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1、电子电路实验 3 综合设计总结报告题目：8 路巡回检测、报警系统的设计与实现_成绩：日期：摘要随着电子技术的发展,家用电器和办公设备的智能化、系统化已成为发展趋势,而这些高性能的设备几乎都要通过电子电路实现.同时,温度作为与我们生活息息相关的一个环境参数,对其的测量和研究也变得极为重要.本实验基于数字,模拟电子电路相关知识实现了8路温度巡回检测、报警系统.此系统包括555时钟电路、计数与译码显示电路、拨码开关和数据选择电路、蜂鸣报警电路等模块.各模块焊接前均用Multisim软件对电路进行了仿真.8路通道用8个拨码开关实现对工作状态的模拟,该系统能对多个通道的运行状态进行巡回检测,当某一通道发
2、生故障既拨动对应通道的开关时,由检测系统发出报警并显示发生故障的通道号,故障排除后,系统可继续进行巡回检测.目 录目 录31设计任务41.1 设计选题41.2 设计任务要求42方案设计与论证52.1 方案一52.2 方案二63 单元电路的选定和设计73.1拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路73.2循环计数器和译码显示电路93.3时钟发生电路93.4窗口电压比较器电路.113.5温度传感器电路.124 装配与调试 .144.1装配注意事项 .144.2测试仪器 .154.3拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路的测试.154.4循环计数器、译码显示电路的测试 .164.5时钟发生电路的测试.
3、174.6窗口电压比较器电路的测试 .174.7温度传感器电路的测试205 实验总结215.1完成情况215.2问题与对策215.3收获与体会226 参考文献227 附录22附录 1 系统电路图22附录 2 元器件清单24附录 3 实物照片25附录 4 实验日志261.设计任务1.1 设计选题8路巡回检测报警系统的设计与实现1.2 设计任务要求设计一个8路巡回温度状态检测、报警系统,能够对8个测试区域的温度状态是否正常进行巡回检测；当某一测试区域的温度超过正常范围时,由巡回检测系统发出报警并显示第几个测试区域出现故障.1.基本要求： 1实现一个8通道状态巡回检测系统,该系统在正常状态下输入低电
4、平,而高电平输入表示出现故障.2巡回检测周期要求不超过8秒.3当某一个通道出现故障时,停止检测,并且发出报警和显示故障通道的序号.4电压比较器：可设定上、下限电压报警值；当铂热电阻传感器调节电路输出电压超过上、下限值时,输出低电平.5利用铂热电阻Pt100完成温度检测,实现温度量转换为直流电压,并要求温度变化20度时,检测电路输出的电压变化不小于1V.2、扩展要求：利用湿度传感器CM-R实现湿度状态测量.2 方案设计与论证2.1 方案一基本要求部分,用八个拨码开关,模拟八路通道工作状态,闭合拨码开关 时,74LS151 对应输入端输入低电平,W输出高电平,驱动数码管,蜂鸣器响,74LS151
5、芯片 Y 端口输出为低电平,计数器 74LS160 停止计数,QA,QB,QC 输出数据保持为出现故障的二进制码,通过译码器得到数据在共阳数码管上显示的是一个不变的值.利用 555 震荡电路产生 10Hz 的计数脉冲,用于 74ls160 计数器计数工作,满足检测周期不超过八秒的要求.当数据控制端处于高电平时,74ls160 开始计数,通过 QA,QB,QC,QD,输出 bcd 码到 74ls47 和 74ls151 的 A,B.C 端口.计数器一直在 07 循环,出现 7 的时候,计数器 74ls160 芯片 QA, QB,QC,QD 分别显示 1,1,1,0,接下来出现 8 的时候 ,QA
6、,QB,QC,QD 显示 0,0,0,0,通过反相器输出一个低电平,计数清零.译码器电路,采用 74ls47d 译码输出,通过数码管显示扫描结果,当无故障时,数码管一次显示 07 的数字,当某一路出现故障时,停止巡回检测,数码管时钟显示这一路对应数码.采用 电压比较器设定上、下限电压报警值；当检测电压超过设定上、下限值时,输出低电平,蜂鸣器报响.系统方框图如图 2.1 所示. 图2.1系统方框图2.2方案二采用带有中断控制器的单片机来实现,利用软件定时来对八个通道逐次扫描和驱动数码管动态显示.利用中断系统捕捉下降沿电平,当通道由高电平跳变为低电平时,单片机捕捉到下降沿,停止扫描,同时让数码管显
7、示该通道和驱动蜂鸣器报警.由于本题目有八路通道,故需要用到八路外部中断,因此需要采用较为高端的单片机,如STM32系列.方案二电路简单,只需要单片机最小系统和一个数码管即可.但是编写软件的难度较大而且成本较高,电路板不适合自己动手焊接. 综上所述,从实验的要求,方案的难易程度以与方案是否易于实施的角度考虑,采用方案一,此方案满足本选题的技术指标要求,难度较低,只涉与硬件电路部分,对于软件部分不做要求,易于实现. 3 单元电路的选定和设计3.1拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路图3.1 拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路如图3.1所示,拨码开关一端与相接,另一端接数据选择器的通道引脚.若
