电子速度表课设实验报告Word文档格式.docx

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一、设计指标与技术要求

设计题目：

电子速度表（自行车、电动车、摩托车用）

设计任务：

根据车轮周长、辐条数和车轮转数等参数设计、调试完成一个进行车用速度表，要求具有根据不同车型随时进行调整的功能，以保证速度表显示的正确。

设计参考方案：

通过测量在单位时间内通过红外光电传感器的轮辐数，折算出车轮走过的距离，即每秒通过多少根辐条等于1公里/小时的速度。

时速值按十进制由数码管显示。

假定车速为1公里/小时，那么车轮每秒走过的距离为100000厘米/3600≈27.8厘米。

因测的是每秒通过光电传感器的辐条数，故须将27.8厘米/秒化作多少根辐条/秒，两根辐条间的轮周长=轮周长/辐条数。

对于每小时一公里的速度，相当于每秒通过的辐条数为27.8厘米/辐条间轮周长（即门控脉冲的频率），此数的倒数即为每通过一根辐条所需要的时间（秒）。

如果在此时间内通过1根辐条即表示速度为1公里/小时，若通过20根条，则车速为20公里/小时。

显然为获得0.1公里的精度，设计按0.1公里/小时计算。

相应的调整措施为：

只须调整门控脉冲振荡器即可。

方法是给计数器CP端输入一个100Hz的脉冲信号，然后调整门控电路的周期（由RC参数决定，调整其中的电阻即可），使显示数为每通过一根辐条所需的时间乘以100，这也是轮辐计数器在门控电路所提供的一个锁存信号的信号周期之内计得的最大数，如果每通过一根辐条所需要的时间较短，则可用1KHz的脉冲信号（或更高频率的脉冲信号）进行调整。

~

原理框图：

设计要求：

|

⑴显示数字为3位，精度为0.1公里，即—99.9公里）

⑵数码管要有小数点显示，即个位与十分位之间的小数点要亮起来。

⑶标明所设计的条件（轮周长、辐条数等）。

给出根据不同车型进行调整的依据。

⑷结构简单、所用器件尽量少、便于调整、成本低。

⑸所用芯片、元件等在参考元器件范围内选择。

发挥部分：

从实用角度考虑，尝试加上你认为需要完善、改进的功能（如节电功能）

参考元器件：

CD40106、NE555、CD4553、CD4543（CD4511）、三位数码显示管（共阴或共阳都可）、三极管（NPN或PNP）、红外光电传感器、电位器、电阻、电容若干。

、

`

二、设计方案及原理

我们所选择的方案的原理图如下（在具体实验操作时，我们用CD4543替代CD4511）：

此电路由速度脉冲检测电路、计数译码显示电路和控制电路三部分组成。

工作原理是：

用前轮支撑脚的两侧，轮胎稍下处的光电传感器将检测到的脉冲经过整形后输入CD4553的时钟脉冲CP端，并用由施密特触发器（CD40106）组成的多谐振荡器，控制由3位BCD计数器CD4553和BCD锁存/7段译码器CD4511（或CD4543等）及3位共阴极（或共阳极）数码显示管组成的计数译码显示电路，共同组成速度表。

信号接收基本原理如下：

速度脉冲检测电路：

速度脉冲检测电路采用红外光电传感器，它由发光二极管作为发射端，光电三极管作为接受端组成。

光电传感器的二极管大多采用砷化镓红外二极管，接收三极管输出电流较小，在毫安左右,接收三极管与晶体三极管组成的达林顿输出型，输出电流可达20-30mA，可以直接驱动继电器等功率器件。

下表是光电传感器的基本参数。

·

车轮辐条在发射端与接受端之间每挡光一次，便可在输出端产生一个脉冲信号，该信号经施密特触发器整形后送入CD4553的时钟脉冲接受端CP端以作为计数脉冲。

在对电路进行调整时，应在CD4553的时钟脉冲接受端加一定频率（其大小应视具体情况而定）的方波信号进行调整，使数码显示器显示为理想值。

施密特触发器（CD40106）具有波形整形作用，同时又具有反相、延时、波形变换、检幅等功能，其管脚排列如下图所示：

当信号进入施密特触发器以后，信号波形的边沿会变得很陡，因而被整形，如下图所示：

门控电路：

本电路的门控电路部分用于向CD4553提供锁存信号和复位信号，其原理如下图所示：

由施密特触发器、电容值为C=10uF的电容、阻值为R2=100KΩ的电阻、总阻值为R1=100KΩ的电位器组成的多谐振荡器，可将电容上的周期性振荡的积分波形变换为周期可调的方波信号，如下图：

