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实验报告

电子电路实验3

综合设计总结报告

题目：

8路巡回检测、报警系统的设计与实现

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学长奉献，愿作为模板参考，不要抄袭，复制，老师有存档。

一、摘要

多通道巡回检测、报警系统在现实生活中有着很广泛的应用，比如供热管道的温度监测，可实时得知不同干路的温度，一旦超出设定的范围便发出警报，提示人们去排除故障，以防发生事故。

再比如炼油厂各个输油管路的压力监控，道理亦如此，应用该套系统可使得管道的压力控制在正常范围之内，实现安全生产。

该系统集电子、传感器、通信等技术于一身，是现实生活中较为通用的技术之一。

总体上说，该系统由基础数字电路、电压比较器电路、传感器电路三大部分组成。

基础数字电路部分由时钟发生电路、计数器、译码显示电路、数据选择器等部分组成。

电压比较器电路是用模拟电路的知识搭建的一个上下限值可调的窗口电压比较器。

传感器电路是利用传感器的知识搭建的一个桥式检测，正向比例放大的信号检测及处理电路。

该系统的基本功能是传感器将检测到的物理量（比如温度、压力）转换成电压信号，将其传送给电压比较器，电压比较器将该电压值与设定的上下限电压进行比较，若超出设定的范围，输出一个低电平信号给数据选择器的相应通道。

基础数字电路完成的是对所有的通道实现巡回检测，一旦发现有低电平信号输入，便停止检测，显示相应的通道编号并进行报警，直至故障解除（比如温度、压力恢复到正常值），通道输入为高电平时，才解除警报，继续巡回检测。

除了上面提到的两方面应用之外，凡是要实现多路基于传感器对物理量值的检测与监控，都可用到该系统。

二、设计任务

2.1设计选题

选题八8路巡回检测、报警系统的设计与实现

2.2设计任务要求

设计一个8路巡回检测系统，能够对多个通道的工作状态（如温度、压力）是否正常进行巡回检测。

当某一通道出现故障（如超温、超压）时，由巡回检测系统发出报警并显示故障的通道号。

1、基本要求：

（1）8路通道工作状态模拟：

用8路拨码开关模拟8路通道的工作状态是否正常，通常用“1”表示正常情况，“0”表示异常状况。

（2）对8路通道的工作状态实现巡回检测，并且检测周期不超过8秒。

（3）当某一通道出现故障（如超温）时，停止检测，并且发出报警和显示故障的通道号。

2、扩展要求1：

（1）8路通道工作状态模拟：

其中1路采用滑动变阻器实现工作状态传感器获得的电压信号输出，当这1路输出电压通过电压比较器和预设电压进行比较后，模拟量转换为“0”或“1”的数字量（“1”表示正常情况，“0”表示异常状况）；其余7路通道的工作状态用拨码开关模拟。

（2）电压比较器：

可设定上、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。

扩展要求2：

实现1路热电阻Pt100的测温电路。

三、方案设计与论证

图1

利用555定时器，将其接成多谐振荡器，产生占空比为50%的方波作为时钟信号，并将该信号作为74LS160计数器的时钟输入，使其在时钟信号的作用下实现八进制计数，计数的状态由74LS47译码后接一共阳数码管，实现计数状态的显示。

同时计数器的输出还作为74LS151数据选择器的地址输入，实现数据选择器各个通道的轮流选通，数据选择器的一个输出端用来控制计数器的工作状态，决定计数器是否进行计数，另一个用来控制蜂鸣器的工作状态。

具体的系统结构框图如图1所示。

四、电路单元参数的选定和设计实现

图4系统软件程序流程图

4.1时钟发生电路

利用NE555接成多谐振荡器，其中电容的充放电回路利用二极管使其相互分开，并且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。

具体电路如图2所示。

图2

根据公式T充=0.7×R1×C1，

T放=0.7×R2×C1，

T=0.7×（R1+R2）×C1，

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，这里我设定的周期为0.3秒。

实验器材所能提供的最大电容为104陶片电容，即0.1uF，采用两个电容并联来得到0.2uF的电容，根据上面的公式可求得所需电阻为1MΩ左右，实际中选择了910kΩ的。

仿真的波形如图3所示。

图3

4.2计数器+译码显示

电路

图4

因为需要完成8路巡回检测，故需要一个8进制计数器，这里选用了74LS160十进制计数器，通过在最高位输出端QD处接一反相器74LS04然后接到计数器~CLR端，通过异步清零来实现8进制计数的。

计数器的输出分别送给数据选择器的地址端和显示译码器的输入端，显示译码器的控制端全接高电平，输出端接限流电阻后再接一共阳数码管即可。

具体电路如图4所示。

数码管分压电阻参数的计算：

红色发光二极管正常工作时的电流约为10mA,电压约为1.7V，

则分压电阻上的压降为：

5V-1.7V=3.3V，

由R=U/I得，分压电阻的阻值为：

3.3V/0.01A=330Ω。

用multisim的仿真结果是计数器能够实现八进制计数，数码管上能够循环显示0~7的数字，说明电路设计的正确。

4.3数据选择器+拨码开关电路

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。

由于高电平为正常，低电平为异常，在正常情况下蜂鸣器应该不响，故蜂鸣器应接到~W端，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。

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，则该通道被认为接低电平，若断开，则该通道被认为接高电平。

