课程设计数字测速系统设计.docx
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课程设计数字测速系统设计
数字测速系统设计
目录
1.设计任务及指标………………………………………………………………3
1.1设计任务………………………………………………………………………3
1.2设计要求………………………………………………………………………3
2.数字测速电路设计………………………………………………………………3
2.1系统框图………………………………………………………………………3
2.2二位数码管计数显示电路的设计……………………………………………4
2.3锁存器电路的设计……………………………………………………………5
2.4输入信号分频电路的设计……………………………………………………6
2.5清零信号电路的设计…………………………………………………………8
2.6报警功能电路的设计…………………………………………………………8
2.7整形电路设计…………………………………………………………………9
3.故障处理…………………………………………………………………………10
3.1故障一…………………………………………………………………………11
3.2故障二…………………………………………………………………………11
3.3故障三…………………………………………………………………………11
3.4故障四…………………………………………………………………………12
4.实验数据和误差分析……………………………………………………………13
5.课程设计的收获、体会和建议…………………………………………………13
5.1收获及体会……………………………………………………………………13
5.2实验建议………………………………………………………………………13
6.参考文献…………………………………………………………………………14
7.附录………………………………………………………………………………15
附录A………………………………………………………………………………15
附录B………………………………………………………………………………15
1.设计任务及要求
1.1设计任务
设计并制作测量电机转速的数字测速系统
1.测量转速可达0—40转/秒；
2.转速测量精度不得低于90度/秒；
3.输出转速由数码管显示；
4.低速报警（速度低于设定值时，启动蜂鸣器报警，速度升高到设定值以上时，自动关闭蜂鸣器）。
1.2设计要求
1.画出电路原理图（或仿真电路图）；
2.元器件及参数选择；
3.编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
2.数字测速系统电路设计
数字测速系统电路从原理上来说可分为几个部分：
最基础的计数显示功能，计数的清零锁存，输入信号的分频，报警功能电路的实现，清零信号的设计，以及波形的整形。
设计时必须一步一步来，逐步检查错误，逐步实现功能，最后再进行所有部分的组合设计。
2.1系统框图：
图1系统框图
2.2二位数码管计数显示电路的设计
选择CD4511作为显示译码电路；选择LED数码管作为显示单元电路。
由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。
这里的LED数码管是采用共阴的方法连接的。
计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD码转变为七段数码送到数码管中显示出来。
由于电机的转速达到二位数，因此必须用二位十进制计数显示。
二位十进制计数器，就要有两组的计数—译码—显示电路，低位数向高位数进位，是从低位QD端引出，接上高位计数计中的输入端A，当低位的计数溢出时，能够自动向高位进位，这样能实现的计数为0—99。
图2二位数码管显示电路
2.3锁存器电路的设计
由于电机的转速比较快，则1秒内的脉冲数比较多，而系统要求数码管内即时显示电机的转动速度，也就是1秒内产生的脉冲数，所以设计的电路要求能在1秒内测速，然后清零，并且保存这1秒内所测得的速度。
这时就需要用到74LS373芯片。
芯片的原理如下：
当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
D0—D7是输入端，O0—O7是输出端，分别连接74LS90计数器输入的信号和CD4511的输入端，如下图所示：
图3锁存电路
2.4输入信号分频电路的设计
因为我们的转盘设计的是四个孔，即当转盘转了一个圈时，输出的是4个方波信号，而我们要的是在数码管上显示的实际的转速，所以必须把信号输入时先进行4分频，这样就能实现实际输出的是实际的转速。
74ls90是一个计数器，其2，3端接一个正脉冲时，90清零，重新开始计数。
所以我们把第一个Qc分别接到下一个90的14脚，和自身的2，3端，这样就实现先把信号进行4分频，在输入给下一个90系统计数.
