自动化电子系统课程设计报告.docx

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自动化电子系统课程设计报告

电子系统课程设计

实验报告

姓名：

学号：

班级：

指导教师：

佟毅

时间：

2014/06/19

1设计任务要求3

（1）基本要求3

（2）发挥部分2

2设计方案及论证3

（1）任务分析文字说明及理论计算2

（2）方案比较至少两种方案4

（3）系统结构设计文字说明及原理框图7

（4）具体电路设计完整电路原理图及文字说明9

3制作及调试过程16

（1）制作与调试流程16

（2）遇到的问题与解决办法16

4系统测试18

（1）测试方法含接线图18

（2）测试数据表格19

（3）数据分析和结论21

5系统使用说明22

（1）系统外观及接口说明2-3张实物照片22

（2）系统操作及使用说明23

6总结24

（1）本人所做工作24

（2）收获与体会24

（3）对本课程的建议24

7参考文献24

1设计任务要求

（1）基本要求

a）设计数据传输监测电路，与报警显示电路。

检测信号为模拟信号（可以是温度t直流电压VDC、交流电压VAC、要求为：

正常直流电压：

VDC=（1.5～5）V，显示直流电压值,指示灯5灯依次流水往复,流水速度0.5秒。

当VDC<1.5V时，显示直流电压值,指示灯3灯依次流水往复,流水速度1秒。

报警。

报警模式为单音连续音响。

当VDC>5V时，显示直流电压值,指示灯7灯依次流水往复,流水速度0.2秒,并且间歇闪烁，间歇时间为流水3秒间歇1秒。

报警。

报警模式为模拟救护车音响。

b）检测信号为交流电压实现以上功能。

c）实现无线传输异地报警。

（2）发挥部分

a）正常工作温度：

室温,显示温度值。

当t>30oC时，报警。

报警模式为模拟救火车音响。

b）实现无线传输异地报警。

（自主实现调制、解调部分）。

c）自动循环监测3路数据。

2设计方案及论证

（1）任务分析

根据任务要求，系统应该包含如下几个模块以实现规定功能。

分别是温度传感器模块，交直流转换模块，电压（温度）显示模块，报警蜂鸣器模块，报警灯模块，无线传输模块等。

以下为各模块功能和实现原理分析。

a）温度传感器模块：

核心为温度传感器，由温度传感器输出根据温度而变化的电压信号，经过适当放大和整流，作为后续模块的输入信号。

b）报警蜂鸣器模块：

蜂鸣器一共有三种报警模式，分别是单音连续、模拟救火车和模拟救护车。

单音连续需要对蜂鸣器输入稳定持续电压，较为简单。

救火车声音的基频在高频与低频之间连续变化，需要进行调频。

救护车声音有两个不同频率，基频大约分别为400Hz和800Hz，需要两个振荡源。

c）报警灯模块：

流水灯共有三种工作方式。

根据不同的输入电压有不容的工作方式，三种方式下由一个统一的时序进行控制，所以取满足各个流水变化的振荡频率10Hz。

d）交直流转换模块：

以峰值检波模块为核心构成。

e）电压（温度）显示模块：

以ICL7107芯片为基础，类似于万用表表头电路，将输入电压通过四位数码管显示出来。

（2）方案比较

根据对任务要求初步分析，针对不同模块，根据个不同的思路产生了几种不同的方案如下。

a）无线传输模块

●方案一：

购买使用集成无线传输模块。

●方案二：

设计调制解调电路，完成数字信号传输。

经过分析，调制解调电路原理复杂，涉及知识并未掌握，所以设计制作难度较大，故选择直接购买集成无线传输模块。

b）电压（温度）显示模块

●方案一：

使用集成芯片ICL7107，仿照数字电压表表头设计，直接将电压信号在四位数码管上显示。

●方案二：

使用ADC0809芯片，完成AD转换，将电压值（模拟信号）转化为数字信号，再通过74LS47译码电路在数码管上显示出来。

方案一电路简单成熟，只需一片7107芯片，集成度很高，制作方便，稳定性好,显示精度很高，几乎与万用表一致。

同时可以通过调节外接电阻、电容大小选择不同量程，方便调零校正。

而方案二使用ADC0809芯片，电路比较复杂，不方便制作。

最大的缺点是模数转换精度问题，有可能引起显示数字与电压实际值出现较大偏差。

故最终决定选用方案一。

c）交直流转换模块

●方案一：

使用二极管整流桥和滤波器滤波，得到直流为原来交流电压的有效值。

●方案二：

