北工大电子技术试验报告自行车速度表

1、北京工业大学课程设计报告学院：电控学院 专业：电子科学与技术 班级：110232班 组号：第十组 题目：自行车速度表（数字类） 姓名：王丹阳 学号：11023224 指导老师：孙慧平 成绩： 2013年3月28日目录一、设计题目3二、设计技术指标及设计要求32.1 设计任务：32.2 设计参考方案：32.4 发挥部分：42.5 参考元器件：4三、设计框架43.1 设计原理说明43.2 各模块设计方案43.3 参考数据43.4 测试不同自行车时的参数调整53.5 电路仿真结果5四、设计方案的选择及比较6五、设计方案各单元电路说明75.1门控脉冲电路75.2红外传感器及整形电路75.3记数电路75

2、.4译码及显示电路7六、系统的调试76.1调试顺序说明76.2调试步骤的具体说明76.3 实验结果及相关波形86.4 误差计算及误差分析9七、附录107.1 系统电路的工作原理图107.2 元器件识别方法和检测方法107.3 芯片管脚图及功能表117.4 电路的相关波形图147.5 电路所用元器件清单157.6 参考资料16八、收获和体会16一、设计题目自行车速度表（数字类）二、设计技术指标及设计要求2.1 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（时速）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。2.2 设计参考方案：通过测量在单位

3、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/360027.8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

4、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：红外传感器脉冲整形轮辐计数器译码驱动器数码管显示速度值门控脉冲电路锁存信号整形复位信号2.3 设计要求：（1） 显示数字为3位，精度为0.1公里，即(00.099.9公里)（2） 数码管要有小数点

5、显示，即个位与十分位之间的小数点要亮起来。（3） 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。（4） 结构简单、所用器件尽量少、便于调整、成本低。（5） 所用芯片、元件等在参考元器件范围内选择。（6） 要制作一个模拟的（或真实的）测试模型，以便进行实际测试。尽量做到结构合理、可靠，结构设计要作为考核的重要部分。2.4 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） 2.5 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

6、、电阻、电容若干。三、设计框架3.1 设计原理说明设计电路分为四个模块，分别是门控脉冲电路、红外传感器及整形电路、计数电路、译码及显示电路。基本思路为：门控脉冲电路提供一定周期的占空比很高的矩形波，通过调整周期，使红外传感器的每发出一个波形代表实际的速度0.1km/h。红外传感器记录单位周期内通过的辐条数，并用施密特触发器整形后作为计数器的时钟，当周期结束时记数结果被送到数码显示电路并给计数器清零。数码显示管显示的速度每个周期更新一次。 3.2 各模块设计方案门控脉冲电路为555定时器构成的多谐振荡器，其产生的矩形波占空比一般达到99.99%，周期一定且可调，用来提供锁存电路的时钟和计数器的清

7、零信号。由于信号要显示一段时间后再清零，555定时器要经过一个延时器后再用于计数器的清零。红外传感器及整形电路由红外传感器和施密特触发器构成，其中施密特触发器用来对红外传感器产生的波进行整形，使其可以作为计数器的时钟。同时施密特触发器也作为延时器的重要组成部分。记数电路为一片CD4553，是三位十进制计数器。同时CD4553具有锁存功能，能够锁存计数结果。显示电路由七位数码管驱动器CD4511及七位数码显示管LG3631AH构成，用来显示速度计测定的速度值。 3.3 参考数据设计参考自行车的基本数据：自行车车轮周长：210cm，自行车辐条数：30根。于是相邻两根辐条的距离为7cm。按照要求，速

8、度计设计的精度为0.1km/h,即为0.0278m/s。为方便电路设计，红外传感器每探测到一根自行车辐条计数为0.1km/h及0.0278m/s，于是门控电路的周期应为又根据555多谐振荡器的周期公式,取电容的大小为50F，为尽可能增大占空比，取=10,于是。但是为了测试不同自行车的速度，门控电路提供的门控周期应该可调，于是应为最大值为100k的可变电阻。 3.4 测试不同自行车时的参数调整由门控电路的公式及多谐振荡器的公式，当自行车的辐条间距为d时，电阻的取值应为：式中=10，v=0.0278m/s,C=50F，根据上式便可算出电阻的取值。 3.5 电路仿真结果由于我说采用的仿真软件mult

