电子课程设计——自行车转程计数器.doc

电子技术课程设计报告题目： 自行车转程计数器 姓名： 石振龙 学号： 100102118 班级： 工业工程1001 成 绩： _ 目录 CONTENT一、 引言 1.1产品设计背景1.2产品市场前景预测1.3电路设计旨在解决的关键问题二、 总体方案设计 2.1设计思路及原理框图 2.2工作过程简述三、 电路工作原理与仿真结果 3.1分频电路原理及其仿真结果 3.2计数和结果显示电路原理及其仿真结果 3.3整体电路及其仿真验证四、 本次课程设计体会五、 附录（设计中涉及到的相关元件简介）六、 参考文献一、 引言1.1产品设计背景随着时代的进步，城市宽阔的马路已被各种汽车所占领，几乎难觅自行车的踪影。但近几年来，交通堵塞现象严重，每逢上下班高峰人们总要在焦急中被堵在路上半小时左右。此时，一些热爱运动的人们似乎又想起来了自行车这一轻巧灵便的代步工具。当大多数人们被堵在看不到头的马路上时，他们舒适惬意的骑着自行车穿梭在车水马龙之间如入无人之境，让人好生羡慕。周末时间里他们也会约三两好友，骑着自行车去附近的郊区、著名景点旅游，既陶冶了情操增强了友谊，又锻炼了身体。逐渐，自行车运动被一些人又重新所喜爱，产生了一定的市场。现代科技的进步，同时也为自行车运动的复兴注入了强劲的活力，带来了喜讯。GPS导航仪、变速装置、减震装置的配备，使自行车又成为大多数人乐不释手的新宠。据专业预测，随着低碳生活理念得到越来越多认可，自行车运动将会在两三年之内掀起一股新的浪潮，其市场前景看好。 1.2产品市场前景预测虽然现代自行车已装备了各种高科技的装备，但是自行车行程计量装置目前还少有公司研发。只是少数名牌自行车厂家会给自己生产的自行车加装计程装置，但这些自行车价格昂贵，动辄就接近万元，这是大多数平常人难以接受的。然而，这些厂家的自行车计程设备又不单独出售。现在在市场上能够找到的单独出售的计程装置，大多是小孩子玩耍的玩具，难以满足自行车爱好者的需求。故此，随着自行车使用者的增多和人们对物品高性能的追求，以及自行车计程装置本身的实用性，我们推断，此项设计将会具有较高的经济价值。1.3电路设计旨在解决的关键问题本实用自行车计程器是一种微电子产品，属测量仪器领域，适用于各种型号的自行车（含三轮车）。它可通过传感元件将车轮的转动信号（转数）输入一套电子装置，经换算成路程后，最终以数码直接显示出来，从而宣告了自行车这类交通工具无计量里程手段历史的结束。它还可方便地取下随身携带，执行普通计算器计时、运算的功能，可极大地方便邮政部门、个体交通运输行业的广大职工及众多的自行车爱好者。其在设计过程中遇到的关键问题有：1、将自行车驶过的距离通过高性能的传感器记录下来，并转换为数字脉冲信号 2、将计程脉冲转换为路程距离，简明精确的显示出来，呈现给仪器使用者。二、 总体方案设计 2.1设计思路及其原理框图 产品电路主体包括：距离检测、脉冲计数和结果显示三大部分，其大致设计框架如下所示。显示电路显示器节点电路译码器计数器传感器分频器计算器清零按钮 由上述设计框架，通过分析，得到该自行车转程计数器的结构框图如下所示。 2.2工作过程简述 首先，当车轮转动的时候，通过安装在车轮处的传感器（此处选用磁传感器霍尔集成块），将磁信号转化为电信号。车轮转动一圈，磁传感器输出一个磁脉冲。其次，将车轮的转数转换为距离，以一定的距离长为计数单位，计算出所需的脉冲个数N。用一个1/N分频电路对磁脉冲进行分频，分频器输入信号输入N个磁脉冲，就会输出一个路程脉冲信号。通过计算路程脉冲的个数，从而可以得到自行车行走的距离。最后，通过计数和显示装置将自行车的行程显示出来。距离检测机构 检测就是用传感器测量出转动圈数。再将圈数换算成距离。传感器可选用霍尔集成块，它是一个磁传感器，是霍尔元件和放大用集成电路一体化的组合件，其功能是把磁信号变换成电信号。将永久磁铁安装在车轮上，霍尔集成块固定在距永久磁铁5 mm左右的适当位置时，可检测出车轮转动圈数并输出检测出的脉冲。 把圈数换算成距离用公式D=2R就可以完成。设车轮半径R26cm，则车轮转一圈行过的距离为D23.1426163cm。设计要求以100 m为计程单位，则自行车行过一个计程单位即100 m时，磁传感器输出的磁脉冲数N为N1001.63=61.3564 为实现以100 m为计程单位进行计数，需用一个l64的分频电路对磁脉冲进行分频，即分频器输入64个磁脉冲，输出1个路程脉冲。通过累计路程脉冲的个数,就可以换算出自行车行过的距离。脉冲计数机构 利用三个二五十进制异步计数器T4290（74290）模块采用复位级联法链接一个999进制的计数电路，当距离检测机构输出一个路程脉冲时计数一次，该计数器最大可计量的路程为999*100m=99.9km，用于累计计程。