具体电路如图5所示。

图5

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9013，偏置电阻取1kΩ。

4.4窗口电压比较器电路

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，利用学过的模电知识，选用两片运算放大器接成具有不同阈值的电压比较器，然后再把这两个电压比较器通过一定的连接即可。

这里的运算放大器选择LM324，采用单电源供电。

由于要求阈值的上下限可调，故应该选择滑动变阻器构成的分压器电路。

实际检测时发现二极管的输出端高电平为3.20V，而低电平为1.28V，所以采用了三极管放大电路，实际使用的三极管为9013。

具体电路如图6所示。

图6

仿真的结果从图中可以看出，当输入电压为3.497V时，其值在2.999V~3.999V之间，应输出高电平，输出电压表示数为5.000V，表明符合题目要求。

4.5温度传感器电路

温度传感器选用的是PT100，利用其与其他电阻搭成一个桥式电路。

当温度升高时，PT100的阻值变大，两桥臂间的不平衡电压也随之变大，但由于该电压值很小，为毫伏级的，故在其后面应该加一个放大电路，使输出电压为伏特级的。

设计的初衷是当温度为0℃时，输出为0V，温度为100℃时，输出为5V。

具体的电路如图7所示，图中利用利用200Ω电位器来模拟PT100。

根据PT100的分度表，0℃时对应的阻值为100Ω，100℃时为138.51Ω，故在仿真时，200Ω电位器的调节范围只能是50%~69%。

查资料得知，PT100正常工作时的电流应小于5mA，故桥臂上的电阻值选择1kΩ。

根据实际的仿真，确定的放大器的放大倍数为33倍，考虑到阻抗匹配，放大器的电阻值分别取10kΩ和330kΩ。

图7

五、装调测试过程

5.1测试仪器

（1）示波器：

TDS3502B500MHz

（2）电源：

EM1712DC（3）万用表

5.2时钟发生电路的测试

时钟发生电路加上5V电压后，在输出端（NE555的3号引脚）用示波器测量便可得到图9所示的方波波形，测其周期为308.0ms，在误差允许范围内，可认为与设计的值300ms相符。

时钟发生电路的实物部分与实际测量的波形分别如图8、图9所示。

图8时钟发生电路的实物图

图9时钟发生电路的输出波形

5.3计数器+译码显示电路的测试

该部分电路测试的时钟输入既可用信号发生器输出的方波，也可用上面已验证过的时钟发生电路输出的方波。

实际中我采用的是时钟发生电路产生的方波时钟信号。

在确保电路供电之后，计数器74LS160在时钟信号的作用下，开始进行计数，并将计数状态送给74LS47进行译码，然后交由数码管进行显示。

正常情况下，当计数器ENP端电平为高时，数码管上不断地循环显示着0~7这八个数字。

该部分电路的实物图及测量过程图分别如图10、图11所示。

图10计数器+译码显示电路实物图及状态显示

图11计数器+译码显示电路实物图及状态显示

5.4数据选择器+拨码开关电路的测试

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。

具体的实物电路及检测过程如下图所示。

图12数据选择器+拨码开关电路实物图

从图12中可以看出地址输入为011（黄线接地，TTL悬空为高电平），即选通的数据通道为D3，下面要检测的是输出端Y的电平是否随着D3端的电平变化而变化。

图13D3通道的输入电压

从图片中可以看出，拨码开关4#键向上打开，电气上已接地，认为D3通道输入为低电平，实际电压表测得的电压亦是0V。

图14数据选择器输出端Y的电压

图15数据选择器输出端~W的电压

从图14可以看出数据选择器输出端Y的电压为0.17V，可认为是低电平，与D3通道的输入电压一致。

从图15可得，输出端~W的电压为4.08V，可认为是高电平，满足Y于~W电平状态相反的条件。

由于此时~W端为高电平，蜂鸣器发出报警时，满足输入为低电平时报警的条件。

对于其余7路通道的检测，方法亦如此，只有改变输入地址即可。

最终检测结果是该部分电路满足设计的要求。

5.5窗口电压比较器电路的测试

在确保电路已上电的情况下，调节其上下限调节电位器，使得该电路有两个不同的电压阈值，同时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。

观察其输出端的电压是否满足“低电平——高电平——低电平”的变化规律。

若满足，则设计符合要求；否则，不满足要求。

具体的实物电路及检测过程如下图所示。

图16电压比较器电路实物图

图17窗口电压比较器的上下限电压测量

从图17可以看出电压比较器的上限电压为3.43V，下限为2.44V，即当输入电压值小于2.44V或大于3.43V时，输出为低电平；当输入电压值在2.44V~3.43V之间时，输出为高电平。

下面的来验证该电路是否满足这样的输入输出规律。

图18电压比较器的输入及对应的输出

从图18可以看出当输入电压为2.36V时，输出电压为0.01V，认为是低电平。

满足当输入电压值小于2.44V时，输出为低电平的规律。

图19电压比较器的输入及对应的输出

从图19可以看出当输入电压为3.19V时，输出电压为4.75V，认为是高电平。

满足当输入电压值在2.44V~3.43V之间时，输出为高电平的规律。

图20电压比较器的输入及对应的输出

从图20可以看出当输入电压为3.74V时，输出电压为0.01V，认为是低电平。

满足当输入电压值大于3.43V时，输出为低电平的规律。

综合上面的测试过程，可以得知当输入电压值从小于下限值增大到大于上限值的的过程中，其输出端的电压满足“低电平——高电平——低电平”的变化规律。

即该窗口电压比较器的设计满足题目要求。

5.6温度传感器电路的测