汽車速度顯示及超速報(bào)警器

1、摘要：本汽車速度顯示及超速報(bào)警器電路是運(yùn)用數(shù)字電路有關(guān)知識來設(shè)計(jì)的，它具有簡易操作及實(shí)用等特點(diǎn)。司機(jī)可根據(jù)不同情況而設(shè)置所需的報(bào)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(shí)基信號發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、顯示器及報(bào)警控制器等，電路設(shè)計(jì)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?shí)時(shí)顯示，當(dāng)行駛速度超過所設(shè)置的報(bào)警速度及安全行駛速度時(shí)，電路就會分別發(fā)出報(bào)警信號和將發(fā)動(dòng)機(jī)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(bào)警器；計(jì)數(shù)器目 錄引言3第一章 汽車速度顯示及超速報(bào)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(shí)用說明5第二章 主要基本電路的工作原理52.1 時(shí)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(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器電路工作原理82.6 超速報(bào)警及熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)與調(diào)試總結(jié)125.1 電路設(shè)計(jì)說明125.2 電路設(shè)計(jì)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(shí)代里，汽車是最普遍的交通運(yùn)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(jī)超速行駛而產(chǎn)生的交通事故很多，因此造成的經(jīng)濟(jì)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(shí)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(bào)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(jì)算汽車在一秒內(nèi)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)即轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，為使電路簡單，僅以轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來模擬汽車的速度，并將計(jì)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(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號或者自動(dòng)將發(fā)

4、動(dòng)機(jī)熄滅，確保了行駛的安全，司機(jī)通過撥動(dòng)開關(guān)可任意設(shè)置產(chǎn)生報(bào)警信號速度和安全行駛極限速度。該電路主要由時(shí)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(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器、報(bào)警信號及讓發(fā)動(dòng)機(jī)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(bào)警器的基本工作原理1.1 電路基本功能該電路主要是計(jì)算汽車在一秒內(nèi)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)即轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，為使電路簡單，僅以轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來模擬汽車的速度，并將計(jì)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(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號或者自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)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(bào)警信號及熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，電路將產(chǎn)生報(bào)警信號或者讓發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅。在實(shí)用中，應(yīng)設(shè)報(bào)警信號速度略小于發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅速度，當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警信號時(shí)，若速度再增加至停止工作速度時(shí)電路就將發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅，司機(jī)需重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。1.2 電路的基本組成部分該電路主要由時(shí)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(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器、報(bào)警信號及讓發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)間基準(zhǔn)信號B，其中高電平持續(xù)時(shí)間為1s。當(dāng)1s信號到來時(shí)，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到1s信號結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在閘門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器測得的脈沖個(gè)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(gè)：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(jì)數(shù)器每次測量從零開始計(jì)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(jì)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(shí)，鎖存器將計(jì)數(shù)器在

7、1s結(jié)束時(shí)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定的顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。假設(shè)設(shè)置產(chǎn)生報(bào)警信號的速度為70轉(zhuǎn)/s，設(shè)置自動(dòng)斷掉發(fā)動(dòng)機(jī)的速度為80轉(zhuǎn)/s，則當(dāng)速度達(dá)到70轉(zhuǎn)/s時(shí)報(bào)警電路指示燈點(diǎn)亮，若速度繼續(xù)提升達(dá)到80轉(zhuǎn)/s時(shí)，電路就自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅。在此電路中，用微型電機(jī)來模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)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(shí)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(jī)能知道對應(yīng)時(shí)刻的汽車速度；二是當(dāng)司機(jī)加速過高達(dá)到設(shè)置值時(shí)，電路會產(chǎn)生報(bào)警信號甚至將發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅。在不同級別的道路上、在不同的天氣環(huán)境下、在司機(jī)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(jī)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(bào)警器及安全控制器極其重要。司機(jī)可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置產(chǎn)生報(bào)警信號速度及讓電動(dòng)機(jī)熄滅信號速度，假如設(shè)置產(chǎn)生報(bào)警信號速度為70轉(zhuǎn)/s，設(shè)置將發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅的信號產(chǎn)生速度為80轉(zhuǎn)/s，則當(dāng)司機(jī)加速至70轉(zhuǎn)/s時(shí)，報(bào)警信號指示燈將被點(diǎn)亮，提醒司機(jī)要注意控制為當(dāng)前速度或者減弱速度，如果司機(jī)不及時(shí)減速甚至加速，當(dāng)加速至80轉(zhuǎn)/s時(shí)，控制電路會自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅，及時(shí)確保了行駛的安全，司機(jī)需重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)才能繼續(xù)行駛。第二章 主要基本電路的工作原理2.1 時(shí)基電路的工作原理 時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)

9、間信號（高電平持續(xù)時(shí)間為10ms），由定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生（當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的精度要求較高時(shí)，應(yīng)通過晶體振蕩器分頻獲得）。用555構(gòu)成的時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)間恰好跟原來信號相反，因此有必要在其輸出端外接一個(gè)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(shí)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”當(dāng)1s基準(zhǔn)時(shí)間信號結(jié)束時(shí)，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

11、，此正脈沖將控制計(jì)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(gè)紅外線發(fā)光二極管及一個(gè)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(shí)反向電阻較大，在被光照時(shí)反向電阻較小，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(jì)數(shù)器所需的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號。整形電路由555定時(shí)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(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示器電路工作原理 計(jì)數(shù)器可以