9、isim12.0元件库中没有芯片CD4553，故采用三片74LS160一位十进制代替其记数功能，采用74LS175代替其锁存功能。实验仿真图如图所示：在该仿真电路当中，我们用信号发生器所产生的信号代替依靠红外传感器所采集的计数脉冲，用555定时器构成的多谐振荡器产生用于锁存和复位的信号，用三片10进制计数器（74LS160）与三片集成D触发器（74LS175）来替代CD4553，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

10、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1KHz，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10Hz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

11、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0.1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1KHz，因而显示器将显示100（即为门控信号周期与计数脉冲周期的比值）。四、设计方案的选择及比较 对于门控脉冲模块，开始我们是用施密特触发器来搭建定时电路，后来发现周期调整的余地很小，于是我们用555定时器来搭建定时电路。于是就解决了门控周期难以调整的问题。 对于记数电路的清零与锁存信号，开始我们

12、采用555定时器的输出信号直接作为记数电路清零与锁存信号，后来发现仿真的过程中由于清零与锁存同时进行，记数结果难以显示一段时间。后来我们在清零信号端加装一个延时装置，就可以实现锁存与清零不同步进行，实现数据的显示。 经过一段时间的反复仿真与数据调整，便确定了最终试验方案。实际电路连线图如下：五、设计方案各单元电路说明此电路由门控脉冲电路、红外传感器及整形电路、计数电路、译码及显示电路四部分组成。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

13、BCD锁存/7段译码器CD4511及3位数码显示管组成的计数译码显示电路，共同组成速度表。各电路说明如下：5.1门控脉冲电路门控脉冲电路的工作原理及工作过程555定时器构成的多谐振荡器工作原理及工作过程如下：0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。门控脉冲电路的公式推导及波形分析由555定时器构成的多谐振荡器

14、的周期公式为：可见门控脉冲电路的门控周期由电阻决定，调节相应的精密可调电位器可以调节门控周期。555定时器的部分端子波形图如下：门控脉冲电路的参数计算设计参考自行车的基本数据：自行车车轮周长：210cm，自行车辐条数：30根。于是相邻两根辐条的距离为7cm。按照要求，速度计设计的精度为0.1km/h,即为0.0278m/s。为方便电路设计，红外传感器每探测到一根自行车辐条计数为0.1km/h及0.0278m/s，于是门控电路的周期应为又根据555多谐振荡器的周期公式,取电容的大小为50F，为尽可能增大占空比，取=10,于是。但是为了测试不同自行车的速度，门控电路提供的门控周期应该可调，于是应为

15、最大值为100k的可变电阻。5.2红外传感器及整形电路红外传感器的工作原理：红外传感电路的主要是由红外传感器构成，红外传感器装在自行车的车轮上，当有车轮的辐条通过红外传感器，红外传感器就会发出一个脉冲波形。整形电路是由一片施密特触发器CD40106构成，施密特触发器能够把各种波形整成整成标准方波。整形前后波形如下：5.3记数电路记数电路由一片三位十进制CD4553构成，清零信号与锁存信号由门控脉冲电路提供，在清零信号前加装了一个延时装置。延时装置如图所示：延时装置延时前后波形图如图所示：记数电路的时钟由红外传感器提供，红外传感器发出的脉冲信号经过整形电路整形后作为记数电路的时钟。记数电路的清零

16、信号和锁存信号由门控脉冲电路提供，其中清零信号要经过延时电路延时后才能接清零端。CD4553内部振荡器的外界电容端子所接的电容大小为1000pF。5.4译码及显示电路 译码电路由CD4511构成，显示电路由三位七段数码管LG3631AH构成。位选信号前的三极管型号为9012型。CD4511的七段数码管信号输出端的电阻值为300，三极管的基极电阻为1k。数码管的小数点信号控制端接CD4553的一号扫描信号输出端。六、系统的调试6.1调试顺序说明 根据系统信号的传输方向，按照从上游到下游的原则进行调试，即调试顺序为：门控脉冲电路，记数电路，驱动电路，显示电路，最后调试脉冲整形电路。这样的调试有利于