使用检波电路，筛选出交流信号有效值和峰值，作为模块的输出信号。

检波电路灵敏度比较高，电路简单，所以选择方案二。

d）温度传感器模块

●方案一：

以温度传感器AD590作为核心。

●方案二：

以温度传感器LM35作为核心。

●方案三：

以热敏电阻为核心，通过电阻值变化反映温度变化。

热敏电阻在温度变化范围不大时基本可以看做阻值随温度线性变换，但是缺点在于难以建立温度值和电路输出值的关系，然而采用成熟的温度传感器可以克服这个问题。

方案一中AD590输出的电流信号，调节系数为1µA/K，25°C时输出298.2µA电流。

方案二中LM35输出为电压信号，调节系数10mV/K。

为方便设计采用方案二。

e）模数转换：

系统应通过不同的输入电压进行不同的显示和发声，所以必须有把模拟信号转换为数字信号以进行不同的控制。

●方案一：

使用ADC模数转换芯片，优点是精度高，数字信号为8位。

●方案二：

使用电压比较器进行转换，将模拟量转换为两位数字信号输出，共有四种状态，即00,01,10,11。

本次设计仅仅需要数字量的三种状态，而且对分辨率要求不高，故ADC芯片不仅无法发挥其优势，而且会增加电路的复杂度。

所以采用方案二，使用运算放大器将输入电压与基准电压进行比较。

f）流水灯时间控制

●方案一：

针对三种控制要求设置三个不同的时钟，根据电压大小选择三路时钟信号进行输出。

三路时钟信号的周期分别为1s，0.5s和0.2s。

●方案二：

只设置一路时钟信号，周期为0.1s，根据输入信号电压大小进行2、5、10分频，即可以产生周期为1s，0.5s和0.2s的三种时钟信号。

方案一使用较多模拟器件，无疑降低了电路的稳定性，增加不确定因素，比较不利于后期调试。

故选择方案二，使用计数器和逻辑门搭配产生不同分频效果。

g）流水灯数量控制

●方案一：

从译码器的输出接反馈到流水灯的计数器上，使用与或门来控制整体的运作。

●方案二：

由于已经将模拟信号转换为了两路数字信号，所以使用数据选择器来进行数据反馈线路的选择。

方案二使用芯片数量较少，电路制作较容易，故选用方案二。

h）基准频率发生

●方案一：

使用555定时器计时产生振荡。

●方案二：

使用晶振。

由于本系统所需要时钟频率非常低（100Hz一下），而晶振频率普遍较高，所以晶振并不合适。

故选用方案一。

i）单音连续和救护车音响发生

●方案一：

将2片555分别连接成多谐振荡器，在2片555之间添加一个PNP管构成的功率放大电路。

第一片的作用是控制高频声音的持续时间；第二片555的作用是控制高低音的频率，驱动蜂鸣器发出响声。

●方案二：

将1片555连接成多谐振荡器，此外用PNP管、NPN管、电阻、电容构成一个可控式反馈音频振荡器。

当555输出低电平时，PNP不导通无法起振，当555输出高电平时，音频振荡器开始震荡，驱动蜂鸣器发出声响。

方案二使用模拟元件较多，实物电路效果难以保证，而方案一以555芯片作为音频振荡器，使电路大大简化，可行性高，故选择方案一。

j）救火车音响发生

●方案一：

直接用2片NE555芯片（构成多谐振荡器），若干电阻、电容（确定频率），蜂鸣器构成救护车报警声模拟电路。

●方案二：

由集成运放组成三角波发生电路，由555组成多谐振荡器，以及若干电阻、电容，一个蜂鸣器。

方案一所使用元件较少，而且便于调试，故选择方案一。

（3）系统结构设计文字说明及原理框图

a）

温度传感器模块结构

如图2-3-1温度传感器模块流程图所示，温度信号通过温度传感器转变为电压信号，经过放大电路进行适当放大，作为了电压显示模块的输入，通过电压值表示当前温度值。

同时输入温度比较电路，根据电压信号大小对报警和流水灯模块进行不同类型的控制，即声光控制。

b）

电压（温度）显示模块结构

如图2-3-2电压（温度）显示模块流程图，模块接收直流电压信号，输入ICL7107芯片。

该芯片作为集成芯片和少量电阻电容原件搭配完成了AD转换，译码等工作直接将输入电压值在四位数码管上显示出来。

c）

流水灯控制模块结构

如图2-3-3流水灯控制模块流程图。

该模块根据电压信号大小，经过控制电路向LED组合输入不同的控制信号，实现流水灯效果。

同时，时钟频率输入用来控制流水灯变化速度。

d）无线传输模块结构

如图2-3-4

无线传输模块流程图。

