課程設(shè)計（論文）汽車速度顯示及超速報警器

1、摘要：本汽車速度顯示及超速報警器電路是運用數(shù)字電路有關(guān)知識來設(shè)計的，它具有簡易操作及實用等特點。司機可根據(jù)不同情況而設(shè)置所需的報警信號速度及安全行駛極限速度，確保行駛安全。電路的核心部分為時基信號發(fā)生器、計數(shù)器、顯示器及報警控制器等，電路設(shè)計中主要用到了防真軟件ewb及eda軟件ptotel99。電路能夠?qū)⑵囁俣葘崟r顯示，當(dāng)行駛速度超過所設(shè)置的報警速度及安全行駛速度時，電路就會分別發(fā)出報警信號和將發(fā)動機熄滅，確保安全行駛。為使電路簡單，本電路采用汽車轉(zhuǎn)速來模擬汽車速度，本電路均適合各種大中型汽車安裝使用。關(guān)鍵詞：汽車速度；超速；報警器；計數(shù)器目 錄引言3第一章 汽車速度顯示及超速報警器的基本

2、工作原理41.1 電路基本功能41.2 電路的基本組成部分41.3 電路的整體工作原理41.4 電路實用說明5第二章 主要基本電路的工作原理52.1 時基電路的工作原理52.2 100分頻器工作原理62.3 邏輯控制電路工作原理62.4 信號接收及整形電路工作原理72.5 計數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器電路工作原理82.6 超速報警及熄滅發(fā)動機電路工作原理9第三章 電路所用元件列舉103.1 分立元件103.2 集成芯片10第四章 電路原理圖及pcb圖114.1 電路原理圖114.2 pcb圖11第五章 電路設(shè)計與調(diào)試總結(jié)125.1 電路設(shè)計說明125.2 電路設(shè)計總結(jié)135.2 電路調(diào)試總結(jié)13

3、謝 辭15主要參考文獻(xiàn)16引言 在當(dāng)今時代里，汽車是最普遍的交通運輸工具，然而人們往往忽視高速行駛所帶來的重大后果。每年由于司機超速行駛而產(chǎn)生的交通事故很多，因此造成的經(jīng)濟損失很多，然而很多因超速行駛而造成事故者不是他們想開很快，而是他們那時已經(jīng)有了快感，根本沒有意識到自己是在超速行使，因此在事故發(fā)生后大都感到后悔。如果他們在汽車上安裝汽車速度顯示及超速報警器，在很大程度上能確保他們避免發(fā)生這類事故。該電路主要是計算汽車在一秒內(nèi)輪子的轉(zhuǎn)動圈數(shù)即轉(zhuǎn)動頻率，為使電路簡單，僅以轉(zhuǎn)動頻率來模擬汽車的速度，并將計得的速度通過數(shù)碼管顯示出來，速度顯示每1.25秒刷新一次，并對超速時產(chǎn)生報警信號或者自動將發(fā)

4、動機熄滅，確保了行駛的安全，司機通過撥動開關(guān)可任意設(shè)置產(chǎn)生報警信號速度和安全行駛極限速度。該電路主要由時基電路、分頻器、邏輯控制電路、信號接收電路、放大整形電路、閘門電路、計數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器、報警信號及讓發(fā)動機熄滅信號控制電路等部分構(gòu)成。第一章 汽車速度顯示及超速報警器的基本工作原理1.1 電路基本功能該電路主要是計算汽車在一秒內(nèi)輪子的轉(zhuǎn)動圈數(shù)即轉(zhuǎn)動頻率，為使電路簡單，僅以轉(zhuǎn)動頻率來模擬汽車的速度，并將計得的速度通過數(shù)碼管顯示出來，速度顯示每1.25秒刷新一次，并對超速時產(chǎn)生報警信號或者自動將發(fā)動機熄滅，確保了行駛的安全，通過控制開關(guān)可以分別設(shè)置產(chǎn)生報警信號及熄滅發(fā)動機速度，設(shè)置速度可

