课程设计（论文）汽车速度显示及超速报警器

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1、摘要：本汽车速度显示及超速报警器电路是运用数字电路有关知识来设计的，它具有简易操作及实用等特点。司机可根据不同情况而设置所需的报警信号速度及安全行驶极限速度，确保行驶安全。电路的核心部分为时基信号发生器、计数器、显示器及报警控制器等，电路设计中主要用到了防真软件EWB及EDA软件PTOTEL99。电路能够将汽车速度实时显示，当行驶速度超过所设置的报警速度及安全行驶速度时，电路就会分别发出报警信号和将发动机熄灭，确保安全行驶。为使电路简单，本电路采用汽车转速来模拟汽车速度，本电路均适合各种大中型汽车安装使用。关键词：汽车速度；超速；报警器；计数器目 录引言3第一章 汽车速度显示及超速报警器的基本

2、工作原理41.1 电路基本功能41.2 电路的基本组成部分41.3 电路的整体工作原理41.4 电路实用说明5第二章 主要基本电路的工作原理52.1 时基电路的工作原理52.2 100分频器工作原理62.3 逻辑控制电路工作原理62.4 信号接收及整形电路工作原理72.5 计数器、锁存器、译码显示器电路工作原理82.6 超速报警及熄灭发动机电路工作原理9第三章 电路所用元件列举103.1 分立元件103.2 集成芯片10第四章 电路原理图及PCB图114.1 电路原理图114.2 PCB图11第五章 电路设计与调试总结125.1 电路设计说明125.2 电路设计总结135.2 电路调试总结13

3、谢 辞15主要参考文献16引言 在当今时代里，汽车是最普遍的交通运输工具，然而人们往往忽视高速行驶所带来的重大后果。每年由于司机超速行驶而产生的交通事故很多，因此造成的经济损失很多，然而很多因超速行驶而造成事故者不是他们想开很快，而是他们那时已经有了快感，根本没有意识到自己是在超速行使，因此在事故发生后大都感到后悔。如果他们在汽车上安装汽车速度显示及超速报警器，在很大程度上能确保他们避免发生这类事故。该电路主要是计算汽车在一秒内轮子的转动圈数即转动频率，为使电路简单，仅以转动频率来模拟汽车的速度，并将计得的速度通过数码管显示出来，速度显示每1.25秒刷新一次，并对超速时产生报警信号或者自动将发

4、动机熄灭，确保了行驶的安全，司机通过拨动开关可任意设置产生报警信号速度和安全行驶极限速度。该电路主要由时基电路、分频器、逻辑控制电路、信号接收电路、放大整形电路、闸门电路、计数器、锁存器、译码显示器、报警信号及让发动机熄灭信号控制电路等部分构成。第一章 汽车速度显示及超速报警器的基本工作原理1.1 电路基本功能该电路主要是计算汽车在一秒内轮子的转动圈数即转动频率，为使电路简单，仅以转动频率来模拟汽车的速度，并将计得的速度通过数码管显示出来，速度显示每1.25秒刷新一次，并对超速时产生报警信号或者自动将发动机熄灭，确保了行驶的安全，通过控制开关可以分别设置产生报警信号及熄灭发动机速度，设置速度可

5、以为10到100间为十的整数倍，当速度达到此设置速度时，电路将产生报警信号或者让发动机熄灭。在实用中，应设报警信号速度略小于发动机熄灭速度，当产生报警信号时，若速度再增加至停止工作速度时电路就将发动机熄灭，司机需重新启动发动机。1.2 电路的基本组成部分该电路主要由时基电路、分频器、逻辑控制电路、信号接收电路、放大整形电路、闸门电路、计数器、锁存器、译码显示器、报警信号及让发动机熄灭信号控制电路等部分构成。1.3 电路的整体工作原理直接由555电路产生1Hz的信号由于信号频率极低不很稳定，因此，由时基电路产生频率F=80Hz（周期T=12.5ms）的信号F，其中高电平持续时间为10ms，信号F

6、经100分频器后输出频率为0.8Hz（周期为1.25秒）的标准时间基准信号B，其中高电平持续时间为1s。当1s信号到来时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器测得的脉冲个数为N，则被测信号频率为NHz，即汽车模拟速度为N转/s。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲D，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲E，使计数器每次测量从零开始计数。被测信号即速度信号用信号接收电路来接收，由此接收到的信号一般不是很好的脉冲信号，将此信号经放大整形电路整形后得到计数器所需的标准脉冲信号A。当锁存脉冲D到来时，锁存器将计数器在

