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1、 数字电子技术基础课程设计（论文）辽 宁 工 业 大 学 数字电子技术基础课程设计（论文）题目： 速度表 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 摘 要目前市面上汽车的速度表都是机械的，看起来不够直观与方便。如果能用LED直接显示出来速度值，就可节省用户的时间及精力处理汽车行进过程中的突发事件。从设计角度来分析，LED数字显示速度表比机械式速度表更加精确的反映出实时车速，比机械式速度表更精确。而且从成本来看，LED数字显示速度表比机械式速度表结构更加简单更加经济。采用新型的霍尔集成传感器研究成功了数字式速度表。阐述了非接触式霍尔开关传感器的工作原理，电路组成，结构
2、特征，检测过程以及性能指标。该速度表具有新颖性，多功能和广阔的发展前景本实验采用霍尔传感器进行数据采集，然后经过放大、处理后变成方波脉冲，在经过分频电路分频，然后把信号送给计数器计数，最后让显示器显示数值。采样周期为10秒，用一个采样控制电路来控制计数器的清零与显示器的刷新。实验设计较为简便性价比较为合理。关键词：霍尔开关传感器 ；数字式速度表；555定时器；计数器目录第1章 绪论11.1 速度表的设计意义11.2 设计参数及要求11.3 设计方案论证21.4 总体框图设计2第2章 各单元电路的设计32.1 数据采集电路设计32.2 放大电路设计32.3 脉冲整形电路42.4 分频电路设计52
3、.5 计数与显示部分电路设计52.6 采样控制电路设计6第3章 整体电路设计与分析83.1 整体电路图及工作原理83.2 电路参数计算93.3 电路整体的仿真及分析9第4章 设计总结10第5章 参考文献11附件12第1章 绪论1.1 速度表的设计意义从经济等因素来看，汽车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。目前市面上汽车的速度表都是机械的，看起来不够直观与方便。如果能用LED直接显示出来速度值，就可节省用户的时间及精力处理汽车行进过程中的突发事件。从设计角度来分析，LED数字显示速度表比机械式速度表更加精确的反映出实时车速，比机械式速度表更精确。而且从成本来看，LED数字显示速度表比机械式速度表
4、结构更加简单更加经济。因此设计LED数字显示速度表具有广阔的发展前景与实用价值。1.2 设计参数及要求设计参数：1显示汽车Km/h数； 2车轮每转一圈，有一传感脉冲；每个脉冲代表1m的距离； 3采样周期设为10S； 4要求显示到小数点后边两位； 5用数码管显示；6，最高时速小于300Km/h。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体
5、方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.3 设计方案论证方案一:本方案采用光电式传感器对车轮转动情况进行转换，把对车轮的转数分析转化为对光信号的分析，然后设计一部分光电转换电路来把光信号转化成脉冲信号来进行分频，然后把脉冲信号送给计数器进行计数。最后把采样周期内记的数传输给LED显示器显示出车速。用采样控制电路来控制电路的采样与LED显示器的刷新。方案二:本方案采用霍尔传感器对轮胎转动情况进行转换，把对轮胎的转数分析转化成对电压信号的分析，然后对采集的电压信号进行放大与
6、整形，把整形后的信号进行分频处理，处理后送给计数器进行计数然后把采样的值传给LED显示器显示出来。用采样电路控制采样周期。经比较的方案一需要对光信号转化成电信号，电路比较复杂而且成本较高。方案二采用霍尔传感器，采样结果是电压信号，比较方便处理。不需要再进行转化处理。因此本设计采用方案二来实现。1.4 总体框图设计采样控制电路译码器计数器显示器放大电路数据采集电路分频电路整形电路第2章 各单元电路的设计2.1 数据采集电路设计本设计采用了霍尔式转速传感器，霍尔式转速传感器是利用霍尔效应的原理制成的。霍尔效应是指在一个矩形半导体薄片上有一电流通过，此时如有一磁场也作用于该半导体材料上，则在垂直于电
7、流方向的半导体两端，会产生一个很小的电压，该电压就称为霍尔电压。霍尔式转速传感器是使转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。图形如图2.1所示：图2.1 数据采集器示意图2.2 放大电路设计由于霍尔式传感器输出的脉冲信号是一个不规则的方波信号且信号幅度很小，所以必须进行信号的放大整形。放大电路可用三极管组成，采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应。当输入信号为零或负电压时，三极管截止，电路输出高电平；而当