5、以為10到100間為十的整數(shù)倍，當(dāng)速度達(dá)到此設(shè)置速度時，電路將產(chǎn)生報警信號或者讓發(fā)動機熄滅。在實用中，應(yīng)設(shè)報警信號速度略小于發(fā)動機熄滅速度，當(dāng)產(chǎn)生報警信號時，若速度再增加至停止工作速度時電路就將發(fā)動機熄滅，司機需重新啟動發(fā)動機。1.2 電路的基本組成部分該電路主要由時基電路、分頻器、邏輯控制電路、信號接收電路、放大整形電路、閘門電路、計數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器、報警信號及讓發(fā)動機熄滅信號控制電路等部分構(gòu)成。1.3 電路的整體工作原理直接由555電路產(chǎn)生1hz的信號由于信號頻率極低不很穩(wěn)定，因此，由時基電路產(chǎn)生頻率f=80hz（周期t=12.5ms）的信號f，其中高電平持續(xù)時間為10ms，信號f

6、經(jīng)100分頻器后輸出頻率為0.8hz（周期為1.25秒）的標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號b，其中高電平持續(xù)時間為1s。當(dāng)1s信號到來時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到1s信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。若在閘門時間1s內(nèi)計數(shù)器測得的脈沖個數(shù)為n，則被測信號頻率為nhz，即汽車模擬速度為n轉(zhuǎn)/s。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖d，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清“0”脈沖e，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。被測信號即速度信號用信號接收電路來接收，由此接收到的信號一般不是很好的脈沖信號，將此信號經(jīng)放大整形電路整形后得到計數(shù)器所需的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號a。當(dāng)鎖存脈沖d到來時，鎖存器將計數(shù)器在

7、1s結(jié)束時所計得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定的顯示此時計數(shù)器的值。假設(shè)設(shè)置產(chǎn)生報警信號的速度為70轉(zhuǎn)/s，設(shè)置自動斷掉發(fā)動機的速度為80轉(zhuǎn)/s，則當(dāng)速度達(dá)到70轉(zhuǎn)/s時報警電路指示燈點亮，若速度繼續(xù)提升達(dá)到80轉(zhuǎn)/s時，電路就自動將發(fā)動機熄滅。在此電路中，用微型電機來模擬汽車發(fā)動機，通過調(diào)節(jié)電機的電源電壓讓其轉(zhuǎn)速改變來模擬汽車速度控制器。1.4 電路實用說明 本電路主要有兩大作用：一是將汽車速度通過顯示器顯示出來，使司機能知道對應(yīng)時刻的汽車速度；二是當(dāng)司機加速過高達(dá)到設(shè)置值時，電路會產(chǎn)生報警信號甚至將發(fā)動機熄滅。在不同級別的道路上、在不同的天氣環(huán)境下、在司機不同精神狀態(tài)下或者其他不同的情況下

8、，汽車的安全行駛速度會有不同高低的限制，而往往由于司機不意識的加速過高而產(chǎn)生各種交通事故，因此，在汽車中安裝超速報警器及安全控制器極其重要。司機可根據(jù)實際情況設(shè)置產(chǎn)生報警信號速度及讓電動機熄滅信號速度，假如設(shè)置產(chǎn)生報警信號速度為70轉(zhuǎn)/s，設(shè)置將發(fā)動機熄滅的信號產(chǎn)生速度為80轉(zhuǎn)/s，則當(dāng)司機加速至70轉(zhuǎn)/s時，報警信號指示燈將被點亮，提醒司機要注意控制為當(dāng)前速度或者減弱速度，如果司機不及時減速甚至加速，當(dāng)加速至80轉(zhuǎn)/s時，控制電路會自動將發(fā)動機熄滅，及時確保了行駛的安全，司機需重新啟動發(fā)動機才能繼續(xù)行駛。第二章 主要基本電路的工作原理2.1 時基電路的工作原理 時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時

