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四位数数字显示红外线转速表

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目录

一、 内容摘要 …………………………………………………………………… 2
二、设计内容及要求 …………………………………………………………… 2
三、红外线转速表的工作原理 ………………………………………………… 2
四、单元电路设计 ……………………………………………………………… 4
五、总体设计………………………………………………………………………8
六、组装调试………………………………………………………………………8
七、心得体会………………………………………………………………………10
八、电路用到的器件………………………………………………………………11
九、参考文献………………………………………………………………………12

一、内容摘要
我们设计的是四位数数字显示红外线转速表.转速表用红外线发光管，通过光学原理实现对转速的测量，通过计数锁存电路、延时电路、脉冲电路的相互有机组合可以使测速范围达到了从0转/s 到 9999转/s，实现近距离测量；
二、设计内容及要求
（1）设计四位数数字显示红外线转速表。转速表用红外线发光管。测速范围为0000 ~ 9999转/s,实现近距离测量;
(2)转速表用红外线发光管5GL发射的红外线,由接收管3DU5C接收被测转动体的转速脉冲；
(3）组装、调试红外线转速表；
（4)画出完整的电路图，写出设计、调试报告。
 三、红外线转速表的工作原理
3。1 红外线转速表采用的红外线探头有直接试和反射式两种。直接式探头、发光管和受光管在被测物体的两边，发光管射出的光线直接照射到受光管上,被测物体运动时阻挡光线,产生计数信号，这种探头经常用做光电计数。反射式探头、发光管和受光管在被测物体的同测，当探头接近物体是，接收到脉冲的红外线信号，用于测量转速比较方便。
3。2 测量转速的探头根据测量距离可以采用透镜系统，也可不采用透镜系统。当被测物离开探头距离在15cm以内时，无需采用透镜。探头设计是可采用小功率发光管5GL和光敏受光管3DU5C。组装电路如图2-1所示，两管并排放置,两个管子的中心线夹角很小，使它们在10cm ~ 15cm远处相交。这种探头靠接近物体上漫反射回来的光线工作，对全黑色物体，接收灵敏度很底，对白色物体和镜面反射体接收最灵敏，也能接收到其他颜色物体的反射光，但相应的探头距离要近些。         

        图1 不加透镜，接收漫反射光的探头
测量转速的探头经常用透镜系统，根据光学的折射反射原理，发射管和接收管都固定在探测架上,通过透镜聚焦。在探测架中间用半透膜使发射的红外线折射向转动体,又能使从转动的物体反射回来的红外线通过半透膜射向接收管.半透膜上最好涂一层只能透过某个单色波长的物质，或用单色性很好的滤色玻璃制作，使它只能透过固定波长的红外线(例如0.93μm），这样对于对抗杂散光的干扰更有利。
3。3 为了提高反射红外线的能力，通常在转动物体贴上一小片红外线反射纸，反射效果极好.有时用镜面、铝箔、洁白平滑的纸、白油漆等也能提供反射性能.当转动物体转到反射纸恰好对着从发光管发出的红外线时,接收管接收到光信号，从单位时间内收到光信号的次数便可测出转速.
3.4 红外线转速表电路原理框图如图2—2所示。为了使红外线转速表不怕可见光干扰，系统可以设置振荡器和波形变换电路,使发射的红外线通过脉冲功率放大和调制，当受光管收到脉冲信号后，电路把调制发光管的脉冲信号和受光管接收到的脉冲信号选通出来,对收到的光电信号,必须“卸调”调制脉冲,即实行解调，从中取得真正需要的转速脉冲输出信号,解调后输出信号送入计数控制门计数。

图2 红外线转速表电路原理框图
秒脉冲电路可以得到1kHz的秒脉冲信号，通过1秒脉冲电路得到闸门时间（脉宽)为1秒的闸门信号，该1秒的脉宽就是转速表的取样时间，是计数控制门的输入信号.
为了在测量过程中,只让显示数字在每次测量结束后自动改变一次数据，要对计数显示“锁存"，所以电路需要一个延时1锁存信号。在计算器每测量依次转速后，使计算器自动清零,故设置延时2电路，以提供延时清零脉冲。计数、锁存、译码显示电路完成光电转速表的转速数据显示。

四、单元电路设计
1 红外发射及接收电路

5GL最大工作电流10mA,正向电压UF〈=1.3V;3DU5C暗电流0.2mA,光电流1mA。于是计算出R1=500，R2=5K.

