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目录
一、设计任务和要求……………………………………………………………………….…...1
1.1设计任务…………………………………………………………………………………….….1
1.2设计要求……………………………………………………..…………………..…………...1
1.温度控制系统…………………………………………………………….…….1
2.抢答器电路……………………………………………………………………...1
二、设计的作用和目的……………………………………………………………………….1
三、设计的具体实现……………………………………………………………………………2
3.1系统概述………………………………………………………………………………..2
3.2单元电路设计(或仿真)与分析…………………………………………….………3
3.1.1温度控制系统………………………………………………………………….3
1.电路设计………………………………………….………………………....3
2.单元电路分析……………….……………………………………………...4
3.电路总体设计电路图………………………………………………….….4
3.3.2抢答器电路设计…………………………………………..............................…5
1.电路设计………………………………………………………………….….5
2.单元电路分析…………………………………………………………..…..6
3.电路总体设计电路………………………………………………………10
3.3电路安装与调试…………………………………….…….......11
四、心得体会…………………………………………………………………………….……….13
五、附录(器件清单)………………………………………………………………….…..14
六、参考文献……………………………………………………………………………………..16
一、设计任务和要求
1.1设计任务
本次课程设计分为两个部分,设计一个温度控制系统和一个可供四人抢答的抢答器。
1.2设计要求
1.温度控制系统
(1)设计一个具有温度检测、放大、与控制功能的温度检测系统。
用负温度系数热敏电阻作为温度传感器检测温度,用检测到的温度信号控制加热或保温。
(2)利用光敏传感器和外围电路,实现对温度采集和控制作用。
(3)当光照变化时,光敏电阻阻值会发生变化,相当于滑动变阻器,阻值变化导致输出电压变化,从而实现在保温与加热之间进行切换。
(4)采用两个发光二极管作为加热与保温的提示信号。
2.抢答器电路
(1)利用触发器、与非门、数码管组成电路。
(2)数字抢答器允许在规定的时间内进行抢答,可以用数码管显示抢答者的序号,并配有相应的灯光指示。
(3)当选手按下抢答器后,电路封锁其他各组的抢答信号,其他选手的抢答信号无效,当抢答完成后,主持人手动进行清零。
二、设计的作用、目的
通过课程设计,使学生加强对电子技术电路的理解,掌握电子线路的设计方法和一般过程,能灵活运用自己所学过的知识构成实际电路实现上述功能,并利用仿真软件进行仿真,学会查询资料,方案比较,提高自己解决实际问题的能力。
1.在学习了课程后,为了加深对理论知识的理解,学习理论知识在实际中的运用,培养动手能力和解决实际问题的经验。
2.熟悉温度控制的工作原理,选择合适的元件,绘制系统电路原理图,进行软硬件系统的设计和调试,提高自己的应用知识能力、设计能力和调试能力。
3.学习数字电路中的优先编码器、锁存器、施密特触发器、译码器、数码管的综合应用。
4.学会温度检测系统的测量和调试方法,掌握滞回比较器的性能和调试方法。
5.熟悉抢答器的工作原理。
6.了解数字系统设计,掌握调试及故障排除方法。
三、设计的具体实现
3.1温度控制系统