17、尽量减小模块间的相互影响，使得上一摸块出现的问题得到及时有效的解决，不影响下一摸块的功能的调试，有利于调试工作及时有效的完成。6.2调试步骤的具体说明 按照既定调试步骤，我们首先对照电路图进行了连线，在连线后进行了耐心细致的检查，确定连线没有问题后，我们便开始了调试工作。 我们首先进行了门控脉冲电路的调试，但是一开始，我们发现555定时器的输出管脚不能输出稳定波形，而且其他可测试波形也没有稳定波形产生。经过对门控电路每一个元器件的认真检查，我发现精密可调电位器是坏的，无论怎么调整，电阻值总是为零。更换精密可调电位器后，经过在一次测试，输出端就输出了稳定的波形。 接着我对计数器与门控电路进行了联

18、合测试，以数字电路箱的数码管作为输出显示端，发现数码管显示的是乱码，并不断变换。经过分析，我们认为是CD4553输出端是扫描输出，不能用单独的数码管显示。于是，我们加入了驱动译码电路和显示电路，对除了光电传感器外的其他电路进行联合调试。但是显示结果仍然是乱码。后来经过对电路参数的逐一测试，我们发现数码显示管的扫描输入端的电位与理论值不一致。经过认真检查，我们发现是由于三极管的型号不对，于是我们更换了三极管的型号，经过再一次联合测试，数码管便能正常显示记数结果了。 经过对数码管的记数结果的认真观察，我们发现显示结果和理论值不太一样。经过认真分析，我发现是由于清零信号与锁存信号同步造成的。于是我在

19、清零信号前加装了一个延时电路，于是实验电路部分便实现了正常的清零与锁存。 最后我们又把光电传感电路加入联合测试，结果正确。没有问题。结果显示风扇的时速为15.1km/h。 6.3 实验结果及相关波形 经过一段时间的测试，实验终于获得了成功。结果对各种波形均能实现记数、锁存与显示，结果正确合理。如图所示：对于各种模块的单独测试，相关波形测试结果如下：脉冲整形电路波形前后对比如下：门控脉冲电路波形图如下： 6.4 误差计算及误差分析本实验的误差主要来源于两个方面，一个是由于门控信号周期不稳定，一个是光电传感器的毛刺。减小误差的方法有：用标准脉冲对门控电路的脉冲周期进行校正。即在电路的信号输入端接入

20、1000Hz的标准脉冲，此时数码管显示的数据除以100就是门控脉冲的周期，把周期与理论值比较，并调节精密可调电位器，直到数码管显示的周期与理论周期一致为止。对光电传感器发出的信号进行脉冲整形，可有效消除毛刺，能够减小电路的误差。用设计电路与标准速度计的测量结果进行同时测量，比较测量结果并调整电路参数，直到其测量值与标准速度计一致为止。通过以上三种方法能够有效地减小误差。七、附录7.1 系统电路的工作原理图7.2 元器件识别方法和检测方法芯片的识别方法和检测方法 相对于其他元件，芯片的识别和检测相对简单，芯片表面有明显的型号标示，可以用来识别信号。而芯片的检测实验室也有专门的仪器，可以直接借助专

21、用的仪器来检测芯片的好坏。电阻的识别方法与检测方法电阻的标示一般都是色环标示法。色环标示主要应用圆柱型的电阻器上，如：碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、保险丝电阻、绕线电阻。主要分两部分。第一部分的每一条色环都是等距，自成一组，容易和第二部分的色环区分。四个色环电阻的识别：第一、二环分别代表两位有效数的阻值；第三环代表倍率；第四环代表误差。 五个色环电阻的识别：第一、二、三环分别代表三位有效数的阻值；第四环代表倍率；第五环代表误差。 如果第五条色环为黑色，一般用来表示为绕线电阻器，第五条色环如为白色，一般用来表示为保险丝电阻器。如果电阻体只有中间一条黑色的色环，则代表此电阻为零欧姆电阻。色

22、环颜色和相应的数值对照表如下。银金黑棕红橙黄绿蓝紫灰白无有效数字0123456789数量级10-210-110010 1102103104105106107108109 电阻的检测相对简单，直接用万用表测电阻的阻值并与电阻上的色环标示值比较就可以检验电阻的好坏。电容的识别方法与检测方法电容器的标注规则为：当电容器的容量大于100pF而又小于1mF时，一般不注单位，没有小数点的，其单位是pF时，有小数点的其单位是mF。如4700就是4700pF，0.22就是0.22mF。当电容量大于是10000pF时，可用mF为单位，当电容小于10000pF时用pF为单位。据此根据电容器表面的标注可以识别电容器

