自行车里程表-数电实验

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0.1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0.1 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0.1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0.1公里，即（00.0——99.9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、0.1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0.1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0.1公里计数电路，即从00.0计到99.9，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0.1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=3.1415926×49cm=1.539m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0.1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0.1~0.3，响应时间一般约为10μs。

2）CD40106芯片资料CD40106引脚图引脚功能：2 4 6 8 10 12 数据输出端1 3 5 9 11 13 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0.1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：真值表功能：引脚 符号 功能1 9 CLOCK 时钟输入端 7 15 RESET 消除端2 10 ENABLE 计数允许控制端 3 4 5 6 Q1A-Q4A 计数输出端 11 12 13 14Q1B-Q4B 计数输出端8 VSS 地 16VDD电源正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 XX1Q0～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）0.1公里计数电路1. 设计要求：轮辐计数电路每0.1公里输出一个脉冲，同时此计数电路记录一次，可记录从00.0-99.9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。

（五）译码驱动电路及数码管显示电路1.设计要求：0.1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00.0计到99.9，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1.9和1.8，具体情况如下：12v:转速=113091019⨯⨯=52.39圈/s 10v:转速=113091018⨯⨯=49.6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。

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。