电子实验报告自行车速度表

北京工业大学
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
目录
一、设计题目 (3)
二、设计技术指标及设计要求 (3)
2.1设计任务 (3)
2.2设计参考方案 (3)
2.3设计要求 (4)
2.4发挥部分 (4)
2.5参考元器件 (4)
三、设计框架 (4)
3.1设计原理说明 (4)
3.2各模块设计方案 (4)
3.3参考数据 (5)
3.4设计框图 (5)
四、设计方案的选择及比较 (6)
4.1实验设计条件 (6)
4.2实验总体设计思路 (6)
4.3实验各模块各方案比较与选择 (6)
五、系统选用的元器件 (8)
5.1实验电路元器件清单 (8)
5.2关键器件的选取及说明 (9)
六、系统各部分电路说明 (9)
6.1信号采集与整形部分 (9)
6.2 门控脉冲电路部分 (10)
6.3 轮辐计数器部分 (11)
6.4 译码及显示电路部分 (12)
七、系统的调试 (13)
7.1 调试顺序 (13)
7.2 调试步骤的具体说明 (13)
7.3 实验结果及相关波形 (14)
7.4 误差计算和误差分析 (15)
八、附录 (16)
8.1 系统连线图 (16)
8.2元器件识别方法和检测方法 (17)
8.3芯片管脚图及功能表 (18)
8.4参考资料 (22)
九、收获和体会 (22)
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
2.1 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。

2.2 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≈27.8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：
2.3 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。

2.4 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）
2.5 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、设计框架
3.1 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。

3.2 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）。

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。

3.3 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=（π×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×π）/9≈2.723cm。

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50μF，但是由于实验室材料有限，我们最终选择了C = 47μF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= 250Ω，再利用公式求出R1 = 29.3kΩ，所以应选择最大值为100kΩ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。

3.4 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。

四、设计方案的选择及比较
4.1 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。

4.2 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。

4.3 实验各模块各方案比较与选择：
①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。

②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47μf和0.01μf。

门控脉冲模块总的各个部分选择完成。

③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。

④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LG3631AH共阴数码显示管。

相比于共阳数码管，我更熟悉共阴数码管，所以最终敲定了LG3631AH，而CD4543的选择则毫无疑义。

⑤最终选择
经过了一段时间的反复斟酌、测试、参数调整、电路调整和再测试，我们确定了最终的实验连线图，由于CD4553芯片无法在Multisim软件中仿真，所以我们只能进行手画电路图，以及反复测试，最终的连线图如下：
五、系统选用的元器件
5.1 实验电路元器件清单：
电路所用元器件清单
5.2 关键器件的选取及说明：
在电阻选择方面，我们选取了7个680Ω的电阻来作为译码器和显示管之间的保护电阻，由于实验室没有其他小于1kΩ的电阻，且此位置上的电阻阻值要求为低于1kΩ，所以我们只好选择阻值为680Ω的电阻。

而在多谐振荡器电路中，由于我们想要更高的周期占空比，而实验室阻值最小的电阻就只有680Ω，且680Ω的电阻数量也不是很多，所以我们就利用电阻的并联性质，选择了4个1kΩ的电阻并联为多谐振荡器电路中的R2，这样我们便得到了比较高的占空比。

在计数方面，我们选择了既有计数功能，又有锁存功能的CD4553芯片，这样便可以达到将计数结果锁住并且显示的效果。

对于非门74LS04芯片的选取，我们利用这个芯片实现了数码显示管上只显示第二位小数点的效果，从数码显示管的十位数的端口连接的三极管的基极引出来一根线，将其经过74LS04上的一个非门，再连到数码管的3号引脚（即小数点显示功能引脚），这样便实现了只有第二位小数点点亮的效果。

对于9012PNP三极管的选取，我们是根据七段共阴数码显示管LG3631AH 来选取的，共阴数码管是由低电平驱动的，所以需要用PNP三极管。

六、系统各部分电路说明
本实验的电路由信号采集与整形部分、门控脉冲电路部分、轮辐计数器部分、译码及显示电路部分组成。

整个电路工作原理是：在风扇扇叶的两侧，夹住一个光电传感器，将其检测到的信号脉冲经过整形后输入计数器CD4553芯片的脉冲输入端，并用由555定时器组成的多谐振荡器，控制由3位BCD计数器和锁存器CD4553芯片，进而控制七段译码器CD4543及3位七段共阴数码显示管组成的计数译码显示电路，共同组成速度表。

