北工大電子技術試驗報告自行車速度表

1、北京工業(yè)大學課程設計報告（caa4383d3b9cd7799179307d746bee13.pdf）北京工業(yè)大學課程設計報告學院：電控學院 專業(yè)：電子科學與技術 班級：110232班 組號：第十組 題目：自行車速度表（數字類） 姓名：王丹陽 學號：11023224 指導老師：孫慧平 成績： 2013年3月28日目錄一、設計題目3二、設計技術指標及設計要求32.1 設計任務：32.2 設計參考方案：32.4 發(fā)揮部分：42.5 參考元器件：4三、設計框架43.1 設計原理說明43.2 各模塊設計方案43.3 參考數據43.4 測試不同自行車時的參數調整53.5 電路仿真結果5四、設計方案的選擇及

2、比較6五、設計方案各單元電路說明75.1門控脈沖電路75.2紅外傳感器及整形電路75.3記數電路75.4譯碼及顯示電路7六、系統(tǒng)的調試76.1調試順序說明76.2調試步驟的具體說明76.3 實驗結果及相關波形86.4 誤差計算及誤差分析9七、附錄107.1 系統(tǒng)電路的工作原理圖107.2 元器件識別方法和檢測方法107.3 芯片管腳圖及功能表117.4 電路的相關波形圖147.5 電路所用元器件清單157.6 參考資料16八、收獲和體會16一、設計題目自行車速度表（數字類）二、設計技術指標及設計要求2.1 設計任務：根據車輪周長、輻條數和車輪轉數等參數設計、調試完成一個進行車用速度（時速）表，

3、要求具有根據不同車型隨時進行調整的功能，以保證速度表顯示的正確。2.2 設計參考方案：通過測量在單位時間內通過紅外光電傳感器的輪輻數，折算出車輪走過的距離，即每秒通過多少根輻條等于1公里/小時的速度。時速值按十進制由數碼管顯示。假定車速為1公里/小時，那么車輪每秒走過的距離為100000厘米/360027.8厘米。因測的是每秒通過光電傳感器的輻條數，故須將27.8厘米/秒化作多少根輻條/秒，兩根輻條間的輪周長=輪周長/輻條數。對于每小時一公里的速度，相當于每秒通過的輻條數為27.8厘米/輻條間輪周長（即門控脈沖的頻率），此數的倒數即為每通過一根輻條所需要的時間（秒）。如果在此時間內通過1根輻條

4、即表示速度為1公里/小時，若通過20根條，則車速為20公里/小時。顯然為獲得0.1公里的精度，設計按0.1公里/小時計算。相應的調整措施為：只須調整門控脈沖振蕩器即可。方法是給計數器CP端輸入一個100Hz的脈沖信號，然后調整門控電路的周期（由RC參數決定，調整其中的電阻即可），使顯示數為每通過一根輻條所需的時間乘以100，這也是輪輻計數器在門控電路所提供的一個鎖存信號的信號周期之內計得的最大數，如果每通過一根輻條所需要的時間較短，則可用1KHz的脈沖信號（或更高頻率的脈沖信號）進行調整。原理框圖：紅外傳感器脈沖整形輪輻計數器譯碼驅動器數碼管顯示速度值門控脈沖電路鎖存信號整形復位信號2.3 設

5、計要求：（1） 顯示數字為3位，精度為0.1公里，即(00.099.9公里)（2） 數碼管要有小數點顯示，即個位與十分位之間的小數點要亮起來。（3） 標明所設計的條件（輪周長、輻條數等）。給出根據不同車型進行調整的依據。（4） 結構簡單、所用器件盡量少、便于調整、成本低。（5） 所用芯片、元件等在參考元器件范圍內選擇。（6） 要制作一個模擬的（或真實的）測試模型，以便進行實際測試。盡量做到結構合理、可靠，結構設計要作為考核的重要部分。2.4 發(fā)揮部分： 從實用角度考慮，嘗試加上你認為需要完善、改進的功能（如節(jié)電功能） 2.5 參考元器件： CD40106、NE555、CD4553、CD4543