方案论证
方案A:
根据设计要求,利用LM324芯片,光敏传感器,电位器,三极管,电阻组成
电路。
原理介绍:
当光照变化时,光敏电阻阻值会发生变化,相当于滑动变阻器,阻值变化导致运放输入端电压发生变化,使运放输出电压变化,再经过两次倒相,使输出信号变化,从而实现在保温与加热之间进行切换。
此方案简单易行,采用原件少,价格便宜,成本低,适合于精度不高的简单温控电路。
方案B:
以单片机为核心的温度监控系统,设计大体可分为三个部分,即温度采集,
单片机处理,数码显示。
温度采集部分利用DS18B20温度传感器进行温度采集,
感知温度,后将信号传递给STC89C51单片机进行处理计算,最后利用数码显示
出温度数值。
系统框图如下所示:
图1温控系统
此方案用单片机进行控制,18B20温度传感器采集温度,控制精度高,速度快,但是电路设计复杂,成本也较高。
综合以上两种方案,结合本次设计,选择方案A。
3.2抢答器电路设计
四路抢答器是供四人用的竞赛抢答器装置线路,用以判断抢答优先权。
本设计的四路抢答器由,抢答开关KEY1-KEY4,主持人控制清零开关S控制电(74LS175芯片),逻辑与非门,数码管显示电路等模块组成。
它有四部分构成:
4个D触发器74LS175芯片,它具有置0端和CP端;
1个双4输入与非门74LS20,一块芯片中有两个独立的与非门;
1个2输入与非门74LS00,一块芯片中有4个独立的与非门;
一片74LS48芯片;
四个轻触开关,它们组成抢答电路中的CP时钟脉冲源。
总体设计框图如下:
图2抢答器结构框图
上图为供4人用的智力竞赛抢答器的整体框图,用以判断抢答优先权,抢答开始时,由主持人清除信号,按下复位开关,74LS175芯片的输出Q1~Q4全为0,数码管显示数值0。
当主持人宣布“抢答开始”后,首先做出判断的参赛者立即按下开关,数码管显示对应序号,同时,通过与非门送出的信号锁住其余3个抢答者的电路,不再接受其他信号,直到主持人再次清除信号为止。
3.3单元电路设计(或仿真)与分析
3.3.1温度控制系统
1.电路设计
其电路可分为三大部分:
测温电路,比较/显示电路,控制电路。
利用光敏传感器,LM324芯片,电阻组成差分放大电路,输出信号经过两次反相后控制发光二极管的亮灭,两个LED代表加热与保温。
2.单元电路分析
温控电路由电位器、电压比较器、放大电路等组成,构成比较器和反相器的运放采用LM324芯片,芯片简介:
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器,具有真正的差分输入。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
芯片管脚图如下:
图3LM324管脚图
3.电路总体设计电路图(仿真图)如下所示:
图4温控系统整体电路图
电路工作原理分析:
利用光敏传感器,LM324芯片,组成电压比较器,当光照变化时,光敏电阻阻值会发生变化,相当于滑动变阻器,阻值变化导致运放U1A反相输入端电位发生变化,由于运放U1A同相输入端电位不变,为VCC/2,则当光敏电阻阻值发生变化时,运放U1A输出电压发生变化,再经过运放U1B和U1C的两次倒相,使最终输出信号变化。
电路刚供电后,光敏电阻阻值很大,运放U1A输出低电平信号,经过两次倒相后红使三极管基极电压为低,三极管截止,灯LED2正常发光,LED1灭;
由光敏电阻的特性可知,当光照越强光敏电阻阻值越小,当用手遮挡光敏电阻时,光敏电阻阻值变大,运放U1A输出为高电平,经过两次倒相后,运放U1C输出为高电平,三极管基极与射极导通,灯LED1亮,LED2灭。
两个小灯分别代表保温与加热,从而实现在保温与加热之间进行切换。
如果接一个小风扇和一个继电器,可以构成一个简易干手器。
3.3.2抢答器电路设计
1.电路设计
电路由选手开关电路、主持人开关电路、触发锁存电路、时间脉冲电路、显示电路组成。
图5抢答器原理框图
