自行车速度表

0 北京工业大学课程设计报告北京工业大学课程设计报告 数电课设题目 自行车速度表 数字类 班 级 学 号 姓 名 组 号 2015 年 5 月 1 目录 一 设计题目 数电 2 二 设计技术指标及设计要求 2 2 2 1 设计任务 2 2 2 设计参考方案 2 2 3 设计要求 2 2 4 发挥部分 2 2 5 参考元器件 2 三 设计框架 3 3 四 设计方案的选择 3 3 4 1 设计的实验条件 3 4 2 总体设计思路 3 五 系统选用的元器件 3 3 5 1 元器件清单 3 5 2 关键器件的选取及说明 4 六 系统各部分电路说明 4 4 6 1 红外传感模块 4 6 2 门控脉冲模块 5 6 3 计数模块 5 6 4 数码管驱动模块 5 6 5 数码管显示模块 6 6 6 参数计算 6 七 系统的调试 6 6 7 1 调试顺序说明 6 7 2 调试步骤的具体说明 6 7 3 实验结果 7 7 4 误差分析 8 八 附录 8 8 8 1 系统的实际连线图 8 8 2 元器件识别方法和检测方法 8 8 3 芯片管脚图及功能表 9 8 4 参考资料 13 九 收获和体会 1313 2 一 设计题目一 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二 设计技术指标及设计要求 2 12 1 设计任务设计任务 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 22 2 设计参考方案设计参考方案 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 秒 27 8 厘米 秒 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 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 1KHz 的脉冲信号 然后调整 f 4 RC 中的 R 电位器串固定电阻 使 显示数为 每通过一根辐条所需的时间乘以 1000 若精度为 0 1 公里 设计按 100 米 小时计算即可 2 32 3 设计要求设计要求 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 42 4 发挥部分发挥部分 从实用角度考虑 尝试加上你认为需要完善 改进的功能 如节电功能等 等 2 52 5 参考元器件参考元器件 CD40106 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 3 三 设计框架三 设计框架 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 四 设计方案的选择及比较四 设计方案的选择及比较 4 14 1 设计的实验条件设计的实验条件 实验中用风扇代替车轮 采用的风扇直径为 7 8 厘米 扇叶个数为 9 个 4 24 2 总体设计思路总体设计思路 通过设计框图我们将电路分为四个模块 分别是红外传感模块 门控脉冲 模块 计数模块 数码管驱动模块和数码管显示模块 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 五 系统选用的元器件五 系统选用的元器件 5 15 1 元器件清单元器件清单 原件名称原件名称规格及数量规格及数量 电阻电阻 1k 10 10k 3 39k 1 可变电阻可变电阻 100k 1 电容电容 10 F 1 100pF 3 CD401061 片片 CD45531 片片 CD45111 片片 三位共阴极数码管三位共阴极数码管1 片片 4 9012 三极管三极管3 个个 74LS041 个个 5 25 2 关键器件的选取及说明关键器件的选取及说明 CD40106 的选取 首先对红外光电传感器输出的信号进行整形需要一个 施密特触发器 其次门控脉冲电路所需要的多谐振荡器需由一个施密特触发 器改装 对门控脉冲进行缓冲放大和产生锁存信号也需要两个施密特触发器 最后还需要两个施密特触发器产生清零信号 CD40106 中的 6 个施密特触发 器正好符合实验设计的要求 CD4553 的选取 因为本实验中我们要测的速度的数值是不断浮动的 我 们不能让计数器时刻进行计数 这样显示的结果将会在不断的跳动 为了观 察到固定的速度值 我们需要的计数器要有一定的锁存功能 我们选择 CD4553 达到以上功能 CD4511 的选取 CD4511 可以将输入的 BCD 码转换为共阴极七段码送出去 使数码管显示相应的数字 六 系统各部分电路说明六 系统各部分电路说明 6 16 1 红外传感模块红外传感模块 该模块电路的只要作用是为 CD4553 提供计数时钟 首先是需要通过红外传 感器获取自行车速度的相应信息 产生相应的波形 然后将此波形输入到施密 特触发器进行整形 这样我们就可以得到频率和车轮转速相对应的方波了 将 其送入到 CD4553 的时钟端 即 CP 端 6 26 2 门控脉冲模块门控脉冲模块 本模块用于向 CD4553 提供锁存信号和清零信号 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 39k 的电阻 总阻值 为 100K 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 5 且该多谐振荡器所产生的矩形脉冲信号的周期为 DDT T DDT T V VV T RCln V VV A 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 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 在 LE 端为低电平时 3 组计数器的内容分别 进入 3 组锁存器 LE 端为高电平时 锁存器锁定 计数值不进入 锁存信号再经微分运算使其脉冲变窄 然后通过两级施密特触发器的整形 延时后可以得到清零信号 使清零工作在锁存以后 将清零信号加到 CD4553 的 R 端 清零端 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 6 36 3 计数模块计数模块 计数模块主要是通过芯片 CD4553 实现的 CD4553 的锁存信号和清零信号 由前面提到的门控脉冲模块提供 CD4553 计数器在计数的基础上还可以进行锁 存和清零功能 3 4 管脚为外接电容 我们使用的是一个 100pF 的电容 11 8 两个管脚接地 此外 15 1 2 三个管脚作为三位数码管的位选信号的 9 7 6 5 四个管脚是向 CD4511 芯片输送计数结果的 6 6 46 4 数码管驱动模块数码管驱动模块 