7、1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定的显示此时计数器的值。假设设置产生报警信号的速度为70转/s，设置自动断掉发动机的速度为80转/s，则当速度达到70转/s时报警电路指示灯点亮，若速度继续提升达到80转/s时，电路就自动将发动机熄灭。在此电路中，用微型电机来模拟汽车发动机，通过调节电机的电源电压让其转速改变来模拟汽车速度控制器。1.4 电路实用说明 本电路主要有两大作用：一是将汽车速度通过显示器显示出来，使司机能知道对应时刻的汽车速度；二是当司机加速过高达到设置值时，电路会产生报警信号甚至将发动机熄灭。在不同级别的道路上、在不同的天气环境下、在司机不同精神状态下或者其他不同的情况下

8、，汽车的安全行驶速度会有不同高低的限制，而往往由于司机不意识的加速过高而产生各种交通事故，因此，在汽车中安装超速报警器及安全控制器极其重要。司机可根据实际情况设置产生报警信号速度及让电动机熄灭信号速度，假如设置产生报警信号速度为70转/s，设置将发动机熄灭的信号产生速度为80转/s，则当司机加速至70转/s时，报警信号指示灯将被点亮，提醒司机要注意控制为当前速度或者减弱速度，如果司机不及时减速甚至加速，当加速至80转/s时，控制电路会自动将发动机熄灭，及时确保了行驶的安全，司机需重新启动发动机才能继续行驶。第二章 主要基本电路的工作原理2.1 时基电路的工作原理 时基电路的作用是产生一个标准时

9、间信号（高电平持续时间为10ms），由定时器555构成的多谐振荡器产生（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得）。用555构成的时基电路如图2-1所示。 若振荡器的频率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，可计算出电阻R1、R2及电容C的值。若取电容C=0.1UF，则 R2=t2/0.7C=35.7K 取标称值36K R1=（t1-0.7C）-R2=107K 取R1=100K，RP=50K 图2-1 时基电路图2.2 100分频器工作原理100分频器主要由两片十进制计数器74LS90构成，

10、一片74LS90能够进行10分频，两片74LS90级联即可构成100分频器。由于从分频器输出端输出的信号高电平和低电平持续时间恰好跟原来信号相反，因此有必要在其输出端外接一个反向器，此反向器可以由二四输入与非门74LS20构成。100分频器电路图如图2-2所示。图 2-2 100分频器电路图2.3 逻辑控制电路工作原理在基准信号B结束时产生的负跳变用来产生锁存信号D，锁存信号D的负跳变又用来产生清“0”信号E。脉冲信号D和E可由两个单稳态触发器产生，可以选用双可重触发单稳态触发器74LS123芯片，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。本电路取Rext=10K，Cext=4.7UF，由公式Tw=

11、0.45RextCext=0.02s知触发脉冲宽度为0.02s。当1s基准时间信号结束时，触发脉冲从1A端输入，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一正脉冲，此脉冲控制锁存器工作，在此脉冲发生负跳变作用下，2A端得到触发信号，在2Q输出端得到另一正脉冲，此正脉冲将控制计数器的清零作用。控制电路图如图2-3所示。图2-3 逻辑控制电路图2.4 信号接收及整形电路工作原理图2-4 信号接收及整形电路该部分电路主要是将汽车速度信号接收并对其整形为标准的脉冲信号，接收电路主要是由一个红外线发光二极管及一个光敏二极管并串联相应电阻构成。光敏二极管在没有被光照时反向电阻较大，在被光照时反向电阻较小，

12、通过被光照和没被光照所表现出不同反向电阻可产生高低电平轮流产生的信号，该信号经整形电路整形后即可得到计数器所需的标准脉冲信号。整形电路由555定时器构成施密特触发器对信号进行整形，电路如图2-4所示。2.5 计数器、锁存器、译码显示器电路工作原理 计数器可以统计输入脉冲的个数，可以用其来统计汽车轮子在1s内的转动圈数，本电路采用两片十进制计数器74LS90芯片组成模值为100的计数器。锁存器的作用是在1s 信号结束后将计数器的状态锁存并送至译码显示器，直到新的秒信号到来为止，以保证显示器能稳定的显示数据。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能，当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等