23、的大小。电容器的检测方法如下：1.用万用电表的欧姆档（R10k或R1k档，视电容器的容量而定），当两表笔分别接触容器的两根引线时，表针首先朝顺时针方向（向右）摆动，然后又慢慢地向左回归至位置的附近，此过程为电容器的充电过程。2.当表针静止时所指的电阻值就是该电容器的漏电电阻（R）。在测量中如表针距无穷大较远，表明电容器漏电严重，不能使用。有的电容器在测漏电电阻时，表针退回到无穷大位置时，又顺时针摆动，这表明电容器漏电更严重。一般要求漏电电阻R500k，否则不能使用。三极管的识别方法与检测方法对于三极管的识别，三极管表面有明显的型号标示，可以根据标示的型号判断三极管的类型。三极管的检测也可以运用

24、万用表的三极管测量功能来进行检测。7.3 芯片管脚图及功能表施密特触发器CD40106的管脚图及功能表管脚号功能14号电源管脚7号接地管脚1,3,5,13,11,9号输入管脚2,4,6,12,10,8号输出管脚三5定时器NE555的管脚图及功能表管脚号功能8号电源管脚1号接地管脚2号触发信号管脚3号输出管脚4号复位信号管脚5号控制电压管脚6号门限管脚7号放电管脚三位十进制计数器CD4553的管脚图及功能表管脚号功能16号电源管脚8号接地管脚5,6,7,9号信号输出管脚1,2,15号扫描信号输出管脚12号记数脉冲输入端3,4号内部振荡器的外界电容端子10号清零信号接入端13号锁存信号接入端11号

25、使能端14号控制端译码器CD4511的管脚图及功能表管脚号功能16号电源管脚8号接地管脚14号G段信号输出11号C段信号输出10号D段信号输出13号A段信号输出15号F段信号输出12号B段信号输出9号E段信号输出1，2，6，7号信号输入端3号测试信号4号空白输入控制端5号数据栓锁致能控制端七段数码显示管LG3631AH管脚图和功能表管脚号功能5号G段信号输入4号C段信号输入2号D段信号输入11号A段信号输入10号F段信号输入7号B段信号输入1号E段信号输入8,9,12号位选信号输入端3号小数点控制端非门74LS04管脚图与功能表管脚号功能14号电源管脚7号接地管脚1,3,5,13,11,9号输

26、入管脚2,4,6,12,10,8号输出管脚7.4 电路的相关波形图根据电路仿真结果，对电路的各部分输出信号进行观察，得出电路的相关波形图如下：555定时器的部分端子波形图脉冲整形电路整形前后波形图对比情况记数电路的信号输出端波形译码电路输出端信号记数结果7.5 电路所用元器件清单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：原件名称规格及数量电阻101,3007,1k4可变电阻1M1电容5F1，0.01F1,1000pFNE5551片CD401061片CD45531片CD45111片74LS041片三位七段数码管LG3631AH1

27、片红外传感器1片5V电源一组9012三极管37.6 参考资料1 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，模拟电子技术基础（第四版）2 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，电子设计从零开始3 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，数字电子技术基础（第五版）4 邱关源主编，高等教育出版社，电路（第四版）5 梁廷贵主编，科学技术文献出版社，现代集成电路使用手册6 潘中良主编，国防工业出版社，数字电路的仿真与验证7 许小军主编，东南大学出版社，电子技术实验与课程设计指导8 孙余凯主编，电子工业出版社，常用集成电路使用手册八、收获和体会这次试验经过我和我的同伴历时两个星期的努力之后才完成验收。有过整个下午到晚上的时间的漫长试验的经历，仿真用了整个周末，酸甜苦辣都尝过不少有不少的心得体会。我们对数字电路的实现过程有了进一步的认识，对数字电子的设计有了一个尝试。培养了我们的动手能力，动手实验能提高我们对科学知识的兴趣，同时加深我们对科学知识的认知。培养了我们吃苦耐劳，认真思考的习惯实验过程中，我们对数字电路设计的一般过程有了一个整体的认识，体会到了前期准备工作的重要性。只有每一个环节都认真准备，每个环节都认真对待，不出问题，最后才能得出实验结果。相反，如果不重视准备工作，只想最后的实验结果，那么最后实验不出结果时再反过来查