9、間信號（高電平持續(xù)時間為10ms），由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生（當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間的精度要求較高時，應(yīng)通過晶體振蕩器分頻獲得）。用555構(gòu)成的時基電路如圖2-1所示。 若振蕩器的頻率f=1/（t1+t2）=80hz，其中t1=10ms，t2=2.5ms由公式t1=0.7（r1+r2）c和公式t2=0.7r2c，可計算出電阻r1、r2及電容c的值。若取電容c=0.1uf，則 r2=t2/0.7c=35.7k 取標(biāo)稱值36k r1=（t1-0.7c）-r2=107k 取r1=100k，rp=50k 圖2-1 時基電路圖2.2 100分頻器工作原理100分頻器主要由兩片十進(jìn)制計數(shù)器74ls90構(gòu)成，

10、一片74ls90能夠進(jìn)行10分頻，兩片74ls90級聯(lián)即可構(gòu)成100分頻器。由于從分頻器輸出端輸出的信號高電平和低電平持續(xù)時間恰好跟原來信號相反，因此有必要在其輸出端外接一個反向器，此反向器可以由二四輸入與非門74ls20構(gòu)成。100分頻器電路圖如圖2-2所示。圖 2-2 100分頻器電路圖2.3 邏輯控制電路工作原理在基準(zhǔn)信號b結(jié)束時產(chǎn)生的負(fù)跳變用來產(chǎn)生鎖存信號d，鎖存信號d的負(fù)跳變又用來產(chǎn)生清“0”信號e。脈沖信號d和e可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，可以選用雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123芯片，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。本電路取rext=10k，cext=4.7uf，由公式tw=

11、0.45rextcext=0.02s知觸發(fā)脈沖寬度為0.02s。當(dāng)1s基準(zhǔn)時間信號結(jié)束時，觸發(fā)脈沖從1a端輸入，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端1q可獲得一正脈沖，此脈沖控制鎖存器工作，在此脈沖發(fā)生負(fù)跳變作用下，2a端得到觸發(fā)信號，在2q輸出端得到另一正脈沖，此正脈沖將控制計數(shù)器的清零作用?？刂齐娐穲D如圖2-3所示。圖2-3 邏輯控制電路圖2.4 信號接收及整形電路工作原理圖2-4 信號接收及整形電路該部分電路主要是將汽車速度信號接收并對其整形為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號，接收電路主要是由一個紅外線發(fā)光二極管及一個光敏二極管并串聯(lián)相應(yīng)電阻構(gòu)成。光敏二極管在沒有被光照時反向電阻較大，在被光照時反向電阻較小，

12、通過被光照和沒被光照所表現(xiàn)出不同反向電阻可產(chǎn)生高低電平輪流產(chǎn)生的信號，該信號經(jīng)整形電路整形后即可得到計數(shù)器所需的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號。整形電路由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器對信號進(jìn)行整形，電路如圖2-4所示。2.5 計數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器電路工作原理 計數(shù)器可以統(tǒng)計輸入脈沖的個數(shù)，可以用其來統(tǒng)計汽車輪子在1s內(nèi)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，本電路采用兩片十進(jìn)制計數(shù)器74ls90芯片組成模值為100的計數(shù)器。鎖存器的作用是在1s 信號結(jié)束后將計數(shù)器的狀態(tài)鎖存并送至譯碼顯示器，直到新的秒信號到來為止，以保證顯示器能穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。選用8d鎖存器74ls273可以完成上述功能，當(dāng)時鐘脈沖cp的正跳變來到時，鎖存器的輸出等

13、于輸入，即q=d，從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論d為何值，輸出端q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)qn不變，所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。顯示器：本電路用七段數(shù)碼管來顯示譯碼器輸出的數(shù)字，而且顯示器用的是共陰（接地）顯示器。圖2-3 發(fā)光二極管組成的七段顯示器及其接法(a) 外形； (b) 共陽極接法； (c) 共陰極接法圖2-5所示為由發(fā)光二極管組成的七段顯示器字型圖及其接法。ag七段是七個發(fā)光二極管，有共陰極和共陽極兩種接法。共陰極接法時，哪個管子的陽極接收到高電平，哪個管子發(fā)光；共陽極接法時，哪個管子陰極接收到低電平，哪個管子發(fā)光。例如，對共陰極接法