电压信号经过比较电路后得到电压相对值作为无线模块发射端的输入，经过调制解调等过程被接收端接收，形成报警电路的输入，控制是否报警及报警方式。

e）

系统总体结构

如图2-3-5系统总体流程图，将各模块功能集成起来。

系统可以大致分为三层，分别是输入层，控制层和输出层。

输入层包括交直流输入，温度传感器电路等，控制层包括7107芯片电路，流水灯控制电路，电压比较电路等，输出层包括四位数码管，LED组合，报警电路等。

（4）具体电路设计完整电路原理图及文字说明

a）时钟频率发生电路

图2-4-1时钟频率发生电路

图2-4-1所示为始终频率发生电路，该电路是由555定时器构成的多谐振荡器。

接通电源后，输出假定是高电平，则T截止，电容C1充电。

充电回路是VCC—R1—R2—C1—地，按指数规律上升，当上升到2Vcc/3时（TH、端电平大于Vc），输出翻转为低电平。

Vo是低电平，T导通，C1放电，放电回路为C1—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到Vcc/3时（TH、端电平小于Vc），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡。

且经过计算可知，其输出高电平的时间为t1≈（R1+R2）*C*0.7,输出低电平的时间t2≈0.7*R2*C,所以总的周期为T=t1+t2.本系统中需要频率10Hz的方波，经过计算设置电阻电容大小如图2-4-1所示，在实际调试中用电位器校正频率数值。

b）电压比较电路

图2-4-2电压比较电路

如图2-4-2电压比较电路，使用运算放大器组成电压比较器。

本电路中，放大器采用开环回路状态工作。

这种状态下输入输出关系如式2-4-3所示。

（式2-4-3）

式中Aog为运放的开环回路差动增益，其数值非常高，所以即使输入端差动很小也会让输出信号饱和。

图中U3A和U3B的反向输入端电压分别是1.5V和5V，作为临界电压。

模拟信号输入小于1.5V时U3B输出低电平（0V），大于1.5V时U3B输出高电平（12V），模拟信号大于5V时U3A输出高电平（12V）。

-由于输出12V过大，所以在输出端后加入稳压二极管，使高电平稳定在5.1V左右。

c）电压（温度）显示电路

如图2-4-3电压显示电路所示，电路核心是ICL7107芯片。

该芯片作为电压显示模块时有两种工作模式，量程分别为199mV和1.99V，不同量程对应不同基准电压。

本次设计在28和29号管脚分别接入470kΩ电阻和47nF电容，即选择了2V量程，基准电压为1V。

但是系统输入电压较大，显示范围应该达到19.99V，

故在输入端接入分压电阻减小输入电压，并用电位器校零。

d）无线传输模块电路

图2-4-4无线发射模块电路

图2-4-5无线接收模块电路

如图2-4-4和图2-4-5。

无线传输部分由发射电路和接受电路两部分构成，其中使用了调制和解调芯片PT2262和PT2272。

根据芯片手册，两个电路电阻均为通用阻值。

一共发送三路消息，分别为两个比较器的输出信号。

同时用74LS153数据选择器对单音连续和救护车报警电路进行控制。

e）救护车及单音连续报警电路

图2-4-6救护车及单音连续报警电路图

如图2-4-6是救护车及单音连续报警电路。

两路报警电路都是由555定时器构成的多谐振荡器，其原理与时钟频率发生电路基本一致。

但是第一片555定时器的输出是经过一电阻接入第二片的CON端，所以电路如下工作过程：

将两片的R端都接入高电平，当U1输出高电平时，使U2片内比较电平提高，从而U2的振荡频率降低；当U1输出低电平时，使U2片内比较电平降低，致使U2的振荡频率提高，结果使蜂鸣器发出两种声调交替的声音，模拟救护车的声响。

将U1的R端接入低电平，U2的R端接入高电平，则U1不工作，U2一直保持同一个频率的输出，使得蜂鸣器保持一个不变的声音，为单音连续。

f）救火车报警电路

图2-4-7救火车报警电路图

第一级U1的多谐振荡器频率较低，THR外接的电容C1电压为充、放电指数曲线波形，经R1、R2两个电阻对C1的充电时间较长，而C1放电时仅经过R1电位器，放电时间短，经PNP管功率放大后，再通过PNP管的射极去控制U2的5号脚CON电压控制端，调制U2内部比较电压，当CON电压较低时，U2的输出频率随之升高，当CON电压较高时，U2的输出频率随之下降，由此使蜂鸣器发出高低音调连续变化的声音类似救火车的响声。