且该多谐振荡器所产生的矩形脉冲信号的周期为

，（这里的R为充放电电流所流经的电阻），因此通过调节电位器便可获得所需要的方波信号，使其周期为每通过一根辐条所需要的时间（秒）。

当然多谐振荡器亦可由555定时器搭成，相应的方波信号的周期计算公式为

（其中

可调），其基本原理为三极管的集电极经电位器

接电源获得反相输出，再经过积分电路送入到555定时器的2和6端，当电容器两极间的电压Vc在

与

之间变化时，便可在多谐振荡器的输出端得到方波信号，如下图：

所产生的方波信号经施密特触发器缓冲整形后送入微分电路进行微分运算，可以在微分电路的输出端得到很窄的正负脉冲，如下图：

<

此微分波形再经施密特触发器整形便可作为锁存信号加到CD4553的LE端（锁存端）。

对于CD4553而言，其锁存信号为低电平有效，即在LE端为低电平时，才送数。

锁存信号再经微分运算，及两级施密特触发器的整形、延时后可以得到复位信号以加到CD4553的R端（复位端），它是对高电平有效的。

相应地，时基信号、锁存信号、复位信号的比较如下图所示：

由上图所示的锁存信号与复位信号可知，它们对CD4553的有效电平在一个周期内持续时间很短，同时复位信号要比锁存信号来的迟一些，这就意味着CD4553的送数与复位都是立即执行的，且送完数后（所送之数为计数器在一个锁存信号周期内所计得的最大数），计数器立刻复位，然后在计数脉冲的作用下重新计数，直至下一锁存信号的有效电平到达为止，以获得新的速度值。

计数译码显示电路：

本电路的计数译码显示部分由CD4553，CD4511（或CD4543），三位七段数码显示器等组成，其结构如下图所示：

—

CD4553是三位数字BCD计数器，在本电路当中起计数与对信号的锁存的作

用，它的各管脚的排列如下：

1--DS2，2--DS1，3--CEXTB，4--CEXTA，5--Q3，6--Q2，7--Q1，8--VSS，9--Q0，10—LE，11—inh，12--CL，13--R，14--OF，15--DS3，16--VDD。

其内部连接结构如下：

CD4553的真值表

输入

输出

R

CL

Inh

LE

1

《

↑

↓

X

@

。

不变

计数

[

锁存

Q0～Q3=0

CD4553电路由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器，三个锁存器及分配锁存器数据的多路传输器组成。

除此之外，还有时钟输入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡器震荡电路，以及用于显示控制的数据选择输出DS1、DS2、DS3组成。

CD4553电路的功能真值表如上。

振荡器用于向多路数据选择器提供低频扫描时钟脉冲，振荡器的振荡频率取决于连接在引出端3和4之间的外接电容值C1的大小（本电路选择1000PF的数值），若需外部时钟也可以从管脚4处引出。

在复位端“R”上施加“1”电平时，复位信号同时作用于BCD计数器、振荡器和多路扫描电路，使得扫描电路处在初始状态，扫描振荡器禁止震荡，同时置所有的三个位选择输出DS1--DS3为“1”电平，从而不允许显示。