该模块由数码管驱动芯片 CD4511 构成 CD4511 可以将输入的 BCD 码转换 为共阴极七段码送出去 使数码管显示相应的数字 6 56 5 数码管显示模块数码管显示模块 该模块主要由三位共阴极数码管构成 本实验我选用的是共阴极数码管 在 CD4511 的七段码输出和数码管的 a g 和 dp 之间我接入了 1k 的限流电阻 这是为了保护数码管 以避免其内部的二极管因电流过大而被烧坏 数码管位 选接三极管的发射级 三极管集电极接地 三极管选用 c9012 基级的限流电 阻选用 1k 我们只需点亮第二位的小数点 所以需要对第二位的位选做处理 由于位 选是低电平有效 而 dp 是高电平有效 所以可以对第二位位选求非 然后接 入小数点位 6 66 6 参数计算参数计算 设计精度 100m h 2 778cm s 风扇周长 d 24 504cm 相邻两扇叶间的周长 风扇周长 扇叶数 2 723cm 门控脉冲的频率 f v d 2 778 2 723 1 02Hz 门控电路的周期 T 1 f 0 98s 由施密特构成的多谐振荡器的周期公式 取电容 DDT T DDT T V VV T RCln V VV A 的大小为 10uF R2 39k 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 R1 应为最大值为 100k 的可变电阻 七 系统的调试七 系统的调试 7 17 1 调试顺序说明调试顺序说明 我们的方案是从简单模块的开始调整 所以我的调整顺序是首先调整数码 管显示模块 然后是数码管驱动模块 计数模块 门控脉冲单元模块 7 27 2 调试步骤的具体说明调试步骤的具体说明 首先调试了数码管显示模块 我们先按照管脚图连好数码管显示模块的电 路 分别将位选 1 3 接地 然后调整电源使其输出电压为 5V 电流为 1A 来 观察数码管的显示是否正确 通过观察我们的数码管的显示正常 数码管显示模块调试完毕后 我们开始调整数码管驱动模块 我们还是先 连接模块电路 然后将数码管的位选 1 3 分别接地 然后用电源输出 5V 电压 连到 CD4511 的输入上 接入相应的 BCD 码观察数码管是否显示正确的数字 通过调试 数字的显示没有问题 但是数码管亮度太暗 我们怀疑是保护电阻 太大 使电流变得太小 于是我们将原来的 24k 的保护电阻换成了 1k 的 保护电阻 在换完电阻之后我们再次进行了调试 数码管亮度果然有所提升 之后开始调试计数模块 调试的方法是 连接计数模块 数码管驱动模块 以及数码管显示模块的电路 然后将 CD4553 的锁存和清零管脚均接地 这时 CD4553 的状态是不锁存 不清零 然后 CD4553 的 cp 时钟我们给的是 1Hz 的 脉冲信号 数码管显示的状态是 从 0 开始显示数字 每隔 1s 自增 1 数码 管可以按照理论的情况显示数据 然后我们发现数码显示管的小数点还没有点 7 亮 我们通过从网上找到的资料知道需要对第二位的位选信号求个非再连接到 数码管的 dp 端 于是我们向老师要了一个反相器 将它连接到了 CD4553 的 1 号管脚与三极管的基极之间 电路修改完成后 我们又进行了调试 此时第二 位的小数点已经被点亮了 最后调试的是门控脉冲单元模块 我们先将搭建的多谐振荡器的部分与示 波器进行了连接 观察是否能够输出波形 通过观察这个部分没有问题 我们 又将其微分之后部分连接到了示波器上 也能输出相应波形 之后我们又依次 观察了锁存信号和清零信号部分是否正确 这些步骤之后我们将所有电路连接 上开始进行调试 理论的情况是数码管应该显示 1 个定值 然后根据门控脉冲 的计数周期进行更新 可实际的结果与理论有时候相符有时候不符 进行了多 次调试有时候能够固定在一个值有时候就不断的跳动 我想是不是导线连接的 问题 回到宿舍后我将连接时插入电路板中较短的导线重新进行了连接 再一 次在实验室中进行调试后发现数码管已经能按照理论正常的显示了 至此 我的调试过程就全部结束了 7 37 3 实验结果实验结果 8 以上两张图是我们没有安装风扇前 用数电箱上的可调连续脉冲代替风扇 随机调了两个不同频率的脉冲输入到电路中产生了的不同结果 7 47 4 误差分析误差分析 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 1000Hz 的标准脉冲 此时数码管显示的数据除以 1000 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 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 通过以上两种方法能够有效地减小误差 八 附录八 附录 8 18 1 系统的实际连线图系统的实际连线图 9 8 28 2 元器件的识别方法和检测方法元器件的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 10 210 110 010 110 210 310 410 510 610 710 810 9 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 器的大小 电容器的检测方法如下 1 用万用电表的欧姆档 R 10k 或 R 1k 档 视电容器的容量而定 当 10 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 R 500k 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万用表的三极管测量功能来进行 检测 8 38 3 芯片管脚图及功能表芯片管脚图及功能表 施密特触发器 CD40106 的管脚图及功能 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 11 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 号使能端 14 号控制端 CD4553 的真值表 输入 RCLInhLE 输出 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 1 1 0 X X X 0 0 1 X X X X 0 0 X 0 0 X 1 0 不变 计数 不变 计数 不变 不变 锁存 锁存 Q0 Q3 0 译码器 CD4511 的管脚图及功能表 12 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 的管脚图和功能表 管脚号功能 13 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 74LS04 的管脚图及