各电路说明如下：
6.1 信号采集与整形部分：
工作原理：信号采集与整形部分主要由一个风扇，一个光电传感器和施密特触发器构成。

我们主要讲述光电传感器和施密特触发器的原理。

首先来说光电传感器的原理，它能够把光强度的变化转换成电信号的变化，一般情况下，光电传感器有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

本实验中所用的U型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电传感器便输出一个脉冲信号。

关于信号整形部分，它是由施密特触发器构成的。

施密特触发器是一种特殊的门电路，即阈值开关电路，具有突变输入--输出特性的门电路，与普通的门电路不同，它被设计成可以阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）
而引起的输出电压的改变，它有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。

在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。

利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。

输入的
信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

工作过程：光电传感器装在风扇上，当有扇叶通过U 型凹槽时，恰好能够达到遮光的效果，从而发出一个负脉冲波形，但是此时获得的波形是有毛刺的，并不是标准的方波，所以再将这个脉冲输入到CD40106施密特触发器，经过整形后即可获得我们想要的信号波形。

6.2 门控脉冲电路部分：
工作原理：门控脉冲电路部分是由555定时器搭建的多谐振荡器电路构成。

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。

在电路处于某一个暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一个暂稳态。

两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。

多谐振荡器可用作方波发生器。

工作过程：设电容的初始电压U C ＝０，t ＝０时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端V TH ＝V TL ＝０<(1/3)V CC ，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ2输出为低电平，即R —D =1，S —
D =0（1表示高电位，0表示低电位），RS 触发器
置１，定时器输出u0=1此时Q—=0，定时器内部放电三极管截止，电源V CC经R1，R2向电容Ｃ充电，u c逐渐升高。

当u c上升到(1/3)V CC时，A2输出由０翻转为１，这时R—D=S—D=1，RS触发顺保持状态不变。

所以0<t<t1期间，定时器输出u0为高电平1。

t = t1时刻，u c上升到(2/3) V CC，比较器A1的输出由１变为０，这时R—D=0，S—D=1，RS触发器复０，定时器输出u0 = 0。

t1<t<t2期间，Q—=1，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过R2放电。

u c按指数规律下降，当u c <(2/3) V CC时比较器A1输出由０变为１，ＲＳ触发器的R—D=S—D=1，Ｑ的状态不变，u0的状态仍为低电平。

t = t2时刻，u c下降到(1/3)V CC，比较器A2输出由1变为0，RS触发器的R—D=1，S—D=0，触发器处于1，定时器输出u0=1。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

公式推导：输出高电平时间T=(R1+R2)Cln2，输出低电平时间T=R2Cln2，所以振荡周期T=(R1+2R2)Cln2，可见门控脉冲电路的门控周期由电阻R1、R2和电容C决定，调节相应的精密可调电位器可以调节门控周期。

输出方波的占空比q = （R1+R2）/（R1+2R2），可见占空比仅由电阻R1、R2决定，调节这两个电阻即可调节任意占空比。

参数计算：门控脉冲电路部分需要利用风扇的参数计算周期和占空比，风扇的直径为7.8cm，所以风扇周长为L=（π×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×π）/9≈2.723cm。

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50μF，但是由于实验室材料有限，我们最终选择了C = 47μF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 = 250Ω，再利用公式求出R1 = 29.287kΩ，占空比q=99.16%。

6.3 轮辐计数器部分：
工作原理：轮辐计数器部分由两部分组成，一部分是三位十进制CD4553芯片，另一部分是延时器。

CD4553芯片是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。

在延时器部分，我们利用了电容和施密特触发器组合的方式来进行延时。

电容具有充放电特性，两板分别带等量异种电荷，每个极板带电量的绝对值叫电容器的带电量。

当电容器接通电源以后，在电场力的作用下，与电源正极相接电容器极板的自由电子将经过电源移到与电源负极相接的极板下, 正极由于失去负电荷而带正电, 负极由于获得负电荷而带负电，正、负极板所带电荷大小相等，符号相反。

电荷定向移动形成电流，由于同性电荷的排斥作用，所以开始电流最大，以后逐渐减小，在电荷移动过程中，电容器极板储存的电荷不断增加，电容器两极板间电压U C等于电源电压U时电荷停止移动，电流I=0，开关闭合，通过导线的连接作用，电容器正负极板电荷中和掉。

当K闭合时，电容器C正极正电荷可以移动到负极上中和掉，负极负电荷也可以移到正极中和掉，电荷逐渐减少，表现电流减小，电压也逐渐减小为零。

施密特触发器具有稳幅特性，在加入施密特触发器之后，实验的显示结果变得更加稳定，电路图如下：
工作过程：555多谐振荡器电路产生的时钟周期脉冲输入到CD4553芯片的锁存端和清零端，在清零端前加入一个延时器，周期内的高电平触发锁存功能，能够将计数结果锁存并传送到译码器，而周期内的低电平触发清零功能，使CD4553芯片在下一个周期能够从开始重新计数。