图4输入信号分频电路
2.5清零信号电路的设计
电路测试速度是1秒测，然后清零保存再1秒测的模式。
因此，对各个芯片所给的清零信号和使能工作信号的设计十分重要。
由于系统需要的测速清零周期是2秒（即1秒测1秒清零），所以我们提供一个0.5HZ的时钟脉冲（设为CP），通过不同的途径传送到芯片的有效端口。
首先在第1秒内，我们需要计数器工作，即2.3端清零应该提供一个低电平（清零信号为高电平），而CP在第1秒内为高电平，这时通过一个非门把CP连接到计数器的清零端，则提供给了一个低电平，计数器正常计数工作，并且此时高电平输入到74373的使能端（高电平有效），使74373正常工作；在第2秒时，CP变成低电平，这时通过非门给了计数芯片一个清零信号，计数器停止计数，并且给了74373使能端一个低电平，这时74373停止工作并保存上1秒的数据，数码显示管依然显示速度。
在下面电路图左侧的RC电路实现的是电路上电时的清零功能。
图5清零信号电路1
图6清零信号电路2
2.6报警功能电路的设计
本系统要实现的功能是当电机的转速低于设定值时，蜂鸣器会自动报警，实现自动报警的功能是利用逻辑门来实现，由于我们要的是低于20转时，蜂鸣器自动报警，当低于20转时，高位的cd4511的Qb，Qc,Qd输入端为0，再把这三个信号引进三个或门，我们用的npn三极管，属于高电平导通，所以必须再加一个非门。
图7报警功能电路
2.7波形整形电路。
从接收管输出的波形并不是如我们想要的方波信号，所以必须把其他波形的信号变成方波信号后，才能使系统正常计数，这里我们想到了用一个斯米特触发器来实现这部分。
触发器的功能是，当实际输出的电压到了一定的值后，经过斯米特触发器后输出的电压就变成高电平，当实际输出的电压低于一定的值时，经过斯米特触发器后输出的电压就变成了低电平。
这样就能使系统正常工作了。
3.故障处理
3.1故障处理一
焊完计数译码与显示部分时，给90输入端输入方波信号，数码管不计数。
仔细检查了背面的线路后，发现问题是有一条电路不通。
3.2故障处理二
晶振的频率为32.768k，我们这个电路要的是一秒钟高电平，一秒钟低电平，即0.5Hz所以经过4060的14分频后，还必须进行4分频，接完电路后，发现实际输出的并不是0.5Hz
用示波器观察其输出波形后，其波形在一秒钟后是一个尖峰脉冲。
分析原因后，是因为90的Qb端接到了其2，3清零端，因为当Qb到高电平时，马上就把电平传给2，3清零端，并马上把90给清零了，所以会出现一个尖峰脉冲。
另外还需把90的Qc端接到90的2，3端。
这样就实现了一秒钟高电平，一秒钟低电平。
3.2故障处理三
按照电路图焊完电路后，蜂鸣器不能正常工作。
后来发现是蜂鸣器的接法接错了。
原电路图如下：
图8修改前蜂鸣器电路
修改后的电路图如下：
图9修改后蜂鸣器电路
3.2故障处理四
接完发射接收管后，轻轻一碰发射管，数码管都能显示到几十，后来请教老师，原来是接收管输出的波形并不是方波信号，而我们想要的是方波信号，即必须把输出的波形进行整形才能正常计数，这时我们想到了用一个斯米特触发器，斯米特触发器的工作原理是这样的，当实际输出的电压到了一定的值后，经过斯米特触发器整形后，才能变成高电平，当实际输出电平低于一定值时，经过斯米特触发器后，才能变成低电平，这样就实现了把其他波形的信号转换成TTL电平。
这样经过处理的信号进入90后，就能正常计数了。
4.实验数据和误差分析
电机实际为160转，但是实际上测出的是157，有时测出的是158，159，分析原因：
因为刚上电的时候电流和电机的转速还没稳定。
5.课程设计的收获、体会和建议
5.1收获及体会
在此次课程设计过程中，我们更进一步地了解和掌握74LS系列的部分芯片结构和功能，更深入地掌握其工作原理及具体的使用方法。
在各芯片的运用过程中，要求我们熟悉逻辑电路及各芯片各引脚和对应的功能，以便在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。
在电路设计过程中，不能急于求成，幻想一步到位。
其实，欲速则不达。
任何长路都要从跬步做起。
所以在设计过程中，尽量将电路分模块、分单元来进行，在模块或单元调试中尽快找出问题和解决问题，最后再将模块和单元联系起来组合成实验的整体电路图。
这样可以提高准确性。
在设计焊接电路的连接过程中，经常会被线的多和乱所迷惑，倒置焊接出错，出现电路短路和断路情况。
所以需要在焊接之前先对走线做一个整体布局。
另外经过这样一个课程设计后，我们对数电又有了更深一层的理解，从电路原理的设计，到焊电路我们都能独立完成，并且锻炼了小组的协作能力。
5.2实验建议
建议课程设计的时间安排在其他时间段，现在这个阶段大家的精力主要是放在复习上，放在课程设计上的精力不多，即使做出来了，质量也是有待考究的，所以强烈建议课程设计安排在其他时间段做，例如假期，另外，建议这样的设计课程可适当增多几个。
6.参考文献
逻辑电路设计基础[美]AlanB.Marcovitz著电子工业出版社TN7928
数字逻辑分析与设计童永承主编科学出版社TN7933
数字电路与逻辑设计刘浩斌电子工业出版社TN7953
数字电路设计与实践邵时杨冰姜宁编著华东师范大学出版社TN7990
数字电路设计与数字系统刘培植等编著北京邮电大学出版社TN79107
数字电路原理与设计实例解析[美]MykePredko著张晓林等译
电子工业出版社TN79118
：
数字电路CD4511的原理（引脚及功能）
链接：
7.附录
附录A电路总原理图
图10电路总原理图
附录B实验用到元器件清单
实验中用到的器材
元器件
数量
万用板
1块
万用表
1个
蜂鸣器
1个
5V电源
1个
30p电容
2个
200Ω
2个
100Ω
2个
20Ω
2个
500Ω
1个
20Ω
3个
可变电阻3-5k
1个
直流电机
1个
发射管
1个
接收管
1个
913
1个
Cd40106
1个
20uf
1个
自锁开光
3个
电阻10MΩ
1个
CD4511集成块
4块
74LS04集成块
2块
74LS32集成块
1块
74LS90集成块
4块
32.768k时钟晶体
1个
Cd4060
1个
共阴八段双位数码管
1个
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