同时控制两个R端，使得高电平输入报警，低电平不反应。

g）交直流转换电路

电路采用峰值检波的方式将交流信号转变为直流信号，所产生直流输出为交流信号的峰值。

电路以LM339集成的电压比较器为核心，正向输入端电平高于反向输入端时，输出低电平，反之输出高电平。

输入电压上升时，U1A输出低电平，U2A输出为高电平，此时电容C1充电，使输出电压增高。

而当输入电压下降时，U1A输出为高电平，C1继续保持高电压，电路输出也维持在输入高峰时的值。

电容C2起滤波作用，减少输出电压的谐波。

最后U2B作为电压跟随器，分离前后级，保证电路输出准确。

图2-4-8交直流转换电路

h）温度传感器电路

图2-4-9温度传感器电路

如图2-4-9是温度传感器电路。

采用LM35作为温度传感器，其输出为一个随温度变化而呈线性变化的电压信号，调节系数10mV/K。

由于LM35输出电压较小，抗干扰的能力比较差，所以对电压进行10倍放大，即温度上升1K，电压升高0.1V。

之后通过电压比较器判断温度是否超过30℃（电压3V），若超过则输出高电平启动报警电路。

i）流水灯电路

图2-4-10流水灯电路

计数器U6为用于分频，计数器U1和U2共同构成了一个串行8位的移位计数器，由于计数器是可以自启动的，所以整体的电路并不需要进行预制。

数据选择器U8用于在不同的信号的时候进行不同的配置。

它的上半片用于控制反馈电路来控制显示的灯数，在U1的通路到达需要的通路（均为需要的灯数的下一路）的时候，将U1和U2清零，再进行下一轮计数。

U8的下半片用于控制闪灯的频率。

3制作及调试过程

（1）制作与调试流程

实物制作是本次课程设计的重要环节，经过前期根据所需功能进行的电路设计，仿真实验，积累了各模块的若干电路图。

在此基础上开始实物制作和调试过程，基本可以有以下几个方面：

●分块焊接：

各模块分别制作，同时根据各模块的功能，将功能相近的模块尽量安排在一块电路板上，以方便测试。

●分块测试：

分块测试有两个过程。

首先由小组其他成员用万用表对焊接电路进行排查，检查是否有短路或虚焊，是否有错接或漏接现象。

在确认焊接正确后将电路接入电源和输入信号，观察输出是否正确。

●分块调试：

得到初步测试的结果后，对出现的现象进行分析。

实现相应功能的模块可以通过测试。

针对未实现既定功能的模块，需要根据测试现象从输入端开始逐步排查可能出现的错误原因。

可以采用控制变量法，即改变电路某一处参数，检测输出是否有相应的改变，若没有或者输出变化不正确，即可确定该处出现问题。

●整体调试：

在解决各模块问题的基础上，将各模块按系统流程图连接，按照设计要求逐步测试系统的各项功能。

如果出现部分功能不全，应将本功能所涉及模块单独连接，再进行调试，方法仿照分块调试时所使用方法。

●拼接组装：

所有规定功能完成后，将各模块所焊接的电路板连接起来。

需要注意的是某项功能所涉及模块应尽量缩短空间距离。

（2）遇到的问题与解决办法

a）流水灯时间不准确

●问题描述：

在电路仿真时流水灯的时间较准确，但实际焊接出来与要求的流水时间差距较大，经过测试后发现相应的芯片工作正常。

●解决方法：

首先对原理电路进行整体优化，因为作为振荡电路输入的555芯片如果不准确，而其输出频率见式3-1-1。

f=1.43/（R1+2*R2）*C（式3-1-1）

必然导致输出的频率不准确，所以我们对555芯片的R1，R2，C元件的相关参数进行调整，其中将R1电阻由固定阻值的电阻换成了可以调节阻止的滑动变阻器。

另一方面我们考虑到时间不准确是因为分频电路存在缺陷，所以对分频电路进行了调整，因为输入的信号10Hz，所以将原电路的2，4，8分频改成了更精确的2，5，10分频，从而使流水灯的时间更精确。

