电子设计Word文档格式.docx
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实现温度的检测和转换
利用8只发光二极管以8位二进制形式显示检测温度
系统的温度检测时间间隔设定为0.5-2秒可调
2.扩展要求
系统温度的给定值由拨码开关设定,当所监测温度大于给定值时将报警灯点亮,小于或等于给定值时报警灯熄灭。
三、方案设计与论证
实现温度传感器来监测温度,实际上有很多种形式和方法。
单单看温度传感器便有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC传感器多种。
方案:
PN结温度传感器是利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性,可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管(将集电极与基极短接)做成PN结温度传感器。
这种传感器测温范围为-50℃至150℃,有较好的线性度,尺寸小,响应快、灵敏度高、热时间常数小的特点,用途较广。
可将普通二极管(如1N4148)或硅三极管用作温度传感器。
但普通二极管或三极管即使型号相同,其温度特性也有较大差异,因而互换性差。
电路由5V稳压电源供电,通过R2可使流过VD的电流在100~30uA之间。
调解R4可使放大器在0℃时输出电压为0。
放大器的增益为5倍,输出灵敏度为10mV/℃,在100℃时,调整放大器参数,使其输出电压为1V。
做在上述0~1V的电压输出端接一个0~2V的数字式表头,则变成一个数字是温度表,其精度可在-1℃~+1℃范围内。
由555集成定时器及频率计数器组成,其中555定时器的振荡频率由高精度的热敏电阻和高精度的电容组成的RC回路提供。
通过频率计数器测量555的输出频率,从而将温度值直接显示出来。
由温度传感器和A/D转换电路组成。
热敏电阻是一种固态组件。
本电路采用者为负温度系数之热敏电阻,当温度升高时,电阻会降低。
”热敏电阻”之各是由”热”和”电阻”演变而来的。
在电路中,电阻减少也意味着电流增大。
热敏电阻非常灵敏,最灵敏的约温度每上升一度时,电阻値即下降5%,热敏电阻是利用烧结程序以金属氧化物结晶所制成。
具体情况如下
四、设计原理与电路图
1设计原理
下图是一种简易温度监测器的设计原理框图,总的说来,该系统首先采集温度信号,然后通过转换进行显示和驱动报警电路。
2电路图
温度检测电路
左图为检测电路图,右侧为放大器管脚图
设从电源出来经过25Ω和5KΩ后的电流为i,经10K后接放大器负端的是i1,经热敏电阻的电流为i2,则i=i1+i2,经稳压二极管后的电压Vc为5.1V,设热敏电阻上端电压为VA,20KΩ点则接地端的上端为VB,由放大器的工作原理可知,放大器的正负端电压均为VB,设10KΩ电位器的电阻为RY,100KΩ电位器电阻为RX,流经此电位器的电流为i3,则会有以下公式存在:
i=(5.1-VA)/5K
i2=VA/Rt;
i1=(VA-VB)/10K;
i3=i1=(VB-V01)/RX
VB=5.1*20K/(RY+20K+20K)
经过一系列的化简后得到,输出电压与Rt之间的关系:
若RX取值30KΩ,RY取值为1KΩ,则简化后的关系如下:
针对于上述取值的仿真图如下:
温度转换电路
针对于第一个555,充电时间
放电时间
时间周期
使T为0.5~2s,则变位器的阻值范围约是5KΩ~50KΩ,取值20KΩ左右,保证时间为1s
仿真电路如下:
输出波形:
仿真时如果想要保证是0.5s~2s的时间,调节变位器,结果是最大变位器值为4KΩ,调节至0时,时间约为1.5s。
图像如下:
针对第二个555充电时间:
放电时间:
时间周期:
仿真电路:
显示电路
八位二进制显示
仿真电路如下,由于二极管接电阻后接地灯不亮,应该是由于电压不足,因此加了一个为-5V的电源。
用万用表测量输出电压,测得电压范围是1v~4.3v。
由电路可知,我们选择八位二进制显示,那么整个电路的精度就只能达到1/256,如果选择16位二进制来表示,那么精度就可以达到1/65536,精度可以大大提高。
报警电路