13、于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn不变，所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。显示器：本电路用七段数码管来显示译码器输出的数字，而且显示器用的是共阴（接地）显示器。图2-3 发光二极管组成的七段显示器及其接法(a) 外形； (b) 共阳极接法； (c) 共阴极接法图2-5所示为由发光二极管组成的七段显示器字型图及其接法。ag七段是七个发光二极管，有共阴极和共阳极两种接法。共阴极接法时，哪个管子的阳极接收到高电平，哪个管子发光；共阳极接法时，哪个管子阴极接收到低电平，哪个管子发光。例如，对共阴极接法

14、，当ag=1011011时，显示数字“5”。显示译码器：如果BCD译码器的输出能驱动显示器件发光，将译码器中的十进制数显示出来，这种译码器就是显示译码器。74LS48是控制七段显示器显示的集成译码电路之一，其引线排列图如右图所示。 A、B、 C、 D为BCD码输入端，A为最高位, YaYg为输出端，分别驱动七段显示器的ag输入端，高电平触发显示，可驱动共阴极发光二极管组成的七段显示器显示。其它端为使能端。只有输入的二进制码是8421BCD码时，才能显示09的十进制数字。 当输入的四位码不在8421BCD码内，显示的字型就不是十进制数。 74LS48的使能端的功能如下：(1) 消隐输入BI/RB

15、O。 当BI=0时， 不论其它各使能端和输入端处于何种状态， YaYg均输出低电平， 显示器的七个字段全熄灭。这个端子是个双功能端子， 既可作输入端子， 也可作输出端子。 作输入端子用时， 它是消隐输入BI； 作输出端子用时， 它是灭零输出RBO。(2) 灭零输出BI/RBO。RBO为灭零输出。当RBI=0，输入ABCD=0000时，RBO=0， 利用该灭零输出信号可将多位显示中的无用零熄灭。2.6 超速报警及熄灭发动机电路工作原理将高位显示译码器74LS48的输出端Q0到Q3经4个开关K11、K12、K13、K14分别与4输入与非门A相连，与非门A的输出端经一作为报警指示灯用的发光二极管与电

16、源连接，同时Q0到Q3经4个开关K21、K22、K23、K24分别与4输入与非门B相连，与非门B的输出端接至控制电机工作或熄灭的控制输入端。假设拨动开关K11、K12、K13、K24使其处于将电路连通状态，其他开关则使与非门的相应管脚悬空，相当于接高电平，则当速度达到70转/s时，Q1=Q2=Q3=1，与非门A的输出端为低电平，发光二极管被点亮。当速度达到80转/s时，Q3=1，与非门B的输出端产生低电平，此低电平将控制电机熄灭。控制电机熄灭的电路由晶体三极管8050构成，三极管8050作为开关来控制电机的状态，当输入控制信号为低电平时，三极管处于截止状态，电机与地连接断开，无法工作，当输入控

17、制信号为高电平时，三极管处于导通状态，电机与地接通，正常工作。报警控制电路及熄灭电机控制电路电路图如图2-6所示。图2-6 超速报警及熄灭发动机电路第三章 电路所用元件列举3.1 分立元件电容：0.01UF 2个 4.7UF 2个 0.1UF 1个电阻：2K、36K、100K各1个 50K滑动变阻器1个 10K3个 200欧2个七段数码管：2个插座：2头插座6个 4头插座2个微型电机1个3.2 集成芯片555定时器： 2个 74LS123： 1个 74LS273： 2个74LS90： 4个 74LS48： 2个 74LS20； 2个 74LS00： 1个第四章 电路原理图及PCB图4.1 电路

18、原理图4.2 PCB图第五章 电路设计与 调试总结5.1 电路设计说明本电路为汽车速度显示及超速报警器，从电路设计、制作电路板到电路调试全部由作者在指导老师的指导下独立完成，总共花了两周多的时间，主要是用数字电路有关知识来设计，设计中主要用到了PROTEL99软件及EWB仿真软件。由于用555定时器来构成多谐振荡器以产生标准时基信号，其产生的信号不够稳定，以至在速度不变时数据显示也会发生变化以及速度发生变化时数据显示也没有按规律变化，如果换用晶体振荡器产生的信号再经分频器分频后的信号作为标准时基信号，数码管显示波动会较小。本电路因为时基信号不稳定问题而使电路没有达到预期要求，但是从始至终都是自

