自行车里程表数电实验.docx
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自行车里程表数电实验
自行车里程表数电实验（总11页）
数字类：
自行车里程表
一、课程设计要求
（一）设计任务
设计、制作一个根据车轮周长、辐条数等参数来记录行驶里程的简易里程表。
要求具有可调整的手段，以适应不同车型。
（二）参考设计方案
１、首先使用红外光电传感器对转动的车轮辐条进行测量，产生基本技术脉冲。
若以公里作为里程表的计数单位，则需测量出车轮的周长、一周有多少根辐条、没走公里要有多少根辐条通过传感器。
若将此计数值转化为里程表的一个计数脉冲，提供给一个多位十进制里程计数器，则记录分辨率就为公里，最后由多位数码管显示出来。
２、框图：
（三）设计要求
1、显示数字为3位，精度为公里，即（——公里）。
2、数码管要有小数点，即个位与十位间的小数点要亮起来。
3、要标明你所设计的条件（轮周长、辐条数等），给出根据条件不同进行调整的方法。
4、结构简单、所用芯片尽量少、成本低、易于制作。
5、所用芯片与元件尽量在参考元器件范围内选择（实验室没有的需自行解决）
6、要制作一个模拟的（或真实的）测试模型，以便进行实际的测试。
尽量做到结构合理、可靠，结构设计要作为考核的重要部分。
（四）发挥部分
从使用角度考虑，尝试加上你认为可以完善、改进的功能（如节电功能、显示清零等）。
（五）参考元件
CD40106；CD4518（或CD4017,74LS161等）；74LS21,74LS08,CD4011（或74LS00）；CD4553,CD4543；共阴（共阳）数码管；NPN（PNP）开关管；红外光电传感器等；电阻，电容若干
二、设计方案及仿真
（一）实验初步设计
由题可知，该实验主要分为4个部分：
红外传感器及脉冲整形电路、轮辐计数电路、公里计数电路、数码管显示电路（包括译码驱动）。
首先要将红外传感器接收到的轮辐脉冲整形成为规则的方波，整形可以用施密特触发器，当车的轮辐扫过红外传感器后，红外传感器将感应得到的脉冲送到施密特触发器进行整形，然后接入设计的轮辐计数器中,后经过轮辐计数器与公里计数器完成计数，再由数码显示管显示里程。
根据提供的参考元件，初步确定了以下方案：
以CD40106为脉冲整形，若干CD4518作为轮辐计数器，CD4553为三位十进制计数器作为公里计数电路，即从计到，CD4543作为7段共阴数码管驱动芯片，LG5631AH作为共阴数码显示管显示里程。
根据车轮半径以及车轮转动一周红外传感器感应到的辐条数，可以计算出每走公里要有多少根辐条通过传感器，从而确定进制及所需CD4518数量。
在我们的实验中按照车轮的辐条数n=28,半径D=49cm计算。
车轮周长C=πD=×49cm=
设轮辐计数器为N进制，有C/n×N=100m
解得：
N=910
可得脉冲计数器为910进制，即每当传感器感应到910根辐条时系统应记公里，计数器自动清零，周而复始从而达到计数的目的，CD4518一片里面有两个计数电路，共需三个计数电路即两片CD4518。
（二）红外光电传感器及脉冲整形电路
1．设计要求：
当轮辐扫过红外传感器后，接收到的脉冲信号通过施密特触发器进行整形，得到标准的方波信号，再输入到轮辐计数器中。
2.实现：
输入脉冲由红外传感器提供，通过光偶的传递将信号输入到CD40106中进行整形得到规则的方波信号。
上图为红外光电传感器的输出脉冲
下图为经过施密特触发器整形过后的规则方波信号
3．芯片资料及部分电路
1）红外光电传感器由光耦合器发光二极管和光敏晶体管组成，其输出特性与晶体管相似，但其电流传输比IC/ID比晶体管的电流放大倍数β小得多，一般只有~，响应时间一般约为10μs。
2）CD40106芯片资料
CD40106引脚图
引脚功能：
24681012 数据输出端
13591113 数据输入端14电源正7接地
CD40106由六个施密特触发器电路组成。
每个电路均为在两输入端具有施密特触发器功能的反相器。
触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。
上升电压（VT+）和下降电压（VT-）之差定义为滞后电压。
图为红外光电传感器及脉冲整形电路仿真电路
（三）轮辐计数电路
1．此部分设计要求：
当电路接收到方波信号后开始计数，当计数达到车轮走过公里所需的轮辐数时，计数电路进位输出一并自动清零，开始进入下一个计数周期。
由前面的计算我们知道要用两片CD4518实现910进制。
2．轮辐计数器电路芯片简介：
CD4518引脚图引脚功能：
引脚
符号
功能
19
CLOCK
时钟输入端
715
RESET
消除端
210
ENABLE
计数允许控制端
3456
Q1A-Q4A
计数输出端
11121314
Q1B-Q4B
计数输出端
8
VSS
地
16
VDD
电源正
真值表功能：
CLOCK
ENABLE
RESET
ACTION
上升沿
1
0
加计数
0
下降沿
0
加计数
下降沿
X
0
不变
X
上升沿
0
不变
上升沿
0
0
不变
1
下降沿
0
不变
X
X
1
Q0～Q4=0
