电子系统设计创新与实践实习指导书6.docx
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电子系统设计创新与实践实习指导书6
电子系统设计创新与实践
实习指导书
适用于电子信息工程(四周)
桂林理工大学信息科学与工程学院
2014-5
目录
1.实习目的与基本要求
1.1基本目的
本实习是毕业设计前的一次综合实习,通过实习,基本熟悉利用所学专业知识进行电子系统设计、制作、调试的基本方法,基本掌握设计报告的撰写方法。
1.2基本要求
每个小组2人,以设计小组为单位,每组选择一个题目,按照各题目的功能、技术指标要求完成以下任务:
(1)查阅所选设计(或研究)课题的相关技术资料,通过阅读资料了解相关技术的历史、国内外的研究现状、发展趋势;
(2)通过阅读资料了解已有的主要技术方案,以及这些技术方案、相关产品所达到的技术指标;
(3)制定总体技术方案,完成电路原理设计、程序设计;
(4)完成样机实物制作,调试,校准;
(5)完成样机功能测试,技术指标测试;
(6)完成设计报告的撰写;
(7)提交样机和设计报告,要求设计报告每人一份。
注:
设计报告要求每人一份,同一组2人在整个设计中分工合作共同完成整个设计任务,但每人的侧重点不一样,完成的具体工作有一定的差异,这些都需要在设计报告中明确反映出来,每个人的设计报告除了共同的内容,还应该有自己的特点,不应全相同,不允许拷贝。
由于电信11的同学每位手上都有一个“MSP-EXP430G2”,因此设计中所需的单片机原则上都采用“MSP-EXP430G2”,若想采用其他款式单片机,则费用自理。
1.3成绩构成
要求必须完成实物样机制作,样机能运行。
没有完成样机制作,或样机不能运行,不予验收,无实习成绩。
在完成样机制作,样机能运行条件下,进行实习设计验收,实习成绩由以下三部分构成:
(1)实物测试成绩:
40%
(2)设计报告:
40%
(3)考勤:
20%
其中实物测试中:
1)作品能正常运行:
60%
2)满足各项测试功能与指标:
40%
设计报告中:
1)国内外相关情况概述:
10%
2)技术方案与基本原理:
40%
3)实验方法与测试数据及分析:
40%
4)改进设想的提出:
10%
2.设计题目及基本要求
2.1基于单片机和K型热电偶的温度测量仪表设计
2.1.1基本功能与技术指标要求
(1)温度测量范围:
室温~200℃;
(2)温度检测元件:
K型分度号热电偶;
(3)具有热电偶冷端温度自动补偿功能;
(4)温度测量精度:
1℃±FS*2%;
(5)温度显示:
LED或LCD数字显示,显示分辨率0.1℃
(6)具有温度上限、下线设置功能,当温度测量值越限时,进行声光报警;
(7)电源:
电网AC220V,要求在电网电压变化±15%范围内能够正常工作。
2.1.2一种参考结构
一种可供参考的功能结构框图如图2-1.