14、，當(dāng)ag=1011011時，顯示數(shù)字“5”。顯示譯碼器：如果bcd譯碼器的輸出能驅(qū)動顯示器件發(fā)光，將譯碼器中的十進(jìn)制數(shù)顯示出來，這種譯碼器就是顯示譯碼器。74ls48是控制七段顯示器顯示的集成譯碼電路之一，其引線排列圖如右圖所示。 a、b、 c、 d為bcd碼輸入端，a為最高位, yayg為輸出端，分別驅(qū)動七段顯示器的ag輸入端，高電平觸發(fā)顯示，可驅(qū)動共陰極發(fā)光二極管組成的七段顯示器顯示。其它端為使能端。只有輸入的二進(jìn)制碼是8421bcd碼時，才能顯示09的十進(jìn)制數(shù)字。 當(dāng)輸入的四位碼不在8421bcd碼內(nèi)，顯示的字型就不是十進(jìn)制數(shù)。 74ls48的使能端的功能如下：(1) 消隱輸入bi/rb

15、o。 當(dāng)bi=0時， 不論其它各使能端和輸入端處于何種狀態(tài)， yayg均輸出低電平， 顯示器的七個字段全熄滅。這個端子是個雙功能端子， 既可作輸入端子， 也可作輸出端子。 作輸入端子用時， 它是消隱輸入bi； 作輸出端子用時， 它是滅零輸出rbo。(2) 滅零輸出bi/rbo。rbo為滅零輸出。當(dāng)rbi=0，輸入abcd=0000時，rbo=0， 利用該滅零輸出信號可將多位顯示中的無用零熄滅。2.6 超速報警及熄滅發(fā)動機電路工作原理將高位顯示譯碼器74ls48的輸出端q0到q3經(jīng)4個開關(guān)k11、k12、k13、k14分別與4輸入與非門a相連，與非門a的輸出端經(jīng)一作為報警指示燈用的發(fā)光二極管與電

16、源連接，同時q0到q3經(jīng)4個開關(guān)k21、k22、k23、k24分別與4輸入與非門b相連，與非門b的輸出端接至控制電機工作或熄滅的控制輸入端。假設(shè)撥動開關(guān)k11、k12、k13、k24使其處于將電路連通狀態(tài)，其他開關(guān)則使與非門的相應(yīng)管腳懸空，相當(dāng)于接高電平，則當(dāng)速度達(dá)到70轉(zhuǎn)/s時，q1=q2=q3=1，與非門a的輸出端為低電平，發(fā)光二極管被點亮。當(dāng)速度達(dá)到80轉(zhuǎn)/s時，q3=1，與非門b的輸出端產(chǎn)生低電平，此低電平將控制電機熄滅?？刂齐姍C熄滅的電路由晶體三極管8050構(gòu)成，三極管8050作為開關(guān)來控制電機的狀態(tài)，當(dāng)輸入控制信號為低電平時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電機與地連接斷開，無法工作，當(dāng)輸入控

17、制信號為高電平時，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電機與地接通，正常工作。報警控制電路及熄滅電機控制電路電路圖如圖2-6所示。圖2-6 超速報警及熄滅發(fā)動機電路第三章 電路所用元件列舉3.1 分立元件電容：0.01uf 2個 4.7uf 2個 0.1uf 1個電阻：2k、36k、100k各1個 50k滑動變阻器1個 10k3個 200歐2個七段數(shù)碼管：2個插座：2頭插座6個 4頭插座2個微型電機1個3.2 集成芯片555定時器： 2個 74ls123： 1個 74ls273： 2個74ls90： 4個 74ls48： 2個 74ls20； 2個 74ls00： 1個第四章 電路原理圖及pcb圖4.1 電路

