跳遠距離自動測量顯示系統(tǒng)設計

1、跳遠距離自動測量，顯示系統(tǒng)設計摘要 本設計是一種新型跳遠測量裝置，能應用于體育比賽和體育教學中的立定跳遠的距離測量。它主要由發(fā)射管驅(qū)動電路，光電檢測電路，繼電器鎖定電路，高度顯示電路等組成。發(fā)射管驅(qū)動電路由555定時器驅(qū)動電路，產(chǎn)生脈沖。光電檢測電路由同相電壓放大器，反相電壓放大器，光電三極管，發(fā)光二極管等組成，由發(fā)光二極管的吸收光的情況，確定輸出的高低電平。繼電器鎖定電路由繼電器對整個電路設計起到鎖定和保護作用。高度顯示電路由三位七段數(shù)碼管顯示器顯示處理后的結(jié)果信息。該裝置的結(jié)構(gòu)新穎，精度高，使用方便，數(shù)據(jù)處理快，效率高，實用且使用壽命長。關(guān)鍵詞 555定時器 發(fā)光二極管 光電三極管 集成運

2、算放大器 繼電器 七段數(shù)碼管1 引言當前，在體育比賽中，跳遠的距離測量仍采用傳統(tǒng)的測量方式，但這種測量既費時，又耗費人力，其測量結(jié)果既不準確，又很麻煩，不能滿足形勢發(fā)展的需要。為此，我們要設計一種跳遠自動測量及顯示裝置，使競賽更具有公平，公正，透明。在介紹我們研制的跳遠距離自動測量檢測的產(chǎn)品之前，我們先來了解一下目前過內(nèi)外最先進的一種測量裝置-立定跳遠測量裝置，這種產(chǎn)品所存在的缺陷。這種產(chǎn)品只能滿足一般的教學和體育比賽使用，但使用起來仍不太方便，在起跳時用力過猛，容易損壞，有時不能及時顯示結(jié)果，甚至無結(jié)果。當一個人接著跳時，需要等一會兒，反應慢。在判斷犯規(guī)方面也存在著致命的缺陷。在判斷運動員是

3、否犯規(guī)時，有兩種方法：1在踏跳板前沿鋪設沙臺，以沙臺痕跡來判斷；2在踏跳板前沿放置橡皮泥顯示板，以橡皮泥的痕跡來判斷。但以上方法存在著明顯的缺點：1運動員在每次踏跳后，裁判員要重新修補，既麻煩又延誤時間；2運動員試跳后，裁判員只能在近處詳細觀察才能判斷，周圍的觀眾也只能看到裁判員的旗示，有時會產(chǎn)生疑問，有時的痕跡會產(chǎn)生模棱兩可的情況。涉及以上情況，本系統(tǒng)采用數(shù)字電路的方式來設計跳遠距離自動檢測，顯示系統(tǒng)設計?？梢詼蚀_有效的顯示運動員的跳遠距離，并且犯規(guī)報警裝置可以及時準確的判斷運動員是否犯規(guī)。因此，本系統(tǒng)具有良好的準確性，壽命長。體積小，且易維護等特點。2 電路組成發(fā)射管驅(qū)動電路光電檢測電路繼

4、電器鎖定電路高度顯示電路犯規(guī)報警裝置2.1發(fā)射管驅(qū)動電路該電路主要是采用了555定時器對整個電路起驅(qū)動作用和產(chǎn)生脈沖的作用，同時R1,R2決定了輸出脈沖的占空比，電容C1決定了輸出脈沖的頻率。參考圖 圖2.1.1 555定時器555定時器是一種電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便靈活，用途廣泛的多功能電路，只要外部配接少數(shù)幾個阻容元件，便可組成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器等電路。555定時器還輸出一定的功率，可以驅(qū)動微電機，指示燈，揚聲器等，它們的脈沖波形的產(chǎn)生和變換，儀器和儀表，測量與控制，家用電器與電子玩具等領(lǐng)域都有著廣泛的應用，555定時器是一種能夠產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號的控制電路。+2