图2-1一种温度测量仪表功能结构
(1)热电势放大器
K型热电偶分度表如下
表2-1:
K型热电偶分度表
T/℃
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-300
-6.458
-6.441
-6.404
-6.344
-6.262
-6.158
-6.035
-200
-5.891
-5.730
-5.550
-5.354
-5.341
-4.913
-4.669
-4.411
-4.138
-3.852
-100
-3.554
-3.243
-2.920
-2.587
-2.243
-1.889
-1.527
-1.156
-0.778
-0.392
0
0.000
0.397
0.798
1.203
1.612
2.023
2.436
2.851
3.267
3.682
100
4.096
4.509
4.920
5.328
5.735
6.138
6.540
6.941
7.340
7.739
200
8.138
8.539
8.940
9.343
9.747
10.153
10.561
10.971
11.382
11.795
300
12.209
12.624
13.040
13.457
13.874
14.293
14.713
15.133
15.554
15.975
400
16.397
16.820
17.243
17.667
18.091
18.561
18.941
19.366
19.792
20.218
500
20.644
21.071
21.497
21.924
22.350
22.766
23.203
23.629
24.055
24.480
600
24.905
25.330
25.755
26.179
26.602
27.025
27.447
27.869
28.289
28.710
在要求的温度测量范围内,热电势0mV~8.2mV,ADC的输入电压一般为2.5V(或5V),为此,对热电偶输出的热电势信号进行放大,放大器可以使用集成放大IC,根据放大器的输入电压范围和对输出电压(ADC的输入电压)幅值要求,可以确定放大器的增益K。
(2)热电偶的冷端补偿
热电偶分度表是在冷端温度T0=0℃时给出的热电势E(T,0)与测量端(热端)温度T的关系,在实际使用中,测得的热电偶的热电势信号是E(T,T0),要利用分度表获得温度值,就需要对电势信号E(T,T0)进行补偿。
利用计算机软件进行冷端温度补偿。
补偿公式
其中:
T——热电偶热端温度,即待测温度;
T0——热电偶冷端温度
E(T,T0)——热电偶冷端为T0℃,热端为T℃时的热电势
E(T0,0)——热电偶冷端为0℃,热端为T0℃时的热电势
E(T,0)——热电偶冷端为0℃,热端为T℃时的热电势
补偿电势E(T0,0)可以通过以下方法得到:
①利用半导体集成温度传感器测量热电偶冷端所处环境的温度T0(例如DS18B20等数字式集成温度传感器);
②利用T0查K行热电偶分度表(或用分段线性化计算的方法)获得与之对应的电势信号E(T0,0)。
冷端温度测量用传感器应该尽可能靠近热电偶接入仪表的接线端子处。
(3)ADC的选择
温度测量的精确度1℃±1%FS,实际上绝对误差达到2℃左右,ADC的选择一般按照精度要求。
温度测量的系统误差主要包括:
热电偶的固有误差、放大电路的误差、ADC的量化误差、计算机运算时的舍入误差,其中热电偶固有误差影响较大、ADC、放大器、运算的舍入可以由我们设计者控制。
为了尽可能降低误差,ADC位数可选择8~10位。
在设计过程中进行计算,说明选择的理由。
显示分辨率可通过对AD信号的滤波获得提高(例如平均值),只要在数据处理中使用足够多个AD值,运算中保留到0.1℃,就可实现0.1℃的显示分辨率。
(4)直流稳压电源电路
将220V交流电源转换为所需要的直流稳压电源。
