自行车里程表 数电实验.docx
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自行车里程表 数电实验.docx
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自行车里程表数电实验
数字类:
自行车里程表
一、课程设计要求
(一)设计任务
设计、制作一个根据车轮周长、辐条数等参数来记录行驶里程的简易里程表。
要求具有可调整的手段,以适应不同车型。
(二)参考设计方案
1、首先使用红外光电传感器对转动的车轮辐条进行测量,产生基本技术脉冲。
若以0.1公里作为里程表的计数单位,则需测量出车轮的周长、一周有多少根辐条、没走0.1公里要有多少根辐条通过传感器。
若将此计数值转化为里程表的一个计数脉冲,提供给一个多位十进制里程计数器,则记录分辨率就为0.1公里,最后由多位数码管显示出来。
2、框图:
(三)设计要求
1、显示数字为3位,精度为0.1公里,即(00.0——99.9公里)。
2、数码管要有小数点,即个位与十位间的小数点要亮起来。
3、要标明你所设计的条件(轮周长、辐条数等),给出根据条件不同进行调整的方法。
4、结构简单、所用芯片尽量少、成本低、易于制作。
5、所用芯片与元件尽量在参考元器件范围内选择(实验室没有的需自行解决)
6、要制作一个模拟的(或真实的)测试模型,以便进行实际的测试。
尽量做到结构合理、可靠,结构设计要作为考核的重要部分。
(四)发挥部分
从使用角度考虑,尝试加上你认为可以完善、改进的功能(如节电功能、显示清零等)。
(五)参考元件
CD40106;CD4518(或CD4017,74LS161等);74LS21,74LS08,CD4011(或74LS00);CD4553,CD4543;共阴(共阳)数码管;NPN(PNP)开关管;红外光电传感器等;电阻,电容若干
二、设计方案及仿真
(一)实验初步设计
由题可知,该实验主要分为4个部分:
红外传感器及脉冲整形电路、轮辐计数电路、0.1公里计数电路、数码管显示电路(包括译码驱动)。
首先要将红外传感器接收到的轮辐脉冲整形成为规则的方波,整形可以用施密特触发器,当车的轮辐扫过红外传感器后,红外传感器将感应得到的脉冲送到施密特触发器进行整形,然后接入设计的轮辐计数器中,后经过轮辐计数器与0.1公里计数器完成计数,再由数码显示管显示里程。
根据提供的参考元件,初步确定了以下方案:
以CD40106为脉冲整形,若干CD4518作为轮辐计数器,CD4553为三位十进制计数器作为0.1公里计数电路,即从00.0计到99.9,CD4543作为7段共阴数码管驱动芯片,LG5631AH作为共阴数码显示管显示里程。
根据车轮半径以及车轮转动一周红外传感器感应到的辐条数,可以计算出每走0.1公里要有多少根辐条通过传感器,从而确定进制及所需CD4518数量。
在我们的实验中按照车轮的辐条数n=28,半径D=49cm计算。
车轮周长C=πD=3.1415926×49cm=1.539m
设轮辐计数器为N进制,有C/n×N=100m
解得:
N=910
可得脉冲计数器为910进制,即每当传感器感应到910根辐条时系统应记0.1公里,计数器自动清零,周而复始从而达到计数的目的,CD4518一片里面有两个计数电路,共需三个计数电路即两片CD4518。
(二)红外光电传感器及脉冲整形电路
1.设计要求:
当轮辐扫过红外传感器后,接收到的脉冲信号通过施密特触发器进行整形,得到标准的方波信号,再输入到轮辐计数器中。
2.实现:
输入脉冲由红外传感器提供,通过光偶的传递将信号输入到CD40106中进行整形得到规则的方波信号。
上图为红外光电传感器的输出脉冲
下图为经过施密特触发器整形过后的规则方波信号
3.芯片资料及部分电路
1)红外光电传感器由光耦合器发光二极管和光敏晶体管组成,其输出特性与晶体管相似,但其电流传输比IC/ID比晶体管的电流放大倍数β小得多,一般只有0.1~0.3,响应时间一般约为10μs。
2)CD40106芯片资料
CD40106引脚图
引脚功能:
24681012 数据输出端
13591113 数据输入端
14电源正
7接地
CD40106由六个施密特触发器电路组成。
每个电路均为在两输入端具有施密特触发器功能的反相器。
触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。
上升电压(VT+)和下降电压(VT-)之差定义为滞后电压。
图为红外光电传感器及脉冲整形电路仿真电路
(三)轮辐计数电路
1.此部分设计要求:
当电路接收到方波信号后开始计数,当计数达到车轮走过0.1公里所需的轮辐数时,计数电路进位输出一并自动清零,开始进入下一个计数周期。
由前面的计算我们知道要用两片CD4518实现910进制。
2.轮辐计数器电路芯片简介:
CD4518引脚图引脚功能:
引脚
符号
功能
19
CLOCK
时钟输入端
715
RESET
消除端
210
ENABLE
计数允许控制端
3456
Q1A-Q4A
计数输出端
11121314
Q1B-Q4B
计数输出端
8
VSS
地
16
VDD
电源正
真值表功能:
CLOCK
ENABLE
RESET
ACTION
上升沿
1
0
加计数
0
下降沿
0
加计数
下降沿
X
0
不变
X
上升沿
0
不变
上升沿
0
0
不变
1
下降沿
0
不变
