飛行學員旋梯計數顯示電路實驗案例的設計

湯艷坤，石靜苑，高玲

(空軍航空大學航空基礎學院基礎部，吉林長春，130022）

1 綜述

旋梯訓練，是飛行學員一項重要的體能訓練科目，如圖1所示，每次訓練考核中都需要進行計數。本實驗案例要求完成飛行學員旋梯計數顯示電路。計數顯示電路是電子技術中數字電路部分一種典型的綜合性應用電路，可以應用在很多場合。本實驗結合我校飛行學員實際訓練情況，從應用實際出發，形成學員主動參與、主動設計、主動思考的過程，大大提高了學習的自主性和效果。計劃完成以下幾個模塊任務：（1）傳感器部分：將旋梯的轉動轉換成電路可識別的脈沖信號；(2）計數器部分：將前級產生的脈沖信號進行計數，實現一百進制的計數功能；（3）驅動顯示部分：將計數結果通過兩個數碼管顯示出來；（4）復位電路：結合實際，實現下一次重新計數的復位清零功能；（5）課后拓展部分：各組研討在旋梯開始旋轉或結束旋轉時會有一個來回擺動的過程，如何避免此時的錯誤計數。

圖1 旋梯訓練科目

2 實驗教學與指導

本實驗是數字電路部分的一個典型實驗，基礎性很強，涉及到計數器、譯碼器、數碼管等數字電路的基本知識；同時應用性也很強，和飛行學員的訓練實際緊密相聯。這個實驗過程這個實驗的完成需要經歷課前查閱研討準備；課上方案論證、模塊設計、整機調試；課后應用擴展、總結收獲三個過程。在每個過程，教員都適當地對學員進行指導，具體的指導方法和內容如表1所示。

表1 實驗教學與指導

1.功能完善 1.指導手段：這是課后完成的任務，對電路功能的完善方案，各組通過網絡課平臺提交，通過答疑室交流討論，最終確定一個可行方案。2.指導內容：一是及時組織學員交流討論，確定電路的完善方案，注意根據學員的設計協助學員分析方案的可行性；二是將實驗報告的成績和存在問題及時反饋給學員。課后知識擴展總結收獲2.撰寫實驗報告

3 實驗原理及方案

3.1 系統結構

本實驗是一個很典型的數字電路實驗，整個系統由旋梯脈沖檢測電路、計數電路、譯碼電路、顯示電路和復位電路五部分構成，如圖2所示。由于各部分電路可選用不同的方案或不同的芯片，所以電路的實現有不同的形式。在下面實現方案的介紹中，主要針對一種方案進行了介紹。

圖2 系統結構示意圖

3.2 實現方案

3.2.1 旋梯脈沖檢測電路

圖5 計數顯示電路原理圖

如何將旋梯旋轉轉換成電路可識別的信號？有很多種方法可以實現，比如可以采用光電傳感器，也可以采用霍爾傳感器，這里提供霍爾傳感器方案，工作原理示意圖如下圖3所示。在實驗中，采用一個可旋轉的物體模擬旋梯，在上邊固定一個小磁鐵，每當小磁鐵接近霍爾傳感器時，霍爾傳感器會輸出一個脈沖信號，提供給后續計數電路。這里，霍爾傳感器采用A1104開關型霍爾傳感器，實物圖如下圖4所示。

圖3 霍爾傳感器工作原理示意圖

圖4 霍爾傳感器實物圖

3.2.2 計數顯示電路

該部分電路由計數器、譯碼器和數碼管構成。計數器是用來累計脈沖數目的，還可以用作分頻、定時和數學運算，在數字電路中應用十分廣泛[1]。該實驗中計數器實現的0到99一百進制的計數功能，采用兩片計數74LS161芯片實現。譯碼是編碼的逆過程，是將輸入的二進制代碼譯成對應的輸出高、低電平或者另一個代碼[2]。這里采用的是數碼顯示譯碼器，實現的是將計數器輸出的4位BCD碼譯成驅動數碼管正確顯示的高低電平，采用兩片CD4511實現[3]。顯示器件采用的是兩個共陰極七段顯示數碼管實現對0到99的顯示。

3.2.3 復位電路

復位電路實現對電路任意時刻的清零，在實際中實現重新計數的需求。

計數顯示和復位電路的詳細電路原理圖如下圖5所示。最終實物電路的搭建通過如圖6所示的數字電路里實驗箱實現。

4 實驗報告要求

實驗報告分為了兩部分：預習報告和實驗報告兩部分。

預習報告需要反映以下工作：設計任務和要求；將旋梯轉動轉換成脈沖的方案；利用74LS90芯片實現十進制計數顯示電路的仿真，實驗報告中畫出原理電路。

實驗報告需要反映以下工作：整體設計方案（框圖）；各模塊的設計電路原理圖；各模塊電路的調試（記錄出現問題和解決方法）；系統調試，記錄調試結果；電路改進措施：結合實際情況，提出電路存在的問題及改進措施；收獲：該電路還可以應用在哪些場合。

圖6 數字電路實驗箱

5 實驗特色和創新

依托學員訓練實際提出設計任務，能夠激發學員設計電路的興趣；每個電路模塊都采取了各組研討、教員指導的方式，學員可充分發揮自己的主觀能動性提出自己設計思路，提高學員的創新能力；以組的形式完成各任務，可以充分發揮各學員之間的優勢互補和團隊協作精神；過程式考核方式促進學員每個階段任務的完成以及對問題的深入思考、深入研究。