应该注意应该在电网电压变化±15%的情况下,仍然能够为测温仪表提供稳定的直流工作电源。
以上仅供参考。
除了所要求的基本功能外,可以按兴趣扩展其他功能。
2.1.3设计报告格式及内容
(以下章节序号为设计报告要求的章节序号。
)
1.概述
1.1题目名
1.2功能和技术指标要求
1.3国内外相关情况概述
通过查阅资料,详细描述与温度测量有关的历史、技术现状、发展趋势
2.技术方案
2.1温度测量的基本方法与原理
用文字、图详细描述温度测量有哪些基本方法(传感器及信号处理方法),各自的优缺点。
2.2总体技术方案
用文字描述准备采用的方法,给出总体技术方案图。
对该图的工作原理、关键部分进行详细说明
3硬件设计
3.1热电偶放大器设计
给出详细的计算过程,包括放大倍数(增益)的计算、共模抑制比的实现方法(由电路结构、电路元件参数决定)
3.2热电偶冷端温度补偿方法及电路
给出冷端补偿的实现方法,给出电路原理图
3.3ADC电路
详细描述ADC位数和基准电源选择的理由,给出电路原理图
3.4稳压电源电路
给出原理图,通过计算说明能否满足在电网变化±15%时能否满足要求,估计稳压电源的功耗与散热要求
3.5微处理器
包括微处理器、按键、显示、报警电路
3.6总体电路原理图
给出完整的电路原理图
3.7硬件调试
用文字、图标详细说明硬件调试方法和结果。
(1)放大器调试
给出测试电路图,说明如何校准放大倍数(给出数据记录表,表中应该反映出输入信号、输出信号、放大倍数、与要求值的误差,对数据进行分析说明),说明如何检测共模抑制比是否满足设计要求(给出试验方法。
数据记录表,对数据进行分析说明)
(2)稳压电源调试
说明试验方法,给出数据记录表,对数据进行分析说明
(3)冷端温度测量
给出实验测试方法、实验数据记录,对数据进行分析说明
(4)ADC调试
给出试验方法,在ADC端输入若干个已知的电压,记录转换结果,对记录进行分析说明
4.软件设计
4.1软件功能说明
详细说明你的软件要实现什么功能
4.2软件总流程
给出流程图,用文字对流程图进行说明
4.3各功能软件
给出每一个功能软件的详细流程图,并用文字进行说明,在附录中给出程序代码。
4.4软件测试
用文字详细描述软件的测试过程
5.温度测量仪器测试与校准
5.1温度测量仪器测试方法
详细描述
5.2给出相应记录
5.3对实验数据进行分析
(1)进行误差分析说明误差是否满足要求,功能是否满足设计要求。
(2)分析误差原因
(3)给出改进设想
注:
同一组同学,分工不同,报告内容的侧重点亦可不同。
2.2基于单片机的无线温湿度测量仪设计
2.2.1基本要求
设计一个无线数据传输温湿度测量仪,基本功能:
(1)温度测量分为:
室温~100℃;
(2)湿度测量范围:
相对湿度20%~90%;
(3)测量仪表利用LCD显示温度和湿度,并具有无线数据传输功能;
(4)无线接收模块接收测量模块的测量数据,利用LCD显示温度和湿度。
2.2.2参考方案
测量模块
无线接收模块
2.2.3设计报告格式及内容
(以下章节序号为设计报告要求的章节序号。
)
1.概述
1.1题目名
1.2功能和技术指标要求
1.3国内外相关情况概述
通过查阅资料,详细描述与温度测量有关的历史、技术现状、发展趋势
2.技术方案
2.1温度测量、湿度测量的基本原理与方法
用文字、图详细描述温度湿度测量有哪些基本方法(传感器及信号处理方法),各自的优缺点。
2.2总体技术方案
用文字描述准备采用的方法,给出总体技术方案图。
对该图的工作原理、关键部分进行详细说明。
3硬件设计
3.1集成温度湿度传感器及接口电路
(1)说明使用什么传感器。
(2)简要说明温度湿度传感器的特性、接口信号、时许。
(3)介绍接口电路
3.2液晶显示接口设计
(1)简要介绍LCD1602的功能
(2)简要介绍LCD1602的接口信号、操作时序
(3)给出接口电路原理图。
