选题8084104付恒Word格式.docx
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该系统能够对多个通道的工作状态(如温度)是否正常进行巡回检测。
当某一通道出现故障(如超温)时,由巡回检测系统发出报警并显示故障的通道号,故障排除后,系统可继续进行巡回检测。
目录
目录.......................................................................3
1设计任务......................................................................................................................................4
1.1设计选题..................................................................................................................................4
1.2设计任务要求..........................................................................................................................4
2方案设计与论证..........................................................................................................................4
2.1方案一........................................................................................................................................4
2.2方案二........................................................................................................................................5
3单元电路的选定和设计..............................................................................................................5
3.1拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路......................................................................5
3.2循环计数器和译码显示电路..................................................................................................7
3.3时钟发生电路..........................................................................................................................8
3.4窗口电压比较器电路..............................................................................................................9
3.5温度传感器电路.....................................................................................................................12
4装配与调试.................................................................................................................................15
4.1装配注意事项.........................................................................................................................15
4.2测试仪器.................................................................................................................................15
4.3拨码开关电路、数据选择器和蜂鸣报警电路的测试.........................................................15
4.4循环计数器和译码显示电路的测试.....................................................................................17
4.5时钟发生电路的测试.............................................................................................................20
4.6窗口电压比较器电路的测试.................................................................................................21
5实验总结.....................................................................................................................................25
5.1完成情况.................................................................................................................................25
5.2问题及对策.............................................................................................................................25
5.3收获与体会.............................................................................................................................26
6参考文献.....................................................................................................................................26
7附录.............................................................................................................................................27
附录1系统电路图.........................................................................................................................27
附录2元器件清单.........................................................................................................................27
附录3实物照片.............................................................................................................................28
附录4实验日志.............................................................................................................................28
1设计任务
1.1设计选题
8路巡回温度状态检测、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:
