试电路，当被测对象看到第一个LED点亮后，即迅速按
下按键，用LED发光二极管指示人的反应速度的快慢。

除了LED显示，还有蜂鸣器，过程中可以让它鸣叫，也
可以超时后鸣叫。

该部分还用到相关的与非门、或非门、
非门等芯片（如74HC00、74HC02、74HC04等）以及三
极管（如8050，用于放大驱动）等器件。

2、模拟电路部分设计：用7805芯片和相关外围电容，设计一个5V 稳压电
源。

考虑到安全性，不做降压和整流部分，而是直接通入
DC，如9V DC适配器。

5V电源用于给数字部分供电。

设计要求：
1、基本部分：实现反应能力LED显示，LED显示要能区分出人反应速度的
快慢。

可以用单个点亮（不同的LED点亮代表不同的反应速度）、
或多个点亮（点亮的LED越少，代表反应能力越快）的方法，诸
如此类，具体不作规定。

2、发挥部分：在基本部分基础上加入声音功能，可以在测试过程中让其鸣叫，
也可以测试超时后让其鸣叫，具体不作规定。

二、方案设计与论证：
反应测试器总体方框图如图所示：
其工作原理为：由振荡器产生触发脉冲，作为顺序脉冲发生器的输入脉冲，当输入脉冲的频率变化时顺序脉冲发生器产生的顺序脉冲也会有不同的频率，从而达到控制发光二极管循环时间的目的。

产生顺序脉冲后将它加发光二极管系统上，使二极管产生简单的循环变化的效果，通过开关作用对产生顺序脉冲的发生器予以控制，因而使发光二极管显示为最后一个输入脉冲时的状态，进一步判断出被测试者的反应速度。

三、单元电路设计与仿真分析：
(一)555振荡电路：
利用555定时器组成的振荡器产生的时钟脉冲信号交给4017十进制计数器进行计数，为发光二极管提供电信号。

为了实现人眼反应能够区分的灯光效果,必须使时钟脉冲的周期大于人一般的反应时间，即取T大于等于0.2s。

取T=0.2s,R1=1KΩ，C1=10nF。

（二）顺序脉冲发生电路：
顺序脉冲发生电路由CD4017构成即CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。

当使能端和清零端都为低电平时有连续脉冲输入CD4017时对应依输出高电平驱动发光二极管循环发光，当清零端为高电位时电路不能正常工作CD4017输出端保持低电位所以发光二极管一直不发光，同理使能端为高电位时电路也无法正常工作。

（三）发光二极管系统：
发光二极管系统是整个设计的最后的显示部分，也是最直观明显的显示设计成果的关键。

将顺序脉冲发生器产生的顺序脉冲加到发光二极管上之后，可以使二极管产生循环闪烁的效果。

在此基础上再将发光二极管也可以按不同的顺序放置，根据测试人随机指定一个停止位置被测试人按下测试键正好使LED发光以此判断被测试人的反应能力。

四、总原理图及元器件清单：
1、总原理图：
2、元件清单：
五、安装与调试：
（1）组装调试稳压电路：稳压电路由两个二极管和7805组成。

两个二极管连接7805的一号和三号脚后都接地，二号脚直接接地。

在一号脚输入9V电压后，测量三号脚的输出电压稳定为5V。

（2）调试时钟脉冲发生器电路：由555定时器组成，它的电路结构为多谐振荡器。

连接完时钟脉冲发生器电路后，在输入端接上稳压电路输出端，再在电路两端接上示波器，观察到示波器显示波形为矩形方波。

（3）调试4017计数器和和发光二极管的组合电路：安装好4017计数器和和发光二极管的组合电路，与时钟脉冲发生器电路连接，接通电源后，4017组的发光二极管驱动电路在顺序脉冲的驱动下，依次输出高电平驱动发光二极管顺序闪烁发光，当超过一定时间后，蜂鸣器响起。

（4）反应测试器的联调：连接好电路各部分，接通电源，按钮开关J2先对4017集成电路进行清零，J1打到上端电路导通开始工作，红色发光二极管立即发光，绿色发光二极管循环闪烁，按下按钮开关J3，将4017使能端置高电位，计数器停止工作，将输出结果予以保留，绿色发光二极管显示即为反应速度。