达最大量程时可自动清零，不可手动清零。此外，在附加一个小量程计数显示器，用于短距离计程，计程最大为9.9km，达最大量程时可自动清零，也可手动清零。数字显示电路利用BCD七段显示器对脉冲技术机构的计数进行显示，总共利用5块显示器，其中3块用于累计量程的显示，2块用于短距离的量程显示。三、电路工作原理与仿真结果 3.1分频电路原理及其仿真结果选用7个JK触发器组合组成分频器。该分频器是由7个CMOS JK触发器串联组成，7级的最大分频数为1271128。7级的输出端分别为Q1,Q2,Q7，因此各输出端的分频数分别为121,122，l27。把二进制计数器作成lN的分频器，也就是计满N个脉冲输出一个脉冲，该脉冲还要把各级计数器再次清零，以便重新计数，这里N64。从计数器的输出端Q1Q7，64对应的Q值是Q62664，当Q6输出端为高电平时，本级输出一个脉冲。将Q6当作计数输入脉冲连接到下一环节计数显示装置的输入脉冲上。此外，按下开关S2可对分频器RD端加高电平进行手动复位，即清零操作。分频电路仿真电路图及其结果 3.2计数和结果显示电路原理及其仿真结果计数和结果显示电路仿真及其结果计数部分使用若干个74290组成。将其各接线端如上图所示连接，即为100进制和1000进制计数器，此计数装置所可以显示的最大值分别为为99和999，即分别对应10公里和100公里的计程。其中10公里表用于短距离计程和显示，100公里表可用于累计计程。3.3整体电路及其功能仿真验证（备注：为了电路图的清晰明了，此处将部分电路的排版做一变化，但是原理不变） 上图中的信号发生端实际应用中由霍尔传感器产生，在电路验证中用64HZ的方波形脉冲信号代替。图中A、B、C、D为开关。D用来控制整个电路是否进入工作状态，ACD用来清除小量程的技术并将分频信号清零。此时BCD开关闭合，A断开，电路处于计程状态，小量程不清零。总计程表显示为13.4公里，小表显示为13.4公里。且计数频率大约为1S，在此验证了64分频电路的准确性。 图中DA闭合,BC断开，电路处于工作状态，小量程清零。此时，大表计程为83公里，小表计程为00。验证了复位清零电路的准确性。 综上，可见电路预设的功能全部实现。四、本次课程设计体会 第一次做课程设计，新鲜感有，陌生感更有，第一次独自面对这样一个课题，确实具有很大的挑战性，压力自然也会有。通过这次课程设计，不仅学会了简简单单的自行车转程计数电路设计，更加学会了一种研究方法，而且个人认为这样的课程设计对学习理论知识很有帮助。本次课程设计给了我很深的印象，一个完整的设计不仅需要对课本知识理论扎实的掌握，还需要对实际动手能力的掌握。比如，在连接T4290电路和分频电路的过程中，我遇到了书上和ewb软件所使用电子元器件不要一致的画法，一开始是茫然不知所措，试了许多种接法，但就是没有预期结果出现。后来，通过查阅网上资料和图书馆相应的书本才将一个平时在纸上一两分钟就可设计出来的电路花费了10多个小时才连接好。连接完电路，还必须要考虑，电路图的整体布局，这不仅要求电路图看起来美观大方，还必须考虑到阅读设计报告的人所一目了然的理解我们的电路设计。在电路设计的过程中我也得到了许多同学、学长和老师的帮助，他们为我的电路设计提供了许多有用的帮助。比如，在设计分频电路中，老师给以思路指导，设计完成之后，还建议我为计量装置加上小量程以增加装置的实用和合理性；在电路初始设计时，郑羽辰同学也给了我许多许多的帮助，再次我只能说一声谢谢你们了，可能尽管显得有些许矫情。课程设计虽然只有一周，而且是考试之前忙碌的一周，但我觉得我真的学到了许多知识，因为此刻我发现，我学了将近15年的知识真真正正的可以变成成果，这让我对自己有了一个重新的认知。五、附录（设计中涉及到的相关元件简介）霍尔集成块：霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。霍尔转速传感器的工作原理霍尔转速传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。霍尔转速传感器的测量方法霍尔转速传感器的测量必须配合磁场的变化，因此在霍尔转速传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔转速传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。测转速或转数，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号