5、.1.2 555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能特點555定時器的內(nèi)部電路圖如圖所示，它由晶體管VT,比較器A1，A2及基本RS觸發(fā)器等部件組成，其中VT起開關(guān)控制作用，A1為反相電壓比較器，A2為同相電壓比較器，比較器的基準電壓由電源電壓+VDD及內(nèi)部電阻R1，R2，R3的分壓比決定。RS觸發(fā)器具有復位控制功能，可控制VT的導通與截止。555定時器的電壓范圍比較寬，在+3V+18V的范圍內(nèi)均能正常工作，其輸出電壓的低電平VDL0,高電平VDH+VDD,可與其它數(shù)字集成邏輯電路兼容，而且其輸出電流可達100mA，能直接驅(qū)動繼電器。555的輸入阻抗極高，輸入電流僅為0.1uA，用做定時器時，定時時間長而且

6、穩(wěn)定。555定時器的靜態(tài)電流較小，一般為80uA左右。 圖 圖2.1.3 555組成的多諧振蕩器555組成的多諧振蕩器如圖所示，電路的工作原理：接通電源，電源經(jīng)外接電阻R1,R2向電容C充電。當C上的電壓UC上升到2/3UDD時，比較器A1翻轉(zhuǎn)輸出低電平， R=0,RS觸發(fā)器復位輸出端Vo=0,則三極管VT導通，C經(jīng)R2和VT放電；當VC下降到1/3VDD時，比較器A2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即S=0,RS觸發(fā)器置位，輸出端變?yōu)楦唠娖?，VO=1,VT又截止，C又開始充電，如此周而復始，輸出端便可獲得周期性的矩形脈沖波。2.1.4 時鐘脈沖發(fā)生器555組成的多諧振蕩器的應用十分廣泛，時鐘脈沖發(fā)生器就是其

7、中一種，時鐘脈沖發(fā)生器又可分為兩種：脈沖頻率可調(diào)的時鐘脈沖發(fā)生器和占空比可調(diào)的時鐘脈沖發(fā)生器。在本設計中我們應用的是占空比可調(diào)的時鐘脈沖發(fā)生器，在此時鐘脈沖發(fā)生器中，接入兩只二極管VD1,D2后，電容C的充放電回路分開，放電回路為VD2,RB，555內(nèi)部三極管VT及電容C放電時間t1約為0.7RBC。充電回路為RA,VD,C,充電時間t2約為0.7RAC,輸出脈沖的頻率為f=1.43/(RA+RB)C，如果RA=RB，則可獲得對稱方波。2.2 光電檢測電路該裝置如圖所示，當運動員在跳到某一距離時，則擋住了在此段距離上的相應位置上的發(fā)光二極管，則光電三極管處于不工作狀態(tài)，呈現(xiàn)低電平，通過同相電壓

8、放大器和反相電壓放大器輸出高電平。 圖2.2.1 發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管是一種把電能變成光能的器件，即給這種二極管通過一定的電流，它就可以發(fā)光。發(fā)光二極管和普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成的，它具有單相導電的特性，也具有普通二極管不具備的發(fā)光能力。對于發(fā)光二極管來說，復合時釋放出的能量大部分以發(fā)光的形勢出現(xiàn)。發(fā)光二極管的參數(shù)有兩種，即電學參數(shù)和光學參數(shù)。電學參數(shù)有最大工作電流，正向壓降，反向耐壓等等，這種參數(shù)的意義和普通二極管相同。光學參數(shù)包括發(fā)光波長，發(fā)光亮度，光譜分布曲線。發(fā)光強度交角分布曲線等。當前應用比較廣泛的發(fā)光二極管是砷化鎵發(fā)光二極管和磷砷化鎵發(fā)光二極管。2.2.2 光電三極管

