1、- 0 -北京工业大学电子课程设计报告学院_专业_班级_组号_题目 1._2._姓名_学号_指导教师_成绩_年 月 日 - 1 -数字部分：自行车里程表一设计要求（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、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
2、由多位数码管显示出来。、框图：- 2 -（三）设计要求1、显示数字为 3 位，精度为 0.1 公里，即（00.099.9 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）（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,CD401
3、1(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- 3 -二、设计方案（一）实验初步设计经过对参考设计方案框图的分析得出该实验主要分为 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） 。首先要将红外传感器接收到的轮辐脉冲整形成为规则的方波，据所学知识，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。脉冲整形电路选用 555 定时器作为波形整流器，但是老师推荐使用的是 CD401
4、06，通过查阅资料，我们才知道，原来 CD40106 内部由 6 个施密特触发器组成，因而可以与信号输出线直接连接实现波形整形，而 555 定时器需要先进性外部连接构成施密特触发器才具有整形的功能。因此从简化电路的要求考虑，我们最终选择了 CD40106 作为波形整形器。在考虑轮辐计数分频器的时候，想到了 CD4518 和 161 两种芯片。由于以前并没有接触过 CD4518，所以在网上查了一下资料。通过 CD4518 芯片数据手册，我知道了 CD4518 是十进制的计数器，比 161 的二进制计数器使用起来更加方便。因此最终决定选用 CD4518 作为轮辐计数分频器。根据提供的参考元件，初步
5、确定了以下方案：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。（二）元件清单74LS00（1） ；40106（1） ；CD4553（1） ；CD4518（2） ；CD4543（1） ；三位共阴八位数码管（1 个） ；NPN 三极管 9012（4） ；470 欧姆电阻（12） - 4 -（三）光控电路及脉冲整形部分1此部分设计要求：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
6、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。电路图如下：U14N2521456VCC5VU2A40106BD_5VX12.5 V R15.1k2光控电路及脉冲整形芯片1）光电耦合器的结构如下：红外传感器- 5 -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
7、 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， - 6 -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
8、 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 电源正真值表功能：CD4518 的控制功能CLK 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 Q0Q4=0- 7 -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）
9、，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
10、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
11、（计数最大值为 999），但 BCD 的输出端却只有一组 Q0Q3 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 Q0Q3 输出个位的 BCD码时，DS1 端输出低电平；当 Q0Q3 输出十位的 BCD 码时，DS2 端输出低电- 8 -平；当 Q0Q3 输出百位的 BCD 码时，DS3 端输出低电平时，周而复始、循环不止。真值表： Inputs 输入MasterReset Clock Disable LEOutputs 输出0 0 0 No Change 没有变化0 0 0 Advance 进行0 x 1 x No Change 没有变
12、化0 1 0 Advance 进行0 1 0 No Change 没有变化0 0 x x No Change 没有变化0 x x Latched 锁存0 x x 1 Latched 锁存1 x x 0 Q0=Q1=Q2=Q3=0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
13、数据选择输出端与数码显示的三位数码管连接。由于 cd4553的数据选择输出端输出信号很弱，所以要在 cd4553 的数据选择输出端与三位数码管的数据控制端的之间加上三极管放大电路。(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- 9 -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。CD4
14、553 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。- 10 -（六）完整电路图三、实验过程（一）实验整体方案初始电路图(仿真)U2A4011BD_5VU34543BD_5VDA5 DB3DC2 DD4OA 9OD 12OE 13OF 15OC 11OB 10OG 14LD1 BI7 PH6U4A74HC08D_4VU6A4518BD_5V1A 31B 41C 51D 6EN12 MR17CP11U7A4518BD_5V1A 31B 41C 51D 6EN12 MR17CP11VDD5VU8A4518BD_5V1A 31