8、拨码开关闭合,则该通道被认为接低电平,若断开,则该通道被认为接高电平. 数据选择器选用八选一芯片74LS151,通过控制地址端从而确定哪一路被选通,选通的那一路从Y端输出,W端输出与其相反. 由于高电平为正常,低电平为异常.在正常情况下蜂鸣器应该不响.故蜂鸣器应接到W端,一旦被选通的通道为低电平,W端输出高电平,三极管导通,蜂鸣器响,发出警报. TTL器件输入引脚悬空即为高电平,但实际测量发现其高电平与5V差的较大,故需要接上拉电阻,使系统稳定性提高.根据经验上拉电阻一般取值为1K10K,这里取1K,三极管实际选用9013,偏置电阻取1K.地址选择为100,开关断开时,W端输出低电平,蜂鸣器不
9、响.开关闭合时,W端输出高电平,蜂鸣器响.仿真如下图所示：3.2 循环计数器和译码显示电路 图3.2循环计数和译码显示电路如图3.2所示,在时钟信号作用下,当数据控制端ENP处于高电平时,74LS160开始计数,QA,QB,QC,QD输出BCD码到74LS47的A,B,C,D端,数码管实时显示当前检测的通道号.计数到8时对应1000,QD端输出高电平,通过反相器74LS04输出一个低电平给74LS160的CLR端,计数清0,从0开始重新计数,实现0-7的循环八进制计数.采用74ls47驱动显示译码电路,显示部分使用的是共阳数码管,74ls47的AG输出端分别对应接数码管的ag,通过上拉电阻对数
10、码管进行分压限流.LED数码显示模块的工作电压为1.66V,工作电流为10mA.上拉电阻阻值计算为：根据实验室提供的电阻,选用R=330欧.3.3 时钟发生电路采用NE555接成多谐振荡器,RST为高电平时电路正常工作,DIS端为555芯片内部三极管的集电极,其中电容的充放电利用二极管使其相互分开,并令这两条回路的充放电时间常数相同,以便使所形成的波形为占空比为50%的方波,当输出为高时,DIS端电压被拉至0V,电容C1通过D2,R2放电,当输出低电平时,VCC通过R1,D1给C1充电. 充电时间： 放电时间： 振荡周期：故取：C1=0.1uF,C2=0.01uF,电路与仿真波形如下图所示 图
11、3.3.1时钟发生电路 图3.3.2仿真波形3.4 窗口电压比较器电路窗口电压比较器有两个阈值,实验要求超过其上下限时输出低电平,所以用两片运算发大器接成具有不同阈值的电压比较器即可,这里的运算发大器采用的是LM324,由于阈值的上下限可调所以用滑动变阻器构成的分压器电路.上限电压：下限电压：取输入低于下限电压2V时输入高于上限电压3V时3.5 温度传感器电路采用R1,R2,R3,Pt100构成单臂测量电桥,当Pt100电阻与R1,R2,R3不同时,电桥输出一个mV级的压差信号U1,U1,经过运放LM324放大后输出期望大小的电压U2,电路中R7=R6,R1=R4,放大倍数=R6/R1,运放采
12、用单一5V供电.Pt100随温度变化阻值发生改变后,U2大小正负也随之改变,因此,采用双LM324,可保证Pt100R,Pt100R时输出为高电平,Pt100=R时输出为低电平.该输出电平的高低区分不明显,串联接入两个反相器.经测试,实验室温度下pt100阻值为107欧姆,故选取电桥电阻R=110欧姆.放大倍数:电桥输出电压：电路如下图所示：Pt100R时4 装配与调试过程4.1 装配注意事项1、注意电路布局；2、尽量少用跳线；4.2 测试仪器1万用表；2直流稳压电源：EM1712 DC；3信号源：示波器：TDS3502B 500MHz4.3 拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路的测试在电路
13、上电的情况下,拟给数据选择器一个地址输入,选通相应的数据通道,然后测量输出端Y的电平状态是否与该通道的输入电平状态一致,若输入为高电平,蜂鸣器应该响起警报声,低电平时不响,只有满足上述条件才认为该部分电路设计正确.具体的实物电路如图4.1所示.数据选择器检测采用先设置74LS151的地址输入,即选定一个数据输入通道,然后检测的是输出端Y的电平是否随着该数据输入通道的电平变化而变化.具体过程如下：1、如图4.3.1左图所示,设置74LS151的地址输入为100红线接地,TTL悬空为高电平,即选通的数据通道为D4；.2、从4.3.1中可以看出,输出端W的电压为0.20V,可认为低电平,与Y端输出相
14、反. 3、从图4.3.2右图可得,W端电压为4.43V,可认为是高电平,Y端为低电平,此时蜂鸣器发出报警时,满足输入为高电平时报警的条件.对于其余7路通道的检测,方法亦如此,只有改变输入地址即可.最终检测结果是该部分电路满足设计的要求.4.4 循环计数器、译码显示电路的测试74LS160的是时钟输入可以用信号发生器的方波替代,给电路上电,计数器在时钟信号的作用下开始循环记数,并将计数状态送给7447进行译码,结果在数码管上显示.将计数器的ENP端接成高电平,观察数码管是否循环显示,测试结果如下：图图4.4.1中显示为数字6,可以看到数码管有两处不能正常显示,图4.4.2中的数字0亦如此,但不影
15、响其正常功能,我们依旧可以观察到数码管07的数字显示,所以,此单元测试符合要求.4.5 时钟发生电路的测试555时钟电路接入电源后,用示波器观察能显示出占空比为50%的方波.实际555电路输出波形如图4.5所示.从图中可以看出方波频率f=8.013HZ,经计算,满足巡回检测周期不超过8s的要求.4.6窗口电压比较电路的测试 窗口电压比较器的测试方法为：在确保电路已经上电的情况下,调节电容,使得该电路有两个不同的电压阈值,同时使输入电压从小于下限电压的值慢慢增大,直到大于上限电压为止.观察其输出端是否满足低电平高电平低电平的变化规律.上限电压下限电压输入在阈值范围内输出 输入在阈值范围外输出4.