上方是电路图和74LS85的管脚图,实物电路时只比较高四位,仅用一个芯片即可;
仿真时每一位都进行比较,用两个74LS85串联,得到如下图像
左侧是对比拨码开关,右侧的拨码开关用来控制输入,仿真对照结果如下:
整体的仿真图如下:
五、元器件清单
六、硬件制作与调试
1.仿真过程的制作与调试
仿真图如上,制作过程当中需要注意的包括元器件的位置放置、连接线的状况、元器件的选择等等均会影响整个电路图。
1.元器件的选择:
整个短路有很多芯片,在MUTISIM里面很多芯片是有多种选择的,在没有特定要求的情况下去选择任意一种,都是可以实现电路仿真的。
但是adc只有一种,且管脚省略掉很多,导致连线的时候要选择连线,不能够让全部的电路全部连接起来。
第一个555就没有办法起到作用,仅有第二个555起到提供时钟信号的作用。
2.连接线的时候最初不容易出现连线错误,但是如果移动了元器件,就会引起连线的紊乱,导致电路出现错误,这个时候最好是要全部重新布线,否则容易引起电路的短路,断路倒是很少出现。
3.元器件的位置选择,这个需要布线有一定经验才会布线漂亮,不会使整个电路杂乱无章,不会使电路有过多的交叉线。
调试过程遇到问题:
针对于温度检测电路,由于没有热敏电阻,用变位器代替热敏电阻,测出输出电压太低。
解决办法:
有三个电位器存在,可以调节三个电位器使输出电压改变,最终由计算使电位器取值为1K和30K,热敏电阻随时调节,得到的波形如上。
针对于温度转换电路,第一个555的仿真一直出现高电平
解决办法:
由于软件熟练程度不够,无法熟练掌握,后知道可以调节整个仿真时间来调节,能够仿真单位时间较长的电路。
针对于ADC转换:
发光二极管一直无法点亮;
一直不断尝试,也测量二极管两端电压,但是就是无法发亮,后加一负电压,使得二极管发亮,但是原理始终不是很清楚。
另外一种可能是加入的三角波频率过小,导致不会有影响变化,只需要调节频率即可点亮二极管。
2.
(一)电路板的制作
1.电路板制作流程如下:
2.Protel原理图如下:
1.PCB布线图如下:
(一)电路板的调试
1、在焊接过程当中就发现两个555芯片有搞混的情况,可能由于对PCB不是很熟练,所以导致后来两个555输出端连接反了,导致后面跳线跳了很多。
2、在焊接过程当中,发现电路连接比较器的是低四位,实际应该是高四位,导致切断2条线路,又跳了几根线。
3、在调试过程当中,发现二极管在接通电源之后都亮了,出了比较器连接的那一盏,但是由于最初的拨码开关设置为0000,即出了显示二极管均灭的情况下,否则此电路一定会报警。
后面经一步一步检查电路连线问题,发现有将本应该不相连的线路连接了,导致以上的结果,断开后一切正常。
4、二极管灯变换的时间过长,实际的要求时间为0.5~2s,后面经过调解第二个555上的变位器,改变了系统的检测时间间隔,大约2s。
七、结论与心得
布线心得:
器件要恰到好处,使作品美观方便;
布线要有合适的间距,印制电路会比较简单;
走线的时候注意一些技巧,在没有影响的情况下可以让线从管脚中穿过;
需要绕线的地方可以使用跳线来简化布线过程
焊接心得:
不要把不相连的点挂接;
焊接时烙铁温度不要太高,焊接时间不要过长,以免焊盘脱落和焊接时把器件烧坏;
焊接完成后要对电路图进行检测,看是否所有器件都是好的,看是否有挂接和虚焊的
整个设计过程下来,要弄懂每一个部分的原理和作用,包括芯片的作用以及管脚的布局,要进行扎实的计算和校核才能少出错误;
亲自动手完成了电路从设计、仿真、制版、调试等一系列的流程,深刻地理解了电路设计的具体过程及注意事项,在不断地调试以及电路设计的尝试中,自己的动手能力以及理论知识都得到了巩固。
同时,由于最初的PCB图有一些错误,导致后面的焊接和调试出现问题,我想今后会更加注意最初的根基,要扎实地一步一步来。
参考文献
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[3]周淑阁、杨栋、王晓燕,模拟电子技术实验教程.东南大学出版社2008.2
[4]从宏寿、李绍铭,电子设计自动化—mutisim应用.清华大学出版社
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