当时钟禁止端“inh”为“1”时，禁止时钟脉冲CL输入BCD计数器，计数器保存禁止前的最后计数状态。

输入端的脉冲整形电路允许输入上升时间或下降时间很缓慢的信号输入计数器并能可靠地工作。

当锁存器的锁存允许端“LE”施加“0”电平时，BCD计数器的信息输入锁存器。

“LE”为“1”时，锁存器呈锁存状态，保持原有锁存器内的信息，这时BCD计数器即使施加复位信号，锁存器仍然保持原有信息。

若需将锁存器内信息清除，锁存器允许端“LE”施加“0”电平。

CD4553电路还提供了一个溢出输出端“O·

F”，计数器在每逢输入第1000个时钟脉冲的上升沿时，溢出端“O·

F”输出一个完整的脉冲，该脉冲结束于上述条件下输入时钟脉冲的下降沿。

若把这一端溢出信号述如下一个CD4553电路的时钟输入端，可级联多片CD4553电路，从而获得进制数更高的计数器。

CD4553的输出端与某一BCD码—七段码译码器（如CD4543、CD4511等）的输入端相连，以获得用以驱动七段数码显示器显示十进制数的二进制信号。

CD4511是一个用于驱动共阴极型LED显示器的BCD码—七段码译码器，其引脚排列如下图所示：

逻辑功能见下表：

输 

入

&

出

BI

LI

D

C

B

A

a

b

c

d

e

f

g

显示

（

8

{

…

消隐

;

2

3

4

！

5

6

7

】

9

-

"

？

）

，

*

锁 

存

锁存

其相应的各管脚的功能介绍如下：

BI：

当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字。

LT：

当BI=1，LT=0时，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

使能控制端，当LE=0时，允许译码输出。

DCBA：

为8421BCD码输入端。

abcdefg：

为译码输出端，输出为高电平有效。

CD4543是BCD锁存/七段译码/驱动器，有灯测试功能；

有消隐输入端；

以异或门作输出级，可方便地驱动LCD。

引脚排列和真值表如下所示：

当CD4543的锁存端（选通端）LE=1时，锁存器的输出数据a～g随着输入端的输入值D～A的变化而变化，当LE=0时，锁存器保存最后变化的值，并不再接受新的数据。

BI端为显示开关（灯测试端），在BI=1时，不显示。

DFI端为外部振荡电路脉冲信号输入端，振荡频率在32～2O0Hz，当输出端接共阴极型数码管时DFI接低电平，当输出端接共阳极型数码管时，DFI接高电平。

CD4543适用于位数少的液晶显示器件。

*8421BCD码对应的显示如下图所示：

CD4553的经扫描选择输出的数值信号经译码器译码后，可获得用于驱动七段数码显示器显示十进制数的二进制信号。

常用的三位七段数码管分共阴极型和共阳极型，如下图所示：

在本电路之中当用（共阴极型）数码显示器来显示速度值时，CD4553的15管脚、1管脚、2管脚的分时控制信号应通过一定数值的电阻（如

，具体起分压限流作用）连向三极管的基极而后分别送入数码管的12管脚、9管脚、8管脚，若三极管为PNP型（9012），其发射极连数码管，集电极接地，若三极管为NPN型（9014），其发射极连接地，集电极数码管；

当用（共阳极型）数码显示器来显示数据时，同样地，CD4553的15管脚、1管脚、2管脚的分时控制信号需通过一定数值的电阻（如

）连向三极管的基极而后分别送入数码管的12管脚、9管脚、8管脚，若三极管为PNP型（9012），其发射极连电源，集电极接数码管，若三极管为NPN型（9014），其发射极连数码管，集电极接电源。

在连接电路时CD4543（或CD4511等）的输出端必须通过电阻与数码管相连，或者先经上拉电阻接电源后再与数码管相连，这样做的目的是为了保护数码管，以避免其内部的二极管因电流过大而被烧坏。

仿真电路：

根据如前所叙述的有关本电路的基本原理，我们做了如下仿真实验，该电路同样是由速度脉冲检测电路、门控电路及计数译码显示电路三部分组成：

在该仿真电路当中，我们用两个信号发生器所产生的信号来分别代替依靠红外传感器所采集的计数脉冲与多谐振荡器所产生的用于锁存和复位的信号，用三片10进制计数器（74LS160）与三片寄存器（74LS194）来替代CD4553，用三片BCD译码器（74LS48）来代替CD4543，相应地，显示部分为七段字符显示器。

三片计数器级联成1000进制的计数器，各位片的Q0-Q3接地，使能端EP、ET与预置数端（LD端）接电源，其进位端接十位片的EP、ET端，从而保证个位片与十位片之间是十进制的，同样十位片的Q0-Q3接地，LD端接电源，且个位片与十位片进位端先通过与门而后接到百位片的EP、ET端，从而保证百位片与低位片之间是十进制的，相应地，百位片的Q0-Q3接地，LD端接电源。

