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超声波跑道计时器的制作

超声波跑道计时器的制作

点击数:7180 次   录入时间:03-04 11:59:32   整理:http://www.55dianzi.com   时钟-定时电路

  A、B、C、D-BCD码输入端;a、b、c、d、e、f、g-译码输出端,输出“1”有效,用来驱动共阴LED数码管;LE-锁定端,LE=“1”时译码器处于锁定(保持)状态,译码输出保持在LE=“0”时的数值,LE=“O”为正常译码状态。

  数字显示器件选用七段发光二极管数字管(若加小数点D.P.,则为八段),具有字形清晰美观、驱动简便、供电电源低、价格低廉等优点,本电路采用共阴方式。

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  上图是计数、译码和显示电路的整体连接电路,按图连接即可正常工作。

  5.计数电路的清零、启动

  74160具有以下功能:

  (1)异步清零功能:若CR输入低电平,则不管其他输入端(包括CP端)如何,实现四个触发器全部清零。由于这一清零操作不需要时钟脉冲CP配合(即不管CP是什么状态都行),所以称为“异步清零”。

  (2)同步计数功能:LD=“1”的前提下,若计数控制端CTT=CTp=“1”,则对计数脉冲CP实现同步十进制加计数。

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  为实现计数器的清零和启动,本电路使用一个微动按钮开关(带自锁功能),设计成弹起(1位置)为清零、按下(2位置)为计数的形式,以完成各个计时器的同时启动功能,如上图所示。也就是说本作品的计时启动是人工的,若想设计成启动也是自动的,需要在跑道起点处设置启动电路(比如用声控电路),但线路太长,设置不便,本作品没有采用。

  6.译码电路的锁定

  CC4511的LE端为锁定端,LE=“1”时译码器处于锁定(保持)状态,译码输出保持在LE=“0”时的数值,LE=“0”为正常译码。因此可以将超声波接收电路输出的控制信号送入LE端以实现正常译码和锁定功能,如下图所示。45

  当超声波探头前有物体经过时,接收电路会输出低电压信号,用此信号可以锁定译码器,但当物体经过后,接收电路又恢复输出高电压信号,因此,若此信号直接控制译码器锁定端,就会出现译码锁定在瞬间完成后又开始继续计数的现象,裁判员无法正常记录时间,为了解决这一问题,可以采用双稳态电路。

  双稳态触发器是在触发信号作用下,电路的状态会发生翻转;触发信号消失后,电路的状态保持不变的触发电路。由555电路可以构成的具有双端输入的R-S触发电路。该电路有R和S两个输入端,两个输入端阈值电压不同,其原理图和真值表分别如下图和表2所示。

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  根据真值表,我们可以用下图所示电路完成译码的锁定。图中的K与上图中的K合并,当K弹起时(1位置),整机处于清零预备状态,超声波接收电路输出高电平信号,双稳态电路输出低电平;当K按下时(2位置),计数器开始计时,若超声波探头前有物体经过,接收电路的控制信号会变为低电平,使双稳态电路输出变为高电平,将译码器输出锁定。而探头前的物体经过以后,控制信号又恢复为高电压,这时双稳态电路仍输出高电平,使译码器保持锁定功能。

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  三、电源电路

  整个电路使用+5V供电,整机工作电流大约1.OA,因此可以使用集成三端稳压器7805供电,并对芯片加装适当的散热片,稳压电路及其原理不再赘述。

  四、电路调试

  电路制作完成后,必须经过精细地调试才能实现其功能,达到使用要求。本作品的调试需要用到的仪器有示波器、频率计和信号发生器,主要调试的电路和方法如下:

  1.发射电路

  将超声波发射和接收模块接上电源,555电路的输出端接入频率计,调节定时电阻R2,使电路输出40kHz的方波,如下图所示。

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  2.接收电路

  接收电路主要调试锁相环电路LM567内部压控振荡器的中心频率,使之工作在40kHz,并适当调整带宽滤波电容,使电路捕获带宽大约在5%左右,如下图所示。这样,当探头前有物体经过时,LM567的⑧脚电压就会由高变低,形成控制信号。

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  3.探测灵敏度和边界

  安装时,超声波发射器与接收器中心轴线要保持平行并相距4~8cm,若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来,则可提高抗干扰能力。根据测量距离的不同要求,可适当调整接收电路中放大器的增益。经测试,本电路有效测量距离约为1.5m,如下图所示。

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  由于本电路是用于跑道计时,故对探测边界的要求要尽可能准确。首先在纵向上要以跑道终点线的竖直上方为边界,该边界一侧指向起点的方向不能有超声波信号发射或反射,以免造成计时误差。简单的解决方法是将超声波模块先固定在一块底板上,并且让底板沿探头方向向前伸出3cm,以此形成超声波发射和接收的边界。经实验,在测量距离1.5m的范围,边界一侧大约有LOCm左右的测量误差,也就是说终点的计时区分度在10cm以内,基本能满足一般运动会的要求。

  由于跑道的宽度是1.22m,所以电路的探测边界在横向上一般不能超过0.8m,以免相邻跑道的运动员产生干扰信号。经实测,本电路在1.5m的测量距离内横向测量范围约为0.6m左右,完全能满足需要。

  在跑道终点线上方约2,5m的高度处横向架设一根铝合金支架,在支架上正对着每个跑道中心的位置处安装各个探头模块,并适当加上弹簧垫片,以方便对测量边界进行调整。沿铝合金框敷设连接线,在跑道外侧连接好各个跑道对应的计时模块,接上电源,一套简易的自动计时器就可以投入使用了。



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