X
X
1
Q0~Q4=0
根据CD4518的芯片资料,我们将两片CD4518级连,即将前级最高位输出端接到下一级的EN端,再将计数至910时输出为高电平的各位经过与门作进位输出,并将其输入CD4518的各个清零端以实现循环计数。
进位输出经过非门后作为下一部分计数电路的时钟输入。
轮辐计数部分仿真图
(四)0.1公里计数电路
1.设计要求:
轮辐计数电路每0.1公里输出一个脉冲,同时此计数电路记录一次,可记录从00.0-99.9公里,故此计数电路为1000进制。
作为三位十进制计数器的CD4553可以实现,但只有1个输出端,要完成3位输出,采用扫描输出方式,通过选通脉冲信号(DS1,DS2,DS3),依次控制3位十进制的输出,从而实现扫描显示方式。
CD4553组成方框图CD4533管脚
部分引脚功能:
DS1、DS2、DS3:
位选通扫描信号的输出,这3端能循环地输出低电平,供显示器作为位通控制。
Q0、Q1、Q2、Q3:
BCD码输出端,它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。
CD4553内部虽然有3组BCD码计数器(计数最大值为999),但BCD的输出端却只有一组Q0~Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码,相应地,也输出3位位选通信号。
真值表:
输 入
输 出
R
CL
INH
LE
0
0
0
不变
0
0
0
计数
0
×
1
×
不变
0
1
0
计数
0
1
0
不变
0
0
×
×
不变
0
×
×
锁存
0
×
×
1
锁存
1
×
×
0
Q1=Q2=Q3=Q4=0
(五)译码驱动电路及数码管显示电路
1.设计要求:
0.1公里计数器的输出信号经此电路译码驱动后由数码管显示输出。
译码驱动器选用CD4543,再将输出端与共阴数码管LG5631AH相连。
2.芯片介绍:
CD4543管脚图
真值表:
发光二极管(LG5631AH):
3.电路介绍:
CD4553的输出端与CD4543的输入端相连,由于CD4553输出信号较弱,故在DS1、DS2、DS3经过三极管放大后再与数码管三位控制端相连,小数点控制端与DS2经非门(74LS00)相连,以控制其点亮。
数码管的电流不能过大,故在CD4543的输出端连接1kΩ电阻后再接到数码管。
此三部分电路由于multisim无相关元件,原理图如下:
仿真总图(CD4553,CD4543部分用74LS160代替)
三、实验过程
(一)红外光电传感器及脉冲整形电路调试
我们先用函数发生器代替红外光电传感器电路,在CD40106输入端输入锯齿波,输出端接到示波器上,得到完整的方波。
由于没办法用真正的自行车车轮进行实验,我们用了实验室的小风扇(轮辐数为11)代替车轮。
(二)其他电路调试
在实验最开始,我们没有找到LG5631的管脚图,只能将其接上高低电平测试从而得到管脚图,然而总有几段发光二极管不亮,经测试是数码管本身的问题。
换得新的数码管后系统成功计数,从00.0计到99.9,然后清零重新计数。
另外CD4553三个控制位在不接三极管放大信号的情况下,数码管亦能正常工作,仅是亮度变暗,后为拍照需要还是接上了。
实际中如果为了省电,可以不接三极管。
在此为验证计数正确,我们在风扇接电压12v及10v时分别计时30s,得到计数结果为1.9和1.8,具体情况如下:
12v:
转速=
=52.39圈/s
10v:
转速=
=49.6圈/s
与小风扇工作参数比较可知我们的系统正常运作。
电路连接总图
四、电路完善
(一)开关控制:
1.总开关:
在电源处加一单刀双置开关手动控制。
2.数码管的计数清零重新显示:
由CD4553的MR端来控制,当将其接高电平时,数码管关闭,接回低电平时,数码管开始重新计数,于是我们将CD4553的MR端接一个开关作为手动清零。
3.暂停计数:
在CD40106连接CD4518处加一单刀单置开关,开关闭合时正常计数,开关断开时暂停计数。
五、心得体会
刚拿到本题目时候我们已有一个大致的思路,不过我们对于红外光电传感器电路还是比较陌生的,但经过一定的了解后我们很快就入手了。
另外本题的芯片我们并没有接触过,故而在一定程度上锻炼我们资料查询、筛选的能力。
在考虑清楚电路的组成后,我们进行multisim仿真,可是软件里没有CD4553,CD4543以及LG5631AH。
于是我们又用熟悉的芯片代替了这部分电路,仿真结果还是很成功的。
在实际电路中,也遇到了各种各样的问题,起初确实很沮丧,检查电路后发现哪里都没问题仍旧不能正常计数。
在后来的测试中,我们发现是数码管的问题,换得新管后正常计数的时候真的振奋人心。
总的来说做实验最需要的还是耐心,遇到困难不能气馁,仔细检查问题出在哪里,认真把每个环节做好才能脚踏实地走向成功。
经过四次尝试后,我们的实验得以圆满完成。
六、附录
实验用到的部分元件:
74LS21
(1);74LS00
(1);CD4518(3);CD4553
(1);
CD4543
(1);三位共阴数码管LG5631AH
(1);NPN三极管(3)。
参考资料:
[1]《数字电子技术基础》,高等教育出版社,阎石主编,2006年。
[2]《电子设计从零开始》,清华大学出版社,2005年。
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