9、光電三極管的結(jié)構(gòu)與普通三極管基本相同，但工作情況不同。光電三極管基本原理與發(fā)光二極管相同，它不僅能和光電二極管一樣把入射光信號變成光電信號輸出，同時，還能把光電流放大，因此它具有更高的靈敏度。光電三極管和光電二極管的重要差別是它們控制的電流不同，在給定強光的照射下，光電三極管給出的電流比光電二極管大的多，這是因為光電三極管具有內(nèi)部放大作用。光電三極管具有較高的靈敏度，用途非常廣泛。但它有一個很大的缺點是，光電三極管不能對光強的變化作出很快的響應，所以它就不能適用于要求響應非?？斓膱龊稀９怆娙龢O管的主要參數(shù)包括：最高工作電壓Uceo，暗電流Iceo，光電流IC，集電極最大電流ICM，最大允許功耗

10、PCM等，在我們的設計中，使用的光電三極管是光電雙二極管，它有2個PN結(jié)，外性與光電二極管相似，應用最廣。2.2.3 集成運算放大器集成運算放大器，顧名思義，是用做數(shù)學運算的放大器，它是繼電子管，晶體管之后發(fā)展起來的電子器件。它內(nèi)部包含數(shù)十到數(shù)百個晶體管，電阻，電容，但體積只有一個小功率晶體管大小，功耗也僅有幾毫瓦，可是它的功率卻大的很。運算放大器本質(zhì)上是一個高增益的寬帶放大器。集成運算放大器的出現(xiàn)使運算放大器由過去被人們成為部件的總成減小到一個器件，從此人們跨越了組裝，調(diào)整等頗為復雜的運算放大器線路階段進入了把它作為通用器件廣泛靈活的應用階段。運算放大器自問世以來，便以旺盛的生命力登上歷史舞

11、臺，發(fā)展極其迅速。目前以成為線形集成電路中品種和數(shù)量最大的一類。集成運放是一種高增益，高輸入阻抗的直接耦合放大器，通常由輸入級，中間放大級和輸出級等3個基本部分組成。輸入級是采用恒流源的差動放大器，有兩個輸入端，一個叫同相輸入端，信號若從這一端輸入，在輸出端可得到與輸入極性相同的信號；另一個叫反相輸入端，信號若從這一端輸入，在輸出端得到反相信號。信號可根據(jù)需要從某一端輸入，也可以同時從兩個端子作差動輸入，運放的輸入級決定著整個運放的輸入阻抗，共模抑制比，零點漂移信噪比以及頻率響應等特性。中間級除了放大作用外，還必須完成直流電平位移，使運放輸入為零時，輸出電平也為零。輸出級一般由PNP管和NPN

12、管組成互補推動電路，減小輸出信號失真并提高負載能力。2.3 繼電器鎖定電路該電路主要是對電路起到鎖定和保護作用，如圖所示。通過在光電檢測電路中，運動員跳過一定的距離后擋住了發(fā)光二級管，則通過同相電壓放大器和反相電壓放大器，在輸出端輸出高電平，啟動繼電器，單刀雙擲開關(guān)接通5，則接通了高度顯示電路。 圖2.3.1 繼電器繼電器是電子元件中歷史最長的產(chǎn)品之一，也屬于開關(guān)類，它是利用電磁原理，機電原理使接點閉合或斷開來驅(qū)動或控制相關(guān)電路的。繼電器為一種控制器件，它有受控系統(tǒng)（輸入回路）和控制系統(tǒng)（輸出回路）2部分。當輸入量（電，磁，光熱等物理量）達到某一定值時，輸出量躍變式的由零變化大一定值，從而實現(xiàn)