18、原理圖4.2 pcb圖第五章 電路設(shè)計與 調(diào)試總結(jié)5.1 電路設(shè)計說明本電路為汽車速度顯示及超速報警器，從電路設(shè)計、制作電路板到電路調(diào)試全部由作者在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨立完成，總共花了兩周多的時間，主要是用數(shù)字電路有關(guān)知識來設(shè)計，設(shè)計中主要用到了protel99軟件及ewb仿真軟件。由于用555定時器來構(gòu)成多諧振蕩器以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時基信號，其產(chǎn)生的信號不夠穩(wěn)定，以至在速度不變時數(shù)據(jù)顯示也會發(fā)生變化以及速度發(fā)生變化時數(shù)據(jù)顯示也沒有按規(guī)律變化，如果換用晶體振蕩器產(chǎn)生的信號再經(jīng)分頻器分頻后的信號作為標(biāo)準(zhǔn)時基信號，數(shù)碼管顯示波動會較小。本電路因為時基信號不穩(wěn)定問題而使電路沒有達(dá)到預(yù)期要求，但是從始至終都是自

19、己在參考相關(guān)資料的基礎(chǔ)上分析設(shè)計并不斷對電路進(jìn)行優(yōu)化5.2 電路設(shè)計總結(jié)任何電路的設(shè)計都要經(jīng)過大體的描繪與分割，將整個電路分成幾個小的相對獨立的電路，再對各個電路加以分析，運用有關(guān)知識先進(jìn)行試探性的設(shè)計，之后對所設(shè)計的電路進(jìn)行全面分析，加以改進(jìn)，感覺成功時就用相關(guān)防真軟件進(jìn)行電路防真。當(dāng)各個部分的電路都能實現(xiàn)其該實現(xiàn)的功能時，綜合電路功能對電路設(shè)計的要求和有關(guān)電路設(shè)計知識，將所有各個電路通過一定的連接方式連到一起，構(gòu)成整體的最終電路。然后，如有可能再對整個電路進(jìn)行防真，若不成功，則一級一級的查找失敗原因并加以改進(jìn)。一般來說，用防真軟件防真不成功的電路，硬件電路不會成功的，而用軟件防真能成功的電

20、路，硬件電路不一定能夠成功，但經(jīng)防真成功了的電路，在硬件調(diào)試時出現(xiàn)的問題也較少，而且問題一般不大，較容易進(jìn)行改進(jìn)，直至調(diào)試成功。本電路可以先將整個電路分成以下幾個部分來獨立設(shè)計：時基電路及100分頻器、邏輯控制電路、信號接收及整形電路、計數(shù)器電路、鎖存器電路和譯碼顯示器。電路的核心部分為時基電路、邏輯控制電路、計數(shù)器、顯示器，設(shè)計時先獨立將這些電路設(shè)計并防真，在每個電路都能實現(xiàn)其特定功能時，再將所有電路連接到一起，構(gòu)成所需要的電路。本電路要用到可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，而防真軟件ewb里面沒有這個芯片，用555定時器來構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其變化時間很慢，幾乎按微妙來變化，這給防真帶來的極大的障礙。所以不能對整個電路進(jìn)行防真，只能對各個獨立電路進(jìn)行防真，幸運的是，硬件電路出現(xiàn)的問題比較少，而且容易查找原因并加以改正。5.2 電路調(diào)試總結(jié)由于本電路相對較為復(fù)雜，所用芯片較多，尤其是沒有接近現(xiàn)成的電路可參考，所有電路都要自己參考一些資料后設(shè)計出來的，并且有些電路不能對其進(jìn)行防真，電路可靠性不高，這就需要經(jīng)不斷反復(fù)研究，設(shè)計出最理想的電路。制作本電路時，沒有考慮到555定時器產(chǎn)生頻率較低信號時穩(wěn)定性不好，所以在調(diào)試電路時只好將與555定時器一起構(gòu)成多