16、6 温度传感器电路的测试 如下图左上方 5 实验总结5.1 完成情况5.2 问题与对策5.3 收获与体会本次实验中,运用自己所学的知识,独立的设计、仿真、焊接、调试电路,熟练了Multisim的应用,提高了我的动手能力以与分析、排除故障的能力,也让我更加熟练运用所学知识.在焊接过程中我学到了很多,焊接前的合理布局,实验仪器的使用,遇到故障时的分析排查.实验中,多数故障都是因为焊接电路出错或芯片未正常供电导致,所以实验中,我们必须要细心,并且出现错误也不能着急,要静下心来逐一排错才行.6 参考文献1 阎石.数字电子技术基础 .清华大学电子学教研组,高等教育 .2 谢红.模拟电子技术基础第3版.哈
17、尔滨工程能大学2013-01.3 施齐云等.数字电子技术实践教程.哈尔滨工程大学4 施齐云等.数字电子技术基础.哈尔滨工程大学7附录附录一 系统电路图附录二 元器件清单8路温度状态巡回检测、报警系统元器件清单元器件数量万用板18位拨码开关1共阳数码管5101BH1Pt100热电阻1蜂鸣器174LS1518选1数据选择器174LS160十进制计数器174LS046非门174LS47译码器1NE5551LM3241电容0.01uF1电容0. 1uF1C9013三极管11N4148二极管420k电位器1DIP163DIP142DIP83110电阻3330电阻71K电阻13510电阻110K电阻23.
18、3K电阻1750K电阻2排针若干杜邦线帽若干导线若干焊锡若干附录三 实物照片附录四 实验日志一 8路巡回检测、报警系统的设计与实现 实验日志指导教师:实验时间：学院:专业:班级:学号:#: 实验室: 实验题目：8 路巡回检测、报警系统的设计与实现实验目的：1、培养学生能够综合运用电子技术知识,独立设计综合性较强的系统级实验项目 一个多路温度状态巡回检测系统2、培养学生能够根据项目需求,独立地查阅中英文资料如电子器件手册等有关资料,并给出设计方案、完成设计任务.3、掌握电子设计基本过程与方法,掌握各类基本单元的设计方法,进而利用单元模块实现电子系统设计,掌握电子系统的基本调试手段与测试指标.4、
19、提高书写综合设计性总结报告的能力.实验要求：设计一个8路温度状态巡回检测,能够对8个测试区域的温度状态是否正常进行巡回检测；当某一测试区域的温度超过正常范围时,由巡回检测系统发出报警并显示第几个测试区域出现故障.1、基本要求：1实现一个8通道状态巡回检测系统,该系统在正常状态下输入低电平,而高电平输入表示出现故障.2巡回检测周期要求不超过8秒.3当某一个通道出现故障时,停止检测,并且发出报警和显示故障通道的序号.4电压比较器：可设定上、下限电压报警值；当铂热电阻传感器调节电路输出电压超过上、下限值时,输出低电平.5利用铂热电阻Pt100完成温度检测,实现温度量转换为直流电压,并要求温度变化20
20、度时,检测电路输出的电压变化不小于1V.2、扩展要求：1利用湿度传感器CM-R实现湿度状态测量.实验主要步骤：序号实验内容1前导课要求学生进实验室前,准备好器件手册,单元电路设计图、仿真和模块测试方法,焊接布局2检查学生的器件手册,单元电路设计和模块测试方法,焊接布局.3发拨码开关、74LS151数据选择器、三极管、蜂鸣器,并检查元件.拨码开关、数据选择器和蜂鸣报警电路焊接调试,验收4发74LS160十进制计数器、74LS04六非门、74LS47译码器、共阳数码管,并检查元件.循环计数、译码显示电路焊接调试,验收5发NE555定时器、IN4148二极管、电容和电阻,并检查元件.时钟电路焊接调试,验收6数字系统联调、验收发LM324运放、 IN4148二极管、电位器,并检查 LM324.电压比较器焊接调试,验收7发PT100热电阻,并检查 PT100热电阻传感器调理电路设计.温度传感调理电路焊接调试、验收整体联调、验收和回收元件