13、對電路的控制，保護，調(diào)節(jié)和傳遞信息等目的。繼電器還廣泛應用于自動，遠動，遙控，遙測，通信及電力系統(tǒng)等自動化裝置中，還應用于航天，無線電等工業(yè)部門。因而設計高敏度，動作快，多觸電，長壽命，延時范圍擴展可調(diào)等各種類型的繼電器是很重要的，發(fā)展超小型，耐受特殊環(huán)境條件的高可靠性繼電器系列，適應集成電路系統(tǒng)相匹配的新型繼電器品種是新趨勢。在本電路設計中，我們所使用的繼電器是電磁式繼電器。電磁式繼電器是繼電器中應用最早，最廣泛的一種產(chǎn)品。主要由電磁系統(tǒng)，返回系統(tǒng)等部件組成，它有電流繼電器和電壓繼電器2種結(jié)構(gòu)形式。電流繼電器的線圈與電源回路串聯(lián)，以電流為輸入量；電壓繼電器的線圈與電源并聯(lián)，以電壓為輸入量。電

14、磁繼電器的工作原理很簡單，它利用電磁感應原理，當線圈中通過直流時，線圈產(chǎn)生磁動，動鐵被吸動帶動接觸簧片使靜接點分開，動接點閉合。當電磁線圈電流被切斷后，鐵芯失去磁性，動鐵芯在彈簧力的作用下恢復，動接點打開，靜接點閉合。繼電器線圈在沒通電時處于斷開位置的接點為常開接點，處于接通位置的接點為常閉接點，在一個常開接點和一個常閉接點中間，有一個動接點被稱作轉(zhuǎn)換接點。2.4 高度顯示電路顯示系統(tǒng)是由共陰級三位七段數(shù)碼管組成，能進行顯示功能，如圖所示。七段數(shù)碼管的共陰級分別與二級管連接，當輸入為高電平時，相應的二級管所連接的數(shù)碼管顯示器上則顯示運動員的跳遠距離。顯示器內(nèi)部由發(fā)光二級管組成，這種顯示器又稱發(fā)

15、光數(shù)碼管。根據(jù)內(nèi)部二級管的連接方式，數(shù)碼管結(jié)構(gòu)又分為共陽極型和共陰極型。共陽極性，內(nèi)部發(fā)光二級管陽極連在一起接高電平；共陰極性，發(fā)光二級管陰極連在一起接低電平。數(shù)碼管內(nèi)部共有8支發(fā)光二級管，7支為字段，可組成字型；另一個為小數(shù)點，故數(shù)碼管有人稱為七段數(shù)碼顯示，也有人稱為八段顯示。共陽極性，各引腳哪個輸入低電平，哪個二級管發(fā)光；共陰級型，各引腳哪個輸入高電平，哪個二級管發(fā)光。2.5 犯規(guī)報警裝置在跳遠比賽中，犯規(guī)是一種常見的問題，在設計電路時要把犯規(guī)這個問題考慮進去，我們是利用光電檢測電路，并在輸出端連接上紅燈報警裝置，如果運動員在準備跳遠時，腳踏線了，擋住了發(fā)光二級管，則通過同相電壓放大器和反

16、相電壓放大器輸出高電平，紅燈報警裝置就有了響應，運動員被判以犯規(guī)，這樣就基本滿足了實際的需要。2.6 電源直流電源的組成：電源變壓器整流電路濾波器穩(wěn)壓電路 2.6.1 電源變壓器， 電網(wǎng)提供的單相交流電一般為有效值220V，而各種電子設備所需要直流電壓的大小常不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過電源變壓器，然后再將變換以后的副邊電壓整流，濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓值。2.6.2 橋式整流電路整流電路的作用是利用具有單相導電性能的整流允許，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單相的脈沖電壓。其中的整流元件晶體二級管之所以能整流是因為它具有單相導電性2.6.3 電容濾波器其作用是盡可能的將單相脈動電壓的脈動成分濾除，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，減小整流電壓的脈動程度，以適合負載的需要。2.6.4 三端穩(wěn)壓器7812它具有1.5A輸出能力，內(nèi)部含有限流保護，熱保護。過壓保護電路。它可以避免由于輸入電壓變化，負載電流增大時電源的波紋就變大，從而引起輸出電壓產(chǎn)生變動的這種現(xiàn)象。3 結(jié)論本系統(tǒng)給出的新穎設計方法是通