6、（CD4511）、三位數碼顯示管（共陰或共陽都可）、三極管（NPN或PNP）、紅外光電傳感器、電位器、電阻、電容若干。三、設計框架3.1 設計原理說明設計電路分為四個模塊，分別是門控脈沖電路、紅外傳感器及整形電路、計數電路、譯碼及顯示電路?；舅悸窞椋洪T控脈沖電路提供一定周期的占空比很高的矩形波，通過調整周期，使紅外傳感器的每發(fā)出一個波形代表實際的速度0.1km/h。紅外傳感器記錄單位周期內通過的輻條數，并用施密特觸發(fā)器整形后作為計數器的時鐘，當周期結束時記數結果被送到數碼顯示電路并給計數器清零。數碼顯示管顯示的速度每個周期更新一次。 3.2 各模塊設計方案門控脈沖電路為555定時器構成的多諧

7、振蕩器，其產生的矩形波占空比一般達到99.99%，周期一定且可調，用來提供鎖存電路的時鐘和計數器的清零信號。由于信號要顯示一段時間后再清零，555定時器要經過一個延時器后再用于計數器的清零。紅外傳感器及整形電路由紅外傳感器和施密特觸發(fā)器構成，其中施密特觸發(fā)器用來對紅外傳感器產生的波進行整形，使其可以作為計數器的時鐘。同時施密特觸發(fā)器也作為延時器的重要組成部分。記數電路為一片CD4553，是三位十進制計數器。同時CD4553具有鎖存功能，能夠鎖存計數結果。顯示電路由七位數碼管驅動器CD4511及七位數碼顯示管LG3631AH構成，用來顯示速度計測定的速度值。 3.3 參考數據設計參考自行車的基本

8、數據：自行車車輪周長：210cm，自行車輻條數：30根。于是相鄰兩根輻條的距離為7cm。按照要求，速度計設計的精度為0.1km/h,即為0.0278m/s。為方便電路設計，紅外傳感器每探測到一根自行車輻條計數為0.1km/h及0.0278m/s，于是門控電路的周期應為又根據555多諧振蕩器的周期公式,取電容的大小為50F，為盡可能增大占空比，取=10,于是。但是為了測試不同自行車的速度，門控電路提供的門控周期應該可調，于是應為最大值為100k的可變電阻。 3.4 測試不同自行車時的參數調整由門控電路的公式及多諧振蕩器的公式，當自行車的輻條間距為d時，電阻的取值應為：式中=10，v=0.0278

9、m/s,C=50F，根據上式便可算出電阻的取值。 3.5 電路仿真結果由于我說采用的仿真軟件multisim12.0元件庫中沒有芯片CD4553，故采用三片74LS160一位十進制代替其記數功能，采用74LS175代替其鎖存功能。實驗仿真圖如圖所示：在該仿真電路當中，我們用信號發(fā)生器所產生的信號代替依靠紅外傳感器所采集的計數脈沖，用555定時器構成的多諧振蕩器產生用于鎖存和復位的信號，用三片10進制計數器（74LS160）與三片集成D觸發(fā)器（74LS175）來替代CD4553，相應地，顯示部分為七段字符顯示器。三片計數器級聯成1000進制的計數器，各位片的Q0-Q3接地，使能端EP、ET與預置

10、數端（LD端）接電源，其進位端接十位片的EP、ET端，從而保證個位片與十位片之間是十進制的，同樣十位片的Q0-Q3接地，LD端接電源，且個位片與十位片進位端先通過與門而后接到百位片的EP、ET端，從而保證百位片與低位片之間是十進制的，相應地，百位片的Q0-Q3接地，LD端接電源。三片計數器的輸出經三片相級聯的寄存器后，送入到譯碼器當中通過譯碼便可獲得用以驅動顯示器工作的驅動信號。計數脈沖為頻率是1KHz，幅度是5V的方波信號，其經過施密特觸發(fā)器整形反相后送入到10進制計數器的CLK端（它是對下降沿觸發(fā)的）。門控電路提供的頻率為10Hz的鎖存信號和復位信號，分別加到寄存器的CLK端（它是對脈沖的

