电子实验报告自行车速度表.pdf

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北京工业大学北京工业大学课程设计报告课程设计报告题目：

自行车速度表（数字类）学院：

信息学部专业：

电子信息工程班级：

150210班学号：

15021005姓名：

金峥组号：

3成绩：

2017年4月北京工业大学课程设计报告（自行车速度表）-2-目录目录一、一、设计题目设计题目.3二、二、设计技术指标及设计要求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.32.3设计要求.42.4发挥部分.42.5参考元器件.4三、三、设计框架设计框架.43.1设计原理说明.43.2各模块设计方案.43.3参考数据.53.4设计框图.5四、四、设计方案的选择及比较设计方案的选择及比较.64.1实验设计条件.64.2实验总体设计思路.64.3实验各模块各方案比较与选择.6五、五、系统选用的元器件系统选用的元器件.85.1实验电路元器件清单.85.2关键器件的选取及说明.9六、六、系统各部分电路说明系统各部分电路说明.96.1信号采集与整形部分.96.2门控脉冲电路部分.106.3轮辐计数器部分.116.4译码及显示电路部分.12七、七、系统的调系统的调试试.137.1调试顺序.137.2调试步骤的具体说明.137.3实验结果及相关波形.147.4误差计算和误差分析.15八、八、附录附录.168.1系统连线图.168.2元器件识别方法和检测方法.178.3芯片管脚图及功能表.188.4参考资料.22九、九、收获和体会收获和体会.22北京工业大学课程设计报告（自行车速度表）-3-一、一、设计题目设计题目自行车速度表（数字类）二二、设计技术指标及设计要求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/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，数码管显示01.0，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1KHz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1000，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，则可用更高频率的脉冲信号进行调整。

原理框图：

原理框图：

红红外外传传感感器器脉脉冲冲整整形形轮辐计数器轮辐计数器译译码码驱驱动动器器门控脉冲电路门控脉冲电路锁存信号锁存信号整形整形清零信号清零信号北京工业大学课程设计报告（自行车速度表）-4-2.2.33设计要求设计要求：

（1）显示数字为3位，精度为0.1公里，即（00.099.9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）2.2.55参考元器件参考元器件：

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、电阻、电容若干。

三三、设计框架设计框架33.11设计原理说明设计原理说明：

本实验的实验目的是对红外传感器输入的一个计数周期内通过的辐条个数进行计数，测量出一个精确到0.1km/h的瞬时速度，并将该速度值显示到三位七段数码管上。

此实验电路由4个功能模块组成：

红外传感器及脉冲整形电路、门控脉冲电路、轮辐计数器、译码及显示电路。

红外传感器接收到辐条经过的信息，经过脉冲整形电路接到轮辐计数器上。

门控脉冲电路产生一个较高占空比的时钟信号，通过调整周期，使得方波周期中高电平的时间长度内，通过一根辐条恰好代表实际速度的0.1km/h。

计数器计数后，将数据输送给译码驱动器，然后用一个三维七段数码管显示。

33.22各模块设计方案各模块设计方案：

红外传感器及脉冲整形电路由红外传感器与施密特触发器构成。

红外传感器将辐条通过这一物理信号转换为电信号，并通过施密特触发器进行波形的整形，转变为计数器可识别的数字信号，成为计数器的时钟信号。

门控脉冲电路为一个555定时器构成的多谐振荡器，周期可以通过调整R1或R2的阻值来改变，而且周期调整后是稳定不变的。

鉴于要调制出占空比很高的方波以求速度测量的精确性，R2与R1相比很小，调整R2不太可能，因此我们采取R2固定，R1用可变电阻的方法来调整合适的周期。

矩形波还用来提供计数器锁存的时钟信号和清零信号。

由于信号要显示一段时间之后再清零，锁存信号与清零信号之间应连接一个延时器（即在清零信号输入端连接一个延时系统）。

北京工业大学课程设计报告（自行车速度表）-5-轮辐计数器为一片CD4553三位十进制计数器。

此芯片具有锁存功能，因此不必再设计另外的锁存电路。

还应注意每个门控脉冲电路产生的信号从低电平跳变到高电平后的一瞬间需要计时器进行清零操作。

译码及显示电路由CD4543和LG3631AH组成。

CD4543为译码驱动器，将轮辐计数器的数据转为BCD码供七位数码显示管LG3631AH使用。

数码显示管为三位，含有小数点，数字显示方式符合一般的习惯；共阴极，符合实验要求。

此数码管用来显示速度计测定的速度值。

33.33参考数据：

参考数据：

本实验利用风扇代替自行车车轮，将风扇的扇叶假设成自行车车轮的辐条。

风扇的直径为7.8cm，所以风扇周长为L=（7.8）cm；风扇的扇叶数为9片。

于是，两片扇叶中轴线之间的距离为d=（7.8）/92.723cm。

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，光电传感器每探测到一片扇叶计数为0.1km/h及0.0278m/s，于是门控电路的周期应为再根据555多谐振荡器的周期公式T=0.7（R1+2R2）C，我们选择的理想电容是50F，但是由于实验室材料有限，我们最终选择了C=47F的电容，为了尽可能增大占空比，从而产生充足计数时间，R2的取值应该越小越好，我们取R2=250，再利用公式求出R1=29.3k，所以应选择最大值为100k的可变电阻，这样也可以通过可调的门控电路的周期来测试不同自行车的速度。