总的过程可以简述为，CD4553计数器在555多谐振荡器产生的一个周期内，对采集到的光电传感器脉冲进行计数，并同时进行着锁存，然后到周期的最后一刻进行清零操作，然后下一周期，周而复始。

参数计算：CD4553内部振荡器的外界电容端子所接的电容大小为1000pF。

如果电容过大或过小，对最后数码管的显示有很大影响，效果无法达到预期。

延时器中的电阻，我们选择了10k，由于电阻后面接地，如果电阻过小，会导致一直输入低电平，而如果过大会对信号传输有比较大的影响，所以我们选择了10k。

在电容方面，前面的电容起充放电的作用，我们选择了大小适中的100pF，效果比较好，后面的电容，起稳定信号的作用，为了保险起见，我们也选择了100pF。

6.4 译码及显示电路部分：
工作原理：译码及显示电路包括两部分，一部分是译码器CD4543芯片，另部分是七段共阴数码显示管。

CD4543芯片是BCD锁存、七段译码、驱动器，它是一片非常方便好用的七管驱动芯片，只要输入BCD码就可于多种不同的数码管显示0至9，如接LCD，则在Ph(Phase)输入方波脉冲，如接共阳极LED，则Ph置“1”，如接共阴极LED，则Ph置“0”，另外Bl(Blanking)如果置“1”或输入0至9以外的数值，显示会空白(黑屏)，LD(Latch Disable)置“0”会锁存最近一次输入的数字。

对于七段数码管，每只数码管都是由8只发光二极管组成，这8只二极管有
一端是并接在一起的，称为公共端，当这个公共端是8只二极管的正极时，称为共阳极，反之称为共阴极。

共阳极数码管的共阳极必须接+5V，当输入为高电平时，对应的发光二极管点亮，且外部连线需要用NPN三极管，e极接地，c极接LED数码管，b级接限流电阻。

共阴极数码管的共阴极必须接地，当输入为低电平时，对应的发光二极管点亮，外部连线需要用PNP管，c极接+5V，e极接LED 数码管，b极接限流电阻。

工作过程：译码器CD4543接收到CD4553的计数结果，并对其进行译码，然后将脉冲输入到七段共阴数码显示管LG3631AH，点亮相应的数码管。

数码管的个、十、百位由CD4553芯片控制，为了让第二位小数点点亮，需要将十位端的三极管的基极连出一根线，再穿过一个非门，连到数码管的3号引脚，即小数点控制端，最终显示正常结果。

参数计算：CD4543的七段数码管信号输出端的电阻值为680Ω，这里的电阻只要低于1k，都可满足条件，使数码显示管正常显示数字。

三极管的基极限流电阻为1kΩ，起保护作用。

七、系统的调试
7.1 调试顺序：
根据系统信号的传输方向，按照由产生信号到处理信号，再到显示结果的原则进行调试，即调试顺序为：门控脉冲电路，光电传感器电路，记数电路，译码显示电路。

这样的调试有利于尽量减小模块间的相互影响，使得上一摸块出现的问题得到及时有效的解决，不影响下一摸块的功能的调试，有利于调试工作及时有效的完成。

7.2 调试步骤的具体说明：
按照既定的调试步骤，我们对照着自己的手画电路图进行了连线，在连线后对我们自己的布线进行了细致的检查，确定无误后，我们便开始了调试工作。

首先，我们进行了对门控脉冲电路的调试，在最开始的时候，我们并没有得到想要的标准矩形波波形，于是我们先对555定时器进行了检查，发现芯片完好，这样我们就确定了问题出现在我们的连线上，于是我们重新按照电路图进行了布线，但是仍然不行，最后我们才发现，原来是我们手画的电路图有错，2号和6号引脚引出来的与47μF电容相连的导线应该直接接地，但是我们将这根线连到了与5号引脚相连的电容的前面。

发现错误后，我们及时改正了回来，最后我们得到了想要的标准矩形波。

接着，我们对光电传感器电路进行了调试，发现风扇可以正常起转，速度稳定，光电传感器也能够输出标准的，规律的脉冲波形，这部分的调试完成。

随后，我们对计数器、门控脉冲电路和译码显示电路进行了联合测试，在采集信号的输入端我们输入的是10Hz的稳定脉冲，但是我们发现显示管显示的乱。