11、上升沿觸發(fā)的）及計數器的異步復位端（它是對低電平有效的）。當計數器的復位端為高電平時，它的CLK端接收計數脈沖處于計數狀態(tài)。并且對于寄存器而言，在時鐘信號脈沖的上升沿未到之前，計數器所計得的狀態(tài)不能送入其中。因此在鎖存信號和復位信號的共同作用下，每過0.1秒，便可實現在寄存器的輸入端送入二進制信號，而后立刻實現計數器的復位與重新計數，與此同時顯示器也會接受驅動信號顯示新的數值，由于計數脈沖的頻率是1KHz，因而顯示器將顯示100（即為門控信號周期與計數脈沖周期的比值）。四、設計方案的選擇及比較 對于門控脈沖模塊，開始我們是用施密特觸發(fā)器來搭建定時電路，后來發(fā)現周期調整的余地很小，于是我們用55

12、5定時器來搭建定時電路。于是就解決了門控周期難以調整的問題。 對于記數電路的清零與鎖存信號，開始我們采用555定時器的輸出信號直接作為記數電路清零與鎖存信號，后來發(fā)現仿真的過程中由于清零與鎖存同時進行，記數結果難以顯示一段時間。后來我們在清零信號端加裝一個延時裝置，就可以實現鎖存與清零不同步進行，實現數據的顯示。 經過一段時間的反復仿真與數據調整，便確定了最終試驗方案。實際電路連線圖如下：五、設計方案各單元電路說明此電路由門控脈沖電路、紅外傳感器及整形電路、計數電路、譯碼及顯示電路四部分組成。工作原理是：用前輪支撐腳的兩側，輪胎稍下處的光電傳感器將檢測到的脈沖經過整形后輸入CD4553的時鐘脈

13、沖CP端，并用由施密特觸發(fā)器（CD40106）組成的多諧振蕩器，控制由3位BCD計數器CD4553和BCD鎖存/7段譯碼器CD4511及3位數碼顯示管組成的計數譯碼顯示電路，共同組成速度表。各電路說明如下：5.1門控脈沖電路門控脈沖電路的工作原理及工作過程555定時器構成的多諧振蕩器工作原理及工作過程如下：0t期間，定時器輸出為高電平。時刻，上升到，比較器的輸出由變?yōu)?，這時，觸發(fā)器復，定時器輸出。期間，放電三極管導通，電容通過放電。按指數規(guī)律下降，當時比較器輸出由變?yōu)?，觸發(fā)器的，的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時刻，下降到，比較器輸出由1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的1，0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出。此

14、時電源再次向電容C放電，重復上述過程。門控脈沖電路的公式推導及波形分析由555定時器構成的多諧振蕩器的周期公式為：可見門控脈沖電路的門控周期由電阻決定，調節(jié)相應的精密可調電位器可以調節(jié)門控周期。555定時器的部分端子波形圖如下：門控脈沖電路的參數計算設計參考自行車的基本數據：自行車車輪周長：210cm，自行車輻條數：30根。于是相鄰兩根輻條的距離為7cm。按照要求，速度計設計的精度為0.1km/h,即為0.0278m/s。為方便電路設計，紅外傳感器每探測到一根自行車輻條計數為0.1km/h及0.0278m/s，于是門控電路的周期應為又根據555多諧振蕩器的周期公式,取電容的大小為50F，為盡可