b）流水灯功能存在缺陷

●问题描述：

将流水灯接通电源以后，发现有错误状态如流水灯乱闪或者流水灯不闪。

●解决方法：

因为此流水灯电路由数字电路控制，所以首先想到是出现了竞争与冒险现象，除了竞争与冒险现象，作为控制电路的74LS194芯片，其异步清零方式也存在一定缺陷。

所以我们在电路图中加入了控制开关作为流水灯的复位端，对电路的输出统一控制端。

再次对流水灯进行测试时，我们发现当加入开关后，尽管刚开始有少量错误状态，但通过开关的控制很好的解决了这个问题。

c）电压显示模块不正常

●问题描述：

当把电压显示模块上电测试的时候，发现数值不准确，误差很大，而且数码管的显示存在错误状态。

●解决方法：

经过测试发现将参考电压以及测试电压降低之后即有示数，超过相应的参考电压，示数就存在错误。

仔细阅读手册后发现，发现我们对7107芯片的参考电压、量程等设计存在错误，顾将参考电压减小，同时对输入电压进行分压，使其整体符合设计要求。

同时将其中的R1电阻换成了滑动变阻器，便于对示数进行进一步调节，在修改之后示数正常且正确。

d）无线传输模块不工作

●问题描述：

在将无线接收模块上电测试的时候发现没有信号不能顺利传输与接收。

●解决方法：

因为对传输模块的PT2262与PT2272不是很熟悉，所以我们先对电路进行了检查发现并无错误，并且我们发现无线传输的输出正常，但无接收信号或者接收到的信号较小。

我们推测是发射模块的信号强度不够，于是我们对传输模块的天线进行了调整，之后发现传输模块正常，能正确控制报警电路。

e）AC-DC效果不好

●问题描述：

我们采取的是峰值检波电路，但测量时发现输入与输出不稳定。

●解决方法：

因为电路有输出且各芯片工作正常，因此判定为电路设计有缺陷，因此我们在峰值检波电路的输出端加入了一个电压跟随器，使输入与输出互不干扰，从而减小了误差。

再次测量发现示数较稳定。

4系统测试

（1）测试方法与接线方法（实物图）

按原理图接好相应的导线，其中电源线与地线一定要仔细检查好，不能出现短接，漏接，错接的情况，否则将会烧坏芯片，甚至烧坏电路板。

（实物图如下）

（1）测试数据表格

a）直流输入

●AD转换数字显

输入电压/V

1.00

3.78

5.98

7.33

9.20

11.79

14.58

显示电压/V

1.01

3.78

5.96

7.33

9.21

11.78

14.55

表4-1-1直流AD转换数字显示测试数据

●报警电路

输入电压

0.3

1.3

2.3

3.3

4.3

5.3

6.3

报警声音

单音连续

无声音

救护车音

表4-1-2直流报警电路测试数据

●监测电路

输入电压

0.3

1.3

2.3

3.3

4.3

5.3

6.3

流水灯表示

3灯依次流水往复，流水速度慢。

5灯依次流水往复，流水速度较慢。

7灯依次流水往复，流水速度较慢，并间歇。

表4-1-3直流监测电路测试数据

b）交流输入

●AD转换数字显示

输入电压/V

1.30

3.74

5.66

7.21

9.34

10.79

15.38

显示电压/V

1.31

3.73

5.63

7.21

9.34

10.78

15.35

表4-1-4交流AD转换数字显示测试数据

●报警电路

输入电压

0.2

1.2

2.2

3.2

4.2

5.2

6.2

报警声音

单音连续

无声音

救护车音

表4-1-5交流报警电路测试数据

●监测电路

输入电压

0.2

1.2

2.2

3.2

4.2

5.2

6.2

流水灯表示

3灯依次流水往复，流水速度慢。

5灯依次流水往复，流水速度较慢。

7灯依次流水往复，流水速度较慢，并间歇。

表4-1-6交流监测电路测试数据

c）无线传输

输入电压

0.2

1.2

2.2

3.2

4.2

5.2

6.2

是否有声音

有声音

无声音

有声音

报警声音

单音连续

无声音

救护车音

表4-1-7无线传输测试数据

d）温度测量与报警

准确温度

25.0

27.0

29.0

31.0

33.0

35.0

测量温度

26.3

28.4

29.8

32.1

34.2

36.4

报警声音

无声音

救火车音

表2-4-8温度测量与报警测试数据

（2）数据分析和结论

a）直流输入

●显示模块基本能正确显示出相应的电压值。

●流水灯的基本检测作用基本能完成，但流水灯的流的水速度比较缓慢，不符合要求，这应该是分频电路的分频效果存在误差，或者555的输出信号频率不够准确。

因此在后期的电路调试中我们改变了555电路相应的R1、R2、C参数，并对分频电路进行了优化。

●报警电路功能正常。

b）交流输入

●显示模块基本能正确显示出相应的电压值

因此在后期的电路调试中我们改变了555电路相应的R1、R2、C参数，并对分频电路进行了优化。

●报警电路功能正常。

c）无线传输模块

●能准确完成相应的无线传输功能，并实现报警功能。

d）温度测量与报警

●可以看出整体的的测量温度比实际值稍大，这一部分除了温度传感器器自身的误差以外，还与电路的设计有关，经过检查

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