(1)选手开关:
此电路由4个开关组成,四位抢答者通过开断各自的开关实现抢答,给编码器输入高低电平,其中高电平为有效抢答信号。
(2)主持人开关:
此电路由1个开关和一个1MΩ的电阻组成,主持人通过开断开关控制数码管的清零。
(3)触发锁存电路:
此电路由4D触发器74LS175组成。
它具有以下功能:
1.清零功能(用集成触发器清除端实现,由主持人输入手动正脉冲控制)。
2.四个抢答键控制功能(有按键实现)。
3.脉冲信号控制功能(由主持人输入手动正脉冲控制)。
74LS175芯片简介:
74LS175是一个单向正沿触发的四D触发器、互补输出,有公用的时钟和公用的清零。
时钟的触发产生于特定的电压电平上,同脉冲的正跃变时间无直接关系。
当CP引脚输入上升沿时,1D-4D被锁存到输出端(1Q-4Q)。
不管时钟输入的电平是高或是低,D输入信号不影响输出。
管脚图如下:
图674LS175管脚图
逻辑功能表:
图774LS175真值表
(4)时间脉冲电路:
此电路由6路施密特反相器芯片74LS14D和电阻电容组成。
电路图如下:
图8时间脉冲电路
74HC14D芯片简介:
74HC14是一款兼容TTL器件引脚的高速CMOS器件,逻辑功能为6路斯密特触发反相器,其耗电量低,速度快。
74HC14遵循JEDEC标准No.7A。
74HC14实现了6路施密特触发反相器,可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。
管脚图:
图974HC14管脚图
6个基本单元的逻辑功能及标志:
图1074HC14真值表和逻辑符号
(5)显示电路:
此电路由7段显示译码器74LS48芯片和数码管组成,74LS48芯片驱动数码管,哪个选手按下按键,数码管显示对应的数字。
74LS48芯片简介:
74LS48芯片是一个十进制(BCD)译码器,可用来驱动共阴极的发光二
极管显示器。
74LS48的内部有升压电阻,因此无需外接电阻(可直接与显示器相连接)。
74LS48是输出高电平有效的译码器,其芯片管脚图如下:
图1174LS48管脚图
真值表如下:
图1274LS48真值表
(6)74LS20芯片简介:
74ls20是两个4输入与非门,内含两组4与非门:
第一组:
1,2,4,5输入6输出。
第二组:
9,10,12,13输入8输出
图1374LS20芯片管脚图
真值表:
图1474LS20芯片真值表
逻辑表达式:
Y=
(7)74LS00芯片简介:
74ls00是常用的2输入四与非门集成电路,他的作用很简单顾名思义就是实现一个与非门。
图1574LS00管脚图
图16与非门真值表
3.抢答器整体电路如下:
(Multisim仿真图)
图17抢答器总电路图
电路原理分析:
图中芯片74LS175为四D触发器,上升沿触发,KEY1,KEY2,KEY3,KEY4为抢答开关;
Q1非~Q4非是74LS175芯片的输出,
Q1非~
Q
4非
同时接入四输入与门U5A,其输出与外接CP信号同时输入与门U2D,与门U2D的输出接入74LS175的工作脉冲输入端CP;
S为主持人开关,当其打开时,+5v电源接入RD非,则RD非=1(高电压,无效信号);
74LS48D是7段显示译码器,用于控制数码管。
在进行抢答之前,KEY1,KEY2,KEY3,KEY4抢答开关全部打开接地(低电压),则Q1非~Q4非=1(低电压)。
由主持人清除信号,按下复位开关S。
由电路知,此时RD非=0,74LS175的输出Q1非~Q4非同时被置为1,数码管显示0。
当主持人宣布“抢答开始”后,首先做出判断的答题者立即按下抢答开关KEY,此时开关接通+5V电源,电流就会通过开关,进入触发器,整个电路就要工作了。
例如,KEY1开关被按下,则D1=1(高电平),使得Q1=l,Q1非=0,同时,Q
2非=1,Q3非=1,Q4非=1,经过与门U2A与U2B后,输入74LS48D的信号为1110,经过译码后使数码管显示数字1。