8、输入信号为正电压时，三极管导通，此时输出电压随着输入电压的上升而下降，由于放大器的放大功能降低了对待测信号的幅度要求。放大电路将传感器采集到的信号进行放大处理。器电路图如图2.2所示：图2.2 放大电路电路图传感器采集的信号送给电容C3，从C4端输出放大后的脉冲。2.3 脉冲整形电路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。从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且接受端的阻抗与
9、传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的VT+和VT-设置得合适，均能受到满意的整形效果。2.4 分频电路设计本设计需要对整形后的脉冲进行10分频以匹配显示器显示的车速的单位，所以对整形后的脉冲进行分频处理，分频的方法就是采用4017芯片进行10分频其芯片及接法如图2.3所示：图2.3 分频电路电路图从芯片14脚输入的是整形后的脉冲信号，从11脚输出的是10分频后的信号。2.5
10、计数与显示部分电路设计本设计采用十进制计数器74160来设计技术电路，采用5片74160来接成计数器，为了满足设计要求的显示最高时速小于300Km/h，故将编号为 U11的74160设计成三进制计数器，值能显示到2，其余的74160设计成10进制计数器。LED显示器采用4511驱动芯片来驱动。4511芯片具有同步和保持功能，能够实现10秒一刷新，也就是能够实现每次采样结束后更新一次数据显示，并且保持到下一次采样结束。LED显示部分采用共阴极七段数码管作为显示器。其中U3为带小数点的数码管。具体电路如图2.4所示：图2.4 计数与显示部分电路2.6 采样控制电路设计为满足设计要求，需要对脉冲进行
11、10秒一采样，所以需要设计一部分电路来控制采样的动作同时需要让显示器部分刷新一次数据，也就是每隔10秒钟给计数器复位端一个低电平的复位脉冲，同时给显示器驱动片4511的LE端一个低电平的同步脉冲让显示器刷新一次。在这部分电路里采用555定时器做成的周期为一秒的多谐震荡器，将输出端送给一个十进制计数器74160的时钟输入端，从74160的进位输出端输出的脉冲就是周期为10秒的正，用一个非门反向就得到了十秒钟周期的低电平脉冲。具体电路如图2.5所示：图 2.5 采样控制电路图第3章 整体电路设计与分析3.1 整体电路图及工作原理图 3.1 整体电路图电路如图3.1所示，霍尔式传感器利用霍尔效应使转
12、盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。由于霍尔式传感器输出的脉冲信号是一个不规则的方波信号且信号幅度很小，所以必须进行信号的放大整形。放大电路采用三极管组成，则整形电路应用了施密特触发器，可使其变成规则的矩形波，每个脉冲代表汽车行进了0.001公里，传感器采集的电压信号经过放大器放大后输给施密特整形电路整形，为了能让输出的最终显示单位为Km/h，经整形后的信号输给分频电路进行10分频，分频后信号传给计数器进行计数
13、，每十秒采样计数完成后把数据传送给显示器保持10秒，等待下一次采样数据。LED显示其采用的是共阴极驱动的七段数码管。计数器最高位采用的是三进制计数器，以满足最高时速小于300Km/h。右图是采样控制器，采用的是一片555定时器做成的多谐振荡器和一片十进制计数器组成。多谐振荡器振荡周期是1秒，输出脉冲给十进制计数器计数，进位端输出的就是十秒为周期的脉冲信号。用这个信号来控制七段数码管的驱动芯片4511的刷新与计数器的清零。实现十秒一采样。3.2 电路参数计算本设计需要对分频器的分频数进行计算，采样周期是10秒，假如十秒钟采样到100个脉冲信号，一个脉冲代表1米，也就是10秒钟跑了100米，转化成
14、Km/h也就是36.00 Km/h。将36.00 Km/h转化成10秒钟的路程也就是10米，这样就需要对采样数据进行10分频。另外就是对采样控制电路的参数进行计算，假设电阻值为10K则根据公式得电容值为47uF。还有需要计数器最大数值小于300.00 Km/h，只需要将最高位计数器计数值设计成三进制，将1100电平信号传给置零端即可。3.3 电路整体的仿真及分析在此没有传感器元件，本设计用一个脉冲发生器来代替。整体效果图如图3.2所示：图 3.2 仿真效果图用一个频率为10Hz的频率发生器来产生脉冲，这样就在显示器上得到了时速36.00 Km/h的时速。即完成了仿真。第4章 设计总结本实验采用霍尔传感器进行数据采集，然后经过放大、处理后变成方波脉冲，在经过分频电路分频，然后把信号送给计数器计数，最后让显示器显示数值。采样周期为10秒，用一个采样控制电路来控制计数器的清零与显示器的刷新。在设计时采用了74160来设计计数器，采用了5