3.3无线通信接口设计
(1)简要介绍无线通信模块的选择及功能
(2)简要介绍无线通信模块的引脚信号、时序;
(3)给出接口电路
3.4稳压电源电路
给出原理图,通过计算说明能否满足在电网变化±15%时能否满足要求,估计稳压电源的功耗与散热要求
3.5微处理器
(1)简要介绍包括微处理器
(2)给出微处理器核心电路(包括单片机、复位电路、石英晶体电路、所需要的信号灯,如需要操作按键也同时给出按键)。
3.6总体电路原理图
给出完整的电路原理图,PCB图,实物照片。
3.7硬件调试
用文字、图标详细说明硬件调试方法和结果。
4.软件设计
4.1软件功能说明
详细说明你的软件要实现什么功能
4.2软件总流程
给出流程图,用文字对流程图进行说明
4.3各功能软件
给出每一个功能软件的详细流程图,并用文字进行说明,在附录中给出程序代码。
4.4软件测试
用文字详细描述软件的测试过程
5.实验测试
5.1温湿度测量仪器测试方法
详细描述
5.2给出相应记录
……
5.3对实验数据进行分析
(1)进行误差分析说明误差是否满足要求,功能是否满足设计要求。
(2)分析误差原因
(3)给出改进设想
注:
同一组同学,分工不同,报告内容的侧重点亦可不同。
2.3脉宽调制型直流稳压电源设计
2.3.1功能与技术指标要求
(1)输入电压:
交流50V;
(2)输出电压:
1~50V可调
(3)输出电压纹波:
100mV
(4)负载电流:
0~2A
(5)要求在输入交流电压变化±15%时,输出电压变化不大于±1%
(6)要求在负载电流在0~2A之间变化时,输出电压变化不大于±1%
(7)电源效率:
最恶劣情况下效率≥70%
(8)具有过载保护功能
(9)数字设定(调整)输出电压,相邻两档电压增量粗调1V,细调0.1V;
(10)数字显示输出电压、电流。
2.3.2参考方案
一种参考方案如图2-3所示。
图2-3PWM型可调直流稳压电源
(1)为了安全,利用工频隔离变压器获得AC50V电源作为本开关稳压电源的输入交流电源。
(2)AC50V电源经整流滤波得到直流主电源VZ,并由VZ获得PWM控制电路、单片机系统、AD、DA电路所需要的辅助工作电源;
(3)在PWM控制电路控制下,由PWM主电路将直流主电源VZ逆变为PWM脉冲VHP;
PWM控制电路可以使用硬件PWM控制集成电路,也可以使用单片机直接产生PWM控制信号。
单片机可以使用51系列兼容单片机,也可以使用STM32系列ARM核单片机或其他单片机。
(4)主电路输出的PWM脉冲VHP经滤波电路滤波,得到直流输出电压VO。
(5)输出电压VO经电压检测电路检测,该检测值做为反馈信号VF,构成闭环PWM控制系统,实现输出电压的调压和稳压控制。
同时电压检测信号经AD变换,用于显示;
当用单片机产生PWM控制信号时,电压检测信号送到AD电路,单片机根据检测信号来改变PWM控制信号的脉冲宽度,当输出电压VO大于要求的电压时,单片机通过执行程序减小PWM脉冲宽度,反之增加如果输出电压小于要求的电压,则由单片机执行程序增大PWM脉冲宽度,使电压增加。
(6)电流检测电路检测输出电流,用于显示和过载保护。
电流检测作为可选内容。
2.3.3设计报告要求
(以下章节序号为设计报告要求的章节序号。
)
1.概述
1.1题目名
……
1.2功能和技术指标要求
描述设计的功能和技术指标
1.3国内外相关情况概述
通过查阅资料,详细描述与直流稳压电源有关的历史、技术现状、发展趋势
2.技术方案
2.1PWM直流稳压电源原理
用文字、图详细描述直流稳压电源有哪些基本方法,各自的优缺点。
2.2总体技术方案
用文字描述你准备采用的方法,给出总体技术方案图。
对该图的工作原理、关键部分进行详细说明
3硬件设计
3.1逆变主电路
说明PWM逆变主电路有几种结构,给出原理图并描述各自的工作原理,优缺点。
你选择那种电路结构,选择的依据。