33.44设计框图：

设计框图：

由粗略设计框图可以看出，整个电路被分为了前面所说的四部分，即红外传感部分、门控脉冲部分、轮辐计数部分和译码显示部分。

北京工业大学课程设计报告（自行车速度表）-6-四四、设计方案的选择及比较设计方案的选择及比较44.11实验设计条件：

实验设计条件：

本实验采用直径为7.8cm、扇叶数为9的风扇代替自行车车轮。

采集信号的仪器采用红外光电传感器，通过一片扇叶即输出一个脉冲信号，脉冲信号的整形通过施密特触发器CD40106实现。

门控脉冲电路则利用555定时器来搭建，利用555定时器搭建的多谐振荡器能够输出占空比较高的周期信号。

计数器和锁存器就利用CD4553芯片来实现。

译码功能则用CD4543芯片来实现。

最后的显示部分就利用LG3631AH共阴七段数码显示管来实现。

显示管的小数点显示需要利用74LS04芯片实现。

其他功能，例如延时器则需要一些电阻电容来实现。

44.22实验总体设计思路：

实验总体设计思路：

实验电路总共分为4个部分，包括信号采集与整形部分（光电传感器）、周期信号产生部分（门控脉冲电路）、计数与锁存部分和数值显示部分。

首先，门控脉冲电路产生占空比为99.2%的周期信号，光电传感器对风扇进行信号采集，将采集到的信号通过施密特触发器进行整形，然后利用计数器在一个周期里对收集到的信号脉冲进行计数，即通过一片扇叶便加上0.1km/h，此时芯片将计数所得结果进行锁存，并将这个结果传输到译码器，再由译码器传送到数码显示管，最终显示速度值，此时经过延时的清零信号到达芯片清零端，将这个周期所计的数清零，从而进行下一个周期的计数，周而复始，速度表的功能即可实现。

44.33实验各模块各方案比较与选择：

实验各模块各方案比较与选择：

信号采集与整形模块信号采集与整形模块对于信号采集与整形模块，初始信号我们选择通过光电传感器来收集，每经过一片扇叶，便输出一个负脉冲，但是这样得到的信号会存在毛刺，会对实验有一定的影响，所以我们还选择了CD40106施密特触发器来对采集到的初始信号进行整形，这样我们就得到了清晰规整的脉冲信号。

整个模块的芯片和仪器选择我们都是一次性选择好的，没有设计其他方案，且最终的效果也证明了我们的选择很正确。

门控脉冲模块门控脉冲模块对于门控脉冲模块，我们一开始的思路便是用555定时器来搭建一个多谐振荡器，因为多谐振荡电路能够产生一定周期的方波脉冲，我们也没有想其他的方案，因为555定时器搭建的多谐振荡器既方便又实用。

但是为了满足“能够对不同型号的自行车进行测速”这个条件，我们选择了100k可变电位器来做多谐振荡器电路中的R1，这样就实现了周期可调性。

由多谐振荡器的占空比公式q=（R1+R2）/（R1+2R2）可得，当R2阻值固定时，R1越大，占空比越大，所以我们将R2的阻值选定为几百欧左右，而将R1的阻值调为几十千欧左右，这样就可以得到占空比大于99%的周期信号，从而产生充足的计数时间。

而电容的选择与理论值一样，即47f和0.01f。

门控脉冲模块总的各个部分选择完成。

北京工业大学课程设计报告（自行车速度表）-7-计数与锁存模块计数与锁存模块我们对于计数与锁存模块斟酌了很长一段时间，尤其是其中的延时部分。

我们选用了CD4553芯片来进行计数与锁存，这款芯片有一个清零端和一个锁存端，多谐振荡器产生的时钟周期脉冲输送到这两端，如果脉冲同时到达这两端，那么清零和锁存便会同时进行，即计数完成之后立刻清零，这样就无法将计数所得结果呈现出来。

所以为了让计数结果在显示管上显示一段时间，输入的脉冲就不能同时到达这两端，应该在清零端前加一个延时器，我们起初选择了利用两个非门串联来进行延时，但是效果并不明显，无法达到我们的预期结果，后来我们将两个非门串联换为了两个施密特触发器串联，但是效果较之前也没有太大变化，最后我们想到了利用电容的充放电特性来进行延时，这次我们达到了预期效果，系统的延时较为明显，计数的数值能够在显示管上停留一段时间，至此，计数与锁存模块选择完成。

译码显示模块译码显示模块对于译码显示模块，我们直接选择了CD4543译码器和LG3631