图3

2 秒脉冲电路
系统所需要的秒脉冲由定时器 555定时器所构成的多谐振荡器提供。其中1脚是电路地GND；8脚是正电源Vcc，工作电压范围为3～18V；2脚是低触发端TR；3脚是输出端OUT;4脚是主复位端R；5脚是控制电压端Uc;6脚是高触发端TH;7脚放电端DISC。R1、R2和C为定时电阻和电容，C1为电压控制端稳定电容。
输出矩形脉冲的周期等于电容的充放电时间之和.用一阶RC电路的三要素法可求出电容的充放电时间。
充电时间即高电平脉冲宽度T1=0。7(R1+R2）C。
放电时间即低电平脉冲宽度T2=R2C。
R1=72。14K R2=30。43K。 C=10uF C1=10nF

555外引脚
图4

3 秒脉宽电路
用D触发器CC4013构成。（2分频）

功能说明：
“3”端口接秒脉冲；“2”端口的输出作为“5”端口的输入,“1”端口作为整体信号输出接与非门。

图5
4 计数控制电路

图6
用4×2输入与非门CC4011和非门4009构成。
具体连接如下：

5 延时电路
用单稳态触发器CC4098构成。tW=0。45RextCext
CC4098单稳态触发器的管脚功能图如图所示。触发器从TR+或TR_端引入（上升沿触发用TR+端，下降沿触发则用TR_端)。输入端接“1”时，单稳态触发器按触发工作，接“0"时,Q端输出“0”，输出“1”。
Rext和Cext是外接的定时元件,其值决定输出脉冲宽度(暂态时间）.电路本身的传输延迟时间仅由内部单元的延时决定，与Rext和Cext的值无关。CC4098的真值表如表11-6—2所示.
      按照设计要求锁存信号脉宽可为 5—10 s， 秒脉宽信号下降沿触发。
tW1=0。45Rext1Cext1=9s Rext1 =200K Cext1 =100uF
2) 清零信号脉宽1s, 锁存信号下降沿触发。
tW2=0。45Rext2Cext2 =1s Rext2 =460K×2 Cext2 =4。7uF/2

6 计数/锁存/译码/驱动CC40110
计数/锁存/7段译码/驱动器CC40110是CMOS集成电路,内部计数器采用“约翰逊计数器”结构，按二-十进制加/减方式工作,锁存器将数据锁存，译码器、驱动器和输出驱动七段显示器，电源范围为3V~18V,输出驱动电源可达10mA以上。
CC40110逻辑图和引出端功能图如图所示.a～g为驱动器输出端，和七段显示器连接;R为清零端，R=“1”
时，计数器复零；CPu是加法计数时钟，CPd是减法计数时钟；Qco输出进位脉冲,Qbo输出借位脉冲；为触发器使能端， =“0”时计数器工作， =“1"时，计数器处于禁止状态，即不计数；LE为锁存控制端，LE=“1"时,计数器锁存.CC40110各引出端具体功能参见下图。
“5"端口接清零；“6”端口接锁存；“9”接计数脉冲；“10”是进位
输出.
7 显示电路
BS201A：最大工作电流Im=10mA，
正向电压Uf<=2V，

