飞行学员旋梯计数显示电路实验案例的设计

汤艳坤，石静苑，高玲

(空军航空大学航空基础学院基础部，吉林长春，130022）

1 综述

旋梯训练，是飞行学员一项重要的体能训练科目，如图1所示，每次训练考核中都需要进行计数。本实验案例要求完成飞行学员旋梯计数显示电路。计数显示电路是电子技术中数字电路部分一种典型的综合性应用电路，可以应用在很多场合。本实验结合我校飞行学员实际训练情况，从应用实际出发，形成学员主动参与、主动设计、主动思考的过程，大大提高了学习的自主性和效果。计划完成以下几个模块任务：（1）传感器部分：将旋梯的转动转换成电路可识别的脉冲信号；(2）计数器部分：将前级产生的脉冲信号进行计数，实现一百进制的计数功能；（3）驱动显示部分：将计数结果通过两个数码管显示出来；（4）复位电路：结合实际，实现下一次重新计数的复位清零功能；（5）课后拓展部分：各组研讨在旋梯开始旋转或结束旋转时会有一个来回摆动的过程，如何避免此时的错误计数。

图1 旋梯训练科目

2 实验教学与指导

本实验是数字电路部分的一个典型实验，基础性很强，涉及到计数器、译码器、数码管等数字电路的基本知识；同时应用性也很强，和飞行学员的训练实际紧密相联。这个实验过程这个实验的完成需要经历课前查阅研讨准备；课上方案论证、模块设计、整机调试；课后应用扩展、总结收获三个过程。在每个过程，教员都适当地对学员进行指导，具体的指导方法和内容如表1所示。

表1 实验教学与指导

1.功能完善 1.指导手段：这是课后完成的任务，对电路功能的完善方案，各组通过网络课平台提交，通过答疑室交流讨论，最终确定一个可行方案。2.指导内容：一是及时组织学员交流讨论，确定电路的完善方案，注意根据学员的设计协助学员分析方案的可行性；二是将实验报告的成绩和存在问题及时反馈给学员。课后知识扩展总结收获2.撰写实验报告

3 实验原理及方案

3.1 系统结构

本实验是一个很典型的数字电路实验，整个系统由旋梯脉冲检测电路、计数电路、译码电路、显示电路和复位电路五部分构成，如图2所示。由于各部分电路可选用不同的方案或不同的芯片，所以电路的实现有不同的形式。在下面实现方案的介绍中，主要针对一种方案进行了介绍。

图2 系统结构示意图

3.2 实现方案

3.2.1 旋梯脉冲检测电路

图5 计数显示电路原理图

如何将旋梯旋转转换成电路可识别的信号？有很多种方法可以实现，比如可以采用光电传感器，也可以采用霍尔传感器，这里提供霍尔传感器方案，工作原理示意图如下图3所示。在实验中，采用一个可旋转的物体模拟旋梯，在上边固定一个小磁铁，每当小磁铁接近霍尔传感器时，霍尔传感器会输出一个脉冲信号，提供给后续计数电路。这里，霍尔传感器采用A1104开关型霍尔传感器，实物图如下图4所示。

图3 霍尔传感器工作原理示意图

图4 霍尔传感器实物图

3.2.2 计数显示电路

该部分电路由计数器、译码器和数码管构成。计数器是用来累计脉冲数目的，还可以用作分频、定时和数学运算，在数字电路中应用十分广泛[1]。该实验中计数器实现的0到99一百进制的计数功能，采用两片计数74LS161芯片实现。译码是编码的逆过程，是将输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平或者另一个代码[2]。这里采用的是数码显示译码器，实现的是将计数器输出的4位BCD码译成驱动数码管正确显示的高低电平，采用两片CD4511实现[3]。显示器件采用的是两个共阴极七段显示数码管实现对0到99的显示。

3.2.3 复位电路

复位电路实现对电路任意时刻的清零，在实际中实现重新计数的需求。

计数显示和复位电路的详细电路原理图如下图5所示。最终实物电路的搭建通过如图6所示的数字电路里实验箱实现。

4 实验报告要求

实验报告分为了两部分：预习报告和实验报告两部分。

预习报告需要反映以下工作：设计任务和要求；将旋梯转动转换成脉冲的方案；利用74LS90芯片实现十进制计数显示电路的仿真，实验报告中画出原理电路。

实验报告需要反映以下工作：整体设计方案（框图）；各模块的设计电路原理图；各模块电路的调试（记录出现问题和解决方法）；系统调试，记录调试结果；电路改进措施：结合实际情况，提出电路存在的问题及改进措施；收获：该电路还可以应用在哪些场合。

图6 数字电路实验箱

5 实验特色和创新

依托学员训练实际提出设计任务，能够激发学员设计电路的兴趣；每个电路模块都采取了各组研讨、教员指导的方式，学员可充分发挥自己的主观能动性提出自己设计思路，提高学员的创新能力；以组的形式完成各任务，可以充分发挥各学员之间的优势互补和团队协作精神；过程式考核方式促进学员每个阶段任务的完成以及对问题的深入思考、深入研究。