12、統(tǒng)計(jì)輸入脈沖的個(gè)數(shù)，可以用其來統(tǒng)計(jì)汽車輪子在1s內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，本電路采用兩片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90芯片組成模值為100的計(jì)數(shù)器。鎖存器的作用是在1s 信號結(jié)束后將計(jì)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(shí)鐘脈沖CP的正跳變來到時(shí)，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D，從而將計(jì)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(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)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

13、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(gè)發(fā)光二極管，有共陰極和共陽極兩種接法。共陰極接法時(shí)，哪個(gè)管子的陽極接收到高電平，哪個(gè)管子發(fā)光；共陽極接法時(shí)，哪個(gè)管子陰極接收到低電平，哪個(gè)管子發(fā)光。例如，對共陰極接法，當(dāng)ag=1011011時(shí)，顯示數(shù)字“5”。顯示譯碼器：如果BCD譯碼器的輸出能驅(qū)動(dòng)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

14、碼輸入端，A為最高位, YaYg為輸出端，分別驅(qū)動(dòng)七段顯示器的ag輸入端，高電平觸發(fā)顯示，可驅(qū)動(dòng)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(shí)，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/RBO。 當(dāng)BI=0時(shí)， 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(gè)字段全熄滅。這個(gè)端子是個(gè)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(shí)， 它是消隱輸入BI； 作輸出端子用時(shí)， 它是滅零輸出RBO。(2) 滅

15、零輸出BI/RBO。RBO為滅零輸出。當(dāng)RBI=0，輸入ABCD=0000時(shí)，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(bào)警及熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(bào)警指示燈用的發(fā)光二極管與電源連接，同時(shí)Q0到Q3經(jīng)4個(gè)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(jī)工作或熄滅的控制輸入端。假設(shè)撥動(dòng)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

16、當(dāng)速度達(dá)到70轉(zhuǎn)/s時(shí)，Q1=Q2=Q3=1，與非門A的輸出端為低電平，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。當(dāng)速度達(dá)到80轉(zhuǎn)/s時(shí)，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(jī)熄滅。控制電機(jī)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(jī)的狀態(tài)，當(dāng)輸入控制信號為低電平時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)與地連接斷開，無法工作，當(dāng)輸入控制信號為高電平時(shí)，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)與地接通，正常工作。報(bào)警控制電路及熄滅電機(jī)控制電路電路圖如圖2-6所示。圖2-6 超速報(bào)警及熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè) 4.7UF 2個(gè) 0.1UF 1個(gè)電阻：2K

17、、36K、100K各1個(gè) 50K滑動(dòng)變阻器1個(gè) 10K3個(gè) 200歐2個(gè)七段數(shù)碼管：2個(gè)插座：2頭插座6個(gè) 4頭插座2個(gè)微型電機(jī)1個(gè)3.2 集成芯片555定時(shí)器： 2個(gè) 74LS123： 1個(gè) 74LS273： 2個(gè)74LS90： 4個(gè) 74LS48： 2個(gè) 74LS20； 2個(gè) 74LS00： 1個(gè)第四章 電路原理圖及PCB圖4.1 電路原理圖4.2 PCB圖第五章 電路設(shè)計(jì)與 調(diào)試總結(jié)5.1 電路設(shè)計(jì)說明本電路為汽車速度顯示及超速報(bào)警器，從電路設(shè)計(jì)、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(dú)立完成，總共花了兩周多的時(shí)間，主要是用數(shù)字電路有關(guān)知識來設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中主要用到了PROTEL9

18、9軟件及EWB仿真軟件。由于用555定時(shí)器來構(gòu)成多諧振蕩器以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號，其產(chǎn)生的信號不夠穩(wěn)定，以至在速度不變時(shí)數(shù)據(jù)顯示也會發(fā)生變化以及速度發(fā)生變化時(shí)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(shí)基信號，數(shù)碼管顯示波動(dòng)會較小。本電路因?yàn)闀r(shí)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己在參考相關(guān)資料的基礎(chǔ)上分析設(shè)計(jì)并不斷對電路進(jìn)行優(yōu)化5.2 電路設(shè)計(jì)總結(jié)任何電路的設(shè)計(jì)都要經(jīng)過大體的描繪與分割，將整個(gè)電路分成幾個(gè)小的相對獨(dú)立的電路，再對各個(gè)電路加以分析，運(yùn)用有關(guān)知識先進(jìn)行試探性的設(shè)計(jì)，之后對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行全面分析，加以改進(jìn)，感覺成功時(shí)就

19、用相關(guān)防真軟件進(jìn)行電路防真。當(dāng)各個(gè)部分的電路都能實(shí)現(xiàn)其該實(shí)現(xiàn)的功能時(shí)，綜合電路功能對電路設(shè)計(jì)的要求和有關(guān)電路設(shè)計(jì)知識，將所有各個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)電路分成以下幾個(gè)部分來獨(dú)立設(shè)計(jì)：時(shí)基電路及100分頻器、邏輯控制電路、信號接收及整形電路、計(jì)數(shù)器電路、鎖存器電路

20、和譯碼顯示器。電路的核心部分為時(shí)基電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)器、顯示器，設(shè)計(jì)時(shí)先獨(dú)立將這些電路設(shè)計(jì)并防真，在每個(gè)電路都能實(shí)現(xiàn)其特定功能時(shí)，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(gè)芯片，用555定時(shí)器來構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其變化時(shí)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(gè)電路進(jìn)行防真，只能對各個(gè)獨(dú)立電路進(jìn)行防真，幸運(yùn)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(jì)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