五、总体
图13

六、组装调试
1调试用的仪器
（1）数字万用表或指针式万用表
它可以很方便地测量交、直流电压，交、直流电流，电阻及晶体管β值等。
（2)示波器
用示波器可以测量直流电位，正弦波、三角波和脉冲等波形的各种参数。用双踪示波器还可同时观察两个波形的相位关系,这在数字系统中是比较重要的。调试中所用示波器频带一定要大于被测信号的频率。
（3）信号发生器
因为经常要在加信号的情况下进行测试，则在调试和故障诊断时最好备有信号发生器.它是一种多功能的宽频带函数发生器，可产生正弦波、三角波、方波及对称性可调的三角波和方波.必要时自己可用元器件制作简单的信号源。
以上三种仪器是调试和故障诊断时必不可少的，三种仪器配合使用,可以提高调试及故障诊断的速度,根据被测电路的需要还可选择其他仪器，比如逻辑分析仪、频率计等。
从电路焊接组装中得出经验，一般分模块进行焊接，焊接好后调试该模块，遇到问题可以及时解决；各模块焊接好后，验证输出输入正确后,才将各模块之间连接起来进行整体的调试。
2故障分析与排除
常用检查方法
1、通过视觉、听觉、触觉来查找故障部位，这是一种简便有效的方法。
（1）检查接线,在面包板上接插电路，接错线引起的故障占很大比例，有时还会损坏器件。如发现电路有故障时，应对照安装接线图检查电路的接线有无漏线、断线和错线，特别要注意检查电源线和地线的接线是否正确。为了避免和减少接线错误，应在课前画出正确的安装接线图.
（2)听通电后有否打火声等异常声响；闻有无焦糊异味出现；摸晶体管管壳是否冰凉或烫手，集成电路是否温升过高。听、摸、闻到异常时应立即断电。电解电容器极性接反时可能造成爆裂,漏电大时，介质损耗将增大，也会使温度上升，甚至使电容器胀裂。
2、电阻法
用万用表测量电路电阻和元件电阻来发现和寻找故障部位及元件，注意应在断电条件下进行。
（1）通断法
用于检查电路中连线是否断路，元器件引脚是否虚连。要注意检查是否有不允许悬空的输入端未接入电路，尤其是CMOS电路的任何输入端不能悬空。一般采用万用表电阻挡R×1或R×10挡进行测量.
(2）测电阻值法
用于检查电路中电阻元件的阻值是否正确;检查电容器是否断线、击穿和漏电；检查半导体器件是否击穿、开断及各PN结的正反向电阻是否正常等。检查二极管和三极管时，一般用万用表的R×100或R×1K挡进行测量。在检查大容量电容器（如电解电容器）时,应先用导线将电解电容的两端短路，泄放掉电容器中的存储电荷后，再检查电容有没有被击穿或漏电是否严重,否则，可能会损坏万用表。在测量电阻值时，如果是在线测试，还应考虑到被测元器件与电路中其它元器件的等效并联关系，需要准确测量时，元器件的一端必须与电路断开.
3、电压法
用电压表直流挡检查电源、各静态工作点电压、集成电路引脚的对地电位是否正确。也可用交流电压挡检查有关交流电压值。测量电压时，应当注意电压表内阻及电容对被测电路的影响。
4、示波法
通常是在电路输入信号的前提下进行检查。这是一种动态测试法.用示波器观察电路有关各点的信号波形，以及信号各级的耦合、传输是否正常来判断故障所在部位，是在电路静态工作点处于正常的条件下进行的检查。
5、电流法
用万用表测量晶体管和集成电路的工作电流、各部分电路的分支电流及电路的总负载电流，以判断电路及元件正常工作与否。这种方法在面包板上不多用.
6、元器件替代法
对怀疑有故障的元器件，可用一个完好的元器件替代，置换后若电路工作正常,则说明原有元器件或插件板存在故障,可作进一步检查测定之.这种方法力争判断准确.对连接线层次较多、功率大的元器件及成本较高的部件不宜采用此法.
七、心得体会
紧张而又辛苦的两周课程设计结束了，当我快要完成老师下达给我们的任务的时候，我仿佛经过了一次翻山越岭，登上了高山之巅，顿感心旷神怡，眼前豁然开朗。
电子课程设计是该课程是对我们进行的一次较全面的设计训练，也是电子课程全部结束后的一次综合性、实践性的学习环节。“千里之行，始于足下。"通过这次课程设计，我深深地体会到了这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地的迈开这一步，就是为了明天能稳健的在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
说实话，课程设计真的很累。然而,当我一着手清理自己的设计成果是，仔细回味这一周来的心路历程，一种少有的成功的喜悦即刻使我倦意顿消.虽然这是我刚学会走完的这一步,是我人生中的一点小小的胜利,然而它令我感到自己自己成熟了许多。
通过课程设计,使我深深地体会到，干任何事都必须耐心、细致。课程设计过程中,许多计算有事不免令我感到有些心烦意乱，记得又一次取数取错了，到最后才知道不行，只好毫不犹豫的重来。但以想起老师平时对我们的耐心教导，想到以后自己应当承担的社会责任，一定要养成一种高度负责、一丝不苟的良好习惯。这次课程设计使我在工作风度上得到了一次难得的磨练,
短短的两周的课程设计,使我更加扎实的掌握了有关知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足.实践出真知,通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵.
最后，我要衷心地感谢老师。不管是上课还是课余时间，或者是双休时间,问您的问题,您都会耐心的给予解答。是您的敬业精神感动了我，是您的谆谆教导启发了我，是您的殷切期望鼓舞了我.
通过设计电路，完成电路各个功能模块,我们加深了红外线测速器的了解，知道了这个红外线测速器具有原理简单、易于理解、简单易做的特点,同时由于它的研究型不是太高端，正好适合我们这样刚刚完成课程的学生，这样就加深了我们对各个课程学科的理解，而且由于各个功能模块的独立性，可以在完成整体电路时把它拆分成很多独立的模块,这样就加速了课题的研究进程。但是，在研究的过程中我们也发现了它的很多缺点,比如，由于此次应用的是光学原理，而光却是很容易受到其他因素的影响，所以导致完成的测速仪可能精度不高，或者不稳定，这些虽然可以用其他的一些技术，材料加以弥补，可是根本的原理不变，这个缺点是难以解决的,只有变化了测速器的构成原理，这个问题才会得以解决。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 与队友的合作更是一件快乐的事情，只有彼此都付出,彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。而团队合作也是当今社会最提倡的.
此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西,比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松,自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时,在老师的身上我们学也到很多实用的知识,在次我们表示感谢！同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
八、电路用到的器件：
1 555定时器 1片
2 CC40110 4片
3 数码显示器BS201A（共阴极) 4片
4 CC4013 （双D触发器） 1片
5 CC4098 1片
6 CC4011 1片
7 5GL （发光管） 1只
8 3DU5C （光敏受光管） 1只
9 CC4009 1只
10 电阻、电容若干
九、参考文献
1《电子技术基础课程设计》 华中理工大学出版社 杨宗善主编 1995。1。
2《新编实用半导体器件手册》电子工业出版社 杨帮文主编 2004.9
3《新编CMOS4000系列集成电路实用手册》 机械工业出版社 杨帮文主编 2006.10
4《数字电子技术基础》 科学出版社 唐治德主编 2009。1
5《数字电子技术试验》 重大出版社 夏鸣风主编2010.2

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