三片计数器的输出经三片相级联的寄存器后，送入到译码器当中通过译码便可获得用以驱动显示器工作的驱动信号。

计数脉冲为频率是，幅度是5V的方波信号，其经过施密特触发器整形反相后送入到10进制计数器的CLK端（它是对下降沿触发的）。

门控电路提供的频率为100Hz的锁存信号和复位信号，分别加到寄存器的CLK端（它是对脉冲的上升沿触发的）及计数器的异步复位端（它是对低电平有效的）。

当计数器的复位端为高电平时，它的CLK端接收计数脉冲处于计数状态。

并且对于寄存器而言，在时钟信号脉冲的上升沿未到之前，计数器所计得的状态不能送入其中。

因此在锁存信号和复位信号的共同作用下，每过秒，便可实现在寄存器的输入端送入二进制信号，而后立刻实现计数器的复位与重新计数，与此同时显示器也会接受驱动信号显示新的数值，由于计数脉冲的频率是，因而显示器将显示71（即为门控信号周期与计数脉冲周期的比值）。

TTL和COMS器件比较：

1）TTL电路是电流控制型器件，而CMOS电路是电压控制型器件。

2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短（5-10ns），但功耗大。

COMS电路的速度慢，传输延迟时间长（25-50ns）,但功耗低。

COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这属正常现象。

而且COMS电路的工作电压范围较TTL电路宽。

3）COMS电路的锁定效应：

COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，否则电流会一直在增大。

这种效应就是锁定效应。

当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

因此在电路本身的工作频率不高的情况下，为了降低电路的整体功耗，可选择COMS器件来搭建电路。

三、实验与调试

实验器材：

在选定课设的题目以后，我们通过不断地思索与查找资料，选定了如前所述的实验方案，而后拟定了下表所示的元器件清单：

元器件名称

数值大小

数量

红外传感器

——

电阻

:

300Ω

1KΩ

10KΩ

100KΩ

电位器

!

电容器

100pF

1000pF

10uF

三极管（9012）

CD40106

CD4553

CD4543

三位七段数码管（共阴极型）

导线

若干

领到所需要的元器件与一些必须的实验工具（镊子、实验板等）之后，我们开始进行电路的搭建。

首先是对电路的整体布局，而后依照大致布局连接电路。

在电路的连接中，我们为使线路显得更加清晰明了，我们在面包板中选择一排线路上下分别用作电源和接地线路，以便容易进行各管脚间线路的连接和以后的线路检查。

为作区分，我们小组统一使用红色导线作为接地线，绿色导线作为电源线，黑色导线作为各管脚间的连接线。

实验中部分管脚为加以区分，采用了蓝导线作为连接。

连接过程中，为使电路整体显得简洁，我们较为充分地利用了面包板的各内孔导通和断开结构进行连接和跳线，尽量为其它管脚的连接提供了足够空间。

实验面包板结构如图：

线路连接排布如下：

数据计算：

为了进行电路的调试，我们选择直径为厘米，轮辐数为11的轮子作为调试对象来连接电路。

由于要求测量的精度为0.1公里/小时，因此假定车速为0.1公里/小时，那么车轮每秒走过的距离为10000厘米/3600≈2.78厘米，而两根辐条间的轮周长=轮周长/辐条数=1.86厘米，因此对于每小时0.1公里的速度，相当于每秒通过的辐条数为2.78厘米/辐条间轮周长（即为门控脉冲的频率）=，此数的倒数即为每通过一根辐条所需要的时间，大小等于秒，因此在进行电路的调试时，应选择1000Hz的矩形脉冲信号进行调试，使显示器显示的数值在671左右，此即为门控周期与调试信号周期的比值（在中间小数点未调亮的情况下）。

在用1000Hz的矩形脉冲信号进行调试的条件下，当所选择的电位器总阻值为100K（编号为104）时，可选择100K的电阻与之串联，同时多谐振荡器的接地电容为10uF。

同样地，如果所选择的电位器总阻值为10K（编号为103）时，可选择10K的电阻与之串联，而多谐振荡器的接地电容应为100uF，即维持电阻阻值与电容数值乘积的数值在1左右，以确保能调出频率为的锁存信号与复位信号。

对于微分电路部分，选择10K电阻与100pF电容来搭建最为理想，这可使电路的时间常数t=RC非常短，近而可在微分电路输出端获得很窄的正负脉冲（即