15、能增大占空比，取=10,于是。但是為了測試不同自行車的速度，門控電路提供的門控周期應該可調，于是應為最大值為100k的可變電阻。5.2紅外傳感器及整形電路紅外傳感器的工作原理：紅外傳感電路的主要是由紅外傳感器構成，紅外傳感器裝在自行車的車輪上，當有車輪的輻條通過紅外傳感器，紅外傳感器就會發(fā)出一個脈沖波形。整形電路是由一片施密特觸發(fā)器CD40106構成，施密特觸發(fā)器能夠把各種波形整成整成標準方波。整形前后波形如下：5.3記數電路記數電路由一片三位十進制CD4553構成，清零信號與鎖存信號由門控脈沖電路提供，在清零信號前加裝了一個延時裝置。延時裝置如圖所示：延時裝置延時前后波形圖如圖所示：記數電路

16、的時鐘由紅外傳感器提供，紅外傳感器發(fā)出的脈沖信號經過整形電路整形后作為記數電路的時鐘。記數電路的清零信號和鎖存信號由門控脈沖電路提供，其中清零信號要經過延時電路延時后才能接清零端。CD4553內部振蕩器的外界電容端子所接的電容大小為1000pF。5.4譯碼及顯示電路 譯碼電路由CD4511構成，顯示電路由三位七段數碼管LG3631AH構成。位選信號前的三極管型號為9012型。CD4511的七段數碼管信號輸出端的電阻值為300，三極管的基極電阻為1k。數碼管的小數點信號控制端接CD4553的一號掃描信號輸出端。六、系統(tǒng)的調試6.1調試順序說明 根據系統(tǒng)信號的傳輸方向，按照從上游到下游的原則進行調

17、試，即調試順序為：門控脈沖電路，記數電路，驅動電路，顯示電路，最后調試脈沖整形電路。這樣的調試有利于盡量減小模塊間的相互影響，使得上一摸塊出現的問題得到及時有效的解決，不影響下一摸塊的功能的調試，有利于調試工作及時有效的完成。6.2調試步驟的具體說明 按照既定調試步驟，我們首先對照電路圖進行了連線，在連線后進行了耐心細致的檢查，確定連線沒有問題后，我們便開始了調試工作。 我們首先進行了門控脈沖電路的調試，但是一開始，我們發(fā)現555定時器的輸出管腳不能輸出穩(wěn)定波形，而且其他可測試波形也沒有穩(wěn)定波形產生。經過對門控電路每一個元器件的認真檢查，我發(fā)現精密可調電位器是壞的，無論怎么調整，電阻值總是為零

18、。更換精密可調電位器后，經過在一次測試，輸出端就輸出了穩(wěn)定的波形。 接著我對計數器與門控電路進行了聯合測試，以數字電路箱的數碼管作為輸出顯示端，發(fā)現數碼管顯示的是亂碼，并不斷變換。經過分析，我們認為是CD4553輸出端是掃描輸出，不能用單獨的數碼管顯示。于是，我們加入了驅動譯碼電路和顯示電路，對除了光電傳感器外的其他電路進行聯合調試。但是顯示結果仍然是亂碼。后來經過對電路參數的逐一測試，我們發(fā)現數碼顯示管的掃描輸入端的電位與理論值不一致。經過認真檢查，我們發(fā)現是由于三極管的型號不對，于是我們更換了三極管的型號，經過再一次聯合測試，數碼管便能正常顯示記數結果了。 經過對數碼管的記數結果的認真觀察

19、，我們發(fā)現顯示結果和理論值不太一樣。經過認真分析，我發(fā)現是由于清零信號與鎖存信號同步造成的。于是我在清零信號前加裝了一個延時電路，于是實驗電路部分便實現了正常的清零與鎖存。 最后我們又把光電傳感電路加入聯合測試，結果正確。沒有問題。結果顯示風扇的時速為15.1km/h。 6.3 實驗結果及相關波形 經過一段時間的測試，實驗終于獲得了成功。結果對各種波形均能實現記數、鎖存與顯示，結果正確合理。如圖所示：對于各種模塊的單獨測試，相關波形測試結果如下：脈沖整形電路波形前后對比如下：門控脈沖電路波形圖如下： 6.4 誤差計算及誤差分析本實驗的誤差主要來源于兩個方面，一個是由于門控信號周期不穩(wěn)定，一個是