15、B 41C 51D 6EN12 MR17CP11XFG12567 U9A74HC08D_4V89U10A1A 31B 41C 51D 6EN12 MR17CP11VDD1112130U11ABCDEFGCAVDD5V2728293031323334203536VDD 1001434115CD4553- 11 -（二）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（由三片 74LS161 芯片组成） ，轮辐计数器计到 3820 进制之后，再由三个74LS
16、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=D=3.14167.5 cm0.25562m设轮辐计数器为 N 进制。那么：C/nN=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，通过对管脚图即工作原理图的分析，我们了解了 CD4518 的基本工作原理。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 17 和 915。该计数器是单脉冲输入（1
17、 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，
18、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- 12 -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
19、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。（三）0.1 公里计数电路的接线1仿真电路图：U6A4518BD_5V1A 31B 41C 51D 6EN12 MR17CP11U7A4518BD_5V1A 31B 41C 51D 6EN12 MR17CP11VDD5VU8A4518BD_5V1A 31B 41C 51D 6EN12 MR17CP11XFG12VDD031- 13 -（四）译码驱动电路及数码管显示电路的插线1仿真电路图U34543BD_5VDA5 DB3DC2 DD4OA 9OD 12OE 13OF 15OC 11OB10OG
20、 14LD1BI7 PH6U10A1A 31B 41C 51D 6EN12 MR17CP11111213U11A B C D E F GCAVDD5V2728293031323334203536VDD 10014CD4553四、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。在网上查到了平时对数码管串联的电阻，阻值大概是 470 欧姆。并通过
21、9012 开关管使数码管亮度适中。- 14 -（三）发挥部分清零功能：在本实验电路中我们还设计了清零的功能，当我们需要重新计算里程是，可以通过此开关来进行清零。而清零段的原理就是 CD4518，CD4553 的清零端，由于这两个芯片的清零端都是高电平有效，所以用一个开关就能够实现清零的作用。所以用一个开关就可以控制给 CD4518 的 7，14 管脚以及 CD4553 的 13管脚高电平或低电平来实现清零的目的。当用户想重新计里程时只要将开关先接通高电平再接回低电平，就没有问题了。（三）调试中的问题刚开始第一次连完电进行调试过程时，发现数码管有些乱码情况。后来检查排线，发现是由于电阻排布过密导
22、致的。有一部分短路，后来重新排了一下线。就解决了问题。以后在进行电子设计时，应在事前将电路规划一下，不能想一步看一步。否则到时候返工会很麻烦。小电路也就拆拆装装，大电路就会造成经济损失。- 15 -五、心得体会本次实验是以数字电子技术理论为基础，需要学生独立完成的课题设计，中途涉及到的电路设计方案、芯片的选择、EDA 仿真、实际插线、试验调试、撰写总结报告等环节都要通过个人的资料查询、知识积累来完成，根本上曾强了个人的知识掌握以及实践动手能力。以前做电子实验都是依照老师给好的电路图，然后进行仿真或者焊接。而这次完全是自己和同伴设计。起初我觉得很不习惯，一遇到问题想到的第一个解决办法就是去问老师
23、，但老师绝不能成为我成功的必要条件。渐渐的我学会了自己解决问题，摆脱了对于老师的依赖性。我想，只有学会了自己解决问题，学到的东西才是自己的。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。插线是此次课设的又一难点所在，不但需要有一个整体的全局观，更重要的是要有足够的耐心。在插线过程中不但锻炼了我们的整体协调能力同时锻炼了我们的动手能力。经过此次实验，我们对数
24、电知识有了更为深刻的体会，终于懂得了如何将这些学过的东西运用到实际中去。并且我们通过实际的结果体会到了很多名词的实际意义，这与单单从书本上读来的感觉是完全不一样的，很多以前很难记住的东西，在经过这次试验后都深刻且牢固的记住了。通过这次的课程设计，我们得到了一个很大的收获，就是团队的协作能力，如何在一个团队中将每个人的力量都发挥出来，这是很重要的。因为这次我们是两个人一个小组，如何协调，如何在做课设的过程中使两个人能够很好的配合，也是非常重要的。我们在插板时就是两个人进行了很好的分工，一个人准备线，一个人进行插板，这样就能保证能够快速的进行了。整个课设的过程中，我们都配合得非常地默契，相信这次经
25、历会给我们以后的学习和生活带来很大的帮助，非常感谢我的搭档姚鹏同学，正是我们的配合保证了课设的成功。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- 16 -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。六实验未解决的问题在这次实验中基本将发挥部分都完善出来了。但是在节电功能上，考虑到现有芯片，没能设计出来。相信在以后的学习中，会利用学习的知识将这个问题解决。七附录本次实验的资料来源百度文库 40106 芯片数据手册 PDF百度文库 CD4553 芯片数据手册 PDF百度文库 CD4543 芯片数据手册 PDF德州仪器公司官方 CD4518 芯片数据手册 PDF
