北工大自行车里程表

北京工业大学数字电路实验报告
电控
自动化
设计题目：自行车里程表
一、实验要求
（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、数码管要有小数点显示，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
从实用角度考虑，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）参考元器件和芯片
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
此实验分为4个部分：光控电路设计及脉冲整形、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）。

首先将红外传感器接收到的轮辐脉冲整形成规则的方波，然后接入轮辐计数器中。

脉冲整形电路选用CD40106。

在考虑轮辐计数分频器的时候，想到了CD4518和161两种芯片。

由于CD4518是十进制的计数器，比161的二进制计数器更加方便。

因此决定选用CD4518作为轮辐计数分频器。

所以我们打算以CD40106为脉冲整形，若干CD4518作为轮辐计数分频器，CD4553作为三数字BCD译码器的数位显示部分，CD4543作为7段共阴数码管驱动芯片。

（一）元件清单
74LS21（1）
74LS00（1）；
40106（1）；
CD4553（1）；
CD4518（2）；
CD4543（1）；
三位共阴八位数码管（1）；
1K欧姆电阻（14）
10uf电容（1）
（二）光控电路及脉冲整形部分
1．当轮辐扫过红外传感器后，接收到的信号通过施密特触发器进行脉冲整形，得到标准的方波信号，然后将信号输入轮辐计数器中。

施密特触发器输入脉冲由红外对管（光偶）来提供，通过光偶将信号记录下来然后将信号输入到CD40106中进行整形得到规则的信号。

2．光控电路及脉冲整形芯片
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由六个斯密特触发器电路组成。

每个电路均为在两输入端具有斯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(V T+)和下降电压(V T-)之差定义为滞后电压。

（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，此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。

最初设定车轮（风扇代替）直径为7.7cm则传感器处每通过3820个轮辐，车轮走过0.1公里，由此确定此计数器应为3820进制
根据所给元件，可以用2片CD4518组成3820进制计数器，
2．轮辐计数器电路芯片简介：
CD4518引脚图
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 14 Q1B-Q4B 计数输出端
8 VSS 地
16 VDD 电源正
CD4518的控制功能
CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端为高电平（1），若用时钟下降沿触发,信号由EN输入，此时CP 端为低电平（0），同时复位端Cr也保持低电平（0），只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，否则没办法工作。

（四）0.1公里计数电路
此部分设计要求：通过轮幅计数器的进位输出，每0.1公里输出一高电平，此计数电路记录一次，要求可记录0.1公里到99.9公里，所以此计数电路需要一
个1000进制的计数器。

所给元器件中CD4553能够实现3位十进制输出，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。

芯片资料：
CD4553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。

引脚功能：
CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效。

CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子。

MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。

LE：锁定允许。

当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。

DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。

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。

例如：当Q0～Q3输出个位的BCD 码时，DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。

图1 CD4553引脚图
电路介绍：
CD4553能够实现1000进制计数，只需正常输入输出即可。

CD4553的输入就是轮幅计数电路的进位输出，由于CD4553由下降沿控制计数，因此其时钟输入应将轮辐计数电路的进位输出经过非门充当。

此部分电路的输出直接连接下一步的译码驱动。

由于CD4553同时控制下部分数码显示的三位显示顺序，所以还要将cd4553的数据选择输出端与数码显示的三位数码管连接。

(五)译码驱动电路及数码管显示电路
此部分设计要求：0.1公里计数器的输出信号经本级电路译码驱动后由数码管显示输出。

根据参考元件，译码驱动器可选用CD4543，经三极管放大后与数码管相连。

芯片介绍：
管脚图
电路介绍：
将CD4543的输入端与CD4553的输出端连接，七段数码管连接CD4543输出端，由于数码管对电流大小有要求，所以要在数码管与芯片连接时加入限流电阻，阻值约为1K欧。

CD4553的DS1,DS2,DS3经过三极管分别与数码管三位控制端与相连，小数点控制端与DS2经非门相连，以控制其点亮。

（六）电路图
三、实验过程
（一）轮辐计数电路的接线
通过对轮辐计数器的设定，使其达到3820进制时，通过门电路产生一个脉冲来驱动下一部分的里程计数器。

脉冲信号进行整形后，产生规则的方波脉冲信号，将此信号接入到轮辐计数器，轮辐计数器计到3820进制之后，再由三个74LS芯片系列的门电路对之后的0.1公里计数器（即芯片CD4553）产生脉冲。