20、光電傳感器的毛刺。減小誤差的方法有：用標準脈沖對門控電路的脈沖周期進行校正。即在電路的信號輸入端接入1000Hz的標準脈沖，此時數碼管顯示的數據除以100就是門控脈沖的周期，把周期與理論值比較，并調節(jié)精密可調電位器，直到數碼管顯示的周期與理論周期一致為止。對光電傳感器發(fā)出的信號進行脈沖整形，可有效消除毛刺，能夠減小電路的誤差。用設計電路與標準速度計的測量結果進行同時測量，比較測量結果并調整電路參數，直到其測量值與標準速度計一致為止。通過以上三種方法能夠有效地減小誤差。七、附錄7.1 系統(tǒng)電路的工作原理圖7.2 元器件識別方法和檢測方法芯片的識別方法和檢測方法 相對于其他元件，芯片的識別和檢測相

21、對簡單，芯片表面有明顯的型號標示，可以用來識別信號。而芯片的檢測實驗室也有專門的儀器，可以直接借助專用的儀器來檢測芯片的好壞。電阻的識別方法與檢測方法電阻的標示一般都是色環(huán)標示法。色環(huán)標示主要應用圓柱型的電阻器上，如：碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、保險絲電阻、繞線電阻。主要分兩部分。第一部分的每一條色環(huán)都是等距，自成一組，容易和第二部分的色環(huán)區(qū)分。四個色環(huán)電阻的識別：第一、二環(huán)分別代表兩位有效數的阻值；第三環(huán)代表倍率；第四環(huán)代表誤差。 五個色環(huán)電阻的識別：第一、二、三環(huán)分別代表三位有效數的阻值；第四環(huán)代表倍率；第五環(huán)代表誤差。 如果第五條色環(huán)為黑色，一般用來表示為繞線電阻器，第五條色環(huán)

22、如為白色，一般用來表示為保險絲電阻器。如果電阻體只有中間一條黑色的色環(huán)，則代表此電阻為零歐姆電阻。色環(huán)顏色和相應的數值對照表如下。銀金黑棕紅橙黃綠藍紫灰白無有效數字0123456789數量級10-210-110010 1102103104105106107108109 電阻的檢測相對簡單，直接用萬用表測電阻的阻值并與電阻上的色環(huán)標示值比較就可以檢驗電阻的好壞。電容的識別方法與檢測方法電容器的標注規(guī)則為：當電容器的容量大于100pF而又小于1mF時，一般不注單位，沒有小數點的，其單位是pF時，有小數點的其單位是mF。如4700就是4700pF，0.22就是0.22mF。當電容量大于是10000p

23、F時，可用mF為單位，當電容小于10000pF時用pF為單位。據此根據電容器表面的標注可以識別電容器的大小。電容器的檢測方法如下：1.用萬用電表的歐姆檔（R10k或R1k檔，視電容器的容量而定），當兩表筆分別接觸容器的兩根引線時，表針首先朝順時針方向（向右）擺動，然后又慢慢地向左回歸至位置的附近，此過程為電容器的充電過程。2.當表針靜止時所指的電阻值就是該電容器的漏電電阻（R）。在測量中如表針距無窮大較遠，表明電容器漏電嚴重，不能使用。有的電容器在測漏電電阻時，表針退回到無窮大位置時，又順時針擺動，這表明電容器漏電更嚴重。一般要求漏電電阻R500k，否則不能使用。三極管的識別方法與檢測方法對于

