自行车速度表.docx
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自行车速度表
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
设计要求………………………………………………………………………………2
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
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。
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≈厘米/秒。
因测的是每秒通过光电传感器的辐条数，故须将厘米/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。
若精度为公里，设计按100米/小时计算即可。
设计要求
（1）显示数字为3位，精度为公里，即—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。
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）
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。
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
设计的实验条件
实验中用风扇代替车轮，采用的风扇直径为厘米，扇叶个数为9个。
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
元器件清单
原件名称
规格及数量
电阻
1kΩ×10,10kΩ×3,39kΩ×1
可变电阻
100kΩ×1
电容
10µF×1，100pF×3,
CD40106
1片
CD4553
1片
CD4511
1片
三位共阴极数码管
1片
9012三极管
3个
74LS04
1个
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
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）。
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39kΩ的电阻、总阻值为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）。
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：
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。
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。
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1kΩ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1kΩ。
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。
参数计算
设计精度100m/h≈s
风扇周长=πd≈
相邻两扇叶间的周长=风扇周长/扇叶数≈
门控脉冲的频率f=v/d=≈
门控电路的周期T=1/f≈
由施密特构成的多谐振荡器的周期公式
，取电容的大小为10uF，R2=39kΩ，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100kΩ的可变电阻。
七、系统的调试
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。
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24kΩ的保护电阻换成了1kΩ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。
实验结果
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。
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：
1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。
2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
系统的实际连线图
元器件的识别方法和检测方法
①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。
②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
—
—
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
—
数量级
10^-2
10^-1
10^0
10^1
10^2
10^3
10^4
10^5
10^6
10^7
10^8
10^9
—
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。
③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，就是。
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。
④三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。
芯片管脚图及功能表
①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
②三位十进制计数器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
使能端
14号
控制端
CD4553的真值表
输入
输出
R
CL
Inh
LE
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
③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
④七段数码显示管LG3631AH的管脚图和功能表
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
⑤74LS04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
参考资料
【1】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》
【2】《数字电子技术基础》第一版赵影北京工业大学出版社2009年10月出版
【3】邱关源主编，高等教育出版社，《电路（第四版）》
九、收获和体会
我感觉到这次的数字电路实验跟上个学期做的实验有很大的不同，这次的实验是我第一次做的课设类实验，需要自己运用之前在课堂上学到的数电知识设计实验电路，通过这次的实验我真的是学到了很多的东西。
一开始选择了课设的题目，但没有思路，而且要用到的芯片以前也没有接触过，完全不了解。
课下的时间我们开始查阅相关书籍，上网查阅资料，将所有芯片的管脚图、功能全都查看了一遍并抄到了纸上以便理解。
通过这些我渐渐的理清了一些头绪，思路也越来越清晰。
我们设计出电路图在拿到材料后认真的连接了电路，使电路板看起来干净整洁，这样在调试时如果出现错误比较容易修改，这个过程不仅锻炼了我的动手能力还锻炼了我的安排能力。
调试过程很耗时间，开始调试心里还是很忐忑的，调试的过程中遇到了很多问题，在解决这些问题的过程中我对数字电路的实现过程有了进一步的认识，对数电的知识也有了更深的理解。
问题老是解决不了的时候不仅需要我们具有专业知识，同时也需要我们具有耐心去查找错误。
这次课设是一个分组实验，要做好实验一定要注意合作，我感觉我和队友的合理分工搭配对我们实验最终的成功起了很大的作用。
从一开始对实验的迷茫，到调试时出不来结果的着急，再到最后成功验收的喜悦，在这整个过程中我真的学会了很多，例如如何更好的应用书籍和网络来得到我们所需要的资料，对实验室的设备应用得更加熟练等等，这些在平常的课堂上都学不到。
最后，要感谢老师对我们细心的指导。
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