19、己在参考相关资料的基础上分析设计并不断对电路进行优化5.2 电路设计总结任何电路的设计都要经过大体的描绘与分割，将整个电路分成几个小的相对独立的电路，再对各个电路加以分析，运用有关知识先进行试探性的设计，之后对所设计的电路进行全面分析，加以改进，感觉成功时就用相关防真软件进行电路防真。当各个部分的电路都能实现其该实现的功能时，综合电路功能对电路设计的要求和有关电路设计知识，将所有各个电路通过一定的连接方式连到一起，构成整体的最终电路。然后，如有可能再对整个电路进行防真，若不成功，则一级一级的查找失败原因并加以改进。一般来说，用防真软件防真不成功的电路，硬件电路不会成功的，而用软件防真能成功的电

20、路，硬件电路不一定能够成功，但经防真成功了的电路，在硬件调试时出现的问题也较少，而且问题一般不大，较容易进行改进，直至调试成功。本电路可以先将整个电路分成以下几个部分来独立设计：时基电路及100分频器、逻辑控制电路、信号接收及整形电路、计数器电路、锁存器电路和译码显示器。电路的核心部分为时基电路、逻辑控制电路、计数器、显示器，设计时先独立将这些电路设计并防真，在每个电路都能实现其特定功能时，再将所有电路连接到一起，构成所需要的电路。本电路要用到可重触发单稳态触发器，而防真软件EWB里面没有这个芯片，用555定时器来构成的单稳态触发器其变化时间很慢，几乎按微妙来变化，这给防真带来的极大的障碍。所

21、以不能对整个电路进行防真，只能对各个独立电路进行防真，幸运的是，硬件电路出现的问题比较少，而且容易查找原因并加以改正。5.2 电路调试总结由于本电路相对较为复杂，所用芯片较多，尤其是没有接近现成的电路可参考，所有电路都要自己参考一些资料后设计出来的，并且有些电路不能对其进行防真，电路可靠性不高，这就需要经不断反复研究，设计出最理想的电路。制作本电路时，没有考虑到555定时器产生频率较低信号时稳定性不好，所以在调试电路时只好将与555定时器一起构成多谐振荡器的电容电阻值改小，以得到频率较高的信号，再经100分频器分频后得到标准时基信号。在调试整形电路对输入信号进行整形时，发现整形后的信号比输入信

22、号频率高，刚开始以为是555芯片坏了，之后换了一片确认没有问题的芯片，但是还是出现此问题，当将输入信号频率调高时不再出现此问题，经反复调试后发现当输入信号频率低于100Hz时就会出现此问题，而输入信号频率高于100Hz时不再出现此问题。之后试探性的在输入端串接一个0.1UF的电容，发现就算输入信号频率低于100Hz也不会再出现此问题，作者认为这个问题是由于当输入信号频率低时容易受干扰引起的。本电路出现最大的问题是当电机转动速度不变或者变化很小时，显示器却发生较大的变动，这是不允许的。经过不断的分析，作者认为这是由于555定时器构成的多谐振荡器产生的信号经100分频器分频后得到的信号高电平持续时

23、间发生变化，以至速度不变时，计数器持续计数的时间不同，因此显示器显示会发生变化。如果换用能产生稳定信号的晶体振荡器并经分频器分频后得到的信号作为标准时基信号，相信这个问题会得到解决。谢 辞 在电路制作过程中，得到了许多老师和同学的帮助，使我能够顺利完成本次实训，在电路调试中能够顺利找出电路调试失败原因并能够很快进行改正，在此对他们的帮助表示衷心的感谢。在制作电路板及PCB打印时得到了一些同学的帮助，在此也一并对他们的帮助表示感谢。主要参考文献：1江国强.现代数字逻辑电路.北京：电子工业出版社，20062江国强.现代数字逻辑电路实验指导.北京：电子工业出版社，20063谢自美.电子线路设计.武汉：华中科技大学出版社，200015