3.2PWM控制
(1)介绍PWM控制方式
(2)你是用那种PWM控制方式,选择的依据;
(3)PWM控制电路原理图,用文字、图描述工作原理
3.3隔离电压检测电路
给出原理图,用文字说明管理,给出主要元件选择的依据(计算过程)。
3.4电流检测电路
要求同电压检测电路
3.5单片机电路
给出原理图,包括单片机、ADC、DAC、键盘、显示灯电路,用文字描述其工作原理。
3.6总体电路原理图
给出完整的电路原理图
3.7硬件调试
用文字、图标详细说明硬件调试方法和结果。
4.软件设计
4.1软件功能说明
详细说明你的软件要实现什么功能
4.2软件总流程
给出流程图,用文字对流程图进行说明
4.3各功能软件
给出每一个功能软件的详细流程图,并用文字进行说明,在附录中给出程序代码。
4.4软件测试
用文字详细描述软件的测试过程
5.稳压电源的性能测试
5.1测试方法
详细描述
5.2给出相应记录
(1)不同负载条件下(在要求在最大负载、最小负载、1/3负载,1/2负载,2/3负载下),输入电压在要求的范围内变化时,对输出电压的测试记录
(2)不同输入电压下(最大负载、最小负载、1/3负载,1/2负载,2/3负载下),负载在要求的范围内变化时,对输出电压的测试记录
(3)不同负载情况下的纹波电压记录
最大负载、最小负载、1/3负载,1/2负载,2/3负载下,分别测试纹波电压;
(4)不同负载时电源的效率
最大负载、最小负载,1/3负载,1/2负载,2/3负载下,分别测试输入功率,输出功率,获得不同负载下的效率
5.3对实验数据进行分析
(1)分别说明输入电压变化、负载变化时,稳压电源的输出电压是否稳定,变化值是否满足要求。
(2)分析原因
(2)给出进一步改进的设想。
注:
同一组同学,分工不同,报告内容的侧重点亦可不同。
2.4数控恒流电源设计
2.4.1功能与技术指标要求
(1)输入电压:
交流24V;
(2)输出电流:
0~500mA可调;
(3)电阻性负载,负载电阻范围:
20Ω~1KΩ
(4)负载电阻上最大输出电压:
25V
(限制最大功率,在功率允许范围内保证恒流指标);
(5)要求在输入交流电压变化±15%时,输出电流变化不大于±1%
(6)要求在负载电阻在20Ω~1KΩ之间变化时,输出电流变化不大于±1%
(7)数字显示输出电流、输出电压
(8)数字分档控制输出电流,相邻两档步进量1mA
2.4.2参考方案
一种参考方案如图2-4所示。
图2-4数控恒流源
(1)控制部分供电电源
为全部控制电路提供工作电源,该组电源保证控制电路(单片机及全部控制电路)正常工作。
(2)恒流部分供电电源
为恒流电路提供供电电源,要保证能够向负载提供最大输出电压(25V),最大输出电流。
(3)恒流源电路
可以使用场效应管线性恒流源,如图所示。
图2-5场效应管恒流源原理示意图
也可以选择PWM控制方式的开关型恒流源电路或其他恒流控制电路。
(4)单片机通过DA输出电流给定值,送到恒流源电路,产生所需要的恒流电流,DA电路将输出电流转换为数字信号,用于显示或闭环控制。
2.4.3设计报告
(以下章节序号为设计报告要求的章节序号。
)
1.概述
1.1题目名
……
1.2功能和技术指标要求
……
1.3国内外相关情况概述
通过查阅资料,详细描述与恒流源有关的历史、技术现状、发展趋势
2.技术方案
2.1恒流源原理
用文字、图详细描述恒流源有哪些基本实现方法,各自的优缺点。
2.2总体技术方案
用文字描述你准备采用的方法,给出总体技术方案图。
对该图的工作原理、关键部分进行详细说明
3硬件设计
3.1恒流源主电路
说明恒流源主电路有几种结构,给出原理图并描述各自的工作原理,优缺点。
你选择那种电路结构,选择的依据。
3.2恒流源主电路设计
给出原理图,对原理图的工作原理进行详细描述,给出电路元件参数选择的依据。
3.3电源电路
给出两部分电源原理图,用文字说明管理,给出主要元件选择的依据(计算过程)。