根据CD4518的芯片资料，我们将两片CD4518级连，即将前级最高位输出端接到下一级的EN端，再将计数至910时输出为高电平的各位经过与门作进位输出，并将其输入CD4518的各个清零端以实现循环计数。
进位输出经过非门后作为下一部分计数电路的时钟输入。
轮辐计数部分仿真图
（四）公里计数电路
1.设计要求：
轮辐计数电路每公里输出一个脉冲，同时此计数电路记录一次，可记录从公里，故此计数电路为1000进制。
作为三位十进制计数器的CD4553可以实现，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过选通脉冲信号（DS1,DS2,DS3），依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。
CD4553组成方框图CD4533管脚
部分引脚功能：
DS1、DS2、DS3：
位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。
Q0、Q1、Q2、Q3：
BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。
CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。
真值表：
输 入
输 出
R
CL
INH
LE
0
0
0
不变
0
0
0
计数
0
×
1
×
不变
0
1
0
计数
0
1
0
不变
0
0
×
×
不变
0
×
×
锁存
0
×
×
1
锁存
1
×
×
0
Q1=Q2=Q3=Q4=0
（五）译码驱动电路及数码管显示电路
1.设计要求：
公里计数器的输出信号经此电路译码驱动后由数码管显示输出。
译码驱动器选用CD4543，再将输出端与共阴数码管LG5631AH相连。
2.芯片介绍：
CD4543管脚图
真值表:
发光二极管（LG5631AH）：
3.电路介绍：
CD4553的输出端与CD4543的输入端相连，由于CD4553输出信号较弱，故在DS1、DS2、DS3经过三极管放大后再与数码管三位控制端相连，小数点控制端与DS2经非门（74LS00）相连，以控制其点亮。
数码管的电流不能过大，故在CD4543的输出端连接1kΩ电阻后再接到数码管。
此三部分电路由于multisim无相关元件，原理图如下：
仿真总图（CD4553,CD4543部分用74LS160代替）
三、实验过程
（一）红外光电传感器及脉冲整形电路调试
我们先用函数发生器代替红外光电传感器电路，在CD40106输入端输入锯齿波，输出端接到示波器上，得到完整的方波。
由于没办法用真正的自行车车轮进行实验，我们用了实验室的小风扇（轮辐数为11）代替车轮。
（二）其他电路调试
在实验最开始，我们没有找到LG5631的管脚图，只能将其接上高低电平测试从而得到管脚图，然而总有几段发光二极管不亮，经测试是数码管本身的问题。
换得新的数码管后系统成功计数，从计到，然后清零重新计数。
另外CD4553三个控制位在不接三极管放大信号的情况下，数码管亦能正常工作，仅是亮度变暗，后为拍照需要还是接上了。
实际中如果为了省电，可以不接三极管。
在此为验证计数正确，我们在风扇接电压12v及10v时分别计时30s，得到计数结果为和，具体情况如下：
12v:
转速=
=圈/s
10v:
转速=
=圈/s
与小风扇工作参数比较可知我们的系统正常运作。
电路连接总图
四、电路完善
（一）开关控制：
1.总开关：
在电源处加一单刀双置开关手动控制。
2.数码管的计数清零重新显示：
由CD4553的MR端来控制，当将其接高电平时，数码管关闭，接回低电平时，数码管开始重新计数，于是我们将CD4553的MR端接一个开关作为手动清零。
3.暂停计数：
在CD40106连接CD4518处加一单刀单置开关，开关闭合时正常计数，开关断开时暂停计数。
五、心得体会
刚拿到本题目时候我们已有一个大致的思路，不过我们对于红外光电传感器电路还是比较陌生的，但经过一定的了解后我们很快就入手了。
另外本题的芯片我们并没有接触过，故而在一定程度上锻炼我们资料查询、筛选的能力。
在考虑清楚电路的组成后，我们进行multisim仿真，可是软件里没有CD4553,CD4543以及LG5631AH。
于是我们又用熟悉的芯片代替了这部分电路，仿真结果还是很成功的。
在实际电路中，也遇到了各种各样的问题，起初确实很沮丧，检查电路后发现哪里都没问题仍旧不能正常计数。
在后来的测试中，我们发现是数码管的问题，换得新管后正常计数的时候真的振奋人心。
总的来说做实验最需要的还是耐心，遇到困难不能气馁，仔细检查问题出在哪里，认真把每个环节做好才能脚踏实地走向成功。
经过四次尝试后，我们的实验得以圆满完成。
六、附录
实验用到的部分元件：
74LS21
（1）；74LS00
（1）；CD4518（3）；CD4553
（1）；
CD4543
（1）；三位共阴数码管LG5631AH
（1）；NPN三极管（3）。
参考资料：
[1]《数字电子技术基础》，高等教育出版社，阎石主编，2006年。
[2]《电子设计从零开始》，清华大学出版社，2005年。
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