24、三極管的識別，三極管表面有明顯的型號標示，可以根據標示的型號判斷三極管的類型。三極管的檢測也可以運用萬用表的三極管測量功能來進行檢測。7.3 芯片管腳圖及功能表施密特觸發(fā)器CD40106的管腳圖及功能表管腳號功能14號電源管腳7號接地管腳1,3,5,13,11,9號輸入管腳2,4,6,12,10,8號輸出管腳三5定時器NE555的管腳圖及功能表管腳號功能8號電源管腳1號接地管腳2號觸發(fā)信號管腳3號輸出管腳4號復位信號管腳5號控制電壓管腳6號門限管腳7號放電管腳三位十進制計數器CD4553的管腳圖及功能表管腳號功能16號電源管腳8號接地管腳5,6,7,9號信號輸出管腳1,2,15號掃描信號輸出管

25、腳12號記數脈沖輸入端3,4號內部振蕩器的外界電容端子10號清零信號接入端13號鎖存信號接入端11號使能端14號控制端譯碼器CD4511的管腳圖及功能表管腳號功能16號電源管腳8號接地管腳14號G段信號輸出11號C段信號輸出10號D段信號輸出13號A段信號輸出15號F段信號輸出12號B段信號輸出9號E段信號輸出1，2，6，7號信號輸入端3號測試信號4號空白輸入控制端5號數據栓鎖致能控制端七段數碼顯示管LG3631AH管腳圖和功能表管腳號功能5號G段信號輸入4號C段信號輸入2號D段信號輸入11號A段信號輸入10號F段信號輸入7號B段信號輸入1號E段信號輸入8,9,12號位選信號輸入端3號小數點控

26、制端非門74LS04管腳圖與功能表管腳號功能14號電源管腳7號接地管腳1,3,5,13,11,9號輸入管腳2,4,6,12,10,8號輸出管腳7.4 電路的相關波形圖根據電路仿真結果，對電路的各部分輸出信號進行觀察，得出電路的相關波形圖如下：555定時器的部分端子波形圖脈沖整形電路整形前后波形圖對比情況記數電路的信號輸出端波形譯碼電路輸出端信號記數結果7.5 電路所用元器件清單在選定課設的題目以后，我們通過不斷地思索與查找資料，選定了如前所述的實驗方案，而后擬定了下表所示的元器件清單：原件名稱規(guī)格及數量電阻101,3007,1k4可變電阻1M1電容5F1，0.01F1,1000pFNE5551

27、片CD401061片CD45531片CD45111片74LS041片三位七段數碼管LG3631AH1片紅外傳感器1片5V電源一組9012三極管37.6 參考資料1 清華大學電子學教研組編，高等教育出版社，模擬電子技術基礎（第四版）2 清華大學電子學教研組編，高等教育出版社，電子設計從零開始3 清華大學電子學教研組編，高等教育出版社，數字電子技術基礎（第五版）4 邱關源主編，高等教育出版社，電路（第四版）5 梁廷貴主編，科學技術文獻出版社，現代集成電路使用手冊6 潘中良主編，國防工業(yè)出版社，數字電路的仿真與驗證7 許小軍主編，東南大學出版社，電子技術實驗與課程設計指導8 孫余凱主編，電子工業(yè)出版

28、社，常用集成電路使用手冊八、收獲和體會這次試驗經過我和我的同伴歷時兩個星期的努力之后才完成驗收。有過整個下午到晚上的時間的漫長試驗的經歷，仿真用了整個周末，酸甜苦辣都嘗過不少有不少的心得體會。我們對數字電路的實現過程有了進一步的認識，對數字電子的設計有了一個嘗試。培養(yǎng)了我們的動手能力，動手實驗能提高我們對科學知識的興趣，同時加深我們對科學知識的認知。培養(yǎng)了我們吃苦耐勞，認真思考的習慣實驗過程中，我們對數字電路設計的一般過程有了一個整體的認識，體會到了前期準備工作的重要性。只有每一個環(huán)節(jié)都認真準備，每個環(huán)節(jié)都認真對待，不出問題，最后才能得出實驗結果。相反，如果不重視準備工作，只想最后的實驗結果，那么最后實驗不出結果時再反過來查