(1)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0.966Hz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0~7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,QB,QC,QD显示0,0,0,1,(D为最高位)通过反相器cd4069,输出一个低电平,计数清零,输出一直在0~7之间循环。
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0~7的数字,当某一路出现故障时,则数码管时钟显示这一路对应数据。
采用滑动变阻器设计与实现2路电源电压输出的模拟。
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8路通道工作状态检测输出74LS151八位数据选择器74LS160十进制计数器555时钟74LS47编码器数码管显示电源。
图2.1系统方框图
2.2方案二
利用AT89C51单片机来实现对8路温度的巡回检测。
单片机对各路进行温度
采集处理时,主要针对温度进行巡回检测、数据记录、数据处理、数据显示、越线报警。
整个系统可以大致分为一下几个模块:
温度采集处理模块、多路数据选择模块、A/D转换模块、显示模块、报警控制模块等。
设计采用8路传感器输入,地址线决定哪一路温度进行数据交换,从而实现对8路温度的巡回检测;
A/D模块将采集到的模拟量信息转换为数字量信息送入到单片机进行数据处理;
数码管显示模块用于显示当前扫描的通道数,以及出现故障的通道数;
报警控制模块采用蜂鸣器报警,当温度不在正常范围内时,蜂鸣器报警。
通常情况下,本方案使自动按顺序依次扫描每一路温度,亦可加入一个键盘输入模块,从而可以实现对扫描模式的控制,也可以单一检测特定某一路的温度。
方案选择:
从实验的要求,方案的难易程度以及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,只涉及硬件电路部分,对于软件部分不做要求,加深对于数电和模电知识的理解,与学生课业相联系,易于实现。
综上所述,方案一更易于实施,故采用方案一实现此命题。
3单元电路的选定和设计
要求:
1)简述单元电路的工作原理;
2)详述设计步骤、过程,电路参数选定原则和计算过程。
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,拨码开关一端与地相接,另一端接数据选择器的通道引脚。
若拨码开关闭合,则该通道接低电平,若断开,则该通道接高电平。
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端的输出与Y端的相反。
Y输出高电平为正常,低电平为异常,蜂鸣器接到~W端,在正常情况下蜂鸣器不响,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1kΩ~10kΩ,这里取1kΩ,三极管实际选用C9013,偏置电阻取1kΩ。
仿真结果:
1.拨码开关断开时,输入为高电平,电路为正常状态,可以看到输出为低电平,蜂鸣器此时不响。
1.选通地址为110,当拨码开关K6闭合时,可以看到输出为高电平,此时蜂鸣器报警。
3.2循环计数器和译码显示电路
如下图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。
74LS47驱动显示译码电路,显示电路使用共阳数码管,74LS47的QA-QG对应接数码管的A-G..通过上拉电阻对数码管进行分压限流,LED数码管工作电压为1.66V,工作电流为10mA,所以上拉电阻为:
图3-2循环计数器和译码显示电路
1.数码管可以实现从0—7的循环变化
3.3时钟发生电路:
如图3-3所示,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τ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:
根据公式,可以取适当的电容电阻参数,使其周期小于选题要求的1秒,实验器材所能提供的最大电容为104陶片电容,即0.1uF,根据上面的公式可求得所需电阻为750kΩ左右,实际中选择了750kΩ的电阻。
由结果可知,成功实现了用555构成方波发生器,输出占空比为50%的方波。
图3-3555时钟发生电路
图3-4555时钟发生电路产生的占空比为50%的方波
3.4窗口电压比较器电路
如图3-4所示,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。
下限电压:
上限电压:
图3-4窗口电压比较器电路
1.由仿真结果可知,上限电压为3V,下限电压为2V
2.当输入电压高于上限值3V时,输出为高电平:
3.当输入电压高于下限值电压2V低于上限值电压3V时,输出低电平:
4.当输入电压低于下限值电压2V时,输出为高电平
由结果可知,可以成功实现窗口电压比较器的功能。
3.5温度传感器电路
如图3-5所示,该电路的原理是由pt100及三个电阻组成电桥,当pt100的阻值和R的阻值不同时,电桥输出一个mV级别的压差信号,该压差经过LM324组成的负反馈放大器放大后输出期望的电压信号,为保证pt100不论阻值升高或是降低,电路均能输出正电压,故采用双路放大,使用二极管阻止负电压输出。
PT100各温度下阻值如下表:
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
图3-5温度传感器电路
1.当PT100处在室温下电阻为110欧姆时,电桥平衡,此时电路输出低电平:
2.当PT100处在高温50℃下为120欧姆时,电桥不平衡,此时电路输出高电平:
3.当PT100处在低温0℃下为100欧姆时,电桥不平衡,此时电路输出高电平:
由结果可知,成功实现了温度传感器的功能。
4装配与调试
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:
EM1712DC;
(3)信号源:
(4)示波器:
TDS3502B500MHz
4.3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,若输入为低电平,蜂鸣器应该响起警报声,高电平时不响,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。
测试结果如下:
(1)设置74LS151的地址输入为011,即选通的数据通道为D3;
(2)将开关K3向左闭合,K3所对应芯片管脚是高电平,此时Y端同样输出高电平,~W端输出低电平,蜂鸣器不响。
(3)将开关K3向右闭合,K3所对应芯片的管脚是低电平,此时Y端输出低电平,~W端输出高电平,蜂鸣器响,电路处于报警状态。
4.4循环计数器和译码显示电路的测试
74LS160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和ENT端接成高电平,观察得数码管可以循环计数显示。
4.5时钟发生电路的测试
给电路供电后,用示波器测量555输出,观察得输出波形为占空比为50%的方波。
4.6窗口电压比较器的测试
在确保电路已上电的情况下,用另一路电源作为窗口电压比较器的输入,使输入电压从小于下限电压的值慢慢增大,直到大于上限电压的值为止,用电压表测量电路输出,结果显示功能实现。
1.测得电路的上限电压是2.96V
2.测得电路的下限电压是1.97V
3.当输入电压是3.14V时,即此时的输入电压大于上限电压时,输出为高电平
4.当输入的电压是2.96V时,即此时的输入电压在上限电压和下限电压之间时,输出为低电平
5.当输入的电压是1.81V时,即此时的输入电压小于下限电压时,输出为高电平
5实验总结
5.1完成情况
完成:
1.拨码开关、数据选择器、蜂鸣报警电路
2.循环计数器和译码显示电路
3.时钟发生电路
4.窗口电压比较器电路
未完成:
1.温度传感器电路的调试。
2.整体调试
5.2问题及对策
1.问题:
拨码开关、数据选择器、蜂鸣报警器电路后焊接完成后,只有第八路通道在开关闭合时,蜂鸣器才报警。
对策:
数据选择器地址段悬空,TTL器件的引脚悬空为高电平,故选择器选通的的地址是111,对应的是第八通道,因此只有当第八路的输入电平为高时,蜂鸣器才报警。
正确的做法是通过电源与地控制地址端,输入0~7有效地址。
2、问题:
将拨码开关电路与循环计数器和译码显示电路连接后,断开某一路开关,数码管显示错误的通道地址。
回答:
经检查是将计数器输出端与数据选择器地址端的接线连错,导致数码管的示数与实际输出的选择地址不同。
3.问题:
TTL器件的输入引脚为什么不使用,不可以悬空?
对策:
虽然根据所学的数电知识可知,,但这个电平不是特别高,驱动能力很弱,故要获得可靠而又稳定的高电平输入,最好采用上拉电阻的方式。
该系统的拨码开关就选择上拉电阻的方式来获得稳定的高电平。
4.问题:
为什么不能将PT100热电阻与大电阻或小电阻串联,然后测其分压的方式来使用该传感器。
PT100温度传感器若直接与其他电阻组成分压电路,不是流过其电流太大就是其分压太小,不易被检测出来。
为此应采用平衡电桥来检测出由PT100引起的不平衡电压,然后再将该电压值进行线性放大,便可得出与测量温度成一一对应关系的输出电压值。
该系统在设计时选用了很多,虽然不接上拉电阻也不会产生逻辑错误,但这样的系统抗高频干扰的能力较弱。
5.3收获与体会
1.通过本次试验,我不仅亲自设计和焊接了此次电路并进行调试,锻炼了我自主思考的能力,更使我对电子元器件的使用有了更深的体悟,让我对电路的实际应用有了更加深刻的理解。
2.本次试验中,我学会将复杂问题简单化的思想,一个完整的电路设计方案分解成多个各自独立的小模块,学会了逐步击破,循序渐进的解决问题的方法,这样不仅准确率高,对于电路还
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