知道车轮的辐条数n=9,半径D=7.5 cm。

则:车轮周长C=πD=3.1416×7.5 cm≈0.25562m
设轮辐计数器为N进制。

那么：C/n×N=100m
解之，得： N=3820
所以，脉冲计数器为3820进制
这部分电路要用到的器件为CD4518、74LS21、74LS00。

我们采用两片双十进制的CD4518，它是一个同步加数器，一个封装里有两个
加数器，可实现二/十进制互换，其功能管脚为1～7和9～15。

该计数器是单脉冲输入（1或2，9或10），4路BCD码输出（3到6，11到14）。

从其真值表得知，CD4518由两个时钟输入端：enable和clock ,当时钟上升沿触发，则脉冲从CP(clock)端输入，此时EN端接高电平。

当时钟的下降沿触发，则脉冲从EN端输入，此时CP端接低电平。

此外，CD4518清零端为高电平有效，所以在不清零时，应接低电平。

这样接线之后，CD4518就可以实现计数功能。

如图所示，将CD4518转变成四位十进制计数器。

从下图可看出，第一片计数器用的是时钟上升沿触发，从CP端输入脉冲。

由于CD4518没有进位端，所以利用EN端，利用第四位输出与EN端相连，作为信号输入端，接到EN端时用下降延触发，又由于CD4518计数是十进制的，所以用输出的第四位能体现出它在从9到0时从高电位到低电位，得以实现进位功能。

此外，将计算好的3820按个，十，百，千的顺序分别从四个十进制计数器中连出，通过74LS21与门联在一起，再将74LS21的输出反馈给两片CD4518的四个十进制计数器的清零端，从而实现计完3820个脉冲CD4518就重新计数。

因为CD4553时低电平触发的，所以应另外将输出信号转为低信号，所以我们用74LS08与非门完成这个作用。

在实际操作中，将二输入的与非门的一个输入接高电平。

这样就实现了非的运算。

再通过与非门74LS00将结果输送给CD4553。

四、实验调试
（一）计数电路的调试
将该部分电路接线完成后，先进行3820进制的调试。

将输出端接示波器，风扇每转过3820圈示波器上将显示一高电平。

通过观察，该部分电路能够正常实现计数功能，原设计方案可行。

（二）0.1公里计数电路及驱动电路与数码管的调试
将该部分电路与上级电路连接，观察数码管的变化。

（三）调试中的问题
第一次连完电进行调试过程时，发现数码管有乱码情况。

后来检查排线发现有些地方接触不实，以后连接电路时要注意插紧，可以通过万用表来插线。

五、心得体会
本实验是数字电路实验，通过这个实验，让我们自己去验证一下书上的理论，自己去设计，培养了我们的实际设计能力和动手能力。

在实验的过程中，我们遇到了各种问题，比如线路不通，我们就可以运用逻辑笔去检查导线是否可用；我们也得到了不少经验教训，当实验过程中若遇到问题，不要盲目的把导线全部拆掉，然后又重新连接一遍，此时，我们应该静下心来，冷静地分析问题的所在，有可能存在哪一环节，在实际连线中，我们发现三极管并不起作用，所以我们放弃了三极管的计划，改用40106的反向作用将小数点的输出信号反向，从而实现了个位小数点的正常工作。

所以在实验过程中，要学会分工协作，不能一味的停留在理论层面。

通过光控电路及脉冲整形部分电路的实验设计，了解了CD40106施密特触发器芯片的具体用法，通过实践经验验证了施密特触发器的脉冲整形功能，加深了对施密特触发器的认识。

在遇到两种技术器（CD4518和161）都可以进行使用时，自己通过芯片的数据手册，对芯片进行分析，最终使用最优芯片。

整个实验中我也意识到了做学问的严谨，学会了面对困难的态度，发现了自己对知识掌握的局限性，锻炼了个人对自己电子设计的能力，同时通过实验的计数模块，也对以前学的数字电路有了一定的巩固。

再有一点，那就是要学会多思考，不论做什么事情都要学会思考，不要遇到问题就想着别人或问老师，首先应该是自己进行分析。

这样，不但可以提高学习的兴趣，同时还能够提高对知识的掌握，学会了独立思考问题的能力，在以后的学习的过程中都会对我们有很大的帮助。