3.4电流检测与保护电路
给出两部分电源原理图,用文字说明管理,给出主要元件选择的依据(计算过程)。
3.5单片机电路(如果使用单片机)
给出原理图,包括单片机、ADC、DAC、键盘、显示灯电路,用文字描述其工作原理。
也可以选择不实用单片机,用CPLD/FPGA或者其他电路实现数字显示与控制。
3.6总体电路原理图
给出完整的电路原理图
3.7硬件调试
用文字、图标详细说明硬件调试方法和结果。
4.软件设计(如果使用单片机)
4.1软件功能说明
详细说明你的软件要实现什么功能
4.2软件总流程
给出流程图,用文字对流程图进行说明
4.3各功能软件
给出每一个功能软件的详细流程图,并用文字进行说明,在附录中给出程序代码。
4.4软件测试
用文字详细描述软件的测试过程
5.恒流源性能测试
5.1测试方法
详细描述
5.2给出相应记录
(1)不同负载条件下(在要求的负载范围内选择最大负载、最小负载、1/3负载,1/2负载,2/3负载下),输入电压在要求的范围内变化时,对输出电流的测试记录;
(2)不同输入电压下(最大负载、最小负载、1/3负载,1/2负载,2/3负载下),负载在要求的范围内变化时,对输出电流的测试记录
(3)不同负载时电源的效率
最大负载、最小负载,1/3负载,1/2负载,2/3负载下,分别测试输入功率,输出功率,获得不同负载下的效率。
5.3对实验数据进行分析
(1)分别说明输入电压变化、负载变化时,恒流源的输出是否稳定,变化值是否满足要求。
(2)分析误差原因;
(3)给出进一步改进性能的设想
注:
同一组同学,分工不同,报告内容的侧重点亦可不同。
2.5标准直流mV信号源设计
精密毫伏直流输出信号的用途:
在仪表校准中作为基准信号(标准信号),因此要求其精度高,稳定性好,纹波小。
2.5.1功能与技术指标要求
(1)输入电压:
交流24V,为减小纹波,关键部分可以使用电池供电;
(2)输出电压:
①0~50mV可调,步进量0.1mV,精度0.1mV
②50mV~500mV可调,步进量1mV,精度1mV
(3)输出阻抗:
≤100Ω
(4)最大输出电流:
5mA;
(5)输出电压纹波:
<1mV;
(6)数字显示输出电压,显示分辨率0.1mV
2.5.2参考方案
一种参考方案如图2-6所示。
图2-6数控恒流源
(1)基准电源、放大器K1、K2可以使用电池供电,以降低输出纹波;其他部分由24V电源做输入的直流稳压电源供电;
(2)基准电源
选用基准电压源芯片,产生2500mV基准电压,经增益为K1的低失调运算放大器后变为1000mV的基准电压,作为AD的基准电压(也可以直接使用2500mV电压作为DA的基准电压);
(4)单片机输出数字信号由DA转换为模拟信号,电压范围为:
0~1000mV(2500mV);
(5)DA输出的模拟信号由增益为K2的低失调运算放大器缓冲,变为0~500mV的输出电压;
(5)输出电压由增益为K3的低失调运算放大器放大,变为0~2500mV的电压,送AD电路,转换为数字信号,用于显示。
2.5.3设计报告
(以下章节序号为设计报告要求的章节序号。
)
1.概述
1.1题目名
……
1.2功能和技术指标要求
……
1.3国内外相关情况概述
通过查阅资料,详细描述紧密毫伏信号源有关的历史、技术现状、发展趋势
2.技术方案
2.1精密mV信号产生的原理
用文字、图详细描述mv源有哪些基本实现方法,各自的优缺点。
2.2总体技术方案
用文字描述你准备采用的方法,给出总体技术方案图。
对该图的工作原理、关键部分进行详细说明
3硬件设计
3.1恒流源主电路
说明恒流源主电路有几种结构,给出原理图并描述各自的工作原理,优缺点
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- 电子 系统 设计 创新 实践 实习 指导书