六、性能测试与分析(软件设计与调试)：
本电路采用时钟脉冲发生器驱动计数器再利用十进制计数器CD4017输出顺序脉冲驱动一组发光二极管，使二极管的输出不断地变换输出发光二极管轮流变换发光，电路组成包括时钟脉冲发生器、发光二极管接驱动器和发光二极管显示器以及操作键。

时钟脉冲发生器由555定时器组成，它的电路结构为多谐振荡器。

4017组的发光二极管驱动电路在顺序脉冲的驱动下，依次输出高电平驱动发光二极管循环闪烁发光。

电路中双向开关J1为电源开关，按钮开关J2对CD4017清零端的控制，当J1打到上端电路导通开始工作，红色发光二极管立即发光，绿色发光二极管循环闪烁，按钮开关J3为测试开关，导通此开关将4017使能端置高电位则计数器停止工作，并将输出结果予以保留，绿色发光二极管显示为最后一个输入脉冲时的状态。

反应测试仪的使用：测试工作由测试人和被测试人组成，测试是可由测试人
随机指定一个停止位置，例如当指定的LED为2被测试者必须在按下测试键后正好使LED2发光，按晚了会使LED3发光，以此标准为测试的基本标准来判断被测试者的反应速度。

七、结论与心得：
这次课程设计是给我们电气工程及其自动化专业的学生一次很好的锻炼，这样的设计让我们迈出了从理论到实际的步伐，我们在设计中不仅能运用学过的书本上的知识，又可以从实践中学到很多新的东西。

从通过理论设计，到自学PROTUES仿真软件进行仿真，再到确定具体方案，最后到调试电路、成型。

整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。

可以说，本次课程设计是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。

总的来说，这次课程设计虽然很累，但却是苦中有乐，非常充实。

在这次实习中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。

因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

从7月3日到7月11日，为期9天的课程设计，我们稳稳地进行着。

刚开始，我知道不能空凭自己的想象直接把元件直接接到电路板上，这样很容易出现错误，又很难找出错误，而且找到错误后又很难去修改，所以我花了四天时间设计了两种不同的方案，又自学PROTUES仿真软件，把设计的两个方案分别用仿真软件制作出来，然后挑选了一个更好的方案。

在电路板的安装的时候，即便我已经用PROTUES仿真软件对电路进行过仿真，但是安装下来还是各种艰辛和失败。

从刚开始连接的电阻阻值过大，导致发光二极管不能正常发光，重新把电阻拆掉再换另一种电阻。

后来又因为忘记给红色发光二极管的串联电阻，导致烧坏了一个发光二极管。

然后不知道蜂鸣器的启动电压是12V，蜂鸣器怎么也响不了。

再后来又出现少接了地线，各种线路接触不良的情况。

本次课程设计不仅培养了我们的科学严谨的学习态度，使我们认识到不管做任何事都要付出一定的努力，才会有大的收获。

同时也让我们领略到电子技术科学知识领域的广袤。

相信这次课程设计过后,我们的理论水平和实践动手能力都会有一个质的飞跃，也为今后的实践课程及毕业设计打下了坚实的基础。

要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前提。

这样才能对试验中出现
的问题进行一定的分析和解决。

在本次课程设计中还有些许体会。

有些东西分开来与整合起来是不同的。

局部与总体是有区别的。

结合课程设计具体一点说就是，也许你能很快弄懂每个单元电路，但要拼凑起来实现整体功能，却会一片茫然，不知所措。

日常生活又何尝不是呢？懂一点，知一面，似懂非懂。

这时要坚持下去，拨开迷雾方能见到真面目。

当然在这个过程坚持很重要，但方法不容忽视。

好的方法有助于更好更快的认识新事物，看清全面貌。

具体说，在本次课程设计中，我是从功能出发，构建总的原理框图，设计反应测试器的方案，再是自下向上，自左向右进行电路设计的，最后纵观全局。

八、遇到的问题及解决方案：
问题：直接将蜂鸣器串联50欧姆电阻后，接在4017
的11号管脚上，导致蜂鸣器两端电压不足不能鸣响。

解决方案：将蜂鸣器和三极管如图连接，使蜂鸣器两
端电压达到12V启动电压。

九、参考文献：
[1] 康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1999年
[2] 彭华林等编. 数字电子技术. 长沙：湖南大学出版社，2004年
[3] 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，2004年
[4] 侯建军. 数字电路实验一体化教程. 北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005年
[5] 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2001年
[6] 赵春华、张学军.电子技术基础仿真实验. 北京：机械工业出版社出版社，2007年。