其他按键按下分析同理。
数码管显示对应的抢答者序号的同时,通过与非门74LS20送出信号锁住其余三个抢答者的电路,不再接受其它信号,直到主持人再次清除信号为止。
3.3安装与调试
通过查阅集成电路手册,标出图中各集成电路输入、输出端的引脚编号。
按图在面包板上连接电路,在插接器件时,要注意芯片的豁口方向,同时要保证芯片的管脚与插座接触良好,管脚不能弯曲或折断。
指示灯的正、负极不能接反。
在通电前先用万用表检查各芯片的电源接线是否正确。
在温度控制系统的电路连接中,一个芯片共有4个运放,要注意看清引脚标号,不要接错,LED的正负极不要接反,在制作干手器时,继电器与风扇要接。
在抢答器电路中,所有芯片均要供电,出现问题排除故障可按信息流程的正向(由输入到输出)查找,也可按信息流程逆向(由输出到输入)查找。
例如:
当有抢答信号输入时,观察数码管是否有示数,可用万用表分别测量相关与非门输入、输出端电平状态是否正确,由此检查线路的连接及芯片的好坏。
有时数码管时而有示数,时而无示数,这时候要检查那根线接触不良。
电路有问题时一定要耐心检查,要在实践中培养自己的严谨求实的作风和学习态度。
温度控制系统安装调试图:
抢答器电路安装及调试图:
四.心得体会
在课程设计的过程中,我遇到了很多问题,如:
搭接实际温控电路时,光敏电阻有时反应比较慢,对风扇的控制迟缓。
在搭接抢答器电路时,电路连接正常可是数码管就是不亮,反复检查好几遍也查不出原因,最后在别人的帮助下才发现是某个芯片不好使。
通过这次课程设计,我明白了一个道理:
做事情千万不能急躁。
就像在安装电路和布线的过程中,一开始,为了尽快完成布线这一环节,走线走得比较马虎,导致某些地方出现错误,结果后来要花费大量时间找出短路的地方,效率反而降低了。
明白这一点以后,我们在以后布线的过程中,抱以认真细致的态度,结果布线十分理想,再没有出现短路的地方。
通过这次课程设计,理解能力和动手能力都得到了提高,也加深了对课本知识的理解。
这次课程设计这次的实习是对学过的数字电子技术基本知识的应用,本来对数字电子技术中的有些东西就不太熟悉,通过这次实习,更深刻的了解了各种芯片的引脚、时序图、逻辑图以及功能表,能够用各种芯片以及触发器等组建逻辑电路。
这次的设计虽然短暂.但却是我第一次自己动手设计的电路,以前书本上的内容第一次完完全全的在实际中实现.在设计过程中,遇到了书本中不曾学到的情况。
对于设计的温控系统和抢答器,这些都是在现实生活中非常常用的,通过这次实习我深刻的了解了它的工作原理,体会到数字电子技术对当代社会发展的重要性。
并学习了运用软件测试、调试、改进电路。
培养了独立思考、分析、解决问题的能力,并培养了我们的动手能力。
在这里,再一次感谢我们指导老师的讲解和帮助!
五.附录
1.温度控制电路元件清单表
序号
名称
型号
数量
备注
1
小风扇
2
电阻
6
2kΩ
10kΩ
200Ω
3
三极管
2SC8050
4
电位器
5
电源
+5V
彩灯
红绿各一个
7
集成芯片
LM324
8
继电器
2.抢答器电路器件清单表
74LS175集成芯片
1个
74LS20集成芯片
74LS00集成芯片
74LS14D集成芯片
6个(200Ω4个、10kΩ1个、1kΩ1个、)
电容
1个(1uF)
开关
5个
面包板
2块
7段数码管
74LS48七段显示译码器
六.参考文献
[1]何召兰、张凯利《电子技术基础实验与课程设计》高等教育出版社2012.9
[2]房国志《模拟电子技术基础》国防工业出版社2013.1重印
[3]阎石《数字电子技术基础》第五版高等教育出版社2006.5
[4]江国强.现代数字逻辑电路.北京:
电子工业出版社,2002
[5]王彩君/杨睿.数字电路实验.国防工业出版社.2006年7月
[6]韩克.电子技能与EDA技术.广州暨南大学出版社.2004年4月
[7]张著.数字设计-电路